微型钢管桩在复杂地质条件下的机理分析及应用

张云鹏

摘 要：本文结合宜宾市翠屏区盐李路临江侧人工堆弃土边坡地质结构特征，以及宜宾市长江生态综合治理项目设计文件及工程建设情况对桩基方案进行了比选;微型钢管桩在复杂地质条件下的应用进行了机理分析，采用进行了微型钢管桩加固地基稳定性分析[1]，结果表明微型钢管桩在复杂土质地基处理中具有优良的表现。

关键词：桩基础比选;微型钢管桩;抗滑机理;稳定性分析

引言：本文依托于宜宾市长江生态综合治理项目工程实例介绍微型钢管桩的施工应用情况，本工程中微型钢管桩作为一种抗滑桩，注浆后与土石结合体共同承担受力。抗滑桩通过锚入岩体，注浆后凭借本身的刚性，用以支撑边坡滑体的下滑力。其作为一种“小径高强”桩在一些特定场合以其独特的优势开始逐渐受到设计人员的重视。对微型钢管桩的研究，对复杂地质条件下地基处置及边坡治理有重大指导意义。

1 工程概况

宜宾市长江生态综合治理工程项目位于宜宾市翠屏区，沿既有盐李路临长江侧新建道路，作为观光骑游道路，全长约3.1km（AK4+924.5-AK8+026），道路最小宽度4m，实施内容包括桥梁工程、绿道路基路面工程、边坡防护工程、微型钢管桩路基加固工程、景观亭（休息区）、停车场、照明工程及绿化工程等。

其中，微型钢管桩加固工程（AK4+924.5-AK5+670）共745.5m，为原旋挖桩变更而来。

2 地质条件

本工程線路通过段位于长江右岸（凹岸），地貌上属长江河流侵蚀性——基座阶地地貌，工程区跨河谷漫滩、Ⅰ级、Ⅱ级阶地。

场地两岸属于蚀堆积地貌。覆盖层为原盐李路修筑时弃置的不均土石，厚2m至22m;沿线出露基岩为罗系中统上沙溪庙组泥岩及砂岩。裂较发育，整体性较好。挡土墙所在区域地层主要为：据地面工程地质调查及钻探揭露，场区内主要地层为新生界第四系全新统人工堆积层（Q4m）、冲积层（+2中生界罗系中统上沙溪庙组成。

3 桩基础方案的选择

本工程其AK4+924.5至AK5+670，拟采用桩基础与挡土墙相结合的形式作为路基防护支挡。基础方案有钻孔灌注桩和微型钢管桩两种，各种方案有其优点和局限性。因此，选择合理的方案是保证下部基础工程质量和施工安全的关键。

在深入掌握和研究已有工程地质、水文地质资料和周边环境条件的基础上，进行多种方案的分析，论证与优化，并着重考虑了以下因素：

AK4+924.5至AK5+670根据地勘资料及现场实地查看，发现该段线路通过的陡坡地带，地形条件较差，岩体裂隙发育，完整性较差，覆盖层堆积体分布广泛。上覆为松散堆积层，主要为人工填土和崩坡堆积块石土，下伏为强风化砂岩、中风化砂岩，中风化砂岩承载力较高，压缩变形较小，是较好的桩基持力层;

本段原地表边坡陡峭，施工段落与上部既有道路高差在35米至50米，不利于大开挖修筑施工便道。旋挖桩机进场施工最小宽度为6.5m，现场陡坡不宜大面积扰动，否则落土落石会对长江江床造成堵塞和污染。故大口径桩基础施工在现有条件下施工非常困难。

微型钢管桩作为一种抗滑桩，近年来在边坡滑坡治理中得到了应用，且与传统抗滑桩相比具有很大的优势。在本工程中采用微型钢管桩既作为抗滑桩支挡边坡土体，又与土石结合体形成复合地基共同承担上部荷载。且具有如下优良特点：①能够利用复杂地质条件，解决大口径桩基础施工碰到的难点。②直径小、施工速度快且较安全。③钢管本身有较大的钢度和抗剪强度，受力情况良好且易于加工，可焊接，长度易于调节。④造价低，经济性好。

综合比较分析后，选用能在狭窄工作面施工的微型钢管桩注浆后与土石的结合体作为路基基础。

4 微型钢管桩机理分析

4.1通过微型钢管桩灌注的水泥砂浆渗入到钻孔周围土石结合体中，与岩土体充分混合，固结土石体，提高堆砌土体的完整性和强度，同时提高了有下滑趋势的滑体与滑床的粘聚力和摩擦角。

4.2采用微型钢管桩加固时，采用多排群桩布置，桩与桩之间的间隔较窄，且将桩顶用型钢或角钢相互连接起来，荷载由桩-土复合结构共同承担，管桩与周围土石结合体形成一个复合型挡土墙，起抗滑挡墙的作用。

