微型桩轻型挡墙在边坡滑塌治理中的应用

欧 煜

(湖南化工地质工程勘察院有限责任公司,湖南 长沙 430100)

在边坡支挡工程设计和施工中,经常会遇到地基承载力不足、支护空间狭小、周边环境复杂等特殊工况,传统挡土墙往往无法正常实施。为了解决特殊条件下边坡支挡工程结构选型的问题,诸多学者在挡土墙的开发、研究等方面做了很多创新性工作。葛帆[1]针对深厚填土地基中地基承载能力不足的缺陷,提出采用空箱型挡土墙结构,解决了实际工程问题,节省了造价。邵先锋等[2]提出一种新型剁式挡土墙,在上级与下级挡土墙中间设置支墩,提高了挡土墙抗侧向变形及整体稳定性。周根郯[3]对传统扶壁式挡土墙进行了改良,解决路基面宽度不足的问题,其既具有挡土作用,又可跨越障碍物。刘曙光[4]等提出了一种叠合型装配式挡土墙,其具有整体性,连接可靠,抗裂性能好,值得推广应用。

综上可以看出,前人的研究均是在传统挡土墙,如重力式挡墙、扶壁式挡土墙、悬臂式挡墙等的基础上进行二次开发研究并应用,能够较好地解决当下某些具体工程难题。但通过分析我们发现这些支挡结构存在圬工体积较大,施工工序较复杂,工期较长,需借助大型机械设备施工等问题。尤其当周边环境复杂,既有边坡发生滑塌需应急治理时,往往由于工期紧迫,且支挡空间受限,导致上述支挡结构无法顺利实施。因此,亟需开发一种施工简便、快速、灵活,且施工过程对周边环境影响较小的支挡结构。

本文提出一种新型挡墙,即微型桩轻型挡墙,其应用于工程实例中能够有效解决上述问题,并取得较好的经济效益和社会效益。

微型桩轻型挡墙典型剖面如图1所示。微型桩轻型挡墙将钻孔注浆微型桩与圬工体相结合,形成复合支护结构,主要由微型桩、砼面板、注浆锚杆、加强筋等组成,具体为:

图1 微型桩轻型挡墙典型剖面Fig.1 Design section of the light-type retaining wall with micropiles

1)钻孔注浆微型桩

钻孔注浆微型桩一般采用小型钻机成孔并注浆,钻孔孔径48～300 mm,施工快速、简便。微型桩作为整个支护结构的基础,其截面形式、排数根据实际情况可灵活多变,一方面为支护结构提供竖向承载力,且不受地层限制;另一方面提供较好的抗弯、抗剪能力。

2)砼面板

砼面板采用现浇形式,面板直接挡土,主要对地面以上微型桩等结构进行包裹,从而实现对支护体系的有效联结及保护。面板可根据需要设置泄水孔。

3)注浆锚杆

锚杆主要起限制支护结构位移并提供抗倾覆弯矩的作用,根据实际需要采用。当支护高度较高,微型桩本身抗弯刚度无法满足要求,或对变形控制要求较高时,可在面板上部设置1～2排锚杆(索),从而较大程度提高支护结构刚度及强度。当支护结构高度较低,且微型桩抗弯、抗剪及变形满足要求时,可不设置锚杆。

4)加强筋

加强筋主要通过焊接设置在微型桩顶部及中部,一般间距为0.5～1.0 m,可采用螺纹钢筋、槽钢等其他截面形式钢材,主要将多根微型桩有效地联结成整体。

与传统挡墙相比,微型桩轻型挡墙能够充分利用微型桩提供的抗弯、抗剪能力,大大减小圬工体积;在提高施工速度等方面的优势明显,同时具备布置灵活,施工简便、造价低等特点,尤其适用于施工场地狭小,需快速施工的抢险工程等项目。

钢管微型桩作为一种较新的支护结构,具有对土层适用性强,布置灵活,施工时对周围建筑影响小等特点,在基坑支护工程、房屋加固工程、古建筑加固纠偏、边坡支护等领域优势明显,均得到了广泛应用。

国外对钢管微型桩研究起步较早,已有成功的应用案例,如美国北卡罗来纳州某河沿岸的滑坡治理案例中使用了锚锭微型钢管桩挡墙的技术[13],科罗拉多州成功应用微型钢管桩进行临时支护工程[14]。近年以来,国内学者对钢管微型桩[5-12]加固的受力机理及工作性能开展了比较丰富的研究。

