硬塑膨脹土輸水渠道邊坡設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題

寧 博，王楓林，吳文龍，金 焰，衛(wèi)澤坤

(1.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽水利開發(fā)有限公司，安徽 蚌埠 233010)

1 概述

引江濟(jì)淮工程白石天河口—派河口泵站輸水線路稱為小合分線，全長(zhǎng)20.848km，輸水渠道等級(jí)為1級(jí)，設(shè)計(jì)輸水流量300m3/s，設(shè)計(jì)縱坡坡降為1/11690，設(shè)計(jì)輸水水位6.1～4.1m，除澇水位5.8m，設(shè)計(jì)河底高程0.6～-1.4m。其中，樁號(hào)16+295—樁號(hào)19+855段位于巢湖西南丘崗區(qū)，地面高程一般10～17m，輸水渠道需在高崗地段開挖形成。

在初步設(shè)計(jì)階段，本段輸水渠道斷面采用預(yù)制混凝土U型板樁支護(hù)矩形斷面，初設(shè)批復(fù)要求“正式施工前，須進(jìn)行試樁，進(jìn)一步確定板樁樁型和施工工藝”。鑒于工程地處丘崗區(qū)，土質(zhì)堅(jiān)硬，為確保沉樁滿足批文要求，達(dá)到預(yù)期效果，必須對(duì)樁的結(jié)構(gòu)型式(包括樁型、截面尺寸、樁長(zhǎng)、嵌固深度、樁間距、樁間土的密封方式等)、沉樁機(jī)械、相關(guān)施工工藝等諸多不確定因素進(jìn)行研究，為大規(guī)模施工提供可靠的理論依據(jù)和工藝參數(shù)。

在招標(biāo)施工圖設(shè)計(jì)階段，對(duì)初設(shè)方案進(jìn)行了優(yōu)化，即U型板樁樁型不變，板樁由一排改為兩排，板樁截面尺寸(高度、寬度、壁厚)及河道底寬減小，過水?dāng)嗝嬗梢患?jí)平臺(tái)變?yōu)槎?jí)平臺(tái)。針對(duì)該方案，2018年3月11—19日進(jìn)行了第一階段U型板樁的試驗(yàn)施工，試驗(yàn)結(jié)果表明：因土質(zhì)堅(jiān)硬，每根樁的入土錘擊次數(shù)較多，錘擊力量大，預(yù)制混凝土U型板樁的剛度較小，入土后的樁身缺陷明顯，存在不同程度的縱向和橫向裂縫，不能滿足工程建設(shè)要求，需調(diào)整樁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工工藝。

2018年8月進(jìn)行了第二階段U型板樁的試驗(yàn)施工，試樁時(shí)采取了增加樁體箍筋、將板樁底部刃角改為雙側(cè)、擴(kuò)大引孔、引孔內(nèi)注水、加大錘重等一系列改進(jìn)措施，但仍未能避免樁體開裂。兩階段試樁結(jié)果表明：針對(duì)本工程區(qū)地質(zhì)條件，對(duì)預(yù)制混凝土U型板樁采用錘擊配合圓形小引孔或不引孔的成樁施工工藝難以完全避免板樁裂縫的發(fā)生。

2019年1月進(jìn)行了第三階段試樁。首先針對(duì)U型板樁，進(jìn)行了1次鋼樁模引孔成樁試驗(yàn)，該施工方案雖然能避免樁體開裂，但存在打樁模時(shí)周邊土體隆起、拔樁模時(shí)樁周邊土體松動(dòng)、施工效率低、頂升鋼樁模異常困難等缺點(diǎn)。其次進(jìn)行了3根預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC樁)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示，該樁體能夠在工程區(qū)土層中順利沉樁，且樁體未發(fā)現(xiàn)裂縫，施工工藝簡(jiǎn)單。

鑒于上述試驗(yàn)成果，為了加快推進(jìn)本段輸水線路施工進(jìn)度，在招標(biāo)施工圖優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上，考慮到混合配筋管樁(PRC管樁)在抵抗水平荷載方面有更高的適應(yīng)性，最終將設(shè)計(jì)方案調(diào)整為“內(nèi)、外雙排預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PRC管樁)加掛板連續(xù)墻”方案。

