钢管压力注浆型抗滑挡墙在京珠高速公路K108滑坡治理中的应用_

钢管压力注浆型抗滑挡墙在京珠高速公路K108滑坡治理中的应用
   朱宝龙，胡厚田，张玉芳，陈强，张胜文(1.西南交通大学地质工程系，四川成都610031；2.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳621010；3.铁道科学研究院深圳市铁科岩土工程有限公司，广东深圳518034)
   摘要：钢管压力注浆型抗滑挡墙是一种将注浆方法与微型桩群方法联合使用的技术，受力分析时可看作一个抗滑挡墙，其最大特点是将滑坡中的一部分滑动体加固成抗滑体来达到对滑坡治理的目的。以京珠高速公路K108滑坡为例，介绍滑坡的地层岩性、地质构造及水文地质特征，应用位移监测方法查明滑坡有5层滑动带；采用钢管压力注浆型抗滑挡墙加固后，通过PS波速测试与旁压试验检验得出，压力注浆对滑坡岩土体的力学性质有较大改善作用；再结合截排水隧洞排出滑体内地下水，通过滑坡测斜孔的位移监测分析及稳定性验算，得出滑坡已处于稳定状态，达到滑坡治理的目的。
   关键词：边坡工程；钢管压力注浆型抗滑挡墙；微型桩；滑坡；PS波速测试；旁压试验；稳定性
   中图分类号：P 642.22文献标识码：A文章编号：1000–6915(2006)02–0399–08
   1引言
   经过多年的工程实践和理论研究，国内外在滑坡防治的各个方面都取得了很大成就，其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、预应力锚索地梁与预应力锚索框架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、施工方法。
   其中微型桩技术也得到了广泛的应用，许多学者和工程人员对此进行了研究，特别是受力机制的研究，使人们认识到微型桩在解决复杂地基和边坡稳定等问题方面的优势。目前，微型桩已经在国内外的一些基础托换、建筑物加固、挡土结构、边坡支护等工程中得到了应用。
   虽然使用微型桩(群)的方法治理滑坡的研究成果较多，并取得了显著的治理效果，但这些研究均侧重于微型桩(群)的支挡作用，而忽视了压力注浆在滑坡治理中改善滑坡岩土体的作用。因此，有必要对改善滑坡体、滑动带与滑床下岩土体的作用的注浆技术与主要起支挡作用的微型桩技术联合使用的技术进行研究。本文以北京－珠海高速公路粤境南段K108滑坡为例，介绍一种将微型桩(群)及注浆技术联合使用的新型支挡结构——钢管压力注浆型抗滑挡墙，并通过现场试验检验其加固效果。
   2  钢管压力注浆型抗滑挡墙
   钢管压力注浆型抗滑挡墙是一种将注浆方法与微型桩群方法联合使用的技术，即把微型桩与注浆体结合在一起，受力分析时将其看作一个抗滑挡墙，其最大特点是将滑坡中的一部分滑动体加固成抗滑体来达到对滑坡治理的目的。
   钢管压力注浆型抗滑挡墙是在滑坡体抗滑段采用两排或几排钻孔，下入钢花管进行压力注浆，用以加固钢管周围的滑坡体、滑面及其以下的岩土体，使密排的钢花管微型桩及其间的岩土体形成一个坚固的连续整体，共同起抗滑挡墙作用，微型桩在滑坡平面及断面上的分布，分别如图1(a)，(b)所示。
   这种抗滑挡墙主要有以下几个方面的作用和优点：
   (1)支挡作用：钢管及其周围的水泥浆体形成一个微型桩，多根微型桩密布在滑体上，穿过滑动面嵌入滑床基岩中成为锚固桩，从而对滑体产生支挡作用，增加抗滑力。(2)增阻作用：劈裂注浆形成树根桩，浆液凝固时具有黏聚性和吸水性，将滑体和不动体黏聚形成一个扩散状的复合体，使滑带土的性质得到改善，提高c，?值，增大摩阻力，从而改善了滑面处岩土体的抗滑作用。(3)挤密加固作用：通过水泥浆体的充填、挤密，使岩土体密度加大，孔隙减少，渗透系数减小，从而减少地表水的渗入，提高滑体的稳定性。(4)抗滑挡墙作用：加固桩周围和桩间的岩土体，提高了岩土体的侧向抗力，并使两排微型桩及其之间被加固的岩土体形成了一连续的抗滑挡墙，在滑坡整治中起到挡土墙的作用；同时，通过钢管压力注浆，加固钢管周围的滑坡体、滑动带及滑床下的稳定岩土体，使微型钢管桩及其周围的滑体、滑带及滑床下的岩土体形成一个较坚固的抗滑整体。并将滑坡前缘的一部分滑动体加固成抗滑体，使之成为抗滑挡墙的一部分。(5)便于施工，对环境破坏小，钢材和水泥用量较小。(6)适于治理含水量大的崩坡积、残坡积等软黏土滑坡。

