微型桩在膨胀土滑坡治理中的应用

中图分类号： O434 文献标识码： A

1.概述

膨胀土是颗粒高分散、成分以黏土矿物为主、对环境的湿热变化敏感的高塑性黏土。它是一种吸水膨胀、失水收缩的特殊土。

膨胀土滑坡由于其土体自身的胀缩性、裂隙性以及超固结性，导致了坡体常发生突然性的垮塌，在暴雨状态下引发泥石流等自然灾害，常给工农业生产以及人民生命财产造成巨大损失、有的甚至是毁灭性的灾难。

经过多年的工程实践和理论研究，治理膨胀土滑坡，必须确定“宜挡不宜清，宜排不宜堵”的整治原则，采用以挡为主，排、截、支、护等相结合的综合整治方案，同时坚持“以防为主，及早根治”的治理方针。目前所采用的工程措施，归纳起来，大致包括四个方面：一是排水，二是支挡，三是清方卸载，四是改良土质。

目前国内外在滑坡防治中支挡抗滑结构的发展应用尤为迅速，大、小型普通抗滑桩、预应力锚索抗滑桩、预应力锚索地梁 (包括单梁和框架梁)等新型桩锚结构已在工程实践中大量应用，并初步形成了较为成熟的计算理论与施工方法。

将微型桩用于滑坡加固是一种较新的技术，微型桩一般指桩径在90-300mm，长细比较大(一般大于30)，采用钻孔、强配筋和压力注浆工艺施工的灌注桩，它具有对滑体扰动小、施工机具小、适用于狭窄的施工作业区且完全避免了过多的开挖对环境造成的破坏、桩位布置灵活、对土层适用性强，施工方便快速的特点。因此近些年来，在滑坡治理工程中也开始尝试采用，特别是在抢险、救灾、应急工程以及地形陡峻、覆盖土层较厚的山区公路、铁路斜坡段。

2.微型桩的概念以及特点分析

2.1微型桩的概念

微型桩是指桩经小于300mm,通常长细比大于30,采用钻孔、压力注浆工艺施工的小直径插入桩或灌注桩的统称。

2.2微型桩的特点

微型桩的特点大致可分以下几个方面：

1、因微型桩桩孔小，故施工机械简单，施工非常迅速，普通钻机甚至人工就能成孔。

2、微型桩的特性决定了它可以在地质环境比较恶劣的情况下施工并达到预期的目标，因微型桩主要的受力部分为钢筋，故有效的压力注浆可以很好的保护到钢筋不被腐蚀，最终起到治理工程的成功。

3、由于微型桩的长细比较大，因此它的布置方式可以很灵活，根据实际情况可以直立也可以倾斜布置。

4、微型桩由于其桩顶的联系梁作用，使微型桩形成一个完整的网状钢架，很大的提高了其体系的抗弯能力，进一步使其能更好的发挥抗剪能力强的优势。

3.微型桩在滑坡治理中的应用

在目前的滑坡治理工程中,微型桩既可以单独治理滑坡,与其他多种治理技术相结合对某些条件复杂的滑坡治理往往收到意想不到的效果,主要有以下几种常见的组合方式见表1-1。

表1-1 常见的微型桩组合形式

组合形式 布置形式 优点 适用对象

与普通抗滑桩结合 在普通抗滑桩底部设置微型桩，使其锚固在稳定的岩土层中 增加抗滑桩的稳定性,同时克服了普通抗滑桩不便施工的缺点 适用于一切滑坡

与重力式挡墙结合 微型桩群竖直向设置,上部与挡墙砌体联结,下部锚固在稳定的地层中 增强了挡墙的抗滑、抗倾覆能力,另外施工中对滑坡扰动小 适用于中小型浅层滑坡和正在滑动中的滑坡

与预应力锚索结合 在微型桩桩顶联系梁上使用锚索结构 能克服普通微型桩的一些缺陷,加固效果更加显著 适用于工作空间受限，地质环境差的滑坡

与压力注浆结合 对于微型钢管桩,钻孔后下入钢花管进行压力注浆 对滑坡岩土体自身的抗滑性能进行改良，便于施工 适用于一切滑坡

4微型桩加固技术优化设计

微型桩在滑坡治理领域应用的前景是十分光明的,但由于目前理论研究的相对滞后,再加上桩土相互作用的机制也十分复杂,因此关于微型桩的设计计算理论目前还不太完善,大部分情况下微型桩的设计参数都是根据条件近似或经验获得。如何最大限度的发挥微型桩的抗倾覆能力和抗弯能力是微型桩加固边坡设计中的重点。

