微型钢管桩在高速公路养护工程中的应用研究
时间：2022-12-09 16:20:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
黄广喜
(广西交通投资集团百色高速公路运营有限公司，广西 百色 533000)
挖方路基沉降通常可采用不留管注浆进行处治，而高填方路基受土体滑移推力和剪切力作用，使不留管注浆形成的水泥土桩易被滑移推力和剪切力破坏，因此不留管注浆无法稳定已滑移的高填方路基。高填方路基滑移沉降一般处治方案为：
(1)挖除原路基填土(开挖至滑动面以下)后重新填筑路基。该方案需封闭正在运营的高速公路，且工作量大、工期长、对天气条件要求高、经济性差，需进行必要的支挡等，影响未开挖路基稳定性，行车安全存在很大的隐患。
(2)采用抗滑桩加固的方案。该方案工作量大、施工工期较长、费用高，且施工机械对地形等条件要求高，在已运营的高速公路中施工相对困难。
(3)采用微型钢管桩处治的方案。该方案施工工程量小、费用低、施工场地要求低，施工期间不需封闭交通，仅需进行交通管制，社会影响小，且在压力的作用下水泥浆通过无缝钢管预开的孔位填充桩周土体、挤密原填土层和原状土等缝隙，可增强土体强度；
通过浆液、无缝钢管和土体三者的共同作用形成具有脉络骨架结构的“地下连续墙”，不仅增强土体的联结作用和整体性，还在一定程度上抑制了滑动面的滑动[1]。
本文拟就微型钢管桩群对路基滑移沉降处治的技术进行研究，为后期类似施工提供参考。
微型桩(Micropiles)或迷你桩(Mini piles)是小直径的桩，桩体主要由压力灌注的水泥浆、水泥砂浆或细石混凝土与加筋材料组成，依据其受力要求加筋材料可为钢筋、钢棒、钢管或型钢等。微型桩可以是竖直或倾斜，成排或交叉网状配置，交叉网状配置的微型桩由于其桩群形如树根状，故亦被称为树根桩(Root pile)或网状树根桩(Reticulated roots pile)，在日本简称为RRP工法[2]。本文论述的微型钢管桩施工技术是采用微型钢管桩群对滑动面深度9.5 m和强风化层位于原地面13.8 m以下的滑移沉降填方路基进行加固止滑。主要工艺为向钢管中加注水泥浆，加大钢管的剪切力；
从钢管的预留孔中通过静力加压将水泥浆扩散至半径为0.6～1 m的土体内，使浆液与原状土、原填筑材料等结合，以达到加固填土的施工工艺。
微型钢管桩也适用于滑塌边坡的加固处治，在防洪堤坝加固、房建工程加固防震等工程项目中也得以应用，也可以作为削坡减载、支挡结构物的基础施工或抗滑桩施工的辅助性加固措施，均有良好的经济效益和工程效果。
本文研究的路基滑移沉降病害位于已运营11年且车流量呈逐年上升趋势的百隆绕城高速公路B匝道，其路基填土高度为5.3～11.65 m，边坡坡率为1∶1.50，原地面地势为上行线高下行线低，地表植被主要为玉米等农作物，无基岩出露。该段路基因路边排水沟及泄水孔等设施老化，地表水持续下渗、地下水排泄不畅，导致路基软化和蠕动变形。路面因路基滑移沉降而产生裂缝，大量地表水沿裂缝通道下渗路基内部，引起地下水水位上升，从而加速土体软化，同时导致饱水土体中的孔隙水压力增大，土颗粒间的有效应力减小，土体强度降低，由此引发水位以上的土体沉降、开裂变形。病害处置前，该路段因路基滑移沉降导致路面开裂最大宽度约为13.1 cm，路基最大沉降量约为10.5 cm。
根据现场地质调查及地勘揭示，地层主要由第四系人工堆积层、第四系残坡积层及古近系渐-始新统那读组基岩组成。其中，该段路基填土厚度为5.3～11.65 m，采用砾石含量约20%的黏性土夹砾石填筑。地勘显示该层土湿度较高，压密性较差，且存在局部松散情况；
