大直徑圓形抗滑樁受力機(jī)理及施工技術(shù)

羅 剛

（中交四航局珠海工程有限公司，廣東 珠海 519000）

1 工程概況

開(kāi)春高速公路TJ07施工段K60～K66路線沿長(zhǎng)斜坡平行布設(shè)，自然坡率介于1∶1.5～1∶2.5，相對(duì)陡峻，且地質(zhì)條件復(fù)雜，邊坡后緣山體高大，放緩條件受限。根據(jù)初勘及詳勘成果，區(qū)域主要分布有第四系粉質(zhì)黏土、泥盆系上統(tǒng)的強(qiáng)/全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)～中風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r等。K64+360～K64+480段右側(cè)邊坡為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，邊坡高度為34.8m（四級(jí)坡），坡長(zhǎng)為120m。邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)如下：（1）一級(jí)：坡高10m，坡率為1∶0.75；（2）二級(jí)：坡高10m，坡率為1∶1；（3）三級(jí)：坡高10m，坡率為1∶1.15；（4）四級(jí)：坡高4.8m，坡率為1∶1.25。

其中K64+375～K64+471段一級(jí)邊坡平臺(tái)采用梅花形雙排圓樁，圓樁直徑為2.0m，沿路線方向間距為6m，橫向間距為3.5m，樁長(zhǎng)為22m；抗滑樁采用混凝土帽梁連接成整體，帽梁尺寸為1.6m×2.0m；樁頂50cm處設(shè)4根φ15.24mm低松弛無(wú)黏結(jié)鋼絞線單墩錨索，設(shè)計(jì)荷載為400kN，鎖定荷載為440kN；錨索長(zhǎng)為22m，錨固段長(zhǎng)為10m。

邊坡抗滑樁施工通常采用人工挖孔施工，但該項(xiàng)目工期緊，采用人工挖孔無(wú)法按期完成施工任務(wù)，需要采用機(jī)械成孔施工；同時(shí)，邊坡地質(zhì)條件較差，不能采用泥漿護(hù)壁，水滲入邊坡會(huì)進(jìn)一步降低邊坡的穩(wěn)定性，并減小抗滑樁周邊土體的粘聚力，影響抗滑樁的支護(hù)效果，因此，在施工過(guò)程中采用旋挖機(jī)干法施工，既保障了機(jī)械化施工，又有效避免了水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

2 受力分析

2.1 計(jì)算方法

采用MIDAS GTS有限元軟件，對(duì)雙排圓形抗滑樁結(jié)構(gòu)建立三維數(shù)值模型采用強(qiáng)度折減法計(jì)算，得到邊坡的結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果，驗(yàn)證邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)及穩(wěn)定性[1]。

2.2 計(jì)算工況

依據(jù)強(qiáng)風(fēng)化礫質(zhì)砂巖的參數(shù)，開(kāi)挖放坡邊坡穩(wěn)定性計(jì)算主要分為兩種情況：正常狀態(tài)和非正常狀態(tài)。正常狀態(tài)下強(qiáng)風(fēng)化礫質(zhì)砂巖C粘聚力為24kPa，φ內(nèi)摩擦角為23°。考慮降雨等因素影響下的非正常狀態(tài)，強(qiáng)風(fēng)化礫質(zhì)砂巖C粘聚力為22kPa，φ內(nèi)摩擦角為19°。雙排圓形抗滑樁方案采用非正常工況驗(yàn)算。

（1）非正常工況下（無(wú)支護(hù)邊坡），采用Bishop圓弧滑動(dòng)法計(jì)算，計(jì)算所得安全系數(shù)為0.887，安全性能不滿足規(guī)范要求。

（2）增加錨索防護(hù)條件下，采用Bishop圓弧滑動(dòng)法計(jì)算，計(jì)算所得安全系數(shù)為0.992，安全性能不滿足規(guī)范要求。

（3）非正常工況下，考慮梅花形雙排抗滑樁的布置后，具體的建模參數(shù)取值如表1所示。經(jīng)計(jì)算，直徑2.0m梅花形布置雙排圓形抗滑樁計(jì)算結(jié)果如表2所示，具體變形和受力云圖如圖1所示。從圖1可以看出，上部坡體潛在滑動(dòng)面受抗滑樁阻擋，在一級(jí)邊坡處存在一個(gè)塑性區(qū)，坡腳塑性明顯。因此，在最不利非正常工況下，采用梅花形雙排2.0m直徑圓樁支護(hù)方案的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.33，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，支護(hù)方案具有可行性。

