膨脹土地區抗滑結構分析與實踐

■ 李超

0 引言

膨脹土在我國分布較廣，主要由強親水性黏土礦物質組成，并且隨含水量變化呈現顯著脹縮性。常態多呈堅硬-硬塑狀態，土密度大、空隙比小、親水性特別強。干燥時土質堅硬，裂隙發育，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°坡體就有蠕動和滑坡現象，常形成淺層滑坡，造成安全隱患[2]。

常用的邊坡支護技術（土釘墻、錨索等），需要和土體共同形成防護結構，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?？够瑯督Y構相對獨立，且具有抗滑力強、樁位靈活、施工簡便等優點，故優先選用。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生的附加應力——水平膨脹力，因此，準確計算出水平膨脹力是決定膨脹土抗滑樁既安全穩定又經濟合理的關鍵問題。計算模型的選取對水平膨脹力的測定和計算有很大差異性[3]。在此，通過孝山明洞不同類型抗滑樁的工程實例，先后選用3種防護結構進行穩定性和位移分析。相關技術經濟分析方法可為類似支護結構提供借鑒。

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沖積地層，巖性主要為淤泥質土、粉砂、細砂、中砂、粉質黏土、細圓礫土、姜石土、鈣質膠結層。土質大多呈中等膨脹性，局部為弱、強膨脹性。

孝山明洞膨脹土基坑兩側共采用3種類型抗滑樁進行防護：矩形抗滑樁2．50 m×2．75 m，樁長20、22 m，樁間距5 m（中-中），共計283根；雙排直徑1．0 m圓形抗滑樁，樁長22、23、24 m，樁間距1．2 m（中-中），排距3．5 m，共計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23、24、25 m，樁間距5 m（中-中），共計44根。

2 抗滑結構選型

干濕循環對淺層地表土體的弱化影響、土層中存在的軟弱結構面對邊坡穩定性的影響比較關鍵。根據膨脹土特性試驗以及降雨、蒸發作用下含水率的變化情況，獲得干濕循環下土體的抗剪強度參數[4]以及膨脹力數值，土體計算參數和干濕循環影響區域土體計算參數見表1、表2。

采用以上參數，根據干濕循環1年的最不利工況，分圓形樁、矩形樁2種情況，對影響邊坡穩定性抗滑機制進行模擬分析，參考干濕循環內膨脹力擬合公式[5]：P=-148．05x3+543．45x2-616．71x+246．18（x為豎向坐標值），并綜合土體位移觀測、樁身位移觀測和樁身剪力計算，得到矩形樁與圓形樁模型分析對比（見表3）。

基于以上分析，優先選擇矩形樁方案，受制于地質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計為人工挖孔矩形抗滑樁，考慮到人工挖孔工效低、安全風險大以及膨脹土遇水后坍塌等不利因素，首先采用機械成孔法施工完成283根矩形抗滑樁，施工中發現遇到鈣質膠結層時，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，抗滑樁設計時按雙排設置，雖然工效大幅提高，但造價增加較多。最后選擇直徑2．5 m圓形抗滑樁，施工完成44根。經對膨脹土水平膨脹力試驗、分析和計算，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工效得到提高，且工程造價也相應降低。

表1 土體計算參數

表2 干濕循環影響區域土體計算參數

表3 圓形樁與矩形樁模型分析對比

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：按照設計樁位放樣，采用隔一跳打的方式放樣施工，報檢合格后，采用人工配合小型挖機開挖鎖口，開挖符合設計要求后，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，引孔鉆至設計樁底標高為止，然后利用GB34成槽機分3個部位對孔進行修整，分3次抓斗施工（見圖2）。在施工過程中若遇堅硬的鈣質膠結層時（自然狀態下粘結應力бo＞400 kPa），則采用長臂破碎錘破碎，破碎至通過硬層后繼續利用成槽機進行抓土作業。

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，用平板車運到現場，在用鋼管就地制作的胎具上現場拼裝焊接一次成型。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）調放導管，灌注混凝土：采用導管法干孔澆筑，導管直徑30 cm，各節統一編號，在每節按自下而上標示尺度，導管組裝后軸線偏差不宜大于孔深的0．5%，且不大于10 cm?；炷凉嘧⑶靶鑼兜撞扛≡约胺e水清理干凈，灌注時導管應埋入混凝土中2～6 m，混凝土灌注高度與鎖口平齊?；炷涟此禄炷翗藴蔬M行配置，設計樁頂4 m范圍內的混凝土應進行振搗。