当钢管微型桩作为边坡支挡结构时主要发挥其侧向抗弯、抗剪性能,主要设计计算方法包括:悬臂桩法、地基系数法等。笔者基于前人的研究成果,总结得到微型桩的验算包括地基土强度校核、微型桩抗弯能力校核、微型桩抗剪能力校核,具体如下:

1)地基土强度校核

微型桩嵌入岩土层深度应根据地基的横向承载力特征值确定,计算公式为

式中:φ为地基土内摩擦角,°;γ为地基土容重,kN/m3;h为地面至计算点距离,m;c为地基土黏聚力,kPa。

2)微型桩抗弯能力校核

将微型桩简化为受均布荷载的悬臂梁,则单根桩发生弯曲变形时所能提供的最大抗力为

式中:E为微型桩弹性模量,MPa;I为微型桩截面惯性矩,m4;δ为桩顶位移限制量,mm;H为微型桩受弯段长度,m。

3)微型桩抗剪能力校核

微型桩桩体抗剪力计算公式为

R=A1τ1+A2τ2

式中:A1为微型桩净截面积,mm2;τ1为微型桩抗剪强度设计值,MPa;A2为浆体净截面积,mm2;τ2为浆体抗剪强度设计值,MPa。

3.1 工程概况

拟治理边坡位于珠海市井岸镇,该处原为一浆砌片石挡墙,高约5.0 m,墙面近垂直。墙顶靠近居民自建民房,墙脚紧邻内部出行要道。由于墙体年久失修,受2019年当地强台风暴雨天气影响,挡土墙边坡东西走向与南北走向交界位置发生滑塌,长度约12.0 m;墙顶地坪发生不同程度下沉开裂,如图2所示。

图2 边坡滑塌现场Fig.2 The site of the slope sliding

边坡滑塌,可能会危及坡顶既有建筑稳定以及严重影响当地居民出行安全,必须进行相关治理。事故发生后,当地应急管理部门立即启动应急预案,并根据地质灾害治理相关程序开展相关灾害处置工作。

3.2 地层概况

2)砾质黏性土(Qdl+el、层号②):灰褐色、黄褐色,为花岗岩风化坡残积土,成分主要由黏土、石英砂砾及长石碎屑组成,石英砂砾含量为 20%～30%,表层夹较多植物根系及腐殖质,夹片块石,呈松散状,干燥-稍湿,硬塑,土体性质一般不均匀,结构较松散。

3.3 治理方案

3.3.1重点和难点

本边坡治理的重点和难点:一是周边环境复杂,坡顶靠近既有民宅,坡脚紧邻出行要道,空间狭小,不具备大型机械设备施工条件,且施工危险性较高;二是能提供给支护结构的占用的水平距离仅约0.5 m,无法修建高大支挡结构;三是边坡治理施工必须快速,从而最大化降低社会负面效应。

3.3.2方案比选

填方边坡一般采用挡墙支挡。常用的挡土墙形式主要包括重力式挡墙、扶壁式挡墙、悬臂式挡墙、桩板式挡墙等。这些支挡结构圬工体积较大,不仅需要借助大型机械设备对坡体进行二次开挖,而且需要开挖基础,工期较慢,施工过程中产生的风险及其对周边环境的影响较大。而本段边坡坡顶靠近既有民房,坡脚紧邻出行要道,不具备大型机械设备施工条件。此外,受空间限制,边坡治理只能采用轻型支挡结构。

综上,针对本项目特点,需要一种施工简便、快速、安全,占地空间小,结构牢固的支挡结构,而传统的重力式挡墙、扶壁式挡墙、悬臂式挡墙、桩板式挡墙均无法满足边坡治理的要求。经过论证比选,选定微型桩轻型挡墙。

3.3.3设计参数

通过设计计算,最终确定设置1排I12工字型钢,桩长12.0 m,桩间距0.5 m。桩身悬臂段通过焊接设置3排[20a槽钢联结,外侧浇筑300 mm厚混凝土面板进行包裹。桩顶以下1.5 m位置设置1排直径25 mm注浆锚杆,间距2.0 m,锚杆端部与槽钢焊接固定。桩身嵌固段采用地质钻机成孔,孔径200 mm,孔内灌注M30水泥砂浆,采用孔底返浆法进行施工。此外,桩身嵌固段需焊接支架,保证微型桩混凝土保护层厚度不小于4 cm。

