膨脹土地區(qū)抗滑結(jié)構(gòu)分析與實(shí)踐

■ 李超

0 引言

膨脹土在我國分布較廣，主要由強(qiáng)親水性黏土礦物質(zhì)組成，并且隨含水量變化呈現(xiàn)顯著脹縮性。常態(tài)多呈堅(jiān)硬-硬塑狀態(tài)，土密度大、空隙比小、親水性特別強(qiáng)。干燥時(shí)土質(zhì)堅(jiān)硬，裂隙發(fā)育，具有典型的吸水膨脹失水收縮及脹縮可逆的變形特性[1]。由于上述特性，在山前或高階地前陡坡地段，地形坡度大于14°坡體就有蠕動(dòng)和滑坡現(xiàn)象，常形成淺層滑坡，造成安全隱患[2]。

常用的邊坡支護(hù)技術(shù)（土釘墻、錨索等），需要和土體共同形成防護(hù)結(jié)構(gòu)，考慮到鄭萬鐵路孝山明洞工程的允許空間和安全性，這類方法不適用。抗滑樁結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，且具有抗滑力強(qiáng)、樁位靈活、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，故優(yōu)先選用。但必須考慮膨脹土抗滑樁除了承受樁后一般的土壓力外，還要承受樁后膨脹土由于含水率變化而產(chǎn)生的附加應(yīng)力——水平膨脹力，因此，準(zhǔn)確計(jì)算出水平膨脹力是決定膨脹土抗滑樁既安全穩(wěn)定又經(jīng)濟(jì)合理的關(guān)鍵問題。計(jì)算模型的選取對(duì)水平膨脹力的測(cè)定和計(jì)算有很大差異性[3]。在此，通過孝山明洞不同類型抗滑樁的工程實(shí)例，先后選用3種防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性和位移分析。相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法可為類似支護(hù)結(jié)構(gòu)提供借鑒。

1 工程概況

鄭萬鐵路河南段孝山明洞起止里程為DK96+387—DK97+337，全長(zhǎng)950 m，位于河南省禹州市崗塘村。孝山明洞通過地段為壟崗地貌，地層主要為第四系上更新統(tǒng)沖積地層，巖性主要為淤泥質(zhì)土、粉砂、細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土、細(xì)圓礫土、姜石土、鈣質(zhì)膠結(jié)層。土質(zhì)大多呈中等膨脹性，局部為弱、強(qiáng)膨脹性。

孝山明洞膨脹土基坑兩側(cè)共采用3種類型抗滑樁進(jìn)行防護(hù)：矩形抗滑樁2．50 m×2．75 m，樁長(zhǎng)20、22 m，樁間距5 m（中-中），共計(jì)283根；雙排直徑1．0 m圓形抗滑樁，樁長(zhǎng)22、23、24 m，樁間距1．2 m（中-中），排距3．5 m，共計(jì)294根。樁基頂部采用1．0 m×1．0 m冠梁、1．0 m×0．8 m剛架梁連接；直徑2．5 m圓形抗滑樁，樁長(zhǎng)23、24、25 m，樁間距5 m（中-中），共計(jì)44根。

2 抗滑結(jié)構(gòu)選型

干濕循環(huán)對(duì)淺層地表土體的弱化影響、土層中存在的軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響比較關(guān)鍵。根據(jù)膨脹土特性試驗(yàn)以及降雨、蒸發(fā)作用下含水率的變化情況，獲得干濕循環(huán)下土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)[4]以及膨脹力數(shù)值，土體計(jì)算參數(shù)和干濕循環(huán)影響區(qū)域土體計(jì)算參數(shù)見表1、表2。

采用以上參數(shù)，根據(jù)干濕循環(huán)1年的最不利工況，分圓形樁、矩形樁2種情況，對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性抗滑機(jī)制進(jìn)行模擬分析，參考干濕循環(huán)內(nèi)膨脹力擬合公式[5]：P=-148．05x3+543．45x2-616．71x+246．18（x為豎向坐標(biāo)值），并綜合土體位移觀測(cè)、樁身位移觀測(cè)和樁身剪力計(jì)算，得到矩形樁與圓形樁模型分析對(duì)比（見表3）。

