預(yù)應(yīng)力高強度管樁在膨脹土高邊坡渠段中的應(yīng)用

李新源

(湖北大禹建設(shè)股份有限公司第二工程公司，湖北 武漢 430060)

1 基本資料

1.1 工程概況

在長江荊江河道引水補給漢江流量是一項大型輸水工程項目，渠道工程建筑物設(shè)計為1級建筑物，干渠工程設(shè)計線路長度為67.23 km[1]。引江濟漢工程渠道存在以下問題：工程運行后工程管理和保護范圍未確權(quán)劃界，渠道臨邊的旱田改造為水田種植水稻，使新規(guī)劃建設(shè)的溝渠堰塘形成積水區(qū)域，這樣的長期積水造成滲透，部分馬道高程以上發(fā)生滲透變形破壞現(xiàn)象。為實現(xiàn)引江濟漢工程范圍的渠道安全運行和保障膨脹土渠段渠坡邊坡岸坡穩(wěn)定，采用高強度管樁對引江濟漢膨脹土段高邊坡渠道工程進行加固[1]。

1.2 水文氣象

本工程項目區(qū)域氣候為典型的亞熱帶季風(fēng)性氣候，冬冷夏熱，四季特征明顯，冬天無霜期較長，夏天日照時間較長，全年雨量充沛。根據(jù)離項目區(qū)最近的水文站整編的資料可知，項目區(qū)多年平均降水量為1 009.6 mm，多年平均氣溫17.1 ℃，歷史上極端最高氣溫、極端最低氣溫分別為38.9 ℃和-14.5 ℃，多年平均蒸發(fā)量為1 093.5 mm[2]。暴雨常發(fā)生在每年的5～9月，約占全年降雨的70%，工程項目區(qū)枯水期為11～4月。

1.3 工程地質(zhì)

工程項目區(qū)位于江漢平原西北部，工程渠道段膨脹土主要分布在該平原階地內(nèi)，以沖積和沖洪積傾斜平原為主要特征。地形坡度多為3°～15°，波狀起伏，高程為31.5～38.9 m，局部高程達46.0 m以上[3]。

地質(zhì)資料顯示，該工程均為上更新統(tǒng)地層，第四系松散堆積物，由河流沖積、沖洪積形成。湖泊和河流相互交織影響區(qū)域的地質(zhì)資料顯示，從上部到下部依次為全新統(tǒng)沖積、湖積、沖湖積成因地層，上更新統(tǒng)地層[4]。

根據(jù)工程場區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地層巖性可知，工程場區(qū)為Ⅱ類場地。工程項目區(qū)基本地震動峰值加速度低于0.05 g，基本地震動加速度反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，地震基本烈度為Ⅵ度。

工程項目區(qū)地下水分布主要有3類：淺層土體中的上層滯水；蒸發(fā)型大氣降水；透鏡狀地下水。因部分區(qū)域巖體孔隙和裂隙高度發(fā)育，形成地下水較多。項目區(qū)地下水水位不統(tǒng)一，其隨大氣降水而動態(tài)變化，一年四季變化明顯；部分渠段渠底板膨脹土厚度薄，下臥承壓含水層，承壓水沿膨脹土上升會影響基坑的穩(wěn)定。渠道施工開挖時，有可能產(chǎn)生基坑突涌問題，應(yīng)加強降水、排水措施。由最新地下水化學(xué)成分分析可知，地下水中含碳酸鈣、碳酸鈣鈉。地下水化學(xué)成分對高強度管樁不造成腐蝕。

2 預(yù)應(yīng)力高強度混凝土抗滑管樁特點

根據(jù)類似工程膨脹土邊坡變形處理經(jīng)驗，為增加已變形邊坡的穩(wěn)定性，防止邊坡變形進一步發(fā)展，主要采取的工程技術(shù)加固措施為抗滑樁加固、土釘加固、削坡減載。通過對現(xiàn)場實驗段分析可知，對于渠段中馬道以上邊坡垂直高度大于5 m的渠段，采用預(yù)應(yīng)力高強度抗滑樁加固，施工加固效果好。

