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鋼花管微型樁在路基邊坡加固防護中的應(yīng)用

文檔作者：孫祺華文檔來源：貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年12月13日
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公路交通技術(shù)2013年10月 第5期Technology of Highway and Transport Oct．2013 No．5
鋼花管微型樁在路基邊坡加固防護中的應(yīng)用
孫祺華
(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司，貴陽550001)
摘要：注漿鋼花管已廣泛應(yīng)用于邊坡加固防護中，但其工作原理、受力性狀和設(shè)計理論還很不完善，系統(tǒng)的理論研
究還遠遠滯后于工程應(yīng)用。闡述注漿鋼花管加固邊坡的優(yōu)點、防護機理、設(shè)計理念、計算過程，并通過工程實例驗證
其合理性，以為這種加固措施的使用提供參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：鋼花管；路基邊坡；加固防護；應(yīng)用
文章編號：1009—6477(2013)05—0017—04 中圖分類號：U416．1 4 文獻標識碼：B
Application of Steel Floral Tube Micropiles in Reinforcement and
Protection of Roadbed Slopes
SUN Qihua
注漿鋼花管加固邊坡技術(shù)是從小直徑鋼管排樁
發(fā)展而來的，其方法是：在小型鉆孔中布設(shè)帶有一定
規(guī)律孔口的鋼管，再向管內(nèi)高壓灌注水泥砂漿，并通
過鋼管的孔口向周圍土體滲透，以擠壓、劈裂和固結(jié)
等方式，形成鋼管混凝土鉆孔樁；成樁后在其樁頂部
澆筑聯(lián)系梁，并將各單個鋼管樁連成一個空間剛架
體系，使整個鋼花管樁和樁間巖土體作為整體結(jié)構(gòu)
來進行工作。這種樁型集中了鋼管樁和注漿的優(yōu)
點，把微型樁與注漿體結(jié)合在一起，將滑坡中一部分
滑動體加固成抗滑體來達到滑坡治理的目的。注漿
鋼花管防護形式適用于地形、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜條件下
的施工，具有設(shè)計布設(shè)靈活、施工簡便、穿透能力強、
樁徑小、截面的單位面積承載力高、工程造價較低等
優(yōu)點。
1 鋼花管微型樁的防護機理
1．1 注漿作用
鋼花管注漿加固指對邊坡土層或破碎帶進行壓
力注漿，改善其土體的力學(xué)性質(zhì)，從而達到提高抗剪
強度的目的。這種注漿有如下2個作用。
1)用壓漿泵、注漿管將水泥漿液均勻地注入土
體中，通過水泥中所含礦物與土體中的水、土分別發(fā)
生水解、水化反應(yīng)，以及團粒作用，將滑體和不動體
粘聚形成一個擴散的復(fù)合體，使地基抗變形能力增
加，可提高土體變形模量和粘聚力c及內(nèi)摩擦角 ，
收稿日期：2013—02—21
作者簡介：孫祺華(1983一)，男，貴州省德江縣人，碩士，工程師
從而改善滑面處土體的抗滑作用。
2)通過水泥漿體的充填、滲透和擠密，驅(qū)走土
顆粒間的水分和空氣并填充其位置，使土體密度加
大，孔隙減少，壓縮性和滲透系數(shù)減小，從而減少地
表水的滲入，提高滑體的穩(wěn)定性 J。
1．2 鋼管作用
1．2．1 抗剪作用
注漿鋼花管穿過軟弱滑裂面植入穩(wěn)定層，其相
當(dāng)于懸臂抗滑樁，即利用鋼管的抗剪能力來阻止巖
土體沿滑移面位移，起支撐邊坡土壓力、防止下滑作
用，可提高邊坡整體穩(wěn)定性。
1．2．2 抗彎作用
注漿鋼花管具有一定的抗彎性能。由于鋼管對