支护结构剖面设计图及平面设计图分别如图3、图4所示。

图3 支护结构剖面设计图Fig.3 Design section of the structure

图4 支护结构平面布置图Fig.4 Plan layout of the structure

3.4 治理效果

治理方案确定后,立即开展了抢险施工,并在最短时间内完成了全部内容。施工工序:坡面清理→测量放线→滑塌坡面注浆锚杆预加固施工→微型桩钻孔施工→微型桩下料及注浆施工→悬臂段槽钢焊接施工→砼面板浇筑施工及养护→墙背回填施工→其他附属设施施工。图5为治理完工后的整体效果图。由图5可见,支护结构基本恢复了原边坡重力式挡土墙的功能,占地空间更小。在经历了2个雨季后,边坡整体安全稳定,表明微型桩轻型挡墙在治理此类边坡是可行的。

图5 治理后效果Fig.5 The site after treatment

有限单元法对一些复杂结构的处理比较方便,如各种不同边界条件、荷载条件、岩土性状、岩土界面等。因此,为了更好地对微型桩轻型挡墙支护结构内力、变形及工作性状进行研究,本文采用岩土工程有限元分析软件Plaxis建立上述工程实例典型设计剖面的二维有限元模型,并对实际施工过程进行有限元数值模拟计算,主要过程如下。

4.1 有限元模型建立及计算参数选取

土层的强度参数值取自该工程的地质勘探报告,本构模型采用M-C模型,地面超载取20 kPa。

采用软件自带的板单元分别模拟微型桩及注浆锚杆。微型桩及锚杆均视作弹性构件,在相应的接触面上设置界面单元模拟结构与土的相互作用。土层与支护结构的界面强度折减因子Rinter取为0.67,即相应土层抗剪强度指标的2/3。模型边界条件为:两侧均为无水平位移,底边完全固定。

根据以上原则建立有限元计算模型,如图6所示。岩土及支护结构参数分别如表1、表2所示。

表1 岩土参数Tab.1 Parameters of soils

表2 支护结构参数Tab.2 Parameters of retaining structures

图6 有限元计算模型Fig.6 Finite element model

4.2 计算结果分析

4.2.1水平位移分析

图7是支护结构周边地层水平位移分布。从图7可以看出:地层中水平位移最大值出现在坡体中下部靠近临空面位置,最大值约35.5 mm。图8是微型桩水平位移分布。从图8可以看出:微型桩产生的水平位移呈近似“凸肚”型分布,顶部受锚杆约束,位移较小,最大水平位移发生在靠近桩悬臂段中部位置;桩嵌固段水平位移衰减较快,桩端水平位移最小值约15.0 mm。

图7 地层位移分布Fig.7 The displacement distribution in the soils

图8 微型桩水平位移分布Fig.8 The horizontal displacement distribution of the micropiles

需指出的是,本项目边坡支护结构平面呈“L”型分布,计算时未考虑加强筋的联结效应,以及两侧支护结构对彼此形成相互约束效应,造成计算位移较实际发生位移偏大。因此,位移计算结果是偏于安全的。但实际工程中若遇到某一侧支护边长较大,建议在悬臂段中下部设置锚杆控制位移。

4.2.2微型桩内力分析

微型桩桩身弯矩及剪力分布如图9所示。从图9可以看出:与位移分布图类似,微型桩桩身弯矩仍呈“凸肚”型分布,最大弯矩出现在桩悬臂段中部偏下位置,最大值约60 kN。而微型桩剪力在受荷段变化较大,锚杆作用位置存在突变,嵌固段剪力迅速衰减;最大剪力出现在地面位置附近,极值为40.3 kN/m;剪力为0时,弯矩有极值,符合理论规律。

图9 微型桩内力分布Fig.9 The internal forces distribution of the micropiles

与2节理论值相比,弯矩数值计算结果较理论值偏大约18%,而剪力数值计算结果远小于理论值。究其原因,主要是数值模拟计算未考虑桩身加强筋的联结效应,以及两侧支护结构对彼此形成相互约束效应,导致计算得到位移及桩身弯矩值偏大。同时,表明该支护结构破坏模式可能主要为微型桩抗弯能力达到极限而引起的倾覆破坏,一般不会发生桩身剪切破坏。

4.2.3微型桩受土压力分析

图10是微型桩受主、被动土压力分布。从图10可以看出:桩侧的主、被动土压力均呈近似直线分布,从上至下逐渐增大。嵌固段主动土压力与被动土压力近似相等,主动土压力最大值为104.0 kPa,被动土压力的最大值为100.0 kPa。