本文針對(duì)預(yù)制混凝土樁在丘崗硬塑膨脹土地區(qū)如何安全有效實(shí)施的問題，首先進(jìn)行三階段成樁試驗(yàn)研究，結(jié)合試驗(yàn)成果，研究確定樁型及成樁施工工藝。其次，驗(yàn)證邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案的合理性。第一，進(jìn)行內(nèi)、外雙排PRC管樁結(jié)構(gòu)分析，基于midas GTS NX的支護(hù)結(jié)構(gòu)-土相互作用的有限元法，對(duì)本段輸水渠道的PRC管樁與邊土體進(jìn)行整體數(shù)值仿真分析，得到管樁變形、內(nèi)力等結(jié)果。第二，進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，采用有限元應(yīng)力分析法和圓弧滑動(dòng)條分法驗(yàn)算邊坡整體滑動(dòng)穩(wěn)定性，采用基于平面桿系結(jié)構(gòu)的彈性支點(diǎn)法驗(yàn)算PRC管樁嵌固穩(wěn)定性。最后，結(jié)合工程區(qū)膨脹土的特點(diǎn)，提出相應(yīng)的膨脹土邊坡治理措施。

2 工程特點(diǎn)分析

2.1 地質(zhì)條件呈明顯制約因素

本段輸水渠道的地質(zhì)條件具有如下特點(diǎn)。第一，輸水渠道總長(zhǎng)3.56km，膨脹土全線分布且主要為⑤層重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土。其中弱膨脹渠段0.905km，占線路總長(zhǎng)度的25.4%，中膨脹渠段2.655km，占線路總長(zhǎng)度的74.6%。第二，膨脹土切深較大，切深10～15m的邊坡總長(zhǎng)2150m，占60.4%，切深超15m的邊坡總長(zhǎng)1410m，占39.6%。第三，場(chǎng)地地貌為高坡崗地，土質(zhì)呈硬可塑-硬塑狀，屬中等偏低壓縮性土。第四，巖土體富水性能差，在黏性土表層大氣影響帶中存在上層滯水，在基巖裂隙風(fēng)化帶中存在少量裂隙水。

設(shè)計(jì)過程中首要解決的問題是選擇樁型。對(duì)于預(yù)制混凝土樁，無(wú)論是U型板樁還是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，工程區(qū)特有的地質(zhì)條件是選擇樁型的制約因素。原單排預(yù)制混凝土U型板樁墻方案存在較大的沉樁難度；預(yù)應(yīng)力混凝土管樁不宜穿透較厚堅(jiān)硬土層[1]，且用于支護(hù)結(jié)構(gòu)，較大深度的膨脹土挖深產(chǎn)生的水平荷載較大，是否會(huì)造成管樁難以預(yù)料的脆性破壞未知。

2.2 膨脹土邊坡治理的復(fù)雜性

膨脹土屬于典型的非飽和土，膨脹土邊坡穩(wěn)定問題由于非飽和膨脹土問題的復(fù)雜性，且膨脹土邊坡失穩(wěn)常會(huì)造成重大損失，一直是工程界研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問題，治理措施也是種類繁多[2-4]。因此，如何結(jié)合本工程區(qū)的膨脹土特性，提出經(jīng)濟(jì)合理的膨脹土邊坡治理措施是設(shè)計(jì)需解決的問題。

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)的特殊性

本段輸水渠道邊坡中的支護(hù)樁結(jié)構(gòu)，與建筑基坑工程中的支護(hù)樁結(jié)構(gòu)功能類似，但又具有特殊性。第一，不同于一般的建筑基坑，本段輸水渠道開挖形成的高邊坡由于線路較長(zhǎng)，縱向尺寸遠(yuǎn)大于橫向尺寸，支護(hù)條件更接近于平面應(yīng)變情況。第二，雖然高邊坡處于較空曠區(qū)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形對(duì)地下周邊的建(構(gòu))筑物產(chǎn)生的不良影響較小，但是輸水渠道支護(hù)結(jié)構(gòu)屬于永久結(jié)構(gòu)，而非臨時(shí)支護(hù)措施。第三，本段輸水渠道采用內(nèi)、外雙排管樁的形式來保證渠道斷面的結(jié)構(gòu)安全，屬于較為特殊的坑中坑[5-7]問題，由于坑中坑對(duì)基坑性狀的影響規(guī)律較復(fù)雜，計(jì)算理論尚需完善。

