袁媛 隨燦

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

一般砂質(zhì)土壤明挖邊坡的潛在破壞面存在負(fù)孔隙壓力，使邊坡不會(huì)在剛開(kāi)挖時(shí)發(fā)生破壞。但當(dāng)土壤飽和度降低到零，負(fù)孔隙壓力消散到零，則邊坡一定發(fā)生崩塌。故維持明挖邊坡土壤飽和度，是維持砂土邊坡不崩塌的重要條件。

本研究以階段式開(kāi)挖及鋼絲網(wǎng)噴凝土護(hù)坡封層，保持切坡下土壤的飽和度，使切坡后的負(fù)孔隙水壓及毛細(xì)應(yīng)力不消散，用以維持邊坡潛在破壞面在開(kāi)挖期間的外視凝聚力，而不發(fā)生崩塌及保持砂土切坡為楔形破壞，并因護(hù)坡殼使砂土切坡后飽和度不變，維持開(kāi)挖解壓后的負(fù)孔隙壓力不排水，即強(qiáng)制砂土在開(kāi)挖期間屬于短期強(qiáng)度應(yīng)力行為。本研究護(hù)坡封層范圍超過(guò)潛在破壞面 2m 以上，維持砂土邊坡潛在破壞面內(nèi)的飽和度，在無(wú)地震下完成開(kāi)挖深度 5.5m 之 70°、60°、55°砂土邊坡，配合切坡上傾斜變位計(jì)管邊坡側(cè)向變位量測(cè)值及STEDWin2.7、RISS計(jì)算機(jī)程序分析邊坡安全系數(shù)，成功印證階段式開(kāi)挖配合鋼絲網(wǎng)噴凝土護(hù)坡封層之砂土明挖技術(shù)的可行性及經(jīng)濟(jì)性。

1 研究目的

目前國(guó)內(nèi)部分地區(qū)的山坡地?fù)跬翂κ┕ぃ?xí)慣先垂直削坡，扎鋼筋封模板再打混凝土，可是多數(shù)擋土墻施工在垂直削坡時(shí)，若遇砂性土壤，發(fā)生崩塌埋死工人的意外時(shí)有所聞，尤其砂土地盤(pán)無(wú)凝聚力、排水排氣能力佳，垂直開(kāi)挖時(shí)負(fù)孔隙壓力消散快，崩塌時(shí)間亦快，施工上安全性更低，故本研究以砂土為主，如何突破傳統(tǒng)明挖方式限制，而使明挖工藝更安全、更經(jīng)濟(jì)。

2 工地驗(yàn)證

2.1 工地試驗(yàn)規(guī)劃

試驗(yàn)規(guī)劃以 90°、75°、60°三種不同斜坡明挖角度，在開(kāi)挖面20m×10m 的空地，預(yù)定開(kāi)挖至 6m 深，并維持一個(gè)月監(jiān)測(cè)，評(píng)估此明挖技術(shù)的可行性。

2.2 地層分布與土壤參數(shù)

試驗(yàn)場(chǎng)地地下開(kāi)挖到 GL-6.9m，采用筏基，地下一層(大賣(mài)場(chǎng))基地面積為 13246m2。地表面回填土層厚度 1.7m，回填土以下至深度 14.4m 為 N=10 粉質(zhì)粗中細(xì)砂，深度 14.4m~20m為粉質(zhì)細(xì)砂夾粉土薄層。

2.3 施工步驟

地表整平及放樣→地表鋼絲網(wǎng)噴凝土封層→監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)→初始值量測(cè)→第一階段開(kāi)挖→第一階段護(hù)坡→第二階段開(kāi)挖與護(hù)坡→第三階段開(kāi)挖與護(hù)坡→監(jiān)測(cè)→回填整平→測(cè)量飽和度變化

2.4 相關(guān)試驗(yàn)

①開(kāi)挖面尺寸測(cè)量：開(kāi)挖底面為12m ×8.2m 的長(zhǎng)方形，實(shí)際深度 5.5m。

②各坡面角度測(cè)量：以水平尺吊垂球測(cè)量。表1為邊坡實(shí)際角度量測(cè)數(shù)據(jù)，北側(cè)平均坡角 55°、南側(cè)平均坡角60°、西側(cè)平均坡角 70°。

