張錄斌，王仁鵬，劉 劍

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州730010）

0 引 言

微型鋼管樁一般指樁體主要由壓力灌注的水泥（砂）漿或混凝土與鋼管組成的外徑小于300 mm，長(zhǎng)細(xì)比＞30的灌入式或插入式鋼管樁[1]。由于其施工快捷、安全、經(jīng)濟(jì)性好，在邊（滑）坡?lián)岆U(xiǎn)、應(yīng)急工程工具有廣泛應(yīng)用，并逐步在邊（滑）坡加固中作為永久支護(hù)結(jié)構(gòu)而得到應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外在微型樁組合結(jié)構(gòu)的室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、內(nèi)力及變形計(jì)算取得了較多研究成果，并形成了一定的計(jì)算方法。但是作為邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)，一直未形成共識(shí)，分歧主要表現(xiàn)在如何考慮樁-土相互作用下的復(fù)合承載理論[2]。鑒于微型鋼管抗滑樁支擋作用機(jī)理不明確，工程實(shí)踐中的設(shè)計(jì)方法和理論多依賴于經(jīng)驗(yàn)，或按現(xiàn)有樁基設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，阻礙了微型鋼管樁的推廣應(yīng)用。

1 等效法基本原理

等效法將微型鋼管組合抗滑樁群與巖土體視作一個(gè)柔性抗滑擋墻[3]，考慮整個(gè)結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。意大利一般把微型群樁按加強(qiáng)土體的抗剪性來(lái)考慮，而日本則將微型群樁視布置方式按受壓和受拉兩類加固方式考慮。首先初擬微型樁的布置，然后按布置方式按受拉加固或受壓加固進(jìn)行驗(yàn)算[4]。計(jì)算基準(zhǔn)面處的微型樁加固體的等效換算截面積及等效換算截面慣性矩，按照材料力學(xué)方法計(jì)算基準(zhǔn)面處微型樁加固體上作用的最大應(yīng)力。外部穩(wěn)定性（滑動(dòng)、傾覆和失穩(wěn)）可按常規(guī)的方法計(jì)算。其計(jì)算方法有兩種：其一是假定滑動(dòng)面不通過(guò)微型樁加固體；其二是按微型樁的抗剪力進(jìn)行計(jì)算，其內(nèi)部穩(wěn)定可通過(guò)一個(gè)假定面進(jìn)行計(jì)算[5]。

2 微型鋼管組合樁加固邊（滑）坡設(shè)計(jì)步驟

多排微型鋼管組合抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，目前尚未形成綜合考慮各種影響因素的統(tǒng)一設(shè)計(jì)方法。本文總結(jié)了基于等效法多排微型鋼管組合抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟[6]：

（1）查明滑坡體形成的原因、性質(zhì)、范圍、厚度、分析其穩(wěn)定狀態(tài)、發(fā)展趨勢(shì)；

（2）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)及施工條件等綜合確定微型鋼管樁的布設(shè)范圍和位置；

（3）根據(jù)地勘報(bào)告，合理確定滑坡地質(zhì)剖面、滑動(dòng)帶巖土體的抗剪強(qiáng)度、基巖情況等相關(guān)計(jì)算參數(shù)；

（4）根據(jù)滑坡地質(zhì)剖面及滑動(dòng)面巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，按傳遞系數(shù)法計(jì)算滑坡推力，根據(jù)樁前邊坡的穩(wěn)定性等最不利情況，確定是否考慮樁前邊坡支撐抗力；

（5）確定樁身材料及排數(shù)，初步選定樁徑、壁厚和樁間距，然后按照微型鋼管組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限承載力計(jì)算，若滑坡推力大于結(jié)構(gòu)極限抗力，則應(yīng)調(diào)整樁的截面尺寸或樁的間距，重新計(jì)算，直到計(jì)算的結(jié)構(gòu)極限抗力大于滑坡推力為止；

（6）按滑面抗剪計(jì)算微型鋼管樁的總數(shù)；

（7）按鋼筋混凝土梁或板設(shè)計(jì)樁頂連系梁；

（8）計(jì)算樁身內(nèi)力，若作用于地基的彈性應(yīng)力超過(guò)地層容許值或作用于微型鋼管樁材料上的應(yīng)力值超過(guò)其材料設(shè)計(jì)值時(shí)，則應(yīng)調(diào)整樁的截面尺寸或樁的間距，重新返回（5）計(jì)算，直到符合要求為止；

（9）計(jì)算微型鋼管樁錨固長(zhǎng)度，確定微型鋼管樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)；

（10）有需要時(shí)應(yīng)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析；

（11）根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算成果，繪制設(shè)計(jì)圖紙。

為節(jié)約篇幅，微型鋼管組合抗滑樁設(shè)計(jì)計(jì)算公式結(jié)合算例給出。

3 微型鋼管組合樁設(shè)計(jì)計(jì)算算例

某邊坡根據(jù)開(kāi)挖后揭露出的工程地質(zhì)條件，擬采用微型鋼管樁組合結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡滑體進(jìn)行加固?；嬉陨现饕獮榈谒南等陆y(tǒng)崩坡洪積層，地層主要為含角礫低液限黏土，角礫含量為30%～35%。巖土體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)表

