DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.07.023
山区公路微型桩-加筋土挡墙系统技术开发
张智超1, 2，刘汉龙1, 3，陈育民1
(1. 河海大学 土木与交通学院，江苏 南京，210098；
2. 国土资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室(福建省地质灾害重点实验室)，福建 福州，350002；
3. 重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆，400045)
摘要：针对修筑于斜坡地带的公路加筋土挡墙系统的设计、施工难点和破坏模式，开发一种适合于我国西部山区特点的微型桩-加筋土挡墙系统：竖直和倾斜的一对微型桩从路面穿过加筋土挡墙的回填土区域，并锚固进地基，同时，在桩顶处浇筑承台和地基梁，使微型桩布置成为纵向框架组合形式，并通过连接构件将护栏与地基梁及微型桩相连，形成“护栏—连接构件—地基梁—微型桩—加筋土—地基”这一自上而下的整体加固体系。介绍该加固系统的结构形式、技术特点、施工方法和质量控制等，对采取不同加固措施的斜坡加筋土挡墙的变形特性进行数值模拟分析，初步验证所提出的加固方法的优越性。研究结果表明：该系统施工方便，不需要大量挖填方，收坡效果好，仅增加适当的材料用量，即可实现加强挡土墙局部稳定性、整体稳定性和护栏抗冲击性能的多重加固目的。
关键词：加筋土挡墙；微型桩；边坡；外部稳定性
中图分类号：TU443 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2017)07-1849-09
Development of road micropile-MSE wall system in mountainous areas
ZHANG Zhichao1, 2, LIU Hanlong1, 3, CHEN Yumin1
(1. College of Civil & Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;
2. Key Laboratory of Geohazard Prevention of Hilly Mountains, Ministry of Land and Resources of China
(Fujian Key Laboratory of Geohazard Prevention), Fuzhou 350002, China;
3. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Chongqing University, Chongqing 400045, China)
Abstract: In order to deal with the difficulties in the design, construction of roadway retaining walls on steep terrain as well as its failure problems, the scheme of micropile-MSE wall system, which is suitable for the road construction in mountainous areas in western China, was put forward so as to solve the problems mentioned above. In the road micropile-MSE wall system, a pair of vertical and inclined micropiles goes through the MSE region and penetrates into the foundation, and then pile cap and grade beam are placed on the pile top to form the longitudinal framing mode. After that, the road barrier is connected to the grade beam and micropiles by connecting linkages. The structural style, technical features, construction method as well as quantity control were introduced, and contrastive numerical simulations on the deformation property of MSE Wall with different reinforcements were conducted to validate the superiority of the proposed micropile-MSE wall preliminarily. The results show that this system has the merits such as convenient construction, moderate excavation and filling as well as grading. The retaining wall’s local stability, global stability and impact resistance of barrier can be improved simultaneously after adding suitable reinforcing component.