預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁主要采用PHC-A400型抗滑管樁。預(yù)制構(gòu)件采用先張預(yù)應(yīng)力離心成型制作工藝，成型后采用180 ℃高溫、10個大氣壓蒸汽養(yǎng)護，每個標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件長10 m，標(biāo)稱直徑300～800 mm，混凝土強度等級C80以上[5]。

預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁單樁樁身混凝土強度大且承載力高，可施打膨脹土土層，施打后周圍土體受到擠壓，讓整樁承載力得以提高。國內(nèi)膨脹土土體加固工程，多數(shù)采用預(yù)應(yīng)力高強度管樁，樁體與土體的側(cè)阻力和端阻力可抵抗上部荷載作用，全風(fēng)化巖體、強風(fēng)化巖體均可作為持力層，支撐上部荷載工作，適應(yīng)性強。

預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁生產(chǎn)和施工過程全部采用機械化，構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)，易操作，質(zhì)量控制簡單，成樁質(zhì)量易于保證。從類似項目的總結(jié)和分析中可知，預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁工程經(jīng)濟，施工全過程速度最快，施工工期最短，社會效益和經(jīng)濟價值最大，工程現(xiàn)場職業(yè)健康安全與環(huán)境管理易達標(biāo)。采用靜壓法施工，無強噪聲，無強震動，施工渠道穿越城市鄉(xiāng)鎮(zhèn)影響小。施工全過程可自動記錄數(shù)據(jù)并監(jiān)測保存，質(zhì)量不受人為因素干擾，能減輕業(yè)主和監(jiān)理的現(xiàn)場工作勞動強度。

3 施工工藝

預(yù)應(yīng)力高強度混凝土抗滑管樁加固渠道采用先造孔再靜壓施工工藝，即壓樁機將預(yù)應(yīng)力高強度混凝土抗滑管樁壓入膨脹土土體中的一種成孔沉樁工藝。施工過程主要包括護坡塊體材料拆除清運、壓樁機行駛至作業(yè)面、測量放線樁號定位、高程軸線復(fù)核、成孔鉆機就位成孔、孔深孔徑測量、數(shù)據(jù)記錄備案、抗滑管樁施打施工、引孔回填平整、現(xiàn)場二次放線[6]。

在正式打樁前，首先由人工將布樁范圍內(nèi)及機械行走作業(yè)施工時會影響到的原預(yù)制砼C20六角塊移除，搬運至堤后放置整齊，再測量放線，定出樁位，引孔施工完畢后，由?？吭诘添?shù)?QY25C汽車吊逐根吊至平臺堆放，然后采用布設(shè)在渠坡馬道上的帶振動錘及鎖口的挖機夾牢樁頭，吊起管樁樁頂插入引孔，用設(shè)備控制管樁的垂直度并施打，逐根逐排完成φ400PHC管樁的施工。

由于管樁布設(shè)在斜坡上，平臺寬度只有2.5 m，因此，應(yīng)采用鋼材制作一個支撐平臺，平臺長5.5 m，寬2.5 m，鋼支撐平臺面與渠坡平臺在一個平面上即可形成5.0 m寬的施工平臺，以便承載鉆機，鋼平臺需要2個并排安放，以便移動。鋼支撐平臺采用角鋼制作，豎向間距500 mm一道上部為10 mm厚鋼板，鋼平臺底部傾斜角度與渠坡相同，需要鋼材1.5 t。

管樁施打完成后，用M25水泥砂漿封閉樁頂，再將樁身上部和周圍用土方回填壓實，最后攤鋪10 cm砂墊層及護坡材料。

4 施工質(zhì)量控制

預(yù)應(yīng)力高強度混凝土抗滑管樁進場時，需進行生產(chǎn)及質(zhì)量驗收檢查,施打前進行樁位軸線、標(biāo)高復(fù)核，確定數(shù)據(jù)精確度，對壓樁機進行安全檢查。預(yù)應(yīng)力高強度混凝土抗滑管樁在正式施打前，各責(zé)任主體到施工現(xiàn)場共同進行試樁施工，確定持力層的強度、貫入度、收錘標(biāo)準(zhǔn)3項施工參數(shù)。