表1 邊坡角度測(cè)量紀(jì)錄

③基本物性試驗(yàn)：由工地取回的砂土，做土粒比重、含水量等試驗(yàn)，得砂土 Gs=2.67。

④直接剪力試驗(yàn)：由工地取回土樣進(jìn)行室內(nèi)直接剪力快剪 Q 試驗(yàn)，得未飽和砂土C=2.6 t/m2、ψ=28.5°，而工地取回的砂土進(jìn)行直剪快剪 Q 試驗(yàn)， C=1.6 t/m2、ψ=29.3°。故切坡護(hù)坡應(yīng)力分析采用保守的 C=1.6 t/m2、ψ≒28°。

⑤飽和度測(cè)量：以砂錐法、含水量及土粒比重推算，開(kāi)挖至底面時(shí)平均飽和度為 16.08%，開(kāi)挖到底擱置一個(gè)月后，地表封層破除并開(kāi)挖至 GL-2m 深，計(jì)算平均飽和度為39.22%，而無(wú)護(hù)坡封層處，平均飽和度為 8.81%。[1]

⑥安息角測(cè)量：砂土平均安息角為 32°。

3 結(jié)果分析

3.1 毛細(xì)應(yīng)力分析

地下水位在GL－7.5m，毛細(xì)高度位于GL-7.5M~ GL-6.13M,在開(kāi)挖面GL-5.5m下方，斜坡應(yīng)力分析不受毛細(xì)應(yīng)力影響。

3.2 斜坡明挖含混凝土殼護(hù)坡的穩(wěn)定分析

砂土地盤(pán)護(hù)坡式開(kāi)挖技術(shù)，其中鋼絲網(wǎng)噴凝土護(hù)坡可提供土壤與護(hù)坡殼介面間的摩擦力，維持砂土孔隙壓力，使砂土不發(fā)生顆粒松散而剝落，確保低凝聚力砂土破壞為楔形破壞[2]，故以土楔應(yīng)力平衡分析各切坡的安全系數(shù)。

3.3 程序分析

3.3.1 STEDWin2.7 程序分析

若砂土邊坡不考慮C值，所有邊坡安全系數(shù)皆遠(yuǎn)小于1，處于危險(xiǎn)狀態(tài)，但現(xiàn)地邊坡卻站立31天，故C值保守采用重模土壤的直剪快剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)1.6t/m2，其分析如圖1-3所示。北側(cè)切坡60°(55°邊坡)最小安全系數(shù)1.34，南側(cè)切坡75°(60°邊坡)最小安全系數(shù)1.22，西側(cè)切坡90°(70°邊坡)最小安全系數(shù)1.07。STEDWin2.7分析考慮邊坡直接開(kāi)挖完成到GL-5.5m，而非模擬分階段開(kāi)挖與護(hù)坡后再挖之程序，故其分析所得安全系數(shù)與本研究應(yīng)力分析所得稍有不同，但除90°切坡外其余FS皆大于1.2屬于安全側(cè)。

圖1 北側(cè)切坡考慮 C 值最小安全系數(shù)

圖2 南側(cè)切坡考慮 C 值最小安全系數(shù)

圖3 西側(cè)切坡考慮 C 值最小安全系數(shù)

3.3.2 RISS(Real-time Instrumentation System for Slope)邊坡實(shí)時(shí)分析軟件

根據(jù)傾斜管監(jiān)測(cè)資料，用以回饋分析開(kāi)挖坡體穩(wěn)定之狀態(tài)，通過(guò)其分析結(jié)果得知各開(kāi)挖邊坡安全系數(shù)皆大于 1.2，經(jīng)31 天后安全系數(shù)并無(wú)減少，其中南側(cè)切坡 75°(60°邊坡)由于坡頂為物料堆放區(qū)，故回饋分析出之安全系數(shù)小于西側(cè)切坡90° (70°邊坡)。

各分析方法與各階段之邊坡安全系數(shù)，整理如表2所示。

3.4 安全性評(píng)估

依照地表護(hù)坡封層，階段式隨開(kāi)挖隨護(hù)坡技術(shù)，確實(shí)可縮短砂土暴露時(shí)間，而護(hù)坡范圍增大，也可阻擋雨水滲入破壞面，延長(zhǎng)坡面穩(wěn)定時(shí)間[3]。若對(duì)于地質(zhì)狀況安全性存有疑慮，可在地表護(hù)坡封層前，以鋼軌樁離邊坡 1m 處打設(shè)穩(wěn)定樁，間距 1m 一支，打穿 45°主動(dòng)破壞面，抵擋破壞土楔的下滑力，再進(jìn)行開(kāi)挖護(hù)坡。

