微型樁群加固路基邊坡的穩(wěn)定性及效果研究

苗琨明，扈少華

(山東華遠公路勘察設計有限公司，山東 濰坊 261061)

1 微型樁分類及加固邊坡機理

1.1 微型樁類型

微型樁指的是直徑較小(70～300 mm)的鉆孔灌注樁。微型樁技術(shù)起初是用于加固建筑物基礎，但隨著鉆探工藝的進步，微型樁技術(shù)也開始在在公路或是鐵路路基邊坡加固中應用。微型樁的布設方式豐富，可與路基邊坡滑動面垂直、正斜、反斜、交叉等，排數(shù)一般是2～5排，呈梅花型布置，還可以根據(jù)路基邊坡實際情況，在樁孔鉆探完成后布置鋼管、型鋼等，以改善灌漿粘結(jié)力。微型樁分類可參考表1。

表1 微型樁劃分條件及類型

1.2 微型樁加固機理

微型樁加固路基邊坡后，樁體會產(chǎn)生位移或變形來抵抗巖土體滑動，此時樁后土壓力計算十分復雜，需要考慮微型樁和巖土體間的相互作用。路基邊坡失穩(wěn)階段，潛在滑動面附近的滑坡推力是最大的，滑坡推力作用在微型樁后，樁體嵌固段發(fā)生撓曲變形，樁前滑體抗力呈中間大兩側(cè)小分布。

微型樁加固路基邊坡的機理主要體現(xiàn)在兩個方面：(1)微型樁與土體形成樁-土復合結(jié)構(gòu)，共同承擔外荷載，使得原土體的抗剪強度、剛度等大幅提高，有效地限制了邊坡的變形，提高了邊坡安全系數(shù)；(2)微型樁自身具有良好的抗彎作用，且大多都是成群布置，與懸臂抗滑樁加固機理類似，能有效抵抗邊坡下滑。

2 微型樁加固邊坡穩(wěn)定性分析方法

微型樁加固邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有定性分析和定量分析兩大類，前者包括圖解法、自然歷史分析法、SMR法等，后者包括簡化Bishop法、強度折減法、有限元分析法等。

2.1 邊坡穩(wěn)定性定性分析

(1)圖解法

圖解法分析路基邊坡穩(wěn)定性是基于赤平投影圖、摩擦圓等，并結(jié)合相關邊坡的設計及施工經(jīng)驗，得到邊坡主要結(jié)構(gòu)面和次要結(jié)構(gòu)面，從而推測出邊坡滑體范圍、可能滑動方向等。

(2)自然歷史分析方法

該方法要求工程人員先對路基邊坡所在區(qū)域的地質(zhì)情況進行詳細勘探，初步判斷可能影響邊坡安全性的因素，并對邊坡在未來一段時間的發(fā)展趨勢展開分析。

(3)SMR法

SMR法主要用于巖質(zhì)路基邊坡的穩(wěn)定性計算，該方法是利用邊坡滑體的質(zhì)量參數(shù)來分析其穩(wěn)定性，不考慮地應力、坡高等對邊坡安全性的干擾，精確度有待提升。

2.2 邊坡穩(wěn)定性定量分析

(1)簡化畢肖普法原理

簡化Bishop法是《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30-2015)中推薦的邊坡穩(wěn)定性分析方法，屬于剛體極限平衡法的范疇。簡化Bishop法將滑坡體劃分成n個寬度相同的垂直條塊，并假設各條塊間只存在水平條間力、豎向條間力等于0，且滑體力矩平衡，如圖1所示。計算時以滑動圓弧的圓心為力矩中心點，得到抗滑力矩與下滑力矩的比值即為邊坡安全系數(shù)，公式如下

式中：Wi為第i條條塊的重力，kPa；bi為第i條條塊的寬度，m；ci為滑面粘聚力，kPa；φi為滑面內(nèi)摩擦角，°；αi為圓弧底面傾角，°；ui為孔隙水壓力，kPa。

圖1 簡化畢肖普法條塊劃分

(2)強度折減法

應用強度折減法來計算路基邊坡穩(wěn)定性時，需事先假定一個折減系數(shù)F，用邊坡巖土體的抗剪強度參數(shù)來除以折減系數(shù)F，得到新的粘聚力和抗剪強度指標，作為新的邊坡材料參數(shù)參與穩(wěn)定性計算，直到邊坡計算不收斂。此時的折減系數(shù)F就是邊坡的安全系數(shù)。