4.1微型桩支护体系设计的一般步骤

微型桩设计一般都建立在一定假设条件的基础上的,就是微型桩是作为一个系统进行加固工作的,它发挥加固作用的前提是考虑排列桩的整体作用,并非单独分析计算;就其破坏机理而言,我们以整体体系（结构）失稳为标准来衡量其结构面是否处于破坏,由于桩间土拱效应的存在,当桩周土体发生塑性变形时我们认为桩间土拱失效,丧失了其结构作用,最后是被加固土体临界滑动。

我们可以由上述的机理确定微型桩的桩间距、确定微型桩体系中桩的数目以及相对应的排间距。结合以往类似工程设计经验,微型桩设计大可分为以下几大程序:

①首先是了解工程所在地的实际地质水文情况,通过前期的勘察及地质报告,要对现场滑坡情况有个大致了解,譬如滑坡类型、范围、规模、滑面深度及周边地质地貌等多方面内容。判断最优最合理的支护方案。

②判断滑坡的自然状况和发展趋势根据地勘报告计算大致的滑坡推力。根据土体类型估算比较合理的桩间距,相邻微型桩之间的岩土体塑性变形稳定性是基于水平推力和极限抗力的相互比较而得到的,另外在计算岩土体塑性变形的同时还得考虑桩后土拱的极限承载力,土体下滑的抗力是由基于桩后的土拱效应提供。

③根据现有的设计参数对微型桩体系的抗滑稳定性进行验算,在得到布置区域内的微型桩数量后,对比作用于微型桩结构上的滑坡推力和抗滑力是否满足设计要求。

④假设微型桩与桩间的岩土体为一个整体作用,基于上述假设确定微型桩的排间距,并对复合截面的内力进行计算,验算其每一部分的最大正应力。

⑤确定微型桩嵌入滑面以下的长度及钢管与桩顶锁口梁的连接长度,最终确定合理的微型桩桩长。

4.2工程实际算例

位于陕南汉中市勉县某地的滑坡治理工程点,经过初步勘察,坡体滑动面最深处位于坡面下大概6米处,初步计算认为滑坡推力N=268.5KN,布桩处M=1255.2KN,计算基准面的地基土承载力设计值为f=250KPa。

由于施工条件限制,初步计划采用微型桩加固滑坡治理该滑坡隐患。现以比较常见的工程材料:D=83×5mm无缝钢管,标号为M25的水泥为例来设计,治理该滑坡微型桩的布设方案。

经过初步设计桩距1.5m,,排距1.4m,锚固段长度3m,梅花形布置,共布置3排,桩顶设置混凝土冠梁。微型钢桩直径150mm,内插1D=83×5mm的热轧无缝钢管,孔内注入M25的水泥砂浆液,微型桩结构设计简图如图1.1、1.2所示

图1.1 微型钢管组合桩受力图图1.2计算基准面示意图

l)竖直方向应力计算

钢管微型桩截面面积,钢管截面积

单根微型桩的等效面积：

微型桩群在计算基准面处的等效面积是:

微型桩体系在滑动基准面等效截面惯性距为:

式中S为基准面之内计算宽度范围内微型桩的数量;M为钢筋与水泥砂浆的弹模比，在这个项目中我们取值m=15;N是桩与桩周土的弹性模量之比通常取值n=200。

由上述三式计算滑动面处微型桩能承受的的最大压应力为:

式中y是基于计算基准面的中和轴至基准而边缘处的距离,单位cm。

2)砂浆及钢筋设计承受能力

水泥砂浆设计承载力:

无缝钢管的设计承载力:

3)微型桩的设计长度

微型桩的设计长度主要包括计算基准面以上的桩长和计算基准面以下的桩的要长度两部分:

=

结合滑面位于坡面下6m处,因此微型桩总长为:

=+=6+3=9m

4)支护体系抗滑稳定性验算

,

>

满足设计安全要求。

5.结语

虽然微型桩在治理滑坡的工程实践中已经得到广泛应用，但是微型桩的理论体系研究还待于进一步的提高。比如微型桩的桩周土体的加固一方面是靠适宜的桩间距、排间距达到一个提高桩周土相互作用的效果;另一方面,对注浆效果对桩周土体的研究或在整个支护体系中发挥的效果没有深入研究,如果开展这方面研究能对微型桩加固机理进行进一步完善。有助于今后对支护设计的完善,更完善的考虑注浆效果能更好的体现微型桩的经济效果。

作者简介：

1、封磊，西安工业大学建筑工程学院硕士研究生。

2、王建智，中国有色金属工业西安勘察设计研究院，教授级高工