   3 滑坡工程地质特征
   K108滑坡位于广东省韶关市西南，北京—珠海高速公路粤南段K108+210.815～K108+478.585左侧，全长268.0 m。堑顶标高为143.0 m，路面标高为95.0 m。勘察设计阶段对该边坡的复杂性认识不足，自从边坡开挖以来，已先后发生4次滑动，滑坡沿线路长268.0 m，沿滑动方向长为150.0 m。该滑坡在施工中已是京珠高速公路粤南段老大难的咽喉工程。

   的西北侧。上部砂岩、页岩互层，多为全、强风化岩，含少量弱风化岩块；中部是碳质灰岩、碳质泥岩夹碳质页岩，局部夹有煤层，岩石破碎，节理裂隙发育，是易滑地层，岩体滑动主要发生在此岩层之中；下部是灰岩，岩质较完整坚硬。
   滑坡区第四系残积土强度低，厚度大；石碳系中上统和下统岩层风化破碎，夹大量黏土和碳质，强度低(表1)，岩层产状倾向临空面，属易滑地层。
   3.2  地质构造
   在K108滑坡区有方向大致相同的4条断层密集分布，这4条断层对滑坡的产生起了重要的控制作用，主要表现在以下2个方面：(1)断层控制了滑坡的边界和空间分布，由图2可知，滑坡北部和东部边界均在上述4条断层的范围之内，滑坡的分布范围受4条断层的破碎带的控制。(2)断层控制地下水储水构造，图3所示为地下水储水构造示意图(图2中1–1′剖面)。
   由此可知，F1，F2和F3三条断层陡倾，断层间的岩石破碎，而且张节理发育，在F1和F3断层之间形成了一个集水、储水构造，深层的碳质泥岩、页岩则成为储水构造底部的隔水层。

   3.3水文地质特征
   由电阻测深得到滑坡区的地下水分布范围长约160.0 m，宽约65.0 m，见图2。由图2可知，地下水富集区基本上与滑坡严重变形区一致。地下水富集对软化滑体和滑带，降低滑面的抗剪强度，对增加滑体重力，增加下滑力起了重要作用，是滑坡形成的一个重要条件。
   3.4滑动带的确定
   根据深部位移监测资料，确定2–2′地质剖面，即里程K108+280 m处边坡体自上而下发生了5层滑动(见图4)。

