硬塑膨脹土輸水渠道邊坡設計中的關鍵問題

寧 博，王楓林，吳文龍，金 焰，衛澤坤

(1.安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽水利開發有限公司，安徽 蚌埠 233010)

1 概述

引江濟淮工程白石天河口—派河口泵站輸水線路稱為小合分線，全長20.848km，輸水渠道等級為1級，設計輸水流量300m3/s，設計縱坡坡降為1/11690，設計輸水水位6.1～4.1m，除澇水位5.8m，設計河底高程0.6～-1.4m。其中，樁號16+295—樁號19+855段位于巢湖西南丘崗區，地面高程一般10～17m，輸水渠道需在高崗地段開挖形成。

在初步設計階段，本段輸水渠道斷面采用預制混凝土U型板樁支護矩形斷面，初設批復要求“正式施工前，須進行試樁，進一步確定板樁樁型和施工工藝”。鑒于工程地處丘崗區，土質堅硬，為確保沉樁滿足批文要求，達到預期效果，必須對樁的結構型式(包括樁型、截面尺寸、樁長、嵌固深度、樁間距、樁間土的密封方式等)、沉樁機械、相關施工工藝等諸多不確定因素進行研究，為大規模施工提供可靠的理論依據和工藝參數。

在招標施工圖設計階段，對初設方案進行了優化，即U型板樁樁型不變，板樁由一排改為兩排，板樁截面尺寸(高度、寬度、壁厚)及河道底寬減小，過水斷面由一級平臺變為二級平臺。針對該方案，2018年3月11—19日進行了第一階段U型板樁的試驗施工，試驗結果表明：因土質堅硬，每根樁的入土錘擊次數較多，錘擊力量大，預制混凝土U型板樁的剛度較小，入土后的樁身缺陷明顯，存在不同程度的縱向和橫向裂縫，不能滿足工程建設要求，需調整樁體結構設計及施工工藝。

2018年8月進行了第二階段U型板樁的試驗施工，試樁時采取了增加樁體箍筋、將板樁底部刃角改為雙側、擴大引孔、引孔內注水、加大錘重等一系列改進措施，但仍未能避免樁體開裂。兩階段試樁結果表明：針對本工程區地質條件，對預制混凝土U型板樁采用錘擊配合圓形小引孔或不引孔的成樁施工工藝難以完全避免板樁裂縫的發生。

2019年1月進行了第三階段試樁。首先針對U型板樁，進行了1次鋼樁模引孔成樁試驗，該施工方案雖然能避免樁體開裂，但存在打樁模時周邊土體隆起、拔樁模時樁周邊土體松動、施工效率低、頂升鋼樁模異常困難等缺點。其次進行了3根預應力混凝土管樁(PHC樁)試驗，試驗結果顯示，該樁體能夠在工程區土層中順利沉樁，且樁體未發現裂縫，施工工藝簡單。

鑒于上述試驗成果，為了加快推進本段輸水線路施工進度，在招標施工圖優化方案的基礎上，考慮到混合配筋管樁(PRC管樁)在抵抗水平荷載方面有更高的適應性，最終將設計方案調整為“內、外雙排預應力混凝土管樁(PRC管樁)加掛板連續墻”方案。

本文針對預制混凝土樁在丘崗硬塑膨脹土地區如何安全有效實施的問題，首先進行三階段成樁試驗研究，結合試驗成果，研究確定樁型及成樁施工工藝。其次，驗證邊坡支護設計方案的合理性。第一，進行內、外雙排PRC管樁結構分析，基于midas GTS NX的支護結構-土相互作用的有限元法，對本段輸水渠道的PRC管樁與邊土體進行整體數值仿真分析，得到管樁變形、內力等結果。第二，進行穩定性驗算，采用有限元應力分析法和圓弧滑動條分法驗算邊坡整體滑動穩定性，采用基于平面桿系結構的彈性支點法驗算PRC管樁嵌固穩定性。最后，結合工程區膨脹土的特點，提出相應的膨脹土邊坡治理措施。

