抗滑樁在高速公路與水利交叉工程中的應(yīng)用

凌新鵬,葉 偉

(新疆交通科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

隨著我國交通行業(yè)與水利行業(yè)的大發(fā)展，高速公路網(wǎng)越來越密，高速公路常與國家重點(diǎn)水利項(xiàng)目、重要干渠樞紐等一并進(jìn)行，通常在項(xiàng)目總體方案上，公路項(xiàng)目與水利項(xiàng)目存在相互干擾，即交叉工程，常見的交叉方式有水利下穿公路橋(暗渠)、公路上跨水利干渠(明渠)，因此，設(shè)計(jì)方案和施工方案難度都會(huì)增加；同時(shí)，由于資金和項(xiàng)目管理等原因，公路項(xiàng)目與水利項(xiàng)目并不一定同期施工，通常會(huì)出現(xiàn)公路或水利工程建成后，另一類工程才開始施工，因此對(duì)于已建工程交叉方案制訂和評(píng)價(jià)尤為重要，本項(xiàng)目以實(shí)際案例進(jìn)行分析論證，最終提出合理的設(shè)計(jì)方案。

1 工程簡介

G218線新疆伊寧至墩麻扎高速公路位于新疆伊犁州伊寧縣境內(nèi)，是伊犁地區(qū)重要通道，設(shè)計(jì)速度100 km/h，路基寬度27 m，全長約73 km；其北岸干渠水利樞紐工程是新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局的重點(diǎn)水利樞紐項(xiàng)目，兩個(gè)工程在高速公路K51+131處交叉，工程交角約30°。兩個(gè)工程因資金問題未能同時(shí)實(shí)施，高速公路于2010年交工、驗(yàn)收、通車運(yùn)行，水利工程未實(shí)施。

為方便水利工程實(shí)施，高速公路在交叉處設(shè)5～25 m預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，橋墩采用柱式墩，橋臺(tái)采用肋板式橋臺(tái)，北岸干渠依次從橋下3號(hào)、2號(hào)、1號(hào)孔穿越，高速公路橋梁墩柱、樁基布置均采用非對(duì)稱布置，墩柱之間預(yù)留箱涵穿越空間。

交叉段北岸干渠采用雙孔箱涵式，交叉處干渠渠底標(biāo)高位于地面以下約9.8 m，箱涵出口段長度50 m，進(jìn)出口段與明渠相接，箱涵涵身段總長220 m，每隔10 m設(shè)置1道伸縮縫。因高速公路已建成通車，北岸干渠箱涵施工需開挖橋梁基礎(chǔ)和公路路基邊坡處地基覆土，對(duì)已通車的公路橋梁穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，存在安全隱患，基于此提出施工期基坑開挖支護(hù)安保工程，支護(hù)工程平面布置如圖1所示。

圖1 支護(hù)工程平面布置

2 工程項(xiàng)目區(qū)域地質(zhì)特征

2.1 地形地貌

項(xiàng)目工程區(qū)域?qū)僖晾绾尤?jí)階地，周圍為農(nóng)田，地形平坦開闊。

2.2 地層條件

根據(jù)鉆探揭露，勘察區(qū)地層由第四系全新統(tǒng)(Q4a1+pl)沖洪積的細(xì)砂、粉質(zhì)黏土中砂、砂礫、粉土和圓礫組成。根據(jù)取樣試驗(yàn)和野外描述，按工程地質(zhì)性能不同，在勘探深度范圍內(nèi)從上至下大致可分為8層，各地層特征分述如下：①層：細(xì)砂，層厚2.8 m，土黃色，中密，土石工程分級(jí)為Ⅱ級(jí)。②層：粉質(zhì)黏土，層厚9.6 m，土黃色，堅(jiān)硬，中濕，土石工程分級(jí)為Ⅱ級(jí)。③層：中砂，層厚5.4 m，土黃色，中密，土石工程分級(jí)為Ⅱ級(jí)。④層：砂礫，層厚1.9 m，土黃色，中密，土石工程分級(jí)為Ⅲ級(jí)。⑤層：粉土，層厚3.4 m，土黃色，稍密，中濕，土石工程分級(jí)為Ⅱ級(jí)。⑥層：砂礫，層厚1.6 m，土黃色，中密，土石工程分級(jí)為Ⅲ級(jí)。⑦層：粉土，層厚7.1 m，土黃色，稍密，中濕，土石工程分級(jí)為Ⅱ級(jí)。⑧層：圓礫，層厚8.5 m，黃灰色，亞圓狀，密實(shí)，中濕，母巖主要為灰?guī)r，砂巖，充填物為中砂，土石工程分級(jí)為Ⅲ級(jí)。

2.3 水文地質(zhì)條件

項(xiàng)目區(qū)地表水系不發(fā)育，勘察期間未見地下水和地表水，可不考慮地下水對(duì)本工程的影響，但由于本項(xiàng)目位于農(nóng)田區(qū)，施工時(shí)應(yīng)考慮可能存在的農(nóng)田漫灌對(duì)工程的影響，若施工時(shí)出現(xiàn)地表水，應(yīng)先進(jìn)行排水處理。