基于以上分析，優(yōu)先選擇矩形樁方案，受制于地質(zhì)條件可選擇圓形抗滑樁方案[6]。孝山明洞膨脹土抗滑樁原設(shè)計(jì)為人工挖孔矩形抗滑樁，考慮到人工挖孔工效低、安全風(fēng)險(xiǎn)大以及膨脹土遇水后坍塌等不利因素，首先采用機(jī)械成孔法施工完成283根矩形抗滑樁，施工中發(fā)現(xiàn)遇到鈣質(zhì)膠結(jié)層時(shí)，工效大幅度降低，無法滿足工期要求。其次選擇雙排直徑1．0 m圓形抗滑樁作為試驗(yàn)段，施工完成294根。由于膨脹土水平膨脹力偏安全取值為25 kN/m2，抗滑樁設(shè)計(jì)時(shí)按雙排設(shè)置，雖然工效大幅提高，但造價(jià)增加較多。最后選擇直徑2．5 m圓形抗滑樁，施工完成44根。經(jīng)對(duì)膨脹土水平膨脹力試驗(yàn)、分析和計(jì)算，確定水平膨脹力為14 kN/m2，采用直徑2．5 m圓形抗滑樁后的作業(yè)工效得到提高，且工程造價(jià)也相應(yīng)降低。

表1 土體計(jì)算參數(shù)

表2 干濕循環(huán)影響區(qū)域土體計(jì)算參數(shù)

表3 圓形樁與矩形樁模型分析對(duì)比

3 3種類型抗滑樁施工方法分析

3.1 矩形抗滑樁（2.50 m×2.75 m）

3.1.1 施工方法

（1）鎖口施工：按照設(shè)計(jì)樁位放樣，采用隔一跳打的方式放樣施工，報(bào)檢合格后，采用人工配合小型挖機(jī)開挖鎖口，開挖符合設(shè)計(jì)要求后，綁扎鎖口鋼筋，然后立模澆筑混凝土，鎖口頂面高出原地面20 cm（見圖1）。

（2）設(shè)備就位鉆孔：鎖口施工完成后，先采用Φ0．8 m旋挖鉆圓鉆頭在四角鉆Φ0．8 m引孔，引孔鉆至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高為止，然后利用GB34成槽機(jī)分3個(gè)部位對(duì)孔進(jìn)行修整，分3次抓斗施工（見圖2）。在施工過程中若遇堅(jiān)硬的鈣質(zhì)膠結(jié)層時(shí)（自然狀態(tài)下粘結(jié)應(yīng)力бo＞400 kPa），則采用長(zhǎng)臂破碎錘破碎，破碎至通過硬層后繼續(xù)利用成槽機(jī)進(jìn)行抓土作業(yè)。

圖1 鎖口施工

（3）鋼筋籠制安和吊裝：鋼筋籠半成品由鋼筋加工廠集中制作，用平板車運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，在用鋼管就地制作的胎具上現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接一次成型。鋼筋籠吊裝采取25 t汽車吊和55 t履帶吊配合運(yùn)到孔口，吊放至孔底，并采用2根平行的工字鋼將鋼筋籠固定于鎖口頂端。

（4）調(diào)放導(dǎo)管，灌注混凝土：采用導(dǎo)管法干孔澆筑，導(dǎo)管直徑30 cm，各節(jié)統(tǒng)一編號(hào)，在每節(jié)按自下而上標(biāo)示尺度，導(dǎo)管組裝后軸線偏差不宜大于孔深的0．5%，且不大于10 cm。混凝土灌注前需將樁底部浮渣以及積水清理干凈，灌注時(shí)導(dǎo)管應(yīng)埋入混凝土中2～6 m，混凝土灌注高度與鎖口平齊。混凝土按水下混凝土標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置，設(shè)計(jì)樁頂4 m范圍內(nèi)的混凝土應(yīng)進(jìn)行振搗。