标准贯入试验标准值N=15.2击。黏性土层厚度为3.00～9.50 m，湿度比填土大，局部见钙质或铁锰结核；
标准贯入试验平均值N=14.8击，标准值N=13.6击。泥岩层为泥质结构，厚层状构造。如表1、表2所示。
表1 岩土胀缩性指标表
表2 原位测试试验成果表
图1 微型钢管桩截面及布设示意图(mm)
微型钢管桩对路基病害进行有效处治以及具有良好耐久性的关键，是材料的选用。材料的选择直接关系到工程质量及造价成本。微型钢管桩群处治路基滑移沉降技术主材主要包含钢管、水泥、水玻璃等。钢管一般分为无缝钢管和焊接钢管，相较而言，无缝钢管具有成分均匀、耐蚀和耐压性能强、具有较强的抗剪能力等特点，因此本项目的微型钢管桩选用外径为108 mm、壁厚为5 mm的无缝钢管，钢管的力学性能如表3所示。注浆材料一般分为水泥基材料和非水泥基材料，其中水泥基材料主要是以水泥为主材配制注浆材料，常用的有水泥单液浆、超细水泥单液浆等；
非水泥基材料指除水泥基材料以外的注浆材料，如水玻璃、环氧树脂等。水泥基材料较非水泥基材料具有费用低、耐久性好、环保无毒等优点，因此，本文采用的是水泥基注浆材料中的水泥双液浆，水泥强度采用P·O42.5。配合比如表4所示。
表3 钢管力学性能参数表
表4 水泥浆液配合比参数表
6.1 施工工艺流程
为确保工程实施效果和工程质量，施工过程必须严格按照工艺流程进行，严格控制各个工序的施工顺序、施工工艺、施工质量等。其工艺流程如下：施工放线→坡脚场地平整、回填土→无缝钢管加工→钻孔放样→钻进成孔→清孔、成孔验收→下放注浆无缝钢管→密封孔口保证注浆压力→注浆→浇筑系梁。施工应按先外排后内排、隔孔跳打的顺序进行。
6.2 施工准备
因滑坡推力、桩间距、桩的刚度、强度、桩前滑体的抗力大小以及桩的截面尺寸等因素，钢管桩桩端须埋入稳定土层4.5 m以上或泥岩层3.0 m以上，所以施工前应先进行地质勘探，确定路基滑动面、原状土及稳定土层或泥岩层的深度，以便确定钻孔深度和无缝钢管长度。根据地质勘察结果可知，该段路基滑动面最大深度约为9.5 m，坡脚滑动面深度约为3 m，强风化层距原地面深度为13.8 m。地质勘察后须编制专项施工方案，如施工开始前应准备的钻孔设备、注浆机械等设备，并对进场设备进行保养及试用，保证其工作性能正常。为避免因机械设备和过往车辆的振动导致注浆孔内坍塌，须在钻孔完成时及时放入无缝钢管，所以在钻孔前必须完成无缝钢管焊接及钢管开孔等工序。同时做好水泥浆、无缝钢管等原材料的试验检测工作，确定各项技术参数。
6.3 微型钢管桩施工
6.3.1 无缝钢管加工
本工程采用外径和壁厚分别为108 mm和5 mm的无缝钢管。根据注浆需要应将1/3～1/4杆长范围内的管壁上按梅花形开孔径为8～10 mm的渗浆孔，轴向孔距为200 mm、环向角度为90°，并在托板上设置直径约12 mm的排气孔。为下放钢管时减少受力，应将杆体的前端加工成端部封闭且≤45°的尖角。为发挥微型钢管桩的抗滑及支挡作用，避免被滑坡体推移，根据地质勘察和设计文件要求，本工程加工的钢管桩可直接预制或焊接连接制成，长度为14 m。无缝钢管焊接加工时需采用大一号的钢管焊接制成，严禁采用对口焊接。
因路基最大填土厚度约为11.65 m，强风化岩层距原地面深度为13.8 m，如果桩群布设于路面，则钢管桩最大桩长为25.45 m。为避免钢管过长而被滑动土体剪切力或推移力破坏，将钢管桩群布设于坡脚。
6.3.2 钻孔设备的选择
施工过程中应根据场地条件、地质条件、施工效率等因素选择相应的钻孔设备。本文采用潜孔钻机干法成孔。
6.3.3 钻孔定位
场地平整后根据图纸给出的坐标，采用全站仪进行孔位定位，并打好木桩进行标记。为保证施工精度，控制成桩的倾斜度，钻孔孔位与图纸或设计的偏差应控制在25 mm范围以内，同时角度与水平面垂直，误差应控制在1%以内。