綜上所述，除樁型選擇以外，本段輸水渠道邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)不僅需要考慮膨脹土邊坡的穩(wěn)定性，還要對(duì)坑中坑這類特殊支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。

3 成樁試驗(yàn)研究

3.1 第一階段試樁

針對(duì)招標(biāo)施工圖階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在小合分線樁號(hào)18+100處進(jìn)行了6根U型板樁試驗(yàn)，6根樁聯(lián)排布置，試樁施工平面示意圖如圖1所示。樁身材料為C60預(yù)應(yīng)力混凝土，截面規(guī)格為1200mm×800mm×160mm，樁長(zhǎng)11.5m。樁身穿越土層主要為⑤層重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土，該層土平均黏粒含量30.1%，硬可塑-硬塑，標(biāo)貫擊數(shù)7～31擊，具弱膨脹性。施工采用8.3t的液壓振動(dòng)錘施打，單根樁最大錘擊數(shù)達(dá)800余擊，打樁前機(jī)械引孔，引孔直徑450mm，位于U型板樁后部凹槽內(nèi)。

圖1 第一階段試樁施工平面示意圖

根據(jù)原位結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證檢測(cè)，6根U型板樁中除1根未見明顯裂縫外，其余5根均有不同程度的裂縫分布，且有脫榫現(xiàn)象，判定2根為Ⅲ類樁，4根為Ⅱ-Ⅲ類樁。因此，采用振動(dòng)錘擊方式打樁困難，形成的樁墻缺陷明顯，不能滿足工程建設(shè)要求，若樁型不變，需要調(diào)整樁體工藝設(shè)計(jì)及施工工藝，通過試驗(yàn)驗(yàn)證后確定，如圖1所示。

3.2 第二階段試樁

針對(duì)第一階段試樁出現(xiàn)的問題，為盡可能避免樁體出現(xiàn)縱向裂縫，必須設(shè)法加強(qiáng)樁體抗裂性能，同時(shí)要減少沉樁錘擊數(shù)，因此改進(jìn)方案從U型板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及配筋、施工工藝兩個(gè)方面做了調(diào)整和優(yōu)化。

3.2.1 板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及配筋優(yōu)化

(1)原設(shè)計(jì)板樁底部刃角為單側(cè)，長(zhǎng)0.6m，寬0.15m，角度為14°。根據(jù)樁體內(nèi)力計(jì)算成果，樁體下部彎矩較小，因此，為加快沉樁速度，減少錘擊數(shù)，將板樁底部刃角改為雙側(cè)，長(zhǎng)1.0m，寬0.458m，角度為25°。刃角優(yōu)化如圖2所示。

圖2 U型板樁底部刃角優(yōu)化

(2)原設(shè)計(jì)板樁樁頂箍筋加密段長(zhǎng)0.6m，箍筋為φ8，間距50mm，其它段箍筋間距100～200mm。為提高板樁懸臂段的抗裂性能，將樁身箍筋加密段范圍調(diào)整為樁頂至懸臂段以下0.5m處，其中內(nèi)側(cè)樁(樁長(zhǎng)8.0m)加密段長(zhǎng)3.0m，外側(cè)樁(樁長(zhǎng)11.5m)加密段長(zhǎng)4.0m，箍筋仍采用φ8，間距50mm。

3.2.2 板樁施工工藝優(yōu)化

原U型板樁試樁施工時(shí)引孔位置在板樁臨土側(cè)凹槽處，引孔直徑為450mm，引孔面積占樁體截面積的46.3%。本階段引孔在每根板樁凹槽處布置1個(gè)引孔，引孔邊界不超出板樁臨水面邊緣，孔徑為φ550mm，引孔深度深入樁底以下2.0m，沉樁前向引孔內(nèi)注水，引孔面積占樁體截面積的69.2%。沉樁引孔位置優(yōu)化如圖3所示。