Key words: MSE wall; micropile; slope; global stability
随着国家主干道计划(“五纵七横”规划及国家高速公路网“71118网”)的逐步实施和西部大开发战略的深入开展，我国的公路建设重点也逐步向地势起伏大、地质构造复杂、斜坡地段多的西部山区转移，平均造价也大幅度提高，给经济原本就欠发达的西部山区带来了更大的压力。造成公路建设造价陡升的一个重要原因就是山区斜坡地段长大隧道或高跨、长跨桥梁所占的比例增大，而在相同的条件下，同一里程的桥隧造价往往达到常规填方路基的5倍以上。另一方面，国民经济的日益发展和交通运输量的迅猛增加，使得原有的低等级的公路面临拓建和改造等问题，而西部山区受地形地貌和地质条件的限制，放坡空间不足，常常难以进行常规的路堤放坡填筑或路面加宽。因此，有必要因地制宜，开发出适合于斜坡地带的公路修筑或既有道路在路基边坡侧的拓宽方案，为日益增长的山区公路工程建设提供一个经济、安全和便利的途径。山区一般地势较为险峻，往往呈现一侧为河谷、另一侧为峭壁的地形，在道路新建或拓宽时，由于放坡空间不足，大多需顺山谷河道，进行隧道开凿或大量挖填方。然而，斜坡地带大规模的挖填方作业不仅会造成良田耕地的侵占，提高材料使用量和施工成本，还会给边坡稳定性造成额外的影响，且废弃渣处理不便也易造成生态环境破坏。针对这些情况，学者们提出了各类适用于斜坡地段的新型支挡结构，如桩承扶壁式挡土墙[1]、板椅式支挡结构[2]、半桥-边坡复合路基结构[3-4]和特殊的斜坡加筋土挡墙组合结构[5]等。然而，这些结构或者在实际高速公路工程实践中的应用相对较少，目前受力机理及变形特性等尚不明确，或者往往只能考虑路基填筑本身存在的问题，而当需要采取额外的措施对其加以改造，如对公路护栏系统的加固等，其适应性尚待商榷。相比之下，采用预制轻薄面板与加筋土共同作用搭建而成的加筋土挡墙已经广泛地为各类工程所使用，其具有造价低廉、施工简便，可直立砌筑，无需放坡，挖填量灵活等优点，并且还可方便地在加筋土中设置桩基础，增强结构的水平承载性能[6-7]，因此，加筋土挡墙成为了山区斜坡地带路基填筑较为可行的一个方案[8]。然而，对于这类修筑于斜坡上的加筋土挡墙，即使对边坡进行台阶开挖，其加筋回填土区域势必也会存在沿着边坡的下滑趋势，回填土与天然边坡的交界面往往会成为挡土墙变形、失效的薄弱面，容易使得加筋土挡墙发生整体(外部)稳定性破坏。此外，在正常工作条件下，高等级公路对变形控制的要求较高。加筋土挡墙作为一种柔性支挡结构，本身就会产生较大的位移[9]，而其作为高速公路路基时，在车辆荷载的反复作用下更容易产生过大的永久变形，引起路面不均匀沉降，造成线路不平顺，影响车辆的运行。并且对于这种依山而建的挡土墙，其加筋回填土沿着边坡的下滑趋势仅靠布置筋材也是无法阻止的，因而，还需采取更为有效的加固措施，以减小柔性加筋土的变形，增强加筋土挡墙的内部稳定性，保证公路的正常使用。此外，随着我国公路交通里程的不断增加，交通事故的绝对数量也呈显著上升的趋势，因而，在交通事故中，护栏的抗冲击性能在减少车辆与高速公路护栏的碰撞造成的人员伤亡和财产损失方面也就有着举足轻重的地位。尤其是对于在山区修建的公路挡土墙，护栏外侧往往就是是万丈深渊，在发生车祸、碰撞时，一旦护栏失效破坏，极易造成车辆坠落悬崖、车毁人亡的严重后果。因此，如果能够巧妙地借用公路挡土墙的设计形式，将护栏的加固措施也纳入考虑，将会给人民群众的生命财产安全带来巨大保障，同时也从经济性的角度为道路安全设施的研究及改进提供参考。因此，针对修筑于斜坡上的公路加筋土挡墙系统的设计、施工难点和可能遭受破坏的几种形式，如外部稳定性破坏、加筋土区域的局部变形以及车辆碰撞导致的护栏损毁等，在吸收柔性加固工艺—土工格栅和刚性加固工艺—微型桩的优点的基础上，综合考虑山区陡峭地段施工不便，大型机具不能进场，挡土结构形式复杂、受力多样化等问题，本文作者开发一种山区公路“微型桩-加筋土挡墙”系统，以期能够系统地解决上述问题。首先对该系统的结构形式、技术特点和施工方法等进行介绍，而后利用数值计算手段，对不同加固形式下的斜坡加筋土挡墙进行对比分析，以初步检验所提出的微型桩-加筋土挡墙系统的优越性，以期能够为我国西部山区的公路建设提供一条可行的方案。