2 工程特點分析

2.1 地質條件呈明顯制約因素

本段輸水渠道的地質條件具有如下特點。第一，輸水渠道總長3.56km，膨脹土全線分布且主要為⑤層重粉質壤土、粉質黏土。其中弱膨脹渠段0.905km，占線路總長度的25.4%，中膨脹渠段2.655km，占線路總長度的74.6%。第二，膨脹土切深較大，切深10～15m的邊坡總長2150m，占60.4%，切深超15m的邊坡總長1410m，占39.6%。第三，場地地貌為高坡崗地，土質呈硬可塑-硬塑狀，屬中等偏低壓縮性土。第四，巖土體富水性能差，在黏性土表層大氣影響帶中存在上層滯水，在基巖裂隙風化帶中存在少量裂隙水。

設計過程中首要解決的問題是選擇樁型。對于預制混凝土樁，無論是U型板樁還是預應力混凝土管樁，工程區特有的地質條件是選擇樁型的制約因素。原單排預制混凝土U型板樁墻方案存在較大的沉樁難度；預應力混凝土管樁不宜穿透較厚堅硬土層[1]，且用于支護結構，較大深度的膨脹土挖深產生的水平荷載較大，是否會造成管樁難以預料的脆性破壞未知。

2.2 膨脹土邊坡治理的復雜性

膨脹土屬于典型的非飽和土，膨脹土邊坡穩定問題由于非飽和膨脹土問題的復雜性，且膨脹土邊坡失穩常會造成重大損失，一直是工程界研究的熱點與難點問題，治理措施也是種類繁多[2-4]。因此，如何結合本工程區的膨脹土特性，提出經濟合理的膨脹土邊坡治理措施是設計需解決的問題。

2.3 支護結構的特殊性

本段輸水渠道邊坡中的支護樁結構，與建筑基坑工程中的支護樁結構功能類似，但又具有特殊性。第一，不同于一般的建筑基坑，本段輸水渠道開挖形成的高邊坡由于線路較長，縱向尺寸遠大于橫向尺寸，支護條件更接近于平面應變情況。第二，雖然高邊坡處于較空曠區，支護結構的變形對地下周邊的建(構)筑物產生的不良影響較小，但是輸水渠道支護結構屬于永久結構，而非臨時支護措施。第三，本段輸水渠道采用內、外雙排管樁的形式來保證渠道斷面的結構安全，屬于較為特殊的坑中坑[5-7]問題，由于坑中坑對基坑性狀的影響規律較復雜，計算理論尚需完善。

綜上所述，除樁型選擇以外，本段輸水渠道邊坡防護設計不僅需要考慮膨脹土邊坡的穩定性，還要對坑中坑這類特殊支護結構的強度、變形進行控制設計。

3 成樁試驗研究

3.1 第一階段試樁

針對招標施工圖階段的優化設計方案，在小合分線樁號18+100處進行了6根U型板樁試驗，6根樁聯排布置，試樁施工平面示意圖如圖1所示。樁身材料為C60預應力混凝土，截面規格為1200mm×800mm×160mm，樁長11.5m。樁身穿越土層主要為⑤層重粉質壤土、粉質黏土，該層土平均黏粒含量30.1%，硬可塑-硬塑，標貫擊數7～31擊，具弱膨脹性。施工采用8.3t的液壓振動錘施打，單根樁最大錘擊數達800余擊，打樁前機械引孔，引孔直徑450mm，位于U型板樁后部凹槽內。

圖1 第一階段試樁施工平面示意圖

根據原位結構性能驗證檢測，6根U型板樁中除1根未見明顯裂縫外，其余5根均有不同程度的裂縫分布，且有脫榫現象，判定2根為Ⅲ類樁，4根為Ⅱ-Ⅲ類樁。因此，采用振動錘擊方式打樁困難，形成的樁墻缺陷明顯，不能滿足工程建設要求，若樁型不變，需要調整樁體工藝設計及施工工藝，通過試驗驗證后確定，如圖1所示。