   4  滑坡产生的原因
   如前所述，原设计边坡高48.0 m，开挖边坡施工是由上至下开挖，上部三、四级边坡有大量地下水渗出，开挖至第三级边坡的上半部时，在降雨过程中，发生了浅层滑坡。第二次边坡开挖又产生第二次滑动，原有后缘裂缝继续增大，滑坡向三级边坡发展。第三次滑动和第四次滑动分别发生在二级边坡和一级边坡开挖的过程中，滑坡发生了明显的位移，滑动范围逐渐扩大，其范围如图2所示。
   组成滑坡岩土体的是石碳系煤系地层和第四系坡残积层，它们均属易滑地层，而且岩层倾向线路。岩土体抗剪强度低(表1)，侧向承载力小，这是滑坡滑动的重要物质基础。断层密集分布，岩体破碎，地下水向断层聚集，滑体和滑带岩土体的含水量高，使滑动带的抗剪强度更进一步降低，这是滑坡滑动的又一重要原因。边坡工程开挖量较大，最大开挖深度达20.0 m以上。由于边坡坡脚开挖失去支撑，加之卸荷回弹，使原本不稳定的岩体更不稳定；特别是施工中的降雨进一步软化了岩土体，使滑体和滑动面的强度进一步降低。因此，边坡开挖施工中的降雨是滑坡滑动的重要诱因。滑体中地下水富集，并直接受降雨补给，以及滑坡岩土体性质软弱，抗剪强度低，为滑坡产生的两个最根本原因。
   5  滑坡整治措施
   5.1  截排水隧洞及其作用
   在滑坡上部五平台下，深约26.0 m(以原地计)处修建一个长156.0 m，净空断面为3.27 m³(梯形)截排水隧洞，隧洞位置，见图4，5。截排水隧洞竣工后，连续对其排水量进行了实测，截排水隧洞最小的排水量为10.0 m³/d；随着降雨量的增加，隧洞的排水量也随着增加，但稍有滞后的现象，最大排水量为63.0 m³/d。这说明截排水隧洞竣工后每天都能固定排除相当数量的地下水，在雨季拦截了大量降雨补给的地下水，避免了大量地下水向滑体和滑带补给，起到了有效截排地下水的作用。

   5.2 钢管压力注浆型抗滑挡墙
   鉴于K108滑坡岩土体的性质软弱，滑面的抗剪强度低，加固滑动面，加固滑坡岩土体，提高滑体的稳定性应该是整治滑坡的重要措施。为此，本滑坡采用了密排钢管压力注浆微型桩组合成钢管压力注浆型抗滑挡墙进行整治，注浆时在钢管中和钢管与钻孔壁之间均注水泥浆。而且采用分段劈裂注浆工艺，使水泥浆液进入钢管与钢管之间的岩土体中，对桩间岩土体有一定的胶结加固作用。这样两排桩之间和桩间的岩土体就形成了一个整体，相当于一个连续墙。换言之，由于钢管压力注浆微型桩的施工，把各级边坡处的被微型桩包围起来的滑动体加固成了抗滑挡墙的一个组成部分，和微型桩共同起抗滑挡墙的作用。此处，钢管压力注浆桩都穿过滑动面以下7.0～12.0 m，水泥浆可以灌入滑动面，对滑动面有很大的加固作用，钢管本身也具有一定的抗剪强度。微型桩在滑坡平面及纵断面上分布位置如图2，4所示，具体设计参数如下：
   (1)钢管压力注浆微型桩设计(见图4)
   ①坡脚：φ50 mm钢管，孔径φ90 mm，三排，长度均为12 m，排距均为1.8 m，孔间距均为2 m。
   ②一级平台：φ90 mm钢管，孔径φ130 mm，二排，长度均为14 m，排距均为1.8 m，孔间距均为2 m。
   ③三级平台：φ90 mm钢管，孔径φ130 mm，二排，长度均为20 m，排距均为1.8 m，孔间距均为2 m。
   ④四级平台：φ90 mm钢管，孔径φ130 mm，二排，长度均为24 m，排距、孔间距均为2 m。
   ⑤孔位均采用梅花型交错布置，见图5。
   (2)注浆参数的选定
   ①钢管压力注浆微型桩的工艺流程如图6所示，其中钢花管加工是在钢管壁用台钻钻孔，孔径为4～5 mm，螺旋式布孔，循环间距30 cm，同一截面只有一孔，注浆管的结构见图7。

    ②水灰比：一次注浆0.45～0.50，二次注浆为0.6～0.7。
   ③注浆压力：正常注浆最大不超过3 MPa。
   ④注浆量：注浆量要求达到200 kg/m。
   ⑤劈裂注浆：二次注浆采用分段劈裂注浆，使各段出浆管口位置在滑带、滑带上下各1.0 m处，每段提高1.5～2.0 m；二次注浆在一次注浆的10～12 h后进行。
   ⑥水泥浆：注浆为纯水泥浆，选用42.5R水泥。
   6 注浆效果检验
   6.1  PS波速测试验结果对比分析