1 加固系统的结构形式
山区公路“微型桩-加筋土挡墙”系统的侧视图、正视图和三维视图分别见图1~3。该加固系统的技术特点在于：
1) 竖直和倾斜的一对微型桩贯穿加筋回填土区域(见图1(a))，形成一个稳固的三角形加固体系，以控制柔性加筋土的变形，提高加筋土挡墙的内部稳定性。
2) 微型桩锚固进地基，加大滑动路径，增加抗滑力，提高加筋土挡墙的外部稳定性。
3) 通过连接构件将公路护栏与地基梁及其下的微型桩结合(见图1(b)和图2(b))，增强护栏的抗冲击能力。
4) 沿公路长度方向浇筑的地基梁将公路挡土墙各个段面上的微型桩结合，构成纵向框架组合形式，增强加固体系的整体性(见图3)。
该体系在各种工况下都能够充分发挥微型桩的功能，不会造成材料的闲置和浪费，仅增加适当的材料用量，即可实现对挡土墙的多种加固目的。通过与常规的放坡填方手段相比可以明显地发现(见图4)，本文提出的微型桩-加筋土挡墙系统可以大大减小回填量，节约施工空间，避免对土地的大量侵占，且微型桩的加固，能够保持斜坡上加筋回填土区域的稳定。
图1 山区公路“微型桩-加筋土挡墙”系统侧视图
Fig. 1 Side views of micropile-MSE wall system in mountainous area
图2 山区公路“微型桩-加筋土挡墙”系统正视图
Fig. 2 Front views of micropile-MSE wall system in mountainous area
图3 山区公路“微型桩-加筋土挡墙”系统三维视图
Fig. 3 3D views of micropile-MSE wall system in mountainous area
与以往锚杆抗滑桩[10-11]不同的是：微型桩-加筋土挡墙中的倾斜加固构件采用的微型桩是一种小口径的钻孔灌注桩，直径较小(100~300 mm)，由压力注浆和加劲材料所组成，不但具有常规锚杆的抗拉性能，而且具有较高的抗压和抗弯剪强度，因此，倾斜微型桩不但能够协调竖直桩受到的荷载，还可以更直接地对加筋土区域沿着边坡的下滑提供抗滑力矩，更好地适应斜坡加筋土挡墙这种结构形式和受力条件都较复杂的支挡结构。此外，从施工便利性的角度来说，微型桩具有布置形式多样、施工方便快捷、施工器械简单的特点，而倾斜和竖直加固构件均为微型桩，与锚杆抗滑桩相比，可以不用更换施工设备，一次性完成施工，因而更为方便。此外，值得指出的是，倾斜桩作为微型桩常用的布桩形式，其施工方法和承载特性已得到广泛研究[12-15]。因此，本文通过挡土墙结构的设计和加固方案，将竖直和倾斜布置的1对微型桩应用于增强挡土墙局部稳定性、整体稳定性和护栏抗冲击性能。
图4 加筋土挡墙与常规放坡填筑路堤对比
Fig. 4 Comparison of MSE wall with sloping backfill
2 施工方法与质量控制
山区公路“微型桩-加筋土挡墙”系统中的加土筋挡墙与微型桩分别都已经有较为成熟的施工工法。而针对在加筋土中设置桩基础的施工，ROLLINS等[7, 16-17]通过试验手段验证了桩基础在加筋土中的施工可行性。而微型桩的桩径仅为100~300 mm，与普通桩基础相比，施工更为简便，桩身对筋材的损伤更小，因而，在加筋回填土中设置微型桩具有更高的可操作性。