图10 微型桩受土压力分布Fig.10 The distribution of earth pressures acting on the micropiles

4.3 设计参数优化分析

综合上述分析,微型桩抗弯能力和锚杆对支护结构整体安全稳定的影响较大,因此有必要对其设计参数进行优化分析。本文采用数值模拟分析的方法,对微型桩轻型挡墙支护结构进行有限元模拟,从控制支挡结构水平位移的角度为其优化设计提供相关依据。

4.3.1微型桩刚度

为考察微型桩刚度对支护结构安全稳定的影响,设置多组微型桩的刚度参数(0.5倍、1.0倍、1.5倍、2.0倍),其余参数保持一致,得到各组参数下微型桩水平位移分布曲线,如图11所示。

图11 微型桩水平位移随桩刚度变化曲线Fig.11 The horizontal displacement distribution of the micropiles with different stiffness

从图11可以看出:微型桩刚度参数对位移影响主要体现在桩身悬臂段。0.5倍刚度参数工况下,桩身悬臂段水平位移急剧增大,呈折线形分布,且不可控;最大位移出现在桩顶位置,此时微型桩很可能由于抗弯刚度不足,悬臂段发生折断破坏,整个支护结构倾覆。而在1.0倍、1.5倍、2.0倍刚度参数3种工况下,微型桩水平位移变化趋势类似,均呈“凸肚”型分布,最大值均发生在悬臂段中部偏下位置,且沿深度方向数值上差异不大,且均可控。

因此,微型桩刚度参数对支护结构水平位移影响明显,过小的刚度容易引起支护结构发生变形过大导致的失稳破坏,而一味增大刚度值并不会显著改变位移分布规律及位移大小。在生产实践中,需加强计算与比选,以选取最合理的型钢截面形式。

4.3.2桩身锚杆

为研究锚杆设计数量对支护结构安全稳定的影响,本次设置3种不同工况,即不设置锚杆、设置1排锚杆和设置2排锚杆,得到不同工况条件下桩身位移分布曲线,如图12所示。锚杆具体参数见表2。

图12 微型桩水平位移随锚杆数量变化曲线Fig.12 The horizontal displacement distribution of the micropiles with different number of anchors

从图12可以看出:锚杆排数主要影响微型桩桩身悬臂段水平位移分布规律,而嵌固段位移分布基本不受影响。当不设置锚杆时,桩身水平位移呈折线形分布,最大值发生在桩顶,且不可控。当桩顶位置设置1排锚杆时,水平位移迅速收敛,受锚杆约束作用呈“凸肚”型分布。当设置2排锚杆时,位移分布规律与1排锚杆类似,但数值进一步减小,减小幅度不明显。

工程实践表明,对于此类支护结构,当支护高度在5.0 m左右时,建议在桩身设置1排锚杆便可较好限制桩身水平位移。当支护高度进一步增加时,则需根据实际情况适当增加锚杆数量或调整锚杆间距。

本文提出了一种微型桩轻型挡墙结构,其在边坡治理工程中具备安全可靠、结构型式灵活多变、圬工体积小、施工速度快以及经济性好等优点。采用有限元数值计算方法,对支护结构位移、微型桩内力、桩侧土压力分布等规律进行分析,并结合工程实例,得出以下结论:

1)微型桩轻型挡墙具备布置灵活,施工简便、造价低等特点,特别适用于周边环境复杂,且需快速施工的抢险工程等项目。

2)微型桩轻型挡墙工作机理为:墙背土压力首先作用于面板,然后传递给微型桩及桩身锚杆,两者协同作用,共同抵抗墙背水平土压力。其破坏模式可能为:微型桩复合支护结构抗弯能力达到极限值而导致整体倾覆破坏。

3)微型桩桩身水平位移及弯矩均呈“凸肚”型分布,最大值出现在桩悬臂段中部位置附近。剪力值在受荷段变化较大,且在锚杆作用位置存在突变,最大值出现在地面附近。弯矩与剪力值在嵌固段均迅速衰减至最小值。

4)设计参数优化分析结果表明:微型桩刚度对桩身悬臂段水平位移影响明显,但一味增大刚度并不会显著减小水平位移值。桩身嵌固段水平位移分布规律受刚度影响小。桩身锚杆对水平位移影响较大,当不设置锚杆时,桩身水平位移呈近似折线形分布,最大位移出现在桩顶位置。

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