在役高速公路深厚软基滑移病害微型桩处治分析

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　　摘要：针对在役高速公路深厚软基段出现失稳滑移的问题，提出桩项带连系梁的微型桩快速处治方法。结合开阳高速公路K3202+577～K3202+640段软基加固抢险实际工程，介绍微型桩和连系梁的加固方案和施工工艺。加固后实测的深层水平位移和路基沉降变形大幅減小，表明该方法可有效处治软基滑移病害。采用Plaxis 3D软件建立深厚软基连系梁微型桩加固变形的数值分析模型，通过与实测值对比分析，验证了模型的合理性;研究了桩间距、桩排距、连系梁布设形式对滑移处治效果的影响，结果表明：水平位移随着桩间距增大而增大，桩间距超过10倍桩径后，土体侧移增大速度明显加快;水平位移随排间距增大会先减小后增大，排间距不宜超过10倍桩径;加设连系梁能减小路基土体侧移和优化微型桩受力，桩项不同形式连系梁的处治效果排序为：双向交叉连系梁>单向交叉连系梁>斜向连系梁>纵向连系梁。
　　关键词：在役高速公路;软基滑移;微型桩;数值模拟;参数分析
　　中图分类号：TU443文献标志码：A 文章编号：2096-6717（2019）06-0043-09
　　中国沿江、沿海地区广泛分布着含水率高、孔隙比大、强度低、压缩性高、渗透性低的软土，这些地区同时也是高速交通密集建设区。部分开通运营的高速公路由于建设期地基处理措施针对性不强、运营期周边环境扰动与交通荷载作用，加上软土显著的蠕变性和触变性，先后出现不同程度病害：过渡段不均匀沉降、局部失稳沉陷、侧向滑移破坏等，严重影响运营安全。因此，采取合理、有效和快速的方法对在役高速公路软基病害进行处治尤为重要。
　　针对路基不均匀沉降问题，吕若冰等提出高压旋喷桩可有效处治高速公路不均匀沉降;王安辉等提出侧向辐射注浆技术并成功应用于连盐高速路基不均匀沉降处治;徐前卫等。在高速铁路中采用注浆技术进行差异沉降处理。针对路基局部失稳沉陷，李文等在填方段和挖方段采用不同的花管注浆处治措施，张淼提出采用竖向和水平向花管注浆结合的方法处治高速公路沉陷。针对路基侧向滑移破坏，荆伟伟等利用反压护道的方式解决低矮路堤滑移问题;董志勇等采用“开挖回填+CFG桩+反压护道”方案处治高速公路软基路堤大面积侧向滑移问题。然而，在受到现场施工条件和工期要求限制时，上述方法并不适用。
　　近年来，微型桩由于施工简单、对土体扰动小、承载力较高、施工周期短的特点，在抢险加固工程中得到广泛应用。杨波通过理论分析发现微型桩处治粉粘土路基差异沉降效果较好;黄斌通过试验研究发现微型桩能有效加固软弱岩溶路基，减少路基工后沉降;陈伟志等基于非饱和膨胀土地区铁路路基基床现场试验，指出长短微型桩能有效减弱地基隆起变形;Sun等将微型桩成功用于青海省某堤防滑坡处治;Zhang等通过数值模拟表明微型桩一加筋土挡墙结构能显著减小路面不均匀沉降和水平位移。但微型桩技术在营运高速公路软基病害处治工程中应用研究不多。
　　本文依托某沿海高速公路软基加固抢险工程，基于其滑移病害特点，提出采用带连系梁微型桩快速处治在役高速公路深厚软基失稳的方法，通过现场监测证实了该方法合理有效，采用Plaxis 3D软件建立实际工程数值分析模型，分析软基滑移病害微型桩处治效果，并研究不同因素对深厚软基水平位移的影响。
　　1工程概况及病害分析
　　1.1工程概况
　　开阳高速公路于2003年9月建成通车，2004年9月路面出现裂缝。本文依托的软基病害段K3202+577～K3202+640，位于路基左幅，路堤填高为6.5～7.0m，软土厚度最深处达7.2m，建设期采用浅层换填60cm厚砂层进行处理。该段路面在2005年一2007年多次加铺，仍产生较严重的工后沉降，于2008年采用孔径89mm、间距2.5m的钢花管注浆进行加固处治。但在2013年10月，路面出现了连通的弧形裂缝，路基呈现侧向滑移趋势。
　　1.2工程地质条件