因此，本文在加筋土挡墙填筑完成之后，采用微型桩常用的钻孔灌注方式，在加筋回填土中形成微型桩体。具体施工步骤和质量控制如下。
1) 场地清理。施工前对基底进行整平，在原状坡体上根据设计图纸的要求清理出需要铺设土工格栅的平面。
2) 条形基础施工。开挖基坑并予以夯实，由地勘单位对基底承载力进行验槽合格后，根据设计要求浇筑条形基础或采用分层填筑碎石、灰土加固等方式处理，应严格控制基础顶面高程和分段长度。
3) 预制面板的安装。清理基础顶面，准确划出面板边缘线。面板在安装前须仔细检查，第一层面板是控制全墙的基线，用经纬仪水准仪定位后，采用吊装设备安装，并可使用斜撑固定，完毕后方可进行下一层面板的搭接，然后插入钢筋插销，将上、下层面板拴连。在安置过程中须随时调整，保证面板平顺。
4) 回填土的摊铺和碾压。填料的各项性能技术指标应满足设计要求，可采用机械、人工相结合的方式进行摊铺，填土碾压工序与一般路基施工工序相似，平整压实的填土层表面应与下一步将要铺设的筋材底面平齐。
5) 筋材的摊铺。在铺设筋材前，应对面板预留拉环的边缘进行整修，使之光顺、圆滑，避免留下棱角或砂浆突出物，以免损坏筋材。待填土达到面板预留拉环的高度时，即可安装筋材。按照设计长度，并将绑扎长度也考虑在内，将筋材从面板的预留拉环中穿过，折回后与另一端对齐，并通过连接构件扎紧以防止抽动，再用少量填料压住筋材，固定保持正确位置。
重复步骤4)~5)，直至填筑高度达到公路挡土墙的设计标高，至此完成加筋土挡墙阶段的施工，进而进行微型桩的施工。
6) 钻机就位，钻孔与清孔。根据竖直和倾斜微型桩的设计角度，采用地质钻机，由加筋回填土顶部分别钻孔至地基内的设计锚固深度，斜桩成孔时，应将钻机脚板垫高，以便达到钻杆所需的倾斜度，并用罗盘检查角度。可采用泥浆护壁或清水护壁，下套管成孔。钻孔到设计深度后清孔，直至孔口基本上泛清水为止。
7) 微型桩的灌注。可在微型桩中加入钢筋、钢棒、钢管或型钢等加劲材料[18]，或安放钢筋笼，采用压力注浆的方式灌注水泥砂浆，压力控制在0.3 MPa左右，注浆时保证浆液均匀上冒，直到孔口冒出浓浆为止；每次拔出2 m注浆管的同时要及时进行补注，同时确保整个注浆过程的连续性。为确保成桩质量，可在浆液初凝后进行二次注浆。
8) 桩顶浇筑承台和地基梁。在竖直与倾斜微型桩顶浇筑承台，将竖直与倾斜微型桩相连，并沿公路长度方向浇筑地基梁，将公路挡土墙各个微型桩段面结合，构成纵向框架组合形式，增强加固体系的整体性。
9) 路面附属工程和公路护栏安装。宜使用可拆卸式护栏，通过连接构件与地基梁和微型桩相连。同时，在拆除护栏后，高出路面的钢筋等连接构件也可切割后回收利用。
山区公路“微型桩-加筋土挡墙”系统的施工工艺流程如图5所示。
图5 山区公路微型桩-加筋土挡墙加固系统施工流程
Fig. 5 Construction technology process of micropile-MSE wall system in mountainous area
3 技术特点
山区公路“微型桩-加筋土挡墙”系统主要具有以下技术特点。
1) 整体(外部)稳定性高。微型桩在地基内具有一定锚固深度，能够针对斜坡加筋土挡墙的主要破坏模式，即加筋土区域沿着边坡的下滑进行有的放矢地加固，保证上覆荷载得以传递到地基更深处，增加抗滑力，提高挡土墙整体稳定性。
2) 刚柔相济，相互补充。同时吸收了柔性加固工艺(土工格栅)和刚性加固工艺(微型桩)的优点：拉筋和面板将回填土形成柔性的整体结构，使得土体能够依山填筑，在陡峭的区域内保持直立，保证了回填土的整体性；在此整体性的基础上，微型桩得以充分利用其刚性特征，发挥抵抗变形的能力。二者刚柔互补，相得益彰。