圖3 U型板樁沉樁引孔位置優(yōu)化

3.2.3 第二階段試樁結(jié)果

針對(duì)上述改進(jìn)方案，在小合分線樁號(hào)18+220處又進(jìn)行了8根U型板樁試驗(yàn)，其中5根長(zhǎng)11.5m，3根長(zhǎng)8m。同時(shí)，加大沉樁柴油錘錘重至10.5t，樁身涂抹潤(rùn)滑劑以減少摩阻力。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，沉樁錘擊數(shù)相對(duì)第一階段有所減少，但8根U型板樁仍產(chǎn)生不同程度的縱向裂縫和斜向裂縫，且裂縫主要發(fā)生在箍筋加密區(qū)以下。因此，對(duì)U型板樁采用錘擊配合圓形小引孔或不引孔的成樁施工工藝，針對(duì)本工程區(qū)地質(zhì)條件難以完全避免板樁裂縫的發(fā)生。

3.3 第三階段試樁

針對(duì)預(yù)制混凝土樁如何安全有效實(shí)施的問題，在小合分線樁號(hào)19+600處又進(jìn)行了3根預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC管樁)和1次U型板樁鋼樁模引孔成樁試驗(yàn)。

U型板樁鋼樁模引孔成樁試驗(yàn)，采用特制的截面尺寸略小于U型板樁的鋼樁模引孔，通過千斤頂拔出鋼樁模后再將U型板樁錘擊至設(shè)計(jì)高程。該施工方案雖然能避免樁體開裂，但存在打樁模時(shí)周邊土體隆起、拔樁模時(shí)樁周邊土體松動(dòng)、施工效率低、頂升鋼樁模異常困難等缺點(diǎn)。PHC管樁試驗(yàn)結(jié)果顯示，樁體能夠在工程區(qū)土層中順利沉樁，施工工藝簡(jiǎn)單，且樁體未發(fā)現(xiàn)裂縫。

3.4 樁型的確定及施工工藝優(yōu)化

3.4.1 樁型的確定

結(jié)合第三階段試樁試驗(yàn)結(jié)果，選用的PHC管樁雖然可以順利沉樁，但根據(jù)JGJ/T 406—2017《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第7.1.4條[8]，考慮到本段輸水渠道所選支護(hù)管樁主要承受水平荷載，且樁周中-弱膨脹土土體膨脹力可能對(duì)樁體結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生不利影響，為避免樁體發(fā)生脆性破壞，故設(shè)計(jì)最終選用與試驗(yàn)樁型號(hào)相同，但水平承載性能更高的PRC管樁。

3.4.2 PRC管樁施工工藝優(yōu)化

(1)引孔直徑和孔深以不引起樁體周邊土體隆起為原則。引孔直徑0.55m，內(nèi)側(cè)8.0m長(zhǎng)管樁引孔深為6.0m，外側(cè)11.5m長(zhǎng)管樁引孔深9.0m。引孔宜采用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)引孔，垂直偏差不宜大于0.5%。引孔作業(yè)和沉樁作業(yè)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，間隔時(shí)間不宜大于12h。

(2)管頂封孔鋼板改為填芯混凝土，深0.5m。

(3)樁體間的掛板后利用水泥黏土漿加以充填。

4 內(nèi)、外雙排PRC管樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

成樁試驗(yàn)確定樁型之后，輸水渠道邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案調(diào)整為“內(nèi)、外雙排預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PRC管樁)加掛板連續(xù)墻”方案，需進(jìn)一步對(duì)該方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

4.1 輸水渠道斷面結(jié)構(gòu)布置

渠道設(shè)計(jì)底寬為48m，渠底高程-1.01～-1.32m，兩岸直立式管樁墻分成兩級(jí)平臺(tái)布置，平臺(tái)寬均為5.0m，前階平臺(tái)頂高程1.49～1.18m，懸臂段高2.5m；后階平臺(tái)頂高程4.7m，兼作親水平臺(tái)，懸臂段高3.21～3.52m。高程4.7m平臺(tái)以上每6.0m設(shè)一2.0m寬平臺(tái)，平臺(tái)上、下邊坡均為1∶3。渠道坡頂開口兩側(cè)各征地寬度13.0m，依次布置隔離帶、6.0m寬管護(hù)道路、綠化帶等。