3.2 第二階段試樁

針對第一階段試樁出現的問題，為盡可能避免樁體出現縱向裂縫，必須設法加強樁體抗裂性能，同時要減少沉樁錘擊數，因此改進方案從U型板樁結構設計及配筋、施工工藝兩個方面做了調整和優化。

3.2.1 板樁結構設計及配筋優化

(1)原設計板樁底部刃角為單側，長0.6m，寬0.15m，角度為14°。根據樁體內力計算成果，樁體下部彎矩較小，因此，為加快沉樁速度，減少錘擊數，將板樁底部刃角改為雙側，長1.0m，寬0.458m，角度為25°。刃角優化如圖2所示。

圖2 U型板樁底部刃角優化

(2)原設計板樁樁頂箍筋加密段長0.6m，箍筋為φ8，間距50mm，其它段箍筋間距100～200mm。為提高板樁懸臂段的抗裂性能，將樁身箍筋加密段范圍調整為樁頂至懸臂段以下0.5m處，其中內側樁(樁長8.0m)加密段長3.0m，外側樁(樁長11.5m)加密段長4.0m，箍筋仍采用φ8，間距50mm。

3.2.2 板樁施工工藝優化

原U型板樁試樁施工時引孔位置在板樁臨土側凹槽處，引孔直徑為450mm，引孔面積占樁體截面積的46.3%。本階段引孔在每根板樁凹槽處布置1個引孔，引孔邊界不超出板樁臨水面邊緣，孔徑為φ550mm，引孔深度深入樁底以下2.0m，沉樁前向引孔內注水，引孔面積占樁體截面積的69.2%。沉樁引孔位置優化如圖3所示。

圖3 U型板樁沉樁引孔位置優化

3.2.3 第二階段試樁結果

針對上述改進方案，在小合分線樁號18+220處又進行了8根U型板樁試驗，其中5根長11.5m，3根長8m。同時，加大沉樁柴油錘錘重至10.5t，樁身涂抹潤滑劑以減少摩阻力。

試驗結果顯示，沉樁錘擊數相對第一階段有所減少，但8根U型板樁仍產生不同程度的縱向裂縫和斜向裂縫，且裂縫主要發生在箍筋加密區以下。因此，對U型板樁采用錘擊配合圓形小引孔或不引孔的成樁施工工藝，針對本工程區地質條件難以完全避免板樁裂縫的發生。

3.3 第三階段試樁

針對預制混凝土樁如何安全有效實施的問題，在小合分線樁號19+600處又進行了3根預應力混凝土管樁(PHC管樁)和1次U型板樁鋼樁模引孔成樁試驗。

U型板樁鋼樁模引孔成樁試驗，采用特制的截面尺寸略小于U型板樁的鋼樁模引孔，通過千斤頂拔出鋼樁模后再將U型板樁錘擊至設計高程。該施工方案雖然能避免樁體開裂，但存在打樁模時周邊土體隆起、拔樁模時樁周邊土體松動、施工效率低、頂升鋼樁模異常困難等缺點。PHC管樁試驗結果顯示，樁體能夠在工程區土層中順利沉樁，施工工藝簡單，且樁體未發現裂縫。

3.4 樁型的確定及施工工藝優化

3.4.1 樁型的確定

結合第三階段試樁試驗結果，選用的PHC管樁雖然可以順利沉樁，但根據JGJ/T 406—2017《預應力混凝土管樁技術標準》第7.1.4條[8]，考慮到本段輸水渠道所選支護管樁主要承受水平荷載，且樁周中-弱膨脹土土體膨脹力可能對樁體結構內力產生不利影響，為避免樁體發生脆性破壞，故設計最終選用與試驗樁型號相同，但水平承載性能更高的PRC管樁。