表1 計(jì)算模型材料參數(shù)取值

表2 梅花形雙排2.0m直徑圓樁計(jì)算結(jié)果

圖1 梅花形雙排2.0m直徑圓樁等效應(yīng)變?cè)茍D

3 施工技術(shù)

該邊坡抗滑樁設(shè)置在第一級(jí)邊坡平臺(tái)上，第一級(jí)邊坡不開(kāi)挖是用來(lái)做抗滑樁機(jī)械施工的施工平臺(tái)，再采用旋挖鉆干法跳槽開(kāi)挖施工抗滑樁。樁頂軟弱地層及黏土層采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)，開(kāi)挖至強(qiáng)風(fēng)化巖層后取消護(hù)筒跟進(jìn)，利用巖層的自穩(wěn)定。鋼筋籠采用長(zhǎng)線法定型胎盤(pán)整體加工，分2節(jié)現(xiàn)場(chǎng)采用套筒對(duì)接，采用50t履帶吊一次下放到位，避免下放過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)引起塌孔，下放完成后應(yīng)立即下放導(dǎo)管，采用導(dǎo)管法澆筑孔內(nèi)混凝土。成孔質(zhì)量控制是該施工技術(shù)的關(guān)鍵與核心，應(yīng)確保成孔的孔徑、垂直度及孔壁的穩(wěn)定性，防止塌孔。

3.1 施工順序

梅花形雙排抗滑樁必須采用跳槽、隔樁施工工藝，由中間向兩側(cè)隔樁跳挖施工，需待樁身混凝土強(qiáng)度不小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后才能開(kāi)始相鄰樁開(kāi)挖施工；抗滑樁的開(kāi)挖深度需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙樁長(zhǎng)施工，以保證抗滑樁嵌固深度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 設(shè)備選型

開(kāi)挖設(shè)備采用山河智能SWDM420型旋挖鉆機(jī)，該機(jī)配備專用液壓伸縮式底盤(pán)，工作重心低、穩(wěn)定性好；最大鉆孔直徑為3m，最大鉆孔深度為110m，最大扭矩為420kN·m，且具有成孔速度快、移動(dòng)方便等特點(diǎn)，滿足山區(qū)施工環(huán)境要求；同時(shí)，該設(shè)備可分為鉆頭、鉆桿、主機(jī)3部分拆卸，并現(xiàn)場(chǎng)組裝，滿足山區(qū)高速公路施工環(huán)境要求。

3.3 成孔過(guò)程控制

由于邊坡抗滑樁位于強(qiáng)風(fēng)化或全風(fēng)化砂巖層，所以成孔一般土層鉆頭采用旋挖斗鉆頭+旋挖撈砂鉆頭（清孔使用）[2]。地下水位較高及水量豐富的抗滑樁采用鋼護(hù)筒跟進(jìn)法加強(qiáng)支護(hù)，成孔過(guò)程中根據(jù)地質(zhì)情況必須選擇合適的鉆桿、鉆筒，并根據(jù)地質(zhì)情況嚴(yán)格控制鉆桿提升速度，防止地下水位較高時(shí)提升過(guò)快導(dǎo)致鉆頭下方孔身出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，使地下水滲入鉆孔內(nèi)，降低孔身護(hù)壁的穩(wěn)定性導(dǎo)致坍孔。不同地層施工參數(shù)如表3所示。

表3 不同地質(zhì)施工參數(shù)表

成孔過(guò)程的具體施工注意事項(xiàng)如下：

（1）鉆孔前調(diào)整旋挖鉆機(jī)鉆桿保持垂直、確保位置正確，旋挖機(jī)基礎(chǔ)平整密實(shí)，防止因鉆桿晃動(dòng)影響測(cè)量定位。

（2）初始鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)應(yīng)確保鉆桿與工作面垂直，旋挖進(jìn)尺速度宜緩，減少鉆孔晃動(dòng)幅度；鉆孔施工前，埋設(shè)鋼護(hù)筒防止地表水流入孔內(nèi)，護(hù)筒應(yīng)高出地面≥30cm；鋼護(hù)筒直徑應(yīng)比樁徑大10～15cm，以便旋挖鉆桿導(dǎo)向鉆進(jìn)，把樁心位移降低到最小值。