　　根据2007年补充勘察的3个钻孔，该病害路段内主要土层有以下几种。路基填土：褐红色，呈粘黏土及夹碎块，厚6.5～7.0m;粉质黏土：黄褐色，黏性较好，硬塑状，厚1.3～2.0m;淤泥：灰黑色，饱和，软塑～流塑状，富含有机质，含量为5.9%～35.6%，平均为18.19/6;淤泥质粉质黏土：灰黑色，软塑，含大量有机质。病害路段地质纵剖面图如图1所示。
　　图2为K3202+610断面坡脚处水平位移、两处路表工后沉降的历时曲线。从现场监测结果可看出，截至2013年10月，累计水平位移已达105mm，其中，5月至10月变形速率更是达到8.8mm/月;路表工后沉降逐年增加，并呈现继续增加的趋势，且存在较大的横向差异沉降。造成该段路基反复出现病害的原因是：1）路基底存在厚达7.2m的淤泥层，其含水率和孔隙比高、渗透性极低、有机质含量高、压缩性大，固结与次固结历时长;2）路堤填高达到6.5m，且建设期仅采用浅层换填的方式处理，地基屈服强度低，导致在较大附加荷载下，固结沉降与残余变形大。软土强度低、路基荷载大和地基处理措施弱导致过大的工后变形，从而引发路基深层滑移破坏。
　　1.3病害情况分析
　　2微型桩滑移处治技术应用
　　2.1方案选择
　　根据裂缝分布特征及监测数据分析，路堤已发生滑移失稳，并处于蠕变、挤压变形阶段。对软土路基稳定性控制应用较多的处理方法有高压旋喷桩、钢花管注浆、管桩、CFG桩、微型桩等。考虑到工程为运营高速公路，车流量大，施工不能对路面造成太大破坏，而且路基已处于临界失稳状态，在处理过程中不能对淤泥层扰动过大，选用高压旋喷桩、管桩、CFG桩均不合适。由于淤泥含水率高，渗透系数小，加之其具有结构性，灌浆压力会扰动土体结构，土体强度反而降低，所以，注浆法也不适合淤泥，而且在2008年已证明其处治效果不理想。而微型桩具有施工操作方便、对行车影响小、桩身抗剪强度高、施工快速且质量易控制等优点，综合考虑采用微型桩技术进行滑移病害处治。 　　2.2微型桩设计
　　在路基横断面不同区域进行针对性布桩。坡脚外侧为工区，布置两排桩，桩距、排距均为1.5m，桩径300mm;路基边坡为Ⅱ区，布置四排桩，桩距、排距均为1.5m，桩径150mm;路面部位为Ⅲ区，布置四排桩，二、三排排距为1.8m，其余桩距、排距均为1.5m，桩径150mm。K3202+610段断面微型桩布置如图3所示，各区域均按梅花形布桩。工区和Ⅱ区的微型桩均通过纵梁连接，且工区沿纵向每3m再设置横梁，Ⅱ区设置斜梁，连系梁截面为正方形，工区和Ⅱ区连系梁边长分别为350mm和250mm，连系梁平面布置图，如图4所示。
　　2.3微型桩施工
　　2.3.1钢筋笼制作安装
　　微型桩钢筋笼制作采用主筋，主筋采用Ф18mm HRB325螺纹钢筋，箍筋采用Ф6mm圆钢，截面呈三角形，箍筋与主筋采用点焊焊接。工、Ⅱ区钢筋笼顶部至地面与连系梁相连，Ⅲ区钢筋笼顶部进入路基填土至路面以下30cm。2.3.2
　　填灌及注浆 钢筋笼下放完毕后，直接在孔内注入水泥浆液，采用32.5R号普通硅酸盐水泥。其中，在工区钢筋笼下放完毕后，要在其中填人10～25mm粒径碎石。注浆过程分两次进行，注浆压力为0.5～1.0MPa。Ⅲ区注浆至桩顶即路面标高处，Ⅰ、Ⅱ区在桩顶预留25cm不注浆，以便连系梁钢筋搭接。
　　2.3.3
　　连系梁施工Ⅰ、Ⅱ区微型桩施工完成后，进行连系梁施工，纵梁、横梁、斜梁钢筋笼与微型桩桩顶钢筋笼绑扎搭接后浇筑C25混凝土。钢筋笼采用4根Ф18mm HRB325螺纹钢作主筋，箍筋采用Ф6mm圆钢，每20cm设置一道箍筋。钢筋笼截面为正方形，边长15cm。
　　2.4处治效果实测分析
　　为观察微型桩处治效果，在处治路段新设测斜管和沉降监测点来观察路基变形情况，监测点平面布置图如图5所示。路基水平位移与沉降，如图6～图7所示。