3.4.2 PRC管樁施工工藝優化

(1)引孔直徑和孔深以不引起樁體周邊土體隆起為原則。引孔直徑0.55m，內側8.0m長管樁引孔深為6.0m，外側11.5m長管樁引孔深9.0m。引孔宜采用長螺旋鉆機引孔，垂直偏差不宜大于0.5%。引孔作業和沉樁作業應連續進行，間隔時間不宜大于12h。

(2)管頂封孔鋼板改為填芯混凝土，深0.5m。

(3)樁體間的掛板后利用水泥黏土漿加以充填。

4 內、外雙排PRC管樁結構設計與分析

成樁試驗確定樁型之后，輸水渠道邊坡支護結構設計方案調整為“內、外雙排預應力混凝土管樁(PRC管樁)加掛板連續墻”方案，需進一步對該方案進行結構分析和穩定性驗算。

4.1 輸水渠道斷面結構布置

渠道設計底寬為48m，渠底高程-1.01～-1.32m，兩岸直立式管樁墻分成兩級平臺布置，平臺寬均為5.0m，前階平臺頂高程1.49～1.18m，懸臂段高2.5m；后階平臺頂高程4.7m，兼作親水平臺，懸臂段高3.21～3.52m。高程4.7m平臺以上每6.0m設一2.0m寬平臺，平臺上、下邊坡均為1∶3。渠道坡頂開口兩側各征地寬度13.0m，依次布置隔離帶、6.0m寬管護道路、綠化帶等。

預應力混凝土管樁采用PRCⅠ800(130)-C型混合配筋管樁，其主筋配筋形式為預應力鋼棒(24 B 12.6mm)和普通鋼筋(24C 12)組合布置、配筋率為2.09%。樁身混凝土等級為C80，直徑0.8m，壁厚0.13m，樁身橫截面面積為0.274m2。管樁中心距為1.2m，其中，內側樁長8.0m，外側樁長11.5m，樁頂設C30鋼筋混凝土框冠梁，梁高0.4m，寬1.0m。懸臂段底部設置C25混凝土護底，厚0.2m。臨水側設0.2m厚C30預制鋼筋混凝土掛板，頂部澆入樁頂冠梁中，為防止樁間土流失，掛板臨土側外包土工布(500g/m2)。最終設計方案的標準斷面如圖4所示。

圖4 PRC管樁加掛板墻標準斷面圖

4.2 設計允許值

4.2.1 邊坡抗滑穩定安全系數

小合分線輸水渠道等級為1級，根據SL 386—2007《水利水電工程邊坡設計規范》第3.4.2條[9]，渠道邊坡的抗滑穩定安全系數見表1。

表1 輸水渠道邊坡抗滑穩定安全系數標準

4.2.2 嵌固穩定安全系數

根據JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》第4.2.1條[10]，安全等級為一級的懸臂式支擋結構，系數取值1.25。

4.2.3 管樁樁頂水平位移

由于PRC管樁的樁頂水平位移大小受基坑開挖深度、支護結構的剛度、支護形式、土的性質等因素影響，區域經驗比較重要，因此，JGJ 120—2012中沒有給出明確的限值，本次計算參考北京、上海、深圳、湖北等不同地區給出的變形控制標準，在0.002h、0.0018h、0.0025h、30mm中取均值(h為基坑深度，mm)，即取36mm作為PRC管樁樁頂水平位移的設計控制指標。

4.3 PRC管樁結構分析

4.3.1 計算方法

基于midas GTS NX的結構-土相互作用有限元法已應用于很多水工建筑物的結構分析計算[11-13]。因有限元計算流程類似，采用該方法對PRC管樁與邊坡土體進行整體分析。