正式施打沉樁前應(yīng)先測量定位，在項目施工區(qū)域設(shè)置水準(zhǔn)測量基準(zhǔn)點2個及控制樁點位3個以上，控制樁點位和水準(zhǔn)測量基準(zhǔn)點應(yīng)不受成樁地層變位影響，軸線控制樁應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，時刻監(jiān)測樁基軸線和標(biāo)高。構(gòu)筑施工平臺，先將馬道處預(yù)制六角塊進行拆除，搬運至堤后放置整齊。在馬道和坡面上構(gòu)筑施工平臺，平臺必須牢固而穩(wěn)定，避免滑動。鉆孔應(yīng)根據(jù)樁基入土深度內(nèi)的土層分布情況及孔深，選擇合適的機具。鉆機安裝位置要牢固，地勢穩(wěn)定，鉆機就位后不得產(chǎn)生局部位移，其所處位置不得地層沉陷。預(yù)應(yīng)力高強度混凝土抗滑管樁樁位、鉆桿與機架三者垂直方向應(yīng)保持同心，偏差不大于設(shè)計值1 cm[6]。

預(yù)應(yīng)力高強度混凝土抗滑管樁吊運和插樁時，混凝土強度必須達到設(shè)計值的100%，否則不得進行運輸和壓樁施工。吊樁過程中應(yīng)避免管樁在重力或其他外力作用下發(fā)生彎曲。當(dāng)預(yù)應(yīng)力高強度混凝土抗滑管樁被吊入夾樁設(shè)備后，樁頂應(yīng)先下降到距離地面10 cm左右，再進行微調(diào)，使樁孔與樁尖對應(yīng)，不得一次性將樁壓入樁孔，應(yīng)先將樁壓入樁孔50～100 cm，再次校核樁身垂直度，微調(diào)使壓樁機將樁尖與樁孔完全對準(zhǔn)，待偏差滿足設(shè)計要求(小于0.5%)時繼續(xù)壓樁。施工中，嚴(yán)禁使用挖機拖拉管樁。壓樁過程應(yīng)連續(xù)施工。當(dāng)液壓表盤讀數(shù)突變時，要立刻停機并進行檢查，根據(jù)地勘報告進行原因分析，判斷地下障礙物情況或造成斷樁的原因[6]。

預(yù)應(yīng)力高強度混凝土抗滑管樁沉樁過程不易過快，應(yīng)按照設(shè)計要求以1 m/min的速度沉樁。當(dāng)沉樁過程中出現(xiàn)壓力值突降，沉降量突然變大，樁身突然跑位和歪斜，壓樁長度未達到設(shè)計長度或樁體混凝土產(chǎn)生裂縫等情況時，應(yīng)立即停止壓樁施工，與設(shè)計方、勘測方、監(jiān)理方技術(shù)人員分析原因并采取針對措施處理，當(dāng)以上現(xiàn)象消失后可繼續(xù)壓樁施工[7]。

壓樁后樁體的質(zhì)量驗收，應(yīng)根據(jù)實驗段試壓樁的試驗結(jié)果確定終壓和驗收標(biāo)準(zhǔn)。樁長、孔深及樁頂與設(shè)計標(biāo)高必須完全吻合，底部不應(yīng)有空孔且不應(yīng)出現(xiàn)實際樁頂高程低于設(shè)計樁頂高程的情況。

5 問題分析及措施

5.1 樁體斷裂

預(yù)應(yīng)力高強度混凝土抗滑管樁產(chǎn)生樁體斷裂的主要原因是：樁在預(yù)制生產(chǎn)時，混凝土強度未達到設(shè)計值，管樁壁厚度不均勻，樁身發(fā)生彎曲變形，樁縱軸線偏離超過規(guī)定值；樁在儲存、移運吊裝中產(chǎn)生微小裂紋或斷裂沒被發(fā)現(xiàn)，管樁施打時發(fā)生較大傾斜或彎曲變形；地質(zhì)土層復(fù)雜，硬軟交替或障礙物堅硬，樁體發(fā)生偏心后受壓，側(cè)擠、變形、斷裂。