4.3微型钢管桩以多排群桩布置（见下图1），受到桩后的横向滑坡推力作用时，它对桩间和邻近土石结合体有改造和加固作用，使其更具整体性，土体的强度得到提高。受力分析时可将其看作是一个重力式挡土墙。并且钢桩在土体中有加筋作用，土体的刚度明显加强，使其对桩的侧向压力致使桩的侧向变形显著减少。

5 微型钢管桩工艺参数

5.1桩体采用Q235钢无缝钢管，屈服强度不小于235MPa，抗拉强度375MPa至500MPa，直径为127mm*8mm，单根桩长12～25m（嵌固中风化基岩深度不小于5.0m），接长钢管采用φ108mm×6mm无缝钢管，两头搭接60cm，总长120cm，并与φ127mm×8mm无缝钢管焊接，中央采用拉通焊接，两头采用120°成孔后焊接。

5.2桩间距横向0.75、纵向1.0m，采用梅花桩布置。钢管自顶端1.5米以下在管壁上开孔，开孔直径为φ15mm，竖向间距20cm，120°螺旋布设。桩顶高出承台底500mm。

5.3钢管内外注浆选用砂灰比1：1、水灰比0.5的无收缩水泥浆，砂浆强度达到M30，注浆管需装设压力表，注浆压力不大于0.2Mpa，注浆采用一次性注浆，直至孔口冒出纯浆为止。

6 边坡与路基稳定性分析

6.1桩前边坡下滑力计算

对主滑动剖面进行分析计算，将滑动面分为10个条块（图2），采用传递系数法，当土体（滑坡体）处于极限平衡条件下，即最后一条块土体剩余下滑力为零，可按式5.1计算获得坡体每一个滑块的剩余下滑力。

计算参数：素填土重度为17KN/m?，饱和素填土重度为：19.5KN/m?，根据地勘报告显示边坡土体粘聚力C=26KPa，内摩擦角   =4?，稳定系数φi根据设计规范取：Fst1.25，滑块倾角如图2所示，上部设计荷载作用于第三第四滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块滑块。本工程因长江江床较坡体很远，故不考虑长江水位对坡体的影响，不考虑动水压力和浮托力以及地震力对坡体的影响。仅考虑“暴雨+设计上部荷载+自重”工况下，计算人工填土处于饱和状态下的滑坡推力。

将各作用力投影到底滑面上，其平衡方程如下：

按式5.4计算得桩前坡体10个滑块的剩余下滑力，如图4所示，受上部设计荷载影响，计算得第4块滑块有最大下滑力23.76KN/m，距锚固端2.63m。

根据力的作用力与反作用力，此截面布置的钢管群桩（取单元体1m宽，等效于3根φ150mm传统抗滑桩），受到最大弯矩45.683KN.m。

6.2钢桩抗弯强度校核

Wi根据材料力学计算钢管桩抗弯截面系数    =46048.54mm?，σ=330.6872MPa

7 微型钢管桩的应用

宜宾市长江生态综合治理项目，共设计1972根微型钢管桩，沿路线左侧成三排布置，单根桩长根据地质特点10m至25m，嵌入岩层至少5米。总计处治复杂土质路基745.5m（AK4+924.5-AK5+670）。

7.1微型钢管桩施工工艺流程

平整场地——注浆钢管制作焊接——测量放线——孔距定位——钻孔机就位钻孔（每3m接钻杆一次）——清孔——安装下放钢管——注浆机安装 ——安装注浆管——拌制水泥砂浆——注水泥砂浆——加压注浆直至上口翻浆。

7.2施工要点

（1）平整场地：采用50型铲车配合挖掘机，根据设计要求放出基坑边线及定出桩位，安装钻机进行成孔作业;待施工完毕后泥浆外运至施工区域外，检查并保护成桩。

（2）注浆钢管制作焊接：根据设计图纸要求的深度进行下料，钢管连接处进行加强焊接。

（3）测量放线：根据设计要求的间距、排距及设计提供的标高进行测量放线。

（4）孔距定位：根据设计的孔洞直径、间距、排距使用筷子打入地下进行定位;

（5）微型桩定位：本工艺采用干成孔方式钻孔，根据微型桩定位，在成孔位置上进行汽车载运螺旋钻准确定位，汽车支撑脚腿下进行夯实后垫方木，确保其稳定。

（6）就位钻孔：将汽车载运螺旋钻机安放在指定位置，安放水平，防止倾斜;将钻杆抬至钻机旁，启动钻机，慢慢钻进;每进深2m，需要接一次钻杆，直至得到设计有效深度。

（7）钻孔：将钻机安放在指定位置，安放水平，防止倾斜;将钻杆抬至钻机旁，启动钻机，慢慢钻进，每进深3m，需要接一次钻杆， 直至达到设计有效深度。供风采用不小于1.4Mpa高风压空压机，以便于凿岩土石渣吹出孔内，钻具采用偏心钻头φ150金刚石钻头，钢套管采用φ163×8无缝P110型钢管，1m一节，钢套管两端加工有丝牙，公母扣连接。钻进时先用低速、低压钻进，确保钻孔精度，当稳杆器带动管角进入回填区，再正常钻进，偏心轮张开，钻孔孔径大于钢套管管径，管靴带动钢套管跟进，跟管钻进过程中实行边加钻杆边加套管，根据钻孔过程中返出的物质来判断回填区的实际地质情况和跟管深度，当跟管钻进超过覆盖层进入岩层5m后，慢速反钻钻机，偏心轮回收，整套钻具及钻杆从套管内退出，钢套管留在孔内作为钢管桩的钢管，钻孔完毕。