(3)有限元分析法

隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值計算法在巖土計算領域地應用日益普遍，一般包括有限元法、有限差分法、離散元法、邊界元法、流形元法等，其中有限元法的應用范圍最廣。有限元法用于分析路基邊坡穩(wěn)定性時，可以將邊坡安全系數(shù)與滑動面位移、應力、塑性區(qū)等參數(shù)聯(lián)系起來，能更好地分析路基邊坡失穩(wěn)變形機制。有限元法計算邊坡穩(wěn)定性的關鍵是確定其臨界破壞狀態(tài)，主要判據(jù)有三種：邊坡模型節(jié)點最大水平位移達到某值、迭代計算不收斂、出現(xiàn)貫通的塑性區(qū)。

3 微型樁加固邊坡效果評價

3.1 工程概況

以某公路項目為研究對象，采用Midas/GTS建立有限元模型來分析路基邊坡在微型樁加固前后的穩(wěn)定性。該公路全長24.5 km，起訖樁號為K8+260～K32+760，地質(zhì)條件較復雜，沿線出現(xiàn)了大量邊坡。路基邊坡安全系數(shù)計算選擇K22+138斷面，該邊坡最大高度33.8 m，分四級進行開挖，每級邊坡控制坡高為10 m，各平臺寬均2 m。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，場區(qū)處于相對較穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境，地層分布較連續(xù)，無地震作用下的可液化地層，場地土屬中硬土。根據(jù)設計資料及相關巖土試驗可知，該高邊坡巖土體分為兩層，從上至下分別為強風化板巖和中風化板巖。

3.2 微型樁加固邊坡模型建立

Midas/GTS計算邊坡安全系數(shù)步驟如下：cad建立模型→導入dxf文件至midas→分割模型→定義材料→材料屬性賦值→網(wǎng)格劃分→施加模型約束→初始地應力平衡→計算邊坡穩(wěn)定性→輸出結(jié)果，其中關鍵步驟就是模型建立和網(wǎng)格劃分。

網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格數(shù)量對模型計算結(jié)果和計算效率影響較大。在綜合考慮邊坡安全系數(shù)計算精度和計算機運算速度的基礎上，利用軟件中內(nèi)置的二維實體單位對邊坡巖土體進行網(wǎng)格劃分，其中邊坡坡面2 m范圍內(nèi)網(wǎng)格進行加密處理，網(wǎng)格控制尺寸取0.5 m，其它部位網(wǎng)格尺寸取1 m；微型樁采用桿單元來模擬，網(wǎng)格尺寸取0.5 m；模型共劃分出3 258個單元，4 452節(jié)點。

3.3 微型樁加固邊坡安全系數(shù)計算結(jié)果

采用Midas/GTS軟件對微型樁加固前邊坡的安全系數(shù)計算時考慮了兩種工況。正常工況Ⅰ：邊坡處于天然狀態(tài)；非正常工況Ⅱ：邊坡處于暴雨或連續(xù)降雨狀態(tài)，降雨強度取20 mm/h，安全系數(shù)計算結(jié)果見表2。

表2 微型樁加固前后邊坡安全系數(shù)

由表2可知：路基邊坡加固之前，Midas/GTS計算出的安全系數(shù)為1.24。但是，隨著降雨歷時的增加，邊坡安全系數(shù)不斷減小，安全系數(shù)迅速從1.09降低至0.98，降低幅度為10.1%。此時邊坡安全系數(shù)<1，失穩(wěn)可能性較大。這是因為隨著降雨時間的增加，滲入邊坡內(nèi)部的雨水量越多，邊坡巖土體抗剪強度參數(shù)減小，從而導致邊坡安全系數(shù)降低。

微型樁加固邊坡之后，無論是正常工況Ⅰ或非正常工況Ⅱ，其安全系數(shù)均有明顯提高，提高幅度分別為17.4%、24.4%，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。這說明，微型樁在路基邊坡中的加固效果良好。

4 結(jié) 語

分析了微型樁類型、加固機理及邊坡安全性計算方法，并利用有限元法對微型樁加固效果進行評價，主要得到以下結(jié)論：(1)微型樁種類多樣，可按配筋材料、樁頂連接形式、注漿工藝等分類，其加固邊坡的機理主要是依靠微型樁與土體形成樁-土復合結(jié)構(gòu)及其自身良好的抗彎作用。(2)微型樁加固邊坡穩(wěn)定性分析方法主要有圖解法、自然歷史分析法、SMR法、簡化Bishop法、強度折減法、有限元分析法等。(3)微型樁能明顯提升路基邊坡在天然狀態(tài)和降雨狀態(tài)下的安全系數(shù)，建議工程中推廣應用。