表2 各分析方法與各階段的安全系數(shù)

3.5 施工性評(píng)估

與傳統(tǒng)明挖工藝比較，只增加地表護(hù)坡封層，施工上并無(wú)困難度。施工建議：

1 冬季施工，砂土邊坡降水產(chǎn)生的毛細(xì)高度隨溫度降低而增高，故對(duì)開(kāi)挖坡面穩(wěn)定較有幫助。

2 此工藝僅于 N=10 的砂土降水后的工地試驗(yàn)成功，故適用于 N>10的砂土降水后工地，而黏土地盤(pán)有凝聚力存在，孔隙壓力消散慢，應(yīng)更適用此法。

3 地表護(hù)坡封層范圍應(yīng)超過(guò)潛在破壞面 2m 以上，封層以10cm 厚 RC(一排鋼筋)為佳，并預(yù)留可焊鋼筋，與開(kāi)挖后坡面鋼絲網(wǎng)焊接。

4 護(hù)坡時(shí)采用鋼絲網(wǎng)噴凝土，可均勻?qū)⑺嗌皾{覆蓋于砂土顆粒，若采用模版灌漿方式，則需振動(dòng)搗實(shí)。

3.6 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

本試驗(yàn)成本含回填夯實(shí)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，共花費(fèi) 390,000 元，若以工地規(guī)模(139.75m × 75.05m × 6.9m)作為比較依據(jù)，將成本依比例放大(不考慮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與部份回填)，相當(dāng)于花費(fèi)5,883,000 元。就同樣工地規(guī)模而言，連續(xù)壁工藝工程成本約36,260,000 元，排樁工藝工程成本約 16,920,000 元，鋼板樁工藝工程成本約 12,920,000 元。護(hù)坡式開(kāi)挖工藝成本約為連續(xù)壁工藝的 1/6，排樁工藝的 1/3，鋼板樁工藝的 1/2。

4 結(jié)語(yǔ)

①由現(xiàn)場(chǎng)切坡試驗(yàn)顯示，部份飽和砂飽和度，在地表護(hù)坡封層將蒸發(fā)水氣阻擋下而增加，更可維持負(fù)孔隙壓力的存在，強(qiáng)制砂土在開(kāi)挖期間為短期不排水強(qiáng)度應(yīng)力行為，增加坡面安全性。

②砂土地盤(pán)護(hù)坡式明挖技術(shù)施工程序相對(duì)于傳統(tǒng)明挖工藝，只增加地表護(hù)坡封層，施工上并無(wú)困難度，不會(huì)影響工期。

③本研究砂土護(hù)坡式明挖工地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，開(kāi)挖完成后各變位管位移平均速率日變化量未達(dá) 0.1mm，月變化量未達(dá)2mm，經(jīng) STEDWin2.70 及 RISS 程序分析后，各邊坡安全系數(shù)皆大于 1，而 RISS 分析成果顯示，各坡面歷經(jīng)單日累積雨量 3.5mm，雨強(qiáng)度 1.5mm/hr 并擱置 31 天后強(qiáng)制拆除，安全系數(shù)并無(wú)降低。

④護(hù)坡式開(kāi)挖工法成本約為連續(xù)壁工藝 1/6，排樁工藝1/3，鋼板樁工藝1/2。

⑤土釘式護(hù)坡明挖技術(shù)，可更安全與更省護(hù)坡面積，且更安全地在砂土進(jìn)行護(hù)坡式明挖。

[1]雷振甫,陸劍.“鐵板砂”土層基槽開(kāi)挖施工工藝研究[J].建筑科學(xué).2012（12）：12-13.

[2]許金明.粉砂土路基邊坡防護(hù)措施[J].黑龍江交通科技.2013（7）：78-79.

[3]蘇培堅(jiān).砂土膜袋圍堰在珠江三角水利工程施工應(yīng)用[J].商品與質(zhì)量：房地產(chǎn)研究.2014（2）：111-112.