3.1.2 施工特點與成樁工效

該施工方法解決了膨脹土、姜石土以及鈣質膠結層等復合地層條件下成孔難、人工挖孔不安全等難題，但需3種設備鉆孔配合，成孔速度較慢；孔壁穩定性較差，成樁質量不易控制；修整孔徑過程中宜造成擴孔，混凝土超方較大；適用范圍受鈣質膠結層等硬地層限制。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）埋設護筒，鉆機就位：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，埋設內徑1 200 mm、壁厚8 mm的鋼護筒，護筒頂高出地面0．2 m，護筒四周采用黏土分層對稱夯填密實。鉆機采用X280型旋挖鉆機（鉆頭直徑1．0 m），就位時鉆桿中心與樁位重合，校檢鉆桿垂直度達到要求后進行鉆進施工。

（2）鋼筋籠制安和吊裝：抗滑樁鋼筋籠采用滾焊機在鋼筋廠集中加工，首節頂籠按12 m長度加工，第2節根據鋼筋籠總長進行配制，采用平板車運送至樁孔處，25 t汽車吊吊裝入孔，第1、2節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筒頂端。

（3）調放導管，灌注混凝土：采用導管法干孔或水下灌注混凝土均可，導管直徑30 cm，在每節按自下而上標示尺度并編號，導管組裝合格后吊放，清理樁底部浮渣、積水，符合要求后灌注混凝土。灌注時導管應埋入混凝土中2～6 m，混凝土灌注高度應高于設計樁頂標高0．5～1．0 m。采用干孔灌樁時，混凝土按水下混凝土標準進行配置，設計樁頂4 m范圍內的混凝土應進行振搗。

（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械鑿除，樁頭修整平整，樁身質量檢測合格后對冠梁、剛架梁中線定位測量，進行鋼筋綁扎、模板支設及混凝土澆筑施工。

3.2.2 施工特點與成樁工效

該施工方法為鉆孔一次成型，成孔速度快；孔壁穩定性好，成樁質量好；適用地層范圍廣，不受鈣質膠結層等硬層影響；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；成孔機械不需要其他輔助設備；施工方法比較常規。不足之處是工程造價高，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）埋設護筒，鉆機就位：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，埋設內徑2 600 mm、壁厚8 mm鋼護筒，護筒頂高出地面0．2 m，護筒四周采用黏土分層對稱夯填。鉆機采用XR360型旋挖鉆機（鉆頭直徑2．5 m），就位時鉆桿中心與樁位重合，校檢鉆桿垂直度達到要求后進行鉆進施工。

（2）鋼筋籠制安和吊裝：抗滑樁鋼筋籠采用滾焊機在鋼筋廠集中加工，首節頂籠按12 m長度加工，第2、3節根據鋼筋籠總長進行配制，采用平板車運送至樁孔處，25 t汽車吊吊裝入孔，第1、2、3節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筒頂端。

（3）調放導管，灌注混凝土：采用導管法干孔或水下灌注混凝土均可。導管直徑30 cm，在每節按自下而上標示尺度、編號，導管組裝后，清理樁底部浮渣、積水，符合要求后灌注混凝土。灌注時導管應埋入混凝土中2～6 m，混凝土灌注高度應高于設計樁頂標高0．5 m。采用干孔灌樁時，混凝土按水下混凝土標準進行配置，設計樁頂4 m范圍內的混凝土應進行振搗。

3.3.2 施工特點與成樁工效

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，能一次性通過鈣質膠結層；孔壁穩定性較好，成樁質量較好；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備。成樁工效：一般為每天2根。

4 安全穩定性分析

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測指標，按規范規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定[7]。孝山明洞不同類型抗滑樁位移監測見圖4。對現場基坑同時開挖出來的同段落3種抗滑樁樁頂位移監測數據進行分析，最大位移量一般在土體開挖后1個月左右出現且變形開始趨于穩定，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，也驗證了前述模型分析的結論。對本工程項目而言，3種方法均在允許限值內。

5 工程成本分析

對3種抗滑樁直接成本進行分析，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定及施工安全，主要區別體現在作業工效和工程成本2方面。矩形抗滑樁從建模分析到工程實踐，其抗滑移效果最好，但成本也最高，可用在變形要求比較嚴格的部位。從施工安全、質量、進度、成本等因素考慮，膨脹土地區采用直徑2．5 m圓形抗滑樁可滿足安全可靠性，對于變形控制相對寬松的部位，其綜合效果明顯優于其他2種樁型，可為膨脹土地區抗滑樁施工提供參考和經驗借鑒。

圖4 孝山明洞不同類型抗滑樁位移監測

表4 3種類型抗滑樁的工程量及直接成本對比