滑體穩(wěn)定安全系數(shù)取Ks=1.25，按傳遞系數(shù)法計(jì)算滑坡推力為P=516 kN/m，與水平方向的夾角為35°，則剩余滑坡推力的水平方向的分力為Tx=516×cos35°=423 kN/m，豎向分力為Ty=516×sin35°=296 kN/m。

針對(duì)該邊坡施工平臺(tái)受限和滑動(dòng)面的實(shí)際情況，采用在第一級(jí)平臺(tái)上設(shè)置四排微型鋼管抗滑樁進(jìn)行加固。如圖1和圖2所示，鉆孔直徑D=200 mm，鋼管外徑d=127 mm，壁厚t=8 mm，樁中心間距D1=1.0 m，相鄰微型樁的距離D2=0.8 m，排間距按0.75 m布設(shè)，計(jì)算基準(zhǔn)面至滑面以上距離L=14 m，土體彈性模量Es=5000 000kPa，漿體材料彈性模量Ec=25 000 000kPa，鋼管彈性模量Eg=206 000 000 kPa。計(jì)算基準(zhǔn)面取b=1 m為計(jì)算單元，布置長(zhǎng)度h=2.3 m，每延米微型鋼管樁根數(shù)n=4根。

圖1 微型鋼管樁截面

（1）微型鋼管樁計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 微型鋼管組合抗滑樁等效法計(jì)算簡(jiǎn)圖

（2）結(jié)構(gòu)抗力計(jì)算按下列各式進(jìn)行。

式中：Rr為結(jié)構(gòu)極限抗力，kN；D1為樁中心間距，m；D2為相鄰微型鋼管樁的距離，m；L為計(jì)算基準(zhǔn)面至樁頂?shù)木嚯x，m，計(jì)算基準(zhǔn)面宜取通過(guò)抗滑擋墻中和軸與滑面交點(diǎn)的水平面；γ為滑體重度，kN/m3；Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)；c為滑體沿滑面上的黏聚力，kPa；φ為滑體沿滑面上的內(nèi)摩擦角，°；P為滑坡推力，kN。（3）沿滑面的抗剪計(jì)算

P=516 kN＜Rfa=877.184 5 kN，滿足要求。

式中：P為滑坡推力，kN；Rfa為微型鋼管組合抗滑群樁抗滑力，kN；n為每米微型鋼管樁數(shù)量，根；τfa為單樁容許抗剪強(qiáng)度，kN；βa為考慮鋼管彎曲影響的折減系數(shù)；Es、Et分別為土體及微型鋼管樁的彈性模量，kPa；[τg]為鋼管抗剪強(qiáng)度，kPa；Ag為鋼管橫截面積，m2。

（4）微型鋼管樁內(nèi)力計(jì)算

假定滑坡推力在受荷段按矩形分布，則：

式中：σR為計(jì)算基準(zhǔn)面處微型鋼管樁加固體上作用的最大壓應(yīng)力，kPa；Fa為計(jì)算基準(zhǔn)面處經(jīng)修正后地基承載力特征值，kPa；AR為計(jì)算基準(zhǔn)面處微型鋼管組合抗滑樁加固體的等效換算截面積，m2；IR為計(jì)算基準(zhǔn)面處微型鋼管樁加固體的等效截面慣性矩，m4；Ap為微型鋼管樁的等效換算截面積，m2；Ac為微型鋼管樁截面積，m2；n為計(jì)算基準(zhǔn)面內(nèi)包含的微型鋼管樁樁數(shù)，根；m1為樁與其周圍土的彈性模量比；m2為鋼管與砂漿的彈性模量比；b，h分別為微型鋼管樁布置的單位寬度及長(zhǎng)度，m；NR為計(jì)算基準(zhǔn)面上作用的垂直力，kN；MR為計(jì)算基準(zhǔn)面上作用的彎矩，kN·m；x為計(jì)算基準(zhǔn)面中和軸至各個(gè)微型鋼管樁的距離，m；y為計(jì)算基準(zhǔn)面中和軸至基準(zhǔn)面邊緣的距離為作用于砂漿上的壓應(yīng)力，kPa；σca為砂漿壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值，kPa；σsc為作用于鋼管上的壓應(yīng)力，kPa；f's為鋼管抗壓設(shè)計(jì)值，kPa。

（5）微型鋼管樁嵌固段長(zhǎng)度計(jì)算

式中：Lr為微型鋼管樁嵌固段長(zhǎng)度，m；Fb為微型鋼管樁抗拔安全系數(shù)，取2.5；D為微型鋼管樁直徑，m；τr為樁與巖土體的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kPa。

（6）微型鋼管樁設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)

微型鋼管樁樁長(zhǎng)La=L+Lr=16.598 7 m，設(shè)計(jì)時(shí)可按17m樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析了微型鋼管組合抗滑樁作為柔性抗滑擋墻的作用機(jī)理，基于等效法的基本原理，總結(jié)了微型鋼管組合抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟。結(jié)合某工程實(shí)例，給出了微型鋼管組合抗滑樁具體設(shè)計(jì)計(jì)算公式和計(jì)算內(nèi)容，可為類似工程的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考，有利于該支護(hù)結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用。