3) 护栏抗冲击能力强。通过连接构件将公路护栏与地基梁和微型桩相连，形成“护栏—连接构件—地基梁—微型桩—加筋土—地基”这一自上而下的加固体系，相当于大大增加了护栏的锚固深度，而沿公路长度方向浇筑的地基梁则能够将护栏受到的碰撞荷载从荷载作用点向两侧分散传递，从而提高护栏的抗冲击能力。
4) 结构简单、美观。加筋土挡墙结构轻盈，造型新颖，可以与周围景观等设施相配套，一改重力式挡墙单调呆板的形象，且面板可垂直砌筑，节约空间，尤其适合陡坡地段作业空间不足的情况。
5) 施工便利，受力合理。微型桩施工便利，布桩形式多样，具有一定的抗拉、压、弯、剪强度，倾斜与竖直微型桩所形成的三角形加固体系改变了仅设置竖直桩时，纯粹依靠锚固端内的地基土体抗力来平衡滑坡推力的力学机制，使得竖直桩由类似悬臂式的受力状态变成了上下端均为铰支的受力结构，因而适合用于加固受力条件和结构形式都较为复杂的斜坡支挡结构。
该加固体系对山区公路工程的设计、施工难点和可能遭受破坏的几种形式都提供了很好的解决方案，如表1所示。
表1 山区公路“微型桩-加筋土挡墙”系统的优越性
Table 1 Advantages of micropile-MSE wall system in mountainous areas
4 算例分析
为了初步验证本文提出的竖直与倾斜的1对微型桩所形成的三角形加固体系，即微型桩-加筋土挡墙的优越性及其倾斜微型桩的必要性，对以下5种不同工况的斜坡加筋土挡墙结构进行对比分析：
1) 未经加固的普通斜坡加筋土挡墙(图6(a))；
2) 单根竖直桩加固的加筋土挡墙(图6(b))；
图6 5种斜坡加筋土挡墙结构的比较
Fig. 6 Comparison of 5 kinds of MSE structures
3) 竖直桩与倾斜锚杆形成的“锚杆抗滑桩”结构(图6(c))；
4) 竖直桩与水平锚杆形成的“锚杆抗滑桩”结构(图6(d))；
5) 本文提出的微型桩-加筋土挡墙(图6(e))。
各结构的有限元模型见图6。锚杆和微型桩都用线弹性模型来描述。锚杆为Φ32螺纹钢，采用梁单元模拟，密度为7 800 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，不考虑锚杆与土体之间的锚固失效，采用LS-DYNA的*Constrained_Lagrange_In_Solid技术，可方便地模拟锚杆与土体以及地基梁之间的固接关系。微型桩为混凝土桩，弹性模量为25 GPa，泊松比为0.2，桩径为27 cm，锚固深度为2.5 m，桩间距为3 m，竖直与倾斜微型桩的夹角为30°，在桩顶采用固接的方式连接。微型桩与土体之间为摩擦接触，摩擦系数为0.5。计算采用宽度为3 m的1个挡土墙段面的三维模型，具体模型尺寸见图6(e)。
暂时仅针对各加筋土挡墙结构在自重下的外部稳定性展开比较分析，因此，回填土采用较高的强度(c= 0 kPa，φ=40°)，而地基土体采用较低的强度(c=0 kPa，φ=28°)，以更为清晰地体现出加固体在不良地基土质下的加固作用。回填土和地基土均采用D-P模型来描述，密度为1 600 kg/m3，弹性模量为30 MPa，泊松比为0.3。
图7所示为不同斜坡加筋土挡墙结构的等效应变云图。由于回填土区域沿着边坡的下滑趋势所导致的拖曳作用，地基土体在挖填交界面会呈现一个明显的滑动带，而在地基内具有一定锚固深度的加固体则主要负责将地基土的滑动带推向更深处，以增加抗滑力。
由图7可以看出：对于未经加固的普通加筋土挡墙(图7(a))，地基土体发生了剧烈的变形，加筋土区域产生了明显的整体滑移，因此，亟需采取加固措施以减小挡土墙的变形，使其保持稳定。
而仅采用单根竖直微型桩加固(工况2，见图7 (b))，还不足以有效地控制斜坡加筋土挡墙的变形以及加筋土区域的下滑趋势，地基土体的应变(滑弧)也较为剧烈，且分布较广。