　　从图6（a）可以看出，CX02测点水平位移最大值出现在上层土体位置，深层水平位移基本在0附近波动;微型桩施工完成后，路基水平位移增长明显减慢，经过21个月左右，水平位移增长基本趋于稳定，最大水平位移增加不到8mm。从图6（b）可以看出，CX01、CX02、CX03测点在3m深度水平位移均为正值，即向坡体外侧移动，其中，CX02测点位移值最大，为3.8mm，而CX04测点水平位移为负值，即向坡体内侧移动。出现这种情况的原因是CX02测点处淤泥层最厚，CX04測点处则没有淤泥层，在上部路堤荷载作用下，淤泥层厚度对水平位移有明显影响。可以看到，使用微型桩后，土体深层水平位移较小，以上分析表明微型桩处治路基滑移效果显著。
　　从图7（a）可以看出，随着处治时间的增长，大部分测点平均沉降速率逐渐减小，在处治240d后，各监测点平均沉降速率几乎为0，路基沉降基本达到稳定;从图7（b）可以看到，除了N3和N4测点外，其余测点累计沉降均小于12mm，其中，N3测点累计沉降值最大，最大值也仅27mm，表明微型桩对减小路基沉降效果较好。
　　3数值模型建立与验证
　　3.1数值模型建立
　　选取典型断面K3202+610，利用大型有限元软件Plaxis 3D建立三维数值模型。路面宽27m，填土高度6.5m，路堤边坡比为1：1.5。由于路基左侧出现滑移，所以，取左侧路基进行分析，为消除边界效应的影响，模型宽度取30m，地基土深度取30m，沿纵断面方向取7.5m。地基土上表面设为透水边界，地基底部及两侧均为不透水边界，地下水位在地基面以下0.5m处。模型网格采用10节点四面体单元，共生成25404单元，39213节点，网格划分如图8所示。
　　3.2参数选取
　　Plaxis软件提供了多种土体本构模型及结构类型，其中，淤泥、淤泥质粉质黏土用软土模型，其余土体用摩尔一库伦模型，连系梁采用梁单元模拟，微型桩采用Embedded桩单元模拟，对应不同土层，桩侧摩阻力沿桩身方向定义为多段线性，模型具体参数取值见表1。其中，弹性模量近似取2～5倍的压缩模量。
　　为准确模拟路基随时间的变形，采用分步施工模拟方法，分为路基填筑、通车运营和微型桩病害处治3个阶段。前两个阶段采用固结计算法进行路基变形分析;病害处治阶段采用塑性计算进行弹塑性变形分析，采用强度折减法对微型桩处治后的路基稳定性进行分析。为考虑行车荷载影响，在路面顶施加10kPa的均布荷载。
　　3模型验证
　　为验证模型的合理性，将数值模拟结果与现场实测结果进行对比，其中，数值模拟水平位移结果取自坡脚处CX02测点对应位置，累计沉降结果取自路肩处N3测点对应位置。从图9（a）可以看出，在地基面下3m范围内，水平位移随着深度增加逐渐增大，此后，随着深度增加，水平位移逐渐减小;由于实际深层土体中含有大量有机质，水平位移实测结果在0附近波动，而模拟结果深层水平位移基本为0，综上分析，模拟结果与实测结果变化规律基本一致。从图9（b）可以看出，累积沉降的数值模拟结果与实测结果较接近。上述分析表明数值模拟结果可行。
　　3.4处治效果分析
　　微型桩处治滑移效果如图10和图11所示。从图10可以看到，未加桩时，路堤出现一个贯穿的滑动面，加微型桩后，路基增量位移主要出现在靠近路基中心处，未形成贯穿滑动面。从图11可以看到，土体水平位移主要发生在地基面以下10m深度范围，集中在淤泥层内;未加微型桩时，土体最大水平位移达到91mm;使用单独微型桩和加连系梁微型桩时，最大水平位移分别降至13.9mm和9mm，分别减小了84%和90%，可见，使用微型桩能显著减小路基侧移。一方面，经压力注浆后，由于浆液的扩散与固结使桩周土体强度提高，桩体摩阻力增加，单桩抗滑效果增强;密布的注浆微型桩有一定的加筋效应，对桩间土能起到侧向约束作用，限制了桩间土的侧向位移。另一方面，由于连系梁将各桩连在一起，能发挥桩群整体抗弯性能，使各桩受力更均衡且受力更小，抗滑效果明显加强。从以上分析可知，利用微型桩技术处治深厚软基滑移病害是一种比较有效的方法。 　　4影响因素分析