4.3.2 有限元數值模型的建立

(1)基本假定

①膨脹土層為均質、各向同性的彈塑性體，采用修正摩爾庫倫模型，邊坡表層換填水泥土采用摩爾庫倫模型；②管樁結構、樁頂冠梁等為線彈性材料，同時不考慮樁間掛板與護底的作用；③考慮管樁與周圍土體之間的相對位移，設置了界面單元；④考慮施工過程對管樁結構變形及應力的影響，但是簡化渠道邊坡的開挖與邊坡表土換填過程，同時不考慮沉樁過程；⑤針對完建情況、設計輸水情況進行計算，考慮地下水位的影響。

(2)建立網格模型

整體幾何模型的尺寸為117m×45m(x，y)，基坑深度18m，x軸為垂直水流方向，正方向指向渠道岸坡，y軸為豎直方向，負方向為重力方向，坐標原點取渠道中心線與左邊界的交點。PRC管樁采用一維梁單元模擬；冠梁、膨脹土層均采用二維平面應變單元，以四邊形為主，輔以少量的三角形單元。劃分網格后的模型節點總數約2.1萬，單元總數約2.3萬。PRC管樁-土整體網格模型如圖5所示。

圖5 PRC管樁-土整體網格模型

(3)主要材料參數

PRC管樁、冠梁等結構材料計算參數見表2，土體材料主要計算參數見表3。

表2 結構材料計算參數

表3 土體材料主要計算參數

(4)施加邊界條件與荷載

邊界條件設置如下：①邊界位移約束：位于地基底面的TX、TY向約束，位于左、右側面的TX向約束。②樁底位移約束：位于內、外兩排PRC樁底部的TX、TY向約束。③改變屬性邊界條件：用于應對膨脹土層在開挖換填、冠梁修筑階段中其材料屬性發生的改變。④滑動面邊界：用于搜索虛擬圓弧滑動面。

施加的荷載如下：自重、水壓力荷載、親水平臺活荷載(取值5kPa)和坡頂活荷載(取值20kPa)。水壓力荷載通過定義整體水位施加，兩種活荷載以均布壓力荷載的型式施加。

(5)設置施工階段

施工階段是對施工過程的近似模擬，具體設置如下：①初始地應力分析；②開挖-1：開挖膨脹土層至10.7m高程；③開挖-2：開挖膨脹土層至4.7m高程；④施工外側PRC樁及冠梁；⑤開挖-3：開挖膨脹土層至1.2m高程；⑥施工內側PRC樁及冠梁；⑦開挖-4+邊坡水泥土換填：開挖膨脹土層至-1.3m高程，同時換填邊坡表層水泥土，完建情況至此結束；⑧通水：通過定義整體水位施加水荷載以模擬設計輸水情況。

4.3.3 計算結果

設計輸水情況下PRC樁-邊坡的整體變形、兩排PRC管樁的內力云圖如圖6—7所示。PRC管樁支護結構在完建情況、設計輸水情況下的主要計算結果詳見表4。

表4 PRC管樁結構變形及內力計算成果表

圖6 PRC樁-邊坡的整體變形云圖(設計輸水)

圖7 內、外兩排PRC管樁內力圖(設計輸水)

計算結果顯示：①兩種計算工況下得到的PRC管樁樁頂水平位移均不大于設計允許值，輸水渠道邊坡內、外兩排PRC樁結構變形滿足設計要求。②兩種計算工況下得到的支護樁結構內力值不大于PRCⅠ800(130)-C型管樁抗彎、抗剪等性能參數，輸水渠道邊坡內、外兩排PRC管樁結構強度滿足設計要求。

4.4 穩定性驗算

4.4.1 計算方法

(1)邊坡整體穩定性驗算

首先，采用midas GTS NX的有限元應力分析法[14]，該法以極限平衡法的虛擬滑移面和應力分析結果為基礎，通過計算多個假定滑移面的安全系數，計算出最小的安全系數和對應的臨界段。其次，采用圓弧滑動條分法輔以復核。