对于工况3(竖直桩+倾斜锚杆，见图7 (c))，在斜坡加筋土挡墙这种特定的结构形式下，加筋土区域沿着边坡的下滑趋势主要使得倾斜锚杆在回填土与边坡地基之间的交界面上发生剪切，因而，在倾斜方向(与竖直桩呈30°)增加锚杆这种抗弯剪强度较弱的加固构件几乎毫无作用。
图7 地基土体内摩擦角φ=28°时的等效应变云图对比
Fig. 7 Comparison of equivalent strain contours with foundation soil φ=28°
对于工况4(竖直桩+水平锚杆)，锚杆水平地设置在路面0.75 m以下即距桩顶0.75 m处，使得锚杆能够发挥其抗拉强度，通过与竖直桩的协同工作来抵抗加筋土区域的下滑力矩，因而，对加筋土挡墙的变形有所改善(见图7(d))，但仍无法有效地抑制加筋土区域的下滑，使得其地基土体变形比本文提出的加固体系(见图7(e))仍要明显得多，且其竖直桩身的弯曲也十分剧烈，在实际工况中会存在较大的破坏风险。
相比之下，本文所提出微型桩-加筋土挡墙(工况5，见图7(e))，采用竖直和倾斜的一对微型桩协同工作，使得桩身弯曲都明显减弱，同时，锚固深度范围内的土体能够得到更有效地加固，应变较小，地基土体逐渐由浅层滑动变为为深层滑动，通过等效应变所体现出的滑弧也变得更清晰鲜明，滑弧厚度减小，滑弧所处深度增加，加固效果最显著。这也说明了针对斜坡加筋土挡墙这种特定工况，倾斜加固构件也采用具有一定抗弯剪强度的微型桩，不但能够协调竖直桩受到的荷载，而且能够直接针对加筋土区域的下滑趋势提供抗滑力矩，因而加固效果最显著，地基土体变形较小，挡土墙外部稳定性较高。
5 结论
1) 采用本文提出的山区公路“微型桩-加筋土挡墙”系统能够最为有效地抑制加筋土区域沿着边坡的下滑趋势，减小地基土体变形，增加挡土墙的外部稳定性，因而值得推广使用。
2) 该加固系统同时吸收了柔性加固工艺—土工格栅和刚性加固工艺—微型桩在公路路基支挡方面的优点：拉筋和面板将回填土形成柔性的整体结构，使得土体能够因地制宜，依山填筑，在陡峭的区域内保持直立，节约了施工空间，避免了大量挖填方，保证了回填土区域的整体性；在此整体性的基础上，微型桩能够利用充分其刚性的特征，发挥其抵抗变形的能力。
① 通过地基梁及连接构件与公路护栏相连，增强了护栏的抗冲击能力。
② 贯穿加筋土区域，增强加筋土局部(内部)稳定性，防止柔性变形过大、筋材破坏的局部失稳，增强加筋土挡墙的内部稳定性。
③ 锚固进地基，抑制加筋土区域的整体下滑趋势，增强加筋土挡墙的整体(外部)稳定性。
致谢：
本文的主要思路和创意得到了第一作者的合作导师即科罗拉多大学博尔德分校Ronald PAK教授和科罗拉多公路局科研项目(CDOT)的全力指导，对此深表感谢。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2016-08-21；修回日期：2016-10-14
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51609040)；福建省自然科学基金资助项目(2016J05112)；福建省科技创新平台建设项目(2014Y2007) Project(51609040) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2016J05112) supported by the Natural Science Foundation of Fujian Province; Project(2014Y2007) supported by the Science and Technology Innovation Platform of Fujian Province)
通信作者：张智超，博士，从事边坡和挡土墙研究；E-mail: zhangzhichao0704@126.com