　　影响微型桩处治效果的因素主要有桩间距、桩排距、连系梁形式等，利用有限元软件分析了这3个因素对软基滑移的影响。不同工况控制参数见表2，其中，d为桩径，取d=150mm。
　　4.1桩间距影响
　　微型桩采用不同桩间距时，坡脚处土体水平位移如图12所示。可以看到，随着桩间距的增大，土体水平位移逐渐增大。当桩间距S=6d时，最大水平位移为8.3mm;而当桩间距S增大到14d时，最大水平位移已经达到32mm，增加了2.9倍。而且可以明显看出，桩间距S超过10d后，水平位移增大速率明显加快，这是由于桩间距在一定范围内会产生土拱效应，桩间距过大时土拱效应明显减弱，造成土体位移迅速增大。因此，在布桩时利用土拱效应，选择合理的桩间距，既能保证处治效果又能减少用桩量。
　　4.2桩排距影响
　　微型桩采用不同桩排距时，坡脚处土体水平位移如图13所示。从图13中可以看出，桩排距L从6d增加到10d时，水平位移逐渐减小，最大水平位移从24.2mm减小到15.8mm;桩排距超过10d后，随着排间距增加，水平位移又逐渐增大，且增大速度明显加快，桩排距L=14d时，最大水平位移达到28.6mm。这是因为微型桩与桩间土会形成一种复合结构共同抗滑，这种复合结构受排间距影响较大。在桩排距过小时，微型桩过于靠近坡脚，复合结构作用范围小，因此，水平位移较大;当桩排距过大时，桩与桩间土协同作用减弱，会造成水平位移增大。因此，在实际施工中，桩排距不宜超过10倍桩径，在工程条件较差情况下，可减小桩排距，增设几排桩。
　　4.3连系梁影响
　　为研究不同形式连系梁對土体水平位移的影响，依据实际工程，在模型中Ⅱ区斜坡上设置不同形式连系梁，连系梁示意图如图14所示，分析结果如图15、图16所示。
　　由图15可以看出，连系梁能增强微型桩抗滑效果。无连系梁时，土体最大水平位移为17.6mm;单独使用纵向连系梁和斜向连系梁时，水平位移减小幅度有限，分别减小了0.5mm和1.1mm，这是由于单独形式的连系梁只将每排桩相连，未能发挥微型桩整体抗滑作用;使用组合形式连系梁时，各排桩能有效连在一起，水平位移比无连系梁时明显减小，使用单向交叉连系梁和双向交叉连系梁时，最大水平位移减少了3.8mm和4.7mm，分别减小了22%和28%。
　　从图16可以看出，无连系梁时，微型桩最大正弯矩和最大负弯矩为2.51kN·m和-1.62kN·m;使用纵向连系梁和斜向连系梁时，微型桩弯矩均有小幅降低;使用单向交叉连系梁时，最大正弯矩和最大负弯矩降低为1.87kN·m和-1.19kN·m，分别降低了25.6%和26.1%;使用双向交叉连系梁时，最大正弯矩和最大负弯矩减小为1.64kN·m和-0.75kN·m，分别减小了34.8%和53.7%。综上，组合形式连系梁效果明显好于单独形式连系梁，具体排序为：双向交叉连系梁>单向交叉连系梁>斜向连系梁>纵向连系梁。
　　5结论
　　1）针对沿海在役高速公路软基段出现的侧向滑移病害，提出了采用连系梁微型桩技术进行处治的新方法。现场实测结果表明，微型桩能大幅减小软基水平位移和路面累积沉降，是处治深厚软基滑移病害的一种有效方法。
　　2）选取深厚软基滑移病害段典型断面，采用Plaxis 3D有限元程序建立了高速公路深厚软基连系梁微型桩加固变形分析模型，结果表明：深层水平位移与路表沉降数值计算结果与现场实测数据较吻合;加设微型桩阻止了贯穿滑动面的形成，使用单独微型桩和加连系梁微型桩时，最大水平位移分别比未加微型桩时减小了84%和90%。
　　3）分析桩间距、桩排距和连系梁不同形式对微型桩处治效果的影响。结果表明，随着桩间距的增大，土体侧移逐渐增大，桩间距超过10倍桩径后，增长速度加快;随着桩排距的增加，土体侧移出现先减小后增大的现象，桩排距不宜超过10倍桩径;桩顶设置连系梁能减小土体位移与优化微型桩受力，不同形式连系梁的微型桩处治效果排序为：双向交叉连系梁>单向交叉连系梁>斜向连系梁>纵向连系梁。
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