(2)嵌固穩定性驗算

采用基于平面桿系的結構彈性支點法驗算PRC管樁嵌固穩定性。

4.4.2 計算結果

穩定性驗算安全系數計算成果見表5。計算結果顯示：①兩種計算工況下得到的邊坡整體滑動穩定安全系數、嵌固穩定安全系數均大于設計允許值；②兩種不同計算方法得到的邊坡整體滑動穩定安全系數基本一致。因此，輸水渠道邊坡的穩定性滿足設計要求。

表5 穩定性驗算安全系數計算成果表

5 膨脹土邊坡處理措施研究

5.1 工程區膨脹土的特點

5.1.1膨脹土的礦物成分

膨脹土的膨縮性主要取決于蒙脫石的含量，蒙脫石是膨脹土具有特殊性質的主要物質[2]。根據相關試驗分析結果[15]，工程區膨脹土的礦物組成中，蒙脫石和伊利石含量合計為31%。

5.1.2 膨脹性分布特點

丘崗段輸水線路全長3.56km，膨脹土全線分布，其中弱膨脹渠段0.905km，占線路總長度的25.4%，中膨脹渠段2.655km，占線路總長度的74.6%。根據試驗指標統計[15]，本段弱膨脹土的膨脹力平均為15.37kPa；中膨脹土垂直方向膨脹力平均為71.89kPa，水平方向膨脹力平均為59.82kPa，垂直向膨脹力略大于水平向膨脹力。

5.1.3 膨脹土的豎向分帶及裂隙發育特點

工程區膨脹土在深度方向上分為“大氣影響帶”和“非影響帶”。所在區域大氣影響深度3.2～3.4m，大氣影響急劇層深度1.4～1.5m。“大氣影響帶”內脹縮裂隙發育，“非影響帶”內未發現有原生長大裂隙的存在。

5.2 膨脹土邊坡處理措施

以盡量減少邊坡內土體的干濕交替作用為主要原則，采取邊坡表土改性，并輔以必要的排水、導水措施。布置措施具體如下：

(1)4.7m平臺及以上坡面均采用水泥改性土(4%)換填，其中弱膨脹土段垂直坡面換填厚1.0m，中膨脹土段垂直坡面換填厚1.5m，換填后坡面鋪設土工布(500g/m2)一層。

(2)坡面采用C25鉸接式預制塊生態磚護坡，厚0.12m，下設0.1m厚碎石墊層。在護坡表面設置橫向排水溝，間距20m布置，4.7m及10.7m平臺處設置縱向排水溝。

(3)4.7m平臺以上膨脹土出露坡面設置Y型排水盲溝，內設直徑150mm高強內支撐塑料盲管，外包土工布(200g/m2)，盲溝內回填中粗砂。采用直徑90mmPVC排水管分段將盲溝內水體排入平臺縱向排水溝內。

(4)坡口線外10m范圍換填1.0m厚4%水泥改性土，防止坡頂水體滲入坡面

6 結語

(1)引江濟淮小合分線工程樁號16+295—樁號19+855段輸水渠道地處丘崗硬塑膨脹土地區，成樁試驗結果表明：PRC管樁能夠在工程區土層中順利沉樁，施工工藝簡單，且樁體未發現裂縫；而對預制混凝土U型板樁采用錘擊配合圓形小引孔或不引孔的成樁施工工藝，針對本工程區地質條件難以完全避免板樁裂縫的發生。

(2)針對本段輸水渠道邊坡安全提出的“內、外雙排預應力混凝土管樁(PRC管樁)加掛板連續墻”支護方案合理可行。首先，基于midas GTS NX的支護結構-土相互作用的有限元法得到的PRC管樁變形、內力結果、邊坡整體滑動穩定性滿足設計要求；其次，采用基于平面桿系結構彈性支點法得到的PRC管樁嵌固穩定性滿足設計要求。

(3)本工程的成功實施為開挖深度大于10m的膨脹土邊坡工程提供了寶貴的工程實踐經驗，對于膨脹土地區河湖治理、河道工程中的邊坡防護設計，具有良好的借鑒意義。