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁采用PRCⅠ800(130)-C型混合配筋管樁，其主筋配筋形式為預(yù)應(yīng)力鋼棒(24 B 12.6mm)和普通鋼筋(24C 12)組合布置、配筋率為2.09%。樁身混凝土等級(jí)為C80，直徑0.8m，壁厚0.13m，樁身橫截面面積為0.274m2。管樁中心距為1.2m，其中，內(nèi)側(cè)樁長(zhǎng)8.0m，外側(cè)樁長(zhǎng)11.5m，樁頂設(shè)C30鋼筋混凝土框冠梁，梁高0.4m，寬1.0m。懸臂段底部設(shè)置C25混凝土護(hù)底，厚0.2m。臨水側(cè)設(shè)0.2m厚C30預(yù)制鋼筋混凝土掛板，頂部澆入樁頂冠梁中，為防止樁間土流失，掛板臨土側(cè)外包土工布(500g/m2)。最終設(shè)計(jì)方案的標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖4所示。

圖4 PRC管樁加掛板墻標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

4.2 設(shè)計(jì)允許值

4.2.1 邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

小合分線輸水渠道等級(jí)為1級(jí)，根據(jù)SL 386—2007《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.4.2條[9]，渠道邊坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表1。

表1 輸水渠道邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

4.2.2 嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)

根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》第4.2.1條[10]，安全等級(jí)為一級(jí)的懸臂式支擋結(jié)構(gòu)，系數(shù)取值1.25。

4.2.3 管樁樁頂水平位移

由于PRC管樁的樁頂水平位移大小受基坑開挖深度、支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度、支護(hù)形式、土的性質(zhì)等因素影響，區(qū)域經(jīng)驗(yàn)比較重要，因此，JGJ 120—2012中沒有給出明確的限值，本次計(jì)算參考北京、上海、深圳、湖北等不同地區(qū)給出的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，在0.002h、0.0018h、0.0025h、30mm中取均值(h為基坑深度，mm)，即取36mm作為PRC管樁樁頂水平位移的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。

4.3 PRC管樁結(jié)構(gòu)分析

4.3.1 計(jì)算方法

基于midas GTS NX的結(jié)構(gòu)-土相互作用有限元法已應(yīng)用于很多水工建筑物的結(jié)構(gòu)分析計(jì)算[11-13]。因有限元計(jì)算流程類似，采用該方法對(duì)PRC管樁與邊坡土體進(jìn)行整體分析。

4.3.2 有限元數(shù)值模型的建立

(1)基本假定

①膨脹土層為均質(zhì)、各向同性的彈塑性體，采用修正摩爾庫(kù)倫模型，邊坡表層換填水泥土采用摩爾庫(kù)倫模型；②管樁結(jié)構(gòu)、樁頂冠梁等為線彈性材料，同時(shí)不考慮樁間掛板與護(hù)底的作用；③考慮管樁與周圍土體之間的相對(duì)位移，設(shè)置了界面單元；④考慮施工過程對(duì)管樁結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力的影響，但是簡(jiǎn)化渠道邊坡的開挖與邊坡表土換填過程，同時(shí)不考慮沉樁過程；⑤針對(duì)完建情況、設(shè)計(jì)輸水情況進(jìn)行計(jì)算，考慮地下水位的影響。

(2)建立網(wǎng)格模型

整體幾何模型的尺寸為117m×45m(x，y)，基坑深度18m，x軸為垂直水流方向，正方向指向渠道岸坡，y軸為豎直方向，負(fù)方向?yàn)橹亓Ψ较?，坐?biāo)原點(diǎn)取渠道中心線與左邊界的交點(diǎn)。PRC管樁采用一維梁?jiǎn)卧M；冠梁、膨脹土層均采用二維平面應(yīng)變單元，以四邊形為主，輔以少量的三角形單元。劃分網(wǎng)格后的模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)約2.1萬(wàn)，單元總數(shù)約2.3萬(wàn)。PRC管樁-土整體網(wǎng)格模型如圖5所示。