預(yù)防樁體斷裂可采取以下措施：嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)驗收，進場施工管樁應(yīng)檢查外徑、壁厚、樁身彎曲度等強制性數(shù)據(jù)，并做好記錄備查，彎曲值超過設(shè)計要求的應(yīng)禁止使用；管樁的儲存堆放、移運吊裝嚴(yán)格按照規(guī)定執(zhí)行；管樁在吊裝入孔時應(yīng)先穩(wěn)樁，確保樁身軸線垂直，與引孔中心線方向完全重合，且管樁壓入施工時不得發(fā)生歪斜；壓樁機施工平臺應(yīng)平整不發(fā)生位移和塌陷，挖機行走或施壓時機身平穩(wěn)不晃動[8]。

5.2 樁頂發(fā)生移位

樁頂發(fā)生移位的原因：預(yù)應(yīng)力高強度混凝土抗滑管樁在沉樁施工過程中，當(dāng)管樁樁尖插入樁孔土體后，樁尖一旦遇到無法穿過的堅硬大塊障礙物，就會發(fā)生偏移傾斜；管樁群中管樁數(shù)量巨大，管樁中心間距很小，地基土體不斷擠壓達到極限密實，從而向上隆起，帶動樁體向上移動浮起；在軟弱土基群樁施工，孔隙水壓力推動樁身傾斜或浮起。

為預(yù)防樁頂發(fā)生移位，可采取以下措施：根據(jù)地勘資料，全部清除地下障礙物，且驗收的樁體彎曲應(yīng)該滿足規(guī)定設(shè)計值，若超出設(shè)計值不得使用；調(diào)運的樁體應(yīng)穩(wěn)樁，垂直度不滿足要求應(yīng)立即糾正；樁體施工過程中不得以堆載或開挖施工的方式擾動基坑。

5.3 沉樁達不到設(shè)計高程

預(yù)應(yīng)力高強度混凝土抗滑管樁采用靜壓施工，最終樁長和最終貫入度為管樁設(shè)計施工的最終控制指標(biāo)，樁長無法達到設(shè)計深度是由于地勘勘測資料不夠詳盡，勘測點位個數(shù)布置不足，未詳細摸清硬夾層、軟夾層及地下障礙物分布情況；施工中設(shè)備出現(xiàn)故障造成的施工無法繼續(xù)，造成沉樁中斷時間過長，沉樁阻力不斷增強，無法將樁體沉到設(shè)計高程；砂夾地層較厚且結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，群樁穿越該地層時強度差異變化較大，砂層越擠越密，造成沉樁無法達到設(shè)計高程。

沉樁無法達到設(shè)計高程可采取以下預(yù)防措施：首先查明項目區(qū)工程地質(zhì)特性，設(shè)計合理持力層或標(biāo)高值，優(yōu)化施工方案及調(diào)整壓樁順序；沉樁全過程應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)施工；施工過程中應(yīng)根據(jù)實際發(fā)生情況不斷提高施工技術(shù)應(yīng)用水平，控制管樁施工質(zhì)量，保證管樁施工安全。

6 建議

高邊坡膨脹土渠段，在渠頂、渠坡均采用水泥改性土換填處理，水泥改性土滲透系數(shù)為10-6～10-7cm/s量級，可在渠頂及渠坡形成一個半封閉的隔水體系，防止大氣降水在渠道邊坡的滲透降低邊坡土體的強度，并減少滲透壓力?？够瑯妒┕み^程中應(yīng)盡量避免破壞水泥改性土防護層，并對已破壞的水泥改性土防護層進行修復(fù)，盡可能避免擾動邊坡土體。施工渠段膨脹土邊坡較高，對邊坡土體的擾動會造成土體強度降低，且在擾動土體中會形成滲水通道，對膨脹土邊坡的穩(wěn)定非常不利，進而造成邊坡變形和破壞。嚴(yán)格控制施工用水，并對施工余水進行有效的疏導(dǎo)、排放，以防止施工用水滲入邊坡。膨脹土遇水膨脹，失水收縮，親水性強，反復(fù)脹縮變形是膨脹土體強度降低的關(guān)鍵因素。坡頂附近的地表水源長期對坡體的滲透是造成邊坡變形的重要因素，施工時應(yīng)將坡頂附近的地表水排干，并采取有效的措施防止地表水、施工用水進入渠坡附近。