3.1.2 施工特點(diǎn)與成樁工效

該施工方法解決了膨脹土、姜石土以及鈣質(zhì)膠結(jié)層等復(fù)合地層條件下成孔難、人工挖孔不安全等難題，但需3種設(shè)備鉆孔配合，成孔速度較慢；孔壁穩(wěn)定性較差，成樁質(zhì)量不易控制；修整孔徑過程中宜造成擴(kuò)孔，混凝土超方較大；適用范圍受鈣質(zhì)膠結(jié)層等硬地層限制。成樁工效：一般為3天1根。

3.2 雙排直徑1.0 m圓形抗滑樁

3.2.1 施工方法

圖2 矩形抗滑樁成孔方式示意圖

（1）埋設(shè)護(hù)筒，鉆機(jī)就位：雙排直徑1．0 m圓形抗滑樁采用隔三跳打的方式施工，樁位放樣合格后，埋設(shè)內(nèi)徑1 200 mm、壁厚8 mm的鋼護(hù)筒，護(hù)筒頂高出地面0．2 m，護(hù)筒四周采用黏土分層對(duì)稱夯填密實(shí)。鉆機(jī)采用X280型旋挖鉆機(jī)（鉆頭直徑1．0 m），就位時(shí)鉆桿中心與樁位重合，校檢鉆桿垂直度達(dá)到要求后進(jìn)行鉆進(jìn)施工。

（2）鋼筋籠制安和吊裝：抗滑樁鋼筋籠采用滾焊機(jī)在鋼筋廠集中加工，首節(jié)頂籠按12 m長(zhǎng)度加工，第2節(jié)根據(jù)鋼筋籠總長(zhǎng)進(jìn)行配制，采用平板車運(yùn)送至樁孔處，25 t汽車吊吊裝入孔，第1、2節(jié)鋼筋籠孔口處焊接成整體，并采用2根平行的工字鋼將鋼筋籠固定于護(hù)筒頂端。

（3）調(diào)放導(dǎo)管，灌注混凝土：采用導(dǎo)管法干孔或水下灌注混凝土均可，導(dǎo)管直徑30 cm，在每節(jié)按自下而上標(biāo)示尺度并編號(hào)，導(dǎo)管組裝合格后吊放，清理樁底部浮渣、積水，符合要求后灌注混凝土。灌注時(shí)導(dǎo)管應(yīng)埋入混凝土中2～6 m，混凝土灌注高度應(yīng)高于設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高0．5～1．0 m。采用干孔灌樁時(shí)，混凝土按水下混凝土標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置，設(shè)計(jì)樁頂4 m范圍內(nèi)的混凝土應(yīng)進(jìn)行振搗。

（4）冠梁及剛架梁施工：樁頂采用冠梁、剛架梁連接（見圖3）。冠梁施工前，樁基樁頭多余混凝土采用人工配合機(jī)械鑿除，樁頭修整平整，樁身質(zhì)量檢測(cè)合格后對(duì)冠梁、剛架梁中線定位測(cè)量，進(jìn)行鋼筋綁扎、模板支設(shè)及混凝土澆筑施工。

3.2.2 施工特點(diǎn)與成樁工效

該施工方法為鉆孔一次成型，成孔速度快；孔壁穩(wěn)定性好，成樁質(zhì)量好；適用地層范圍廣，不受鈣質(zhì)膠結(jié)層等硬層影響；鋼筋籠可集中在加工廠制作，鋼筋籠吊裝可使用小噸位吊車；成孔機(jī)械不需要其他輔助設(shè)備；施工方法比較常規(guī)。不足之處是工程造價(jià)高，且增加了冠梁、剛架梁的工序。成樁工效：一般為每天10根，折合與矩形抗滑樁或直徑2．5 m圓形抗滑樁等效間距條件下，則為每天1根。

圖3 抗滑樁及冠梁、剛架梁平面圖

3.3 直徑2.5 m圓形抗滑樁

3.3.1 施工方法

（1）埋設(shè)護(hù)筒，鉆機(jī)就位：直徑2．5 m圓形抗滑樁采用隔一跳打的方式施工，樁位放樣合格后，埋設(shè)內(nèi)徑2 600 mm、壁厚8 mm鋼護(hù)筒，護(hù)筒頂高出地面0．2 m，護(hù)筒四周采用黏土分層對(duì)稱夯填。鉆機(jī)采用XR360型旋挖鉆機(jī)（鉆頭直徑2．5 m），就位時(shí)鉆桿中心與樁位重合，校檢鉆桿垂直度達(dá)到要求后進(jìn)行鉆進(jìn)施工。