管內(nèi)水泥砂漿的約束作用，使得鋼管樁在受載作用
時的抗彎強度較一般混凝土要高，從而可提高鋼管
樁的整體抗彎強度，為防止邊坡下滑提供一定的抵
抗滑坡推力。
1．2．3 樁一土體復(fù)合型結(jié)構(gòu)抗滑作用
微型鋼管樁體系和樁間土體形成樁一土體復(fù)合
型結(jié)構(gòu)，荷載由該復(fù)合型結(jié)構(gòu)共同承受，受荷狀態(tài)類
似于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，即樁間巖土體代表混凝土，微
型樁代表鋼筋。利用微型樁的抗剪、抗拉、抗壓能力
及其和樁間土的組合效應(yīng)，樁一巖土體復(fù)合型結(jié)構(gòu)
可以有效阻止巖體沿結(jié)構(gòu)面滑動。在樁一土體復(fù)合
型結(jié)構(gòu)中，微型鋼管樁在巖土體內(nèi)的空間組合形成
18 公路交通技術(shù) 2013生
復(fù)合型結(jié)構(gòu)的骨架，該骨架具有較大的剛度和強
度，對樁問土體的變形起約束作用，使微型樁和樁
問巖土體形成一個整體來共同承擔(dān)外荷載，其中
微型樁起分擔(dān)荷載、應(yīng)力傳遞和擴散的作用。樁
體通過其應(yīng)力傳遞作用，將不穩(wěn)定性巖體內(nèi)部分
應(yīng)力傳遞到穩(wěn)定巖土體中，并分散在較大范圍的
巖土體內(nèi)，從而可降低應(yīng)力集中程度，并起到穩(wěn)定
邊坡的作用 。
1．3 聯(lián)系梁作用
鋼花管樁按多排群樁形式布置時，樁頂可用聯(lián)
系梁相互連接，形成一個空間剛架體系，使整個小
直徑鋼管樁體系和樁間巖土體作為一個整體結(jié)構(gòu)
進行工作。載荷由樁一土復(fù)合結(jié)構(gòu)共同承受，具有
類似復(fù)合型擋土墻的作用，可承受較大彎矩和剪
力
2 注漿鋼花管參數(shù)確定
2．1 微型鋼管樁所能提供的抗力
微型鋼管樁對坡體的加固作用表現(xiàn)在其所能提
供的最大抗力，即極限抗滑力上。這種抗力主要來
自2個方面，一是阻止滑體沿滑面滑動的抗剪力；二
是樁發(fā)生彎曲變形時產(chǎn)生的反作用力阻止滑體變形
的抗彎力。
微型鋼管樁的最大抗彎能力qmax為：
8EI[8]8w(d ／64·E1+( 一 )·E2／64)
‰x —————■ ———一。
(1)
微型鋼管樁所能承受的剪力R為：
= 尺漿體+尺鋼管=,rid [tr]1／4+盯(d 一d；)[ ]2／4。
(2)
式中，[ ] 為漿體抗剪強度設(shè)計值；[．r]：為鋼管抗
剪強度設(shè)計值；E 為漿體彈性模量；E 為鋼管彈性
模量；d為微型樁直徑；d 為鋼管外徑；d 為鋼管內(nèi)
徑。
將實例數(shù)據(jù)代入式(1)、(2)進行計算分析 ，
發(fā)現(xiàn)微型鋼管樁的抗剪能力遠遠大于其抗彎能力，
因此在分析微型鋼管樁加固機理時，微型鋼管樁抗
彎能力對邊坡提供的抗滑力可以忽略不計。
2．2 邊坡穩(wěn)定性分析法
邊坡穩(wěn)定分析方法較多，概括起來可分為2大
類，即以極限平衡理論為基礎(chǔ)的條分法和以彈塑性
理論為基礎(chǔ)的數(shù)值計算方法。
條分法實際上是一種剛體極限平衡分析法。在
極限平衡理論形成過程中，出現(xiàn)過一系列的簡化計
算方法，如瑞典圓弧法、簡化Bishop法、Janbu條分
法、不平衡推力傳遞系數(shù)法等。隨著計算機的出現(xiàn)，
數(shù)值分析法得到了飛速發(fā)展，如Spencer法、
Morgenstern—Price法等 j。進行邊坡穩(wěn)定分析時，
可根據(jù)滑坡類型，采用適用的規(guī)范推薦方法來計算
其安全穩(wěn)定系數(shù)：
r， P
K 。 (3)
式中，K為邊坡穩(wěn)定系數(shù)；尸為邊坡抗滑力；F為邊
坡下滑力。
2．3 微型鋼管樁樁徑、樁壁厚、間距確定
微型鋼管樁對邊坡的加固作用表現(xiàn)為：