2.4 地震效應(yīng)評(píng)價(jià)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[1]，項(xiàng)目屬地震基本烈7度區(qū)，設(shè)計(jì)地震分組為第2組，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜周期為0.45 s。

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 2231—01—2020)[2]4.3條判定，擬建場地20 m深度范圍內(nèi)不存在飽和砂土，可不考慮地震液化問題。

2.5 工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

2.5.1 橋頭岸坡穩(wěn)定性

橋址區(qū)為農(nóng)田區(qū)，地形平坦，地勢開闊，兩側(cè)橋臺(tái)所處穩(wěn)定性良好。

2.5.2 地基土分層容許承載力

根據(jù)勘探結(jié)果和試驗(yàn)成果得出橋址區(qū)地基土分層摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值和承載力基本容許值，如表1所示。

表1 地基土分層摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值與承載力基本容許值

2.5.3 場地濕陷性評(píng)價(jià)

通過取原狀土樣進(jìn)行濕陷性試驗(yàn)，依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50025—2018)[3]4.3.1條和《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)[4]表7.10.4規(guī)定，在本次勘察渠24件不擾動(dòng)土樣本中，通過水平與垂直兩個(gè)方向分析，場地有4件土樣的粉土自重失陷系數(shù)δzs大于0.015，其余均小于0.015；經(jīng)計(jì)算得：試樣自重濕陷量Δzs為8.5～16.5 mm，滿足規(guī)范[1]要求Δzs≤70，為非自重濕陷場地；在深度小于10.0 m范圍內(nèi)濕陷系數(shù)δs均大于0.015，濕陷厚度為9.8 m。濕陷系數(shù)隨著深度增加而減小。

依照《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50025—2018)[3]，經(jīng)計(jì)算得濕陷量Δs為211.5～225.0 mm。粉土濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)(輕微)非自重濕陷性。濕陷性試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 濕陷性試驗(yàn)結(jié)果

2.6 小結(jié)

(1) 擬建場區(qū)為非自重濕陷性場地，場地土的濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)(輕微)非自重濕陷性。

(2) 依據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TJG C20—2011)[5]附錄K 環(huán)境類型水和土對(duì)混凝土腐蝕的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以判定：在Ⅱ類環(huán)境中，地基土為非鹽漬土，對(duì)混凝土腐蝕性綜合判定為無腐蝕性。

(3) 該場地位于季節(jié)性凍土地區(qū)，最大凍土深度為62 cm。

3 支護(hù)工程設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)論證比選

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際工程場地情況，因受制于現(xiàn)有高速公路橋梁的建設(shè)空間，一般性開放型或敞開式邊坡支護(hù)難以滿足施工要求。為此，在考慮支護(hù)工程作業(yè)空間時(shí)，優(yōu)先考慮邊坡坡率大或能夠有效利用現(xiàn)有空間的設(shè)計(jì)方案，因此，本項(xiàng)目在方案論證根據(jù)不同基坑所處不同段落，采用不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選。

3.1.1 橋臺(tái)路基防護(hù)段

橋臺(tái)路基防護(hù)段采用重力式水泥土墻、地下連續(xù)墻鋼筋混凝土支護(hù)和抗滑支護(hù)樁3種支護(hù)方案比選。

重力式水泥土墻雖然在基坑類支護(hù)中因工程造價(jià)相對(duì)較低、對(duì)施工工藝要求不高等優(yōu)點(diǎn)，有較好的實(shí)用價(jià)值，但其適用基坑深度較淺、土壓力相對(duì)較小的工程，一般深度約5 m。

地下連續(xù)墻鋼筋混凝土支護(hù)方案通常用于基坑周邊施工空間受限，且周邊10～20 m范圍內(nèi)有高大建筑物，一般在市政工程中多見，基坑深度較深，約20 m，但因工程造價(jià)高、需專用機(jī)械、施工工藝相對(duì)復(fù)雜，因此地下連續(xù)墻鋼筋混凝土支護(hù)方案在場地受限的市政工程中使用效果最佳。

抗滑支護(hù)樁通常在基坑深度為10～15 m時(shí)適用，主體受力為鉆孔灌注樁，因此施工工藝難度適中，在城市中有較好的應(yīng)用，在人跡罕至的野外極其適用，工程造價(jià)在上述二者居中，因此，綜合考慮施工難度和造價(jià)，本次推薦選擇抗滑支護(hù)樁。

3.1.2 箱涵穿越橋墩段落

箱涵穿越橋墩段落進(jìn)行土釘墻方案與敞開式斷面開挖方案比選。

一方面，由于橋梁樁基長度設(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮干渠的開挖，為此在直接開挖時(shí)不會(huì)出現(xiàn)樁基摩阻力不足或樁基斷樁與垮塌現(xiàn)象，為此，敞開式邊坡比例滿足開挖邊坡穩(wěn)定即可，采用坡率1∶1.25，機(jī)械土方開挖。