6.3.4 钻孔及下放无缝钢管
为保证成孔质量，在钻孔过程中应对孔径、孔深、钻孔倾斜度进行控制。钻孔采用跳孔进行施工，对孔壁稳定性较差且可能会发生塌孔的桩孔应及时下放无缝钢管以避免发生塌孔。桩孔按梅花形布设且纵横向排距为60 cm×45 cm，孔径为180 mm，孔位偏差≤50 mm。为保证钻孔垂直度偏差不超过±1%，施工前应先将钻架调整至符合要求的角度，钻孔过程中应随时检测垂直度并及时调整钻架。对孔深、孔径及孔间距等进行复测无误后放入验收合格的钢管。
6.3.5 注浆
水泥浆液配制采用P·O42.5的水泥和0.75∶1的水灰比。注浆采用压力为0.2～0.7 MPa的静力压浆，如漏浆过快或注浆压力未见上升，可掺入占水泥质量3%～5%的速凝材料。注浆时排气管冒浆后应及时对排气管进行封堵后停止注浆，并维持注浆值预定压力且封闭钢管口。如注浆压力不足或扩散半径<60 cm，应在第一次注浆暂停约20 min后，再进行二次或多次注浆，并据实际情况调整注浆压力。注浆时应观察周围土体或构筑物等，如有漏浆应及时停止注浆，待漏浆部位浆液凝固后方可继续注浆。出现以下情况则可停止注浆：(1)区域顶面漏浆或者出现裂缝;(2)注浆压力达到0.7 MPa并维持8 min，或地面有抬升并持续5 min；
(3)注浆压力不变，但注浆流量明显减小，且小于初始流量的30%。为使微型钢管桩群联成一个整体，增加桩群的抗力和反推力作用，需将桩群用高1 m的钢筋骨架系梁联结。
注浆加固效果评价采用两次试验和长期观测的方式进行：(1)浆液试件养生24 h后进行弯沉检测；
(2)注浆结束28 d后，钻芯取样对施工质量和浆液扩散半径进行检测，辅以标准贯入试验或重型动力触探等方法。钻芯检测孔≥6个且与注浆孔中心距≥60 cm。原位测试在孔内进行，测试点间距≤1.5 m。如检验点不合格率>30%，应对不合格灌浆区设施重复灌浆。本文微型钢管桩实施前后各项数据的变化如表5～7所示。
表5 微型钢管桩注浆前后路面弯沉值对比表
表6 微型钢管桩注浆前后钻芯取样试验数据对比表
表7 微型钢管桩注浆前后裂缝、沉降部分数据对比表
根据工程实际，全部挖除换填费用约为2.70万元/延米，微型桩处治费用约为1.74万元/延米，因此采用微型桩处治的费用较低，且施工难度小、工期短，不产生废弃土方和借土填方，对环境污染小。根据施工完成后两者的对比，相比较于路基全部挖填、换填和抗滑桩等处治方案，并结合该项目前后期观测的数据分析来看，未实施微型钢管桩时，该处路基的裂缝以5.92 mm/d的速度发展，但是采用微型钢管桩进行处治后，1年多来路面无明显裂缝和沉降，说明该方案可行，达到了预期的处治效果，工程费用也较抗滑桩和全挖换填费用小，并且施工过程和后期安全性高。综上所述，微型钢管桩有以下优点：(1)管径小，不需要大型设备，所以施工机械受场地限制小、扰动性小、孔位布置形式灵活和适应性强；
(2)工程造价低，经济效益较高；
(3)施工工期短，施工方便快捷，安全影响因素弱；
(4)材料用量少，机械要求程度较低；
(5)多排微型钢管桩与土体形成土墙，起到稳固土体、增强抗滑力的作用；
(6)施工过程对运营高速公路影响小，安全风险小。
微型钢管桩以无缝钢管和注浆技术相融合，在处治路基滑移沉降过程中既发挥无缝钢管的抗弯和抗剪的作用，通过穿过滑动面的方式强化土体抗滑能力；
又发挥水泥浆的固结、联结作用，填充土体空隙，强化土体强度；
通过水泥浆的联结作用使得钢管和土体形成具有地下连续墙和抗滑桩作用的一个整体，从而进一步强化土体抗滑和抗水能力。由此可见，微型钢管桩对于路基滑移沉降的处治是可靠和可行的，并取得了良好的社会效益和经济效益，可供类似工程参考。