K：R + P
。 (4)
』’
把式(2)代人式(4)，得
P+~rd ·[丁] ／4+,tr(d 一d；)·[．r]：／4
A — — — — — — — — — — — — 一。
(5)
在安全系數(shù)、下滑力、抗滑力已經(jīng)明確的情況
下，通過反算可得微型鋼管樁所需要提供的抗滑力，
從而得到微型鋼管樁的間距為：
P+叼(~rd ·[ ]I／4+盯(d 一 )·[ ] ／4)
A — — 一一 一一 。
(6)
式中， 為鋼花管的根數(shù)。
通過上述計算，明確了邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，從
而可以反算出設(shè)計施工時需要的微型鋼管樁的樁
徑、樁壁厚。
2．4 鋼花管設(shè)計長度
鋼花管的設(shè)計長度，J參照全長粘結(jié)性錨桿的設(shè)
計長度計算，包括滑裂面以上的長度￡ 和滑裂面以
下的有效錨固長度 ，即
L=，J + 2。 (7)
根據(jù)現(xiàn)行JTG D30-2004《公路路基設(shè)計規(guī)
范》， ：可由下式確定：
K ·N
"iT ‘Ⅱ ’， 。
，^
(8)
式中， 為軸向拉力設(shè)計值；厶為地層與注漿體粘
結(jié)強度； 為安全系數(shù)，可取值2．5。
按式(8)計算后，還應(yīng)按JTG D30-2004中公
式5．5．7—3進行驗算 。
2013年第5期 孫祺華：鋼花管微型樁在路基邊坡加固防護中的應(yīng)用 19
2．5 注漿量計算
注漿屬于隱蔽工程，注漿量受漿液擴散半徑、巖
土的孔隙率，以及漿液的可灌注率等多因素控制，可
按以下經(jīng)驗公式控制工程量 J：
Q=V· · ·(1+ )。 (9)
式中， 為單孔受注土體體積；／l,為孔隙率；盧為可灌
注率；僅為漿液損失量。
當(dāng)某段注漿量超過設(shè)計量1～1．5倍時，應(yīng)停止
注漿，間歇數(shù)h后再注漿，以防漿液擴散到加固段
外
3 工程實例
3．1 工程概況
滬昆高速公路貴陽一清鎮(zhèn)段蒿芝塘Ⅱ號橋與貴
陽一黃果樹高速公路相交，蒿芝塘Ⅱ號橋沿貴清線
方向全長148．10 ITI，沿貴黃線方向(橫向)長143．74
m。下部結(jié)構(gòu)為：采用重力式u型橋臺，獨立墩、樁
基礎(chǔ)及擴大基礎(chǔ)。樁基承臺施工中，沿運營繁忙的
貴黃高速公路路堤邊坡垂直下挖至承臺設(shè)計標高，
下挖深度2—8 m，致使貴黃高速公路K15+960一
K15+992段外側(cè)行車道中部沿行車方向出現(xiàn)微裂
縫。由于雨季氣候原因，裂縫由原來的1—2 mm擴
展為5～7 mm，對貴黃高速公路的運營存在較大安
全隱患。因此，為增強貴黃高速路基的整體強度和
邊坡穩(wěn)定性，保障其安全運營，需對該邊坡進行加固
防護設(shè)計。
3．2 處治措施
1)啟動施工安全方案，對蒿芝塘Ⅱ號橋貴陽岸
貴黃高速公路外側(cè)行車道實行交通管制，暫時封閉
外側(cè)行車道交通。
2)貴黃高速公路外側(cè)行車道裂縫立即采用瀝
青灌入處理，以防止雨水滲入裂縫而引起路基失穩(wěn)。
3)綜合各防護方案并從優(yōu)選取，決定對貴黃高
速公路路基邊坡進行鋼花管注漿防護施工，增加路
基整體強度和邊坡穩(wěn)定性。
3．3 鋼花管微型樁設(shè)計
1)貴黃高速公路K15+960～K15+992段路堤
填料為碎石類、礫石類土，邊坡最高約8 m，坡率1：
1。目前處于極限平衡狀態(tài)，路面荷載按公路I級。
采用簡化Bishop法計算，得下滑力為245 kN，剩余
下滑力為242 kN。
2)選取 )50 mm壁厚5 mlTl的無縫鍍鋅鋼管作
為鋼花管的原材料，鋼管抗剪強度 ：=120 N／ram ，
取M30漿體抗剪強度r。=1．8 N／mm ；鋼管鉆孔
研0 mm，鋼管前端加工成錐形，管壁四周鉆直徑12
mm的漏漿孔，如圖1所示。
8 嘣隨 ?一?~b?
l2
一~?