    可得出深度在7.0 m以下加固效果好于7.0 m以上，另外加固后横波增加值比纵波要大。由此可知，加固后的动剪切模量、动杨氏模量明显高于加固前，而加固后的动泊松比则低于加固前，根据坚硬的岩土层动剪切模量大、动杨氏模量大和动泊松比小的特征，说明通过加固，测试区的岩土层坚硬程度得到明显改善。
   根据以上分析，再由剪切波波速Vs与岩土层抗剪指标c，?值之间的增函数关系，也可推断出测试地段内注浆后的岩土体c，?值得到明显改善。
   6.2 旁压试验结果对比分析
   在全风化岩质泥岩中旁压试验共进行了34次，注浆前19次，注浆后15次。由于该层风化很不均匀，含石英砂岩碎块多，使旁压试验结果变化幅度大。在含石英砂岩碎块多的地段，似弹性模量、旁压模量明显增高。如其中一孔18.4 m深度处，似弹性模量高达262.0 MPa，旁压模量则无法测出，这显然是由石英砂岩所引起。因此，在统计平均值时，对注浆前的试验结果，剔除了旁压模量大于20 MPa的试验点，只选14段进行了统计。注浆后的试验值由于试验时注意避开了含碎石多、难以钻进的地段，未出现旁压模量大于20 MPa的点，15次旁压试验结果对比见表2，由表2可知，注浆后的似弹性模量值提高了19%，旁压模量值提高了20%，说明注浆后全风化碳质泥岩强度有了明显提高。

   7 稳定性评价
   7.1 位移监测
   通过在滑体内的测斜孔的位移监测，发现在钢管压力注浆型抗滑挡墙施工完成后，滑坡较快地达到稳定状态，没有显著的大变形。图10为测斜孔ZK1–3(位置见图4)的3段位移–时间曲线，前13周后由于钢管压力注浆施工对坡体的挠动，位移出现较大增长，待施工完成后，位移的发展迅速趋于平稳，没有大的起伏，说明滑坡已经进入稳定状态。图11为测斜孔ZK1–3的各深度的在第3，13，31周的位移曲线。

    7.2稳定性计算
   应用有限元强度折减法对K108滑坡进行分析得到，加固前滑坡的安全系数为0.915，在钢管压力注浆型抗滑挡墙加固滑坡后安全系数提高到1.635，达到了工程治理目的。图12，13为滑坡加固前后的位移增量等值线图。

   8结论
   (1)京珠高速公路K108滑坡表层为第四系坡残积土，厚度大，强度低，下部石碳系碳质页岩、碳质灰岩、砂岩和白云岩等属易滑地层。密集断层分布控制了滑坡的空间分布，及滑坡区的储水构造。地下水富集、软化滑带，降低了滑体抗剪强度，增加滑体重力，增大了下滑力，是滑坡形成的重要条件之一。而路堑边坡开挖及降雨是滑坡形成和发展的直接诱因。
   (2)截排水隧洞旱季和雨季都截排了大量地下水，在整治K108滑坡中效果显著。
   (3)钢管压力注浆微型桩的本身有一定抗滑作用，钢管压力注浆加固滑带、微型桩周围及微型桩桩排间的岩土体，使其强度提高，并使微型桩桩排及其之间被加固的岩土体形成一个抗滑整体，在滑坡整治中起到挡土墙的作用，即所谓钢管压力注浆型抗滑挡墙。其适用于治理含水量大的崩坡积、残坡积等软黏土滑坡。
   (4)对加固后的滑体岩土体进行PS波、旁压试验检验得到，注浆加固提高了滑坡岩土体的力学性质，达到了加固目的。并通过位移监测及稳定性验算得出，K108滑坡在钢管压力注浆型抗滑挡墙加固后达到了稳定，说明钢管压力注浆型抗滑挡墙为一有效、值得推广的滑坡治理方法。

文章来自：滑模机械网

文章作者：信息一部

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