另一方面，由于敞開式開挖，工程開挖界限較大，為此使用土釘墻支護(hù)樁作為比選方案，但由于土釘墻支護(hù)施工工藝煩瑣，不僅需要噴漿支護(hù)，還需要錨桿固定。同時(shí)，敞開式開挖與土釘墻支護(hù)樁相比，造價(jià)相當(dāng)，但考慮施工難度與進(jìn)度，選用敞開式開挖。

3.2 抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)確定

抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)的確定包括結(jié)構(gòu)形式和平面布置。支護(hù)樁延長段落的確定，需根據(jù)地形圖實(shí)際測量，支護(hù)樁與路基坡腳垂直最近距離為0.5 m，最遠(yuǎn)距離為10 m。因此在支護(hù)樁計(jì)算時(shí)，以最不利情況計(jì)算。

參照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)[6]，樁間距參數(shù)應(yīng)不大于2倍直徑，本次選取樁間距為1.8倍樁直徑。通常樁間距越小，樁間土土拱效應(yīng)越大，工程安全系數(shù)越大，但相應(yīng)樁的根數(shù)也會(huì)越多，因此，需要綜合比選合理確定樁間距[7]。

由于支護(hù)樁點(diǎn)位地面高程的不同，抗滑支護(hù)樁計(jì)算也不相同，項(xiàng)目采用5類抗滑樁進(jìn)行分析，分別為：B型、C型、D型、E型、F型；對(duì)應(yīng)基坑深度分別為：13.3 m 、12.8 m、11.8 m 、10.8 m、9.8 m；嵌固深度分別為：10.64 m、10.24 m、9.44 m、8.64 m、7.84 m，采用機(jī)械鉆孔C40鋼筋混凝土澆筑，截面為圓形，樁直徑1.0 m，樁間距1.8 m，抗滑支護(hù)樁結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

(a) 抗滑支護(hù)樁結(jié)構(gòu) (b) 鋼筋構(gòu)造

本項(xiàng)目治理范圍2段，長度共計(jì)73 m，支護(hù)樁41根，總樁長789.84 m。

3.3 抗滑樁內(nèi)力變形分析

支護(hù)樁計(jì)算通常不僅需要滿足構(gòu)造配筋要求，而且需要滿足邊坡開挖的穩(wěn)定計(jì)算分析，保證施工各工序期間，支護(hù)樁處于穩(wěn)定狀態(tài)[8]。

3.3.1 抗滑樁滑坡推力計(jì)算

通過現(xiàn)場不同土層的物理力學(xué)參數(shù)計(jì)算抗滑樁滑坡推力，各地層物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。邊坡土體主要破壞表現(xiàn)形式為土層之間某一滑動(dòng)面的破壞[9]，滑動(dòng)推力計(jì)算簡圖如圖3所示。

表3 各地層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 滑動(dòng)推力計(jì)算簡圖(單位：m)

3.3.2 抗滑樁結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

以主滑面上抗滑支擋結(jié)構(gòu)為例，分別以彈性法和經(jīng)典法對(duì)土壓力模型進(jìn)行對(duì)比計(jì)算[10]，依據(jù)階段法施工模擬計(jì)算，當(dāng)基坑開挖至地面以下13.3 m時(shí)，抗滑樁土壓力、水平位移、彎矩和剪力如圖4所示。樁頂?shù)淖畲笏轿灰?73 mm，最大彎矩 3 760.15 kN·m，最大剪力1 011.64 kN。根據(jù)抗滑樁結(jié)構(gòu)的計(jì)算彎矩和剪力可以對(duì)灌注樁進(jìn)行配筋，對(duì)強(qiáng)度等進(jìn)行驗(yàn)算，此處略。

(a) 土壓力 (b) 水平位移

4 支護(hù)效果評(píng)價(jià)

本項(xiàng)目支護(hù)樁施工共計(jì)12 d，施工7 d后，利用回彈儀測試支護(hù)樁強(qiáng)度均達(dá)到85%以上。水利箱涵施工期30 d，每日監(jiān)測支護(hù)樁樁頂偏移值，單個(gè)樁頂中心累計(jì)最大偏移值35 mm，施工期間未出現(xiàn)支護(hù)樁失穩(wěn)現(xiàn)象，箱涵強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后，進(jìn)行基坑回填。本項(xiàng)目支護(hù)樁工程對(duì)基坑進(jìn)行了有效支擋，確保水利工程順利實(shí)施。

5 結(jié)論

工程實(shí)踐表明，在高速公路與水利交叉工程中，鋼筋混凝土抗滑樁是治理深基坑支護(hù)處理的有效措施，該結(jié)構(gòu)具有剛度大、變形小等優(yōu)點(diǎn)，但其開挖工程量較大，施工中會(huì)對(duì)邊坡土體產(chǎn)生擾動(dòng)。對(duì)于施工場地受限的項(xiàng)目，支護(hù)樁方案具有一定的優(yōu)越性，在類似的深基坑處理及邊坡處理的工程實(shí)踐中值得推廣應(yīng)用。