一?；J：L 縫錯曹
●2 2．,2,。(iII￡I ~2 i： ．2I，： I =3===3
_叫8 l6 單位
： m m
圖1 鋼花管制作示意
將上述鋼花管幾何及力學(xué)性能參數(shù)代入式
(2)，得
尺=R漿體+R鋼管=,rrd ·[丁]l／4+丌(d —d；)·
[7_]2／4=3．14x(70 X1．8+(50 -45 )×120)÷4=
51．6 kN。
初擬鋼花管沿橫向間距按3 113布設(shè)，邊坡安全
系數(shù)取1．25，代入式(6)，得
1 ，) 一3x242+r／~51．6
～ 一
3x245 。
計算得77=3．74，即沿坡面縱向需要布設(shè)4根鋼
花管，沿坡面間距3 nl布設(shè)剛好合適。
3)計算鋼花管長度。鋼花管入射角為30。，坡
面離潛在滑面5 m，即L =4．5 11，計算得鋼花管軸
向拉力設(shè)計值N =60 kN，按JTG D30-2004中表
5．5．4-2取 =130 kPa，代入式(8)，得
L：= d． = _—14 一 x 0 07x130=5．25 m 。
1T· · ^一3． ．
一
‘ “ 。
即L=L + ：=9．75 in，實際施工中，每根鋼花管
長度取整為10 m。
4)單孔注漿量控制計算。根據(jù)貴黃高速公路
K15+960～K15+992段地質(zhì)勘察報告，孔隙率為
40％ ，可灌注率取70％ ，漿液損失率取10％E8]，注漿
擴散半徑為1．5 m，將各參數(shù)代人式(9)，計算出單
孔注漿量為：
Q=V·n· ·(1+Or)=3．14×1．5 ×10×0．4×
0．7×(1+0．1)=21．76 m 。
3．4 施工注意事項及質(zhì)量檢測
施工前，對貴黃高速公路K15+960～K15+992
段進行了鋼花管樁施工試驗。以保證該段路面不
產(chǎn)生新的裂縫和隆起為前提，確定了注漿壓力和
注漿量的相關(guān)參數(shù)，并對設(shè)計進行了修正。施工
時，加強注漿壓力和注漿量的控制，避免了路基路
面由注漿壓力過大而產(chǎn)生的破壞。施工完成后，
對漿體強度，注漿飽滿密實度，鋼管長度，抗拔力
20 公路交通技術(shù) 2013血
等進行了質(zhì)量檢測。鋼花管微型樁的加固邊坡穩(wěn)
定，達到了設(shè)計要求。
4 結(jié)語
貴黃高速公路滑坡段治理施工完成后，路面無
新開裂縫，路基也無滑移現(xiàn)象，取得了較好的防護效
果，既保證了貴黃高速公路的安全運營，也保證了貴
清線蒿芝塘Ⅱ號橋的順利施工。
設(shè)計文件中注漿量與實際施工的注漿規(guī)?；?
一致。實踐表明，參照全長粘結(jié)性錨桿的設(shè)計長度
計算方式來控制斜坡上鋼花管的設(shè)計長度是可行
的。
由于目前受檢測設(shè)備、工藝及費用的限制，設(shè)計
文件在工后穩(wěn)定性計算中，并未考慮注漿后巖土體
固結(jié)c、 值提高的影響，而是將其視作安全儲備來
考慮。希望隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在不遠的將來能
夠檢測出注漿后的c、 提高值，使得設(shè)計更加精確，
工程更加經(jīng)濟。
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◇ ●(： ●0 ● 0 ●0 ●0 ●◇ ●0 ‘ ◇ ●0 ●0 ● 0 ●0 00 ● 0 ●o O0 ●0 0<： ●· ) ●0 ●0 ●0 ●o ●0 ●0 0 0 ●·0 0◇ ●0 ●0 ●0 ●<> ●0 ●◇ ●0 ●0 ●0 ●0 ●0 ●< >●< > ●<> ●<> ●<> ●<> ●
(上接第l6頁)
5 結(jié)論與討論
本文采用數(shù)值模擬軟件UDEC計算了貴州省某
高速公路順層巖質(zhì)邊坡的開挖穩(wěn)定性，并得出如下
結(jié)論。
1)邊坡巖體完整性較好，自然狀態(tài)下邊坡較為
穩(wěn)定，但局部可能發(fā)生滑移一彎曲破壞。
2)由于工程開挖，邊坡形成新的臨空面，且對
下部巖體的開挖直接導(dǎo)致上部部分層狀巖體失去了
下部支承力，進而發(fā)生沿巖層面的滑移破壞。
3)對開挖邊坡進行預(yù)應(yīng)力錨索支護后，邊坡整
體基本穩(wěn)定，但仍存在潛在滑移面，且第1級邊坡坡
腳等局部穩(wěn)定性相對較差，在降雨、地震等外因作用
下，可能發(fā)生整體變形或局部破壞。
4)考慮到降雨入滲會增大巖體重度、降低結(jié)構(gòu)
面強度、產(chǎn)生動水壓力等，對邊坡穩(wěn)定性極為不利，建
議對邊坡采取綜合防護措施，即在坡頂和坡面對裂縫
進行嵌縫、灌漿處理，以防止雨水入滲。同時，對第3
級和第4級邊坡進行錨噴支護，以提高局部穩(wěn)定性。
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