（8）清孔：钻孔完毕后，连续不断的用不小于1.4Mpa高压风彻底冲洗钻孔，直至孔口返出之风手感无尘屑，延续5min，孔内沉渣不大于50mm。

（9）注浆机安装：在现场指定位置固定注浆机，电源由指定的配电箱接入，采用6平方三相五线制电缆，把拌制的水泥砂浆放入6mm钢板焊接制成的1m*1m*1m灰槽内，然后由注浆机注浆。注浆管需装设压力表，注浆压力不大于0.2Mpa，水灰比0.5、砂灰比1比1，注浆后暂不拔管，直至水泥浆从管外流出为止，拔出注浆管，密封钢管端部，加压数分钟，待水泥浆再次从钢管外流出为止。

（10）安装下放钢管：待孔清洗后及时在孔内安装预先制作好的钢管，单根钢管桩长10-20m，接长钢管采用中108mmX6mm钢管，两头搭60cm，总长120cm，并与φ127X8无钢管焊，中央采用拉通焊，两头采用120°成孔后焊接，确保连接牢靠。焊接时，焊疤不能出管壁，以防止下管困难。钢管下孔时应根据现场情况采取必要的措施，使其缓慢放置孔底位，防止钢管接连处破坏和对孔周岩土造成过大的扰动。

为保证钢管居中，须在钢管外每4焊接一套定位器，定位器采用中φ8mm钢筋制作。钢管下孔前，应先在孔壁上开孔，以便浆时水浆能进入管壁与孔壁的间开孔直径为15m，竖向间距20cm，120°螺旋布设。

（11）安装注浆管：下放钢管完毕后，要及时进行注浆，注浆管由注浆机只接接入到下入孔内的钢管上，接口要密封连接，注浆管采用橡胶管输送。

（12）拌制M30无收缩水泥砂浆：水泥砂浆采用专用机械进行拌制，水灰比控制0.5、砂灰比1比1，把拌制的水泥砂浆放入钢制的1m*1m*1m灰槽内，然后由注浆机注浆。

（13）注水泥砂浆：注浆管需装设压力表，注浆压力为0.2Mpa，注浆采用孔底返浆一次性注浆，注浆后暂不拔管，直至水泥砂浆从管外流出为止。

（14）微型桩施工中，应仔细测量孔深、钢管长度及注浆管长度，避免出现假桩断桩现象。

（15）严格控制桩顶桩底标高。

（16）两端处桩位偏差不得大于1/3桩径（本工程为1/3*150=50mm），中间桩桩位偏差不得大于1/2桩径（本工程为1/2*150=75mm），垂直度不超过1/1000桩长。

7.3施工质量控制

（1）成孔：

成孔前为保证桩的垂直度，需有水平尺前后、左右调整好钻机的水平度，为控制桩位偏差，成孔前先用仪器精确定出桩位，每个桩位上插上筷子，开钻时，钻头中心对准 筷子头上方可开钻。钻机每进尺累计达到200米之后要测量钻头一次。

（2）M30无收缩水泥砂浆配制要求：

水泥砂浆要严格按照水灰比0.5控制、砂灰比1比1的比例配置，水泥砂浆在搅拌桶内至少搅拌4分钟后才可以开始注浆，从而达到攪拌均匀。如果因设备出故障或其它原因致使浆液搅拌时间超过30分钟，为不影响桩身质量把浆液废弃。

8 结束语

8.1宜宾市长江生态综合治理项目工程地基基础采用微型钢管桩经过试验检测和沉降监测，安全稳定。在河岸、陡坡等复杂地质条件及施工面狭窄的情况下与钻孔灌注桩或人工挖孔桩方案相比，无论在技术上还是经济上都占有明显的优势，推广应用方面有很大的发展空间。

8.2微型钢管桩桩距小、呈梅花形布置，再加上桩和土体的共同作用，形成的复合结构能够承受较大的弯矩，可有效防止在外力作用下，边坡局部失稳滑坡。

8.3微型钢管桩在工程实际运用中施工方便快捷，成桩快速，施工质量容易控制。

参考文献：

[1] 微型钢管桩用于滑坡治理及理论分析，肖春锦，湖北省鄂西地质工程勘察院，湖北宜昌.