（2）鋼筋籠制安和吊裝：抗滑樁鋼筋籠采用滾焊機(jī)在鋼筋廠集中加工，首節(jié)頂籠按12 m長(zhǎng)度加工，第2、3節(jié)根據(jù)鋼筋籠總長(zhǎng)進(jìn)行配制，采用平板車運(yùn)送至樁孔處，25 t汽車吊吊裝入孔，第1、2、3節(jié)鋼筋籠孔口處焊接成整體，并采用2根平行的工字鋼將鋼筋籠固定于護(hù)筒頂端。

（3）調(diào)放導(dǎo)管，灌注混凝土：采用導(dǎo)管法干孔或水下灌注混凝土均可。導(dǎo)管直徑30 cm，在每節(jié)按自下而上標(biāo)示尺度、編號(hào)，導(dǎo)管組裝后，清理樁底部浮渣、積水，符合要求后灌注混凝土。灌注時(shí)導(dǎo)管應(yīng)埋入混凝土中2～6 m，混凝土灌注高度應(yīng)高于設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高0．5 m。采用干孔灌樁時(shí)，混凝土按水下混凝土標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置，設(shè)計(jì)樁頂4 m范圍內(nèi)的混凝土應(yīng)進(jìn)行振搗。

3.3.2 施工特點(diǎn)與成樁工效

該施工方法為鉆孔一次成型，成孔速度快；適用地層不受限制，能一次性通過鈣質(zhì)膠結(jié)層；孔壁穩(wěn)定性較好，成樁質(zhì)量較好；成樁工效最高；鋼筋籠也可在加工廠集中制作，吊放鋼筋籠不需要大型設(shè)備。成樁工效：一般為每天2根。

4 安全穩(wěn)定性分析

基坑開挖后的樁頂位移大小是衡量抗滑樁安全可靠的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)，按規(guī)范規(guī)定樁頂位移最大不能超過25 mm，且每天變形速率不超過0．2 mm，可判定為變形收斂穩(wěn)定[7]。孝山明洞不同類型抗滑樁位移監(jiān)測(cè)見圖4。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)基坑同時(shí)開挖出來的同段落3種抗滑樁樁頂位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最大位移量一般在土體開挖后1個(gè)月左右出現(xiàn)且變形開始趨于穩(wěn)定，矩形抗滑樁為9．4 mm，雙排直徑1．0 m圓形抗滑樁為14．6 mm，直徑2．5 m圓形抗滑樁為16．3 mm，3種樁型的樁頂最大位移均沒有超過限值。矩形抗滑樁效果較好，也驗(yàn)證了前述模型分析的結(jié)論。對(duì)本工程項(xiàng)目而言，3種方法均在允許限值內(nèi)。

5 工程成本分析

對(duì)3種抗滑樁直接成本進(jìn)行分析，每根矩形抗滑樁為12．3萬元，每根直徑2．5 m圓形抗滑樁為11．6萬元，雙排直徑1．0 m圓形抗滑樁為16．3萬元（等效5 m矩形樁間距）（見表4）。

6 結(jié)束語

通過位移和變形速率分析，表明3種類型抗滑樁均能保證明洞基坑穩(wěn)定及施工安全，主要區(qū)別體現(xiàn)在作業(yè)工效和工程成本2方面。矩形抗滑樁從建模分析到工程實(shí)踐，其抗滑移效果最好，但成本也最高，可用在變形要求比較嚴(yán)格的部位。從施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本等因素考慮，膨脹土地區(qū)采用直徑2．5 m圓形抗滑樁可滿足安全可靠性，對(duì)于變形控制相對(duì)寬松的部位，其綜合效果明顯優(yōu)于其他2種樁型，可為膨脹土地區(qū)抗滑樁施工提供參考和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

圖4 孝山明洞不同類型抗滑樁位移監(jiān)測(cè)

表4 3種類型抗滑樁的工程量及直接成本對(duì)比