（3）為確保樁徑滿足設(shè)計(jì)要求，旋挖鉆頭擴(kuò)孔部位的直徑較設(shè)計(jì)樁徑≤3cm，當(dāng)鉆頭直徑磨損＞2cm時(shí)要調(diào)整刀片角度或加焊，成孔后用檢孔器進(jìn)行檢測(cè)，檢孔器長(zhǎng)度為5.5m。

（4）鉆孔過(guò)程中利用旋挖鉆機(jī)自帶的深度記錄儀進(jìn)行孔深測(cè)量，終孔驗(yàn)收采用檢定后的測(cè)繩復(fù)測(cè)；采用干法成孔一般不存在沉渣，虛渣一般在3cm以下，孔深控制方便。

（5）旋挖鉆機(jī)智能化程度較高，鉆孔傾斜度一般由鉆機(jī)自帶控制系統(tǒng)調(diào)整、實(shí)時(shí)顯示，施工過(guò)程中仍需不定期地采用全站儀校核鉆桿垂直度，及時(shí)對(duì)鉆機(jī)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修正。

（6）在鉆進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)不同地層條件選擇合適的鉆頭及控制鉆進(jìn)、提升速度，尤其進(jìn)入砂層、礫石層等易塌地層時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度，低速慢進(jìn)，減少對(duì)孔壁的擾動(dòng)以防止塌孔。

（7）地下水豐富地層應(yīng)嚴(yán)格控制鉆桿提升速度，防止地下水位較高時(shí)提升過(guò)快導(dǎo)致鉆頭下方孔身出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，使地下水滲入鉆孔內(nèi)，降低孔身護(hù)壁的穩(wěn)定性導(dǎo)致坍孔。

3.4 鋼筋籠安裝及混凝土澆筑

鋼筋籠采用場(chǎng)內(nèi)集中加工，每節(jié)鋼筋籠≤12m，孔位處垂直對(duì)接安裝，施工現(xiàn)場(chǎng)采用鋼筋籠套筒機(jī)械連接，采用50t履帶吊一次整體吊裝，下放至樁基孔內(nèi)即可進(jìn)行混凝土澆筑作業(yè)，混凝土采用導(dǎo)管法干灌施工，澆筑過(guò)程中需注意導(dǎo)管埋深應(yīng)控制在1～2m；在混凝土灌注時(shí)應(yīng)分層振搗密實(shí)，分層厚度應(yīng)≤1.5m，使用插入式振搗器對(duì)全樁振搗密實(shí)，確保樁身混凝土施工質(zhì)量。

4 實(shí)施效果

通過(guò)在上邊坡埋設(shè)測(cè)斜管對(duì)4個(gè)深層水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)在抗滑樁身周邊埋設(shè)3個(gè)測(cè)斜管監(jiān)測(cè)抗滑樁的位移變形。2019年5月—2020年3月，共計(jì)監(jiān)測(cè)了10個(gè)月，中間經(jīng)歷了雨季，邊坡水平位移累計(jì)變化值為-0.4～-4.2mm，邊坡水平位移變化速率為-0.07～ 0.03mm/d。經(jīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，K64+360～K64+480段右側(cè)高邊坡基本穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)該區(qū)域地質(zhì)情況下的雙排梅花形大直徑抗滑樁施工的受力分析和施工技術(shù)選擇，充分驗(yàn)證了大直徑圓形抗滑樁在邊坡支護(hù)中的應(yīng)用效果及可行性，可有效提高邊坡的穩(wěn)定性。文章通過(guò)采用MIDAS GTS有限元軟件三維建模，驗(yàn)證該技術(shù)參數(shù)的合理性；通過(guò)合理的機(jī)械設(shè)備選型和成孔過(guò)程鉆頭的合理選擇，為該類地質(zhì)條件下干法施工創(chuàng)造條件，防止施工過(guò)程中水滲入邊坡內(nèi)，確保了抗滑樁支護(hù)質(zhì)量，該技術(shù)可為類似項(xiàng)目的高邊坡抗滑樁設(shè)計(jì)和施工提供參考。