圖5 PRC管樁-土整體網(wǎng)格模型

(3)主要材料參數(shù)

PRC管樁、冠梁等結(jié)構(gòu)材料計(jì)算參數(shù)見表2，土體材料主要計(jì)算參數(shù)見表3。

表2 結(jié)構(gòu)材料計(jì)算參數(shù)

表3 土體材料主要計(jì)算參數(shù)

(4)施加邊界條件與荷載

邊界條件設(shè)置如下：①邊界位移約束：位于地基底面的TX、TY向約束，位于左、右側(cè)面的TX向約束。②樁底位移約束：位于內(nèi)、外兩排PRC樁底部的TX、TY向約束。③改變屬性邊界條件：用于應(yīng)對(duì)膨脹土層在開挖換填、冠梁修筑階段中其材料屬性發(fā)生的改變。④滑動(dòng)面邊界：用于搜索虛擬圓弧滑動(dòng)面。

施加的荷載如下：自重、水壓力荷載、親水平臺(tái)活荷載(取值5kPa)和坡頂活荷載(取值20kPa)。水壓力荷載通過定義整體水位施加，兩種活荷載以均布?jí)毫奢d的型式施加。

(5)設(shè)置施工階段

施工階段是對(duì)施工過程的近似模擬，具體設(shè)置如下：①初始地應(yīng)力分析；②開挖-1：開挖膨脹土層至10.7m高程；③開挖-2：開挖膨脹土層至4.7m高程；④施工外側(cè)PRC樁及冠梁；⑤開挖-3：開挖膨脹土層至1.2m高程；⑥施工內(nèi)側(cè)PRC樁及冠梁；⑦開挖-4+邊坡水泥土換填：開挖膨脹土層至-1.3m高程，同時(shí)換填邊坡表層水泥土，完建情況至此結(jié)束；⑧通水：通過定義整體水位施加水荷載以模擬設(shè)計(jì)輸水情況。

4.3.3 計(jì)算結(jié)果

設(shè)計(jì)輸水情況下PRC樁-邊坡的整體變形、兩排PRC管樁的內(nèi)力云圖如圖6—7所示。PRC管樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在完建情況、設(shè)計(jì)輸水情況下的主要計(jì)算結(jié)果詳見表4。

表4 PRC管樁結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力計(jì)算成果表

圖6 PRC樁-邊坡的整體變形云圖(設(shè)計(jì)輸水)

圖7 內(nèi)、外兩排PRC管樁內(nèi)力圖(設(shè)計(jì)輸水)

計(jì)算結(jié)果顯示：①兩種計(jì)算工況下得到的PRC管樁樁頂水平位移均不大于設(shè)計(jì)允許值，輸水渠道邊坡內(nèi)、外兩排PRC樁結(jié)構(gòu)變形滿足設(shè)計(jì)要求。②兩種計(jì)算工況下得到的支護(hù)樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力值不大于PRCⅠ800(130)-C型管樁抗彎、抗剪等性能參數(shù)，輸水渠道邊坡內(nèi)、外兩排PRC管樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 穩(wěn)定性驗(yàn)算

4.4.1 計(jì)算方法

(1)邊坡整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

首先，采用midas GTS NX的有限元應(yīng)力分析法[14]，該法以極限平衡法的虛擬滑移面和應(yīng)力分析結(jié)果為基礎(chǔ)，通過計(jì)算多個(gè)假定滑移面的安全系數(shù)，計(jì)算出最小的安全系數(shù)和對(duì)應(yīng)的臨界段。其次，采用圓弧滑動(dòng)條分法輔以復(fù)核。

(2)嵌固穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用基于平面桿系的結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法驗(yàn)算PRC管樁嵌固穩(wěn)定性。

4.4.2 計(jì)算結(jié)果

穩(wěn)定性驗(yàn)算安全系數(shù)計(jì)算成果見表5。計(jì)算結(jié)果顯示：①兩種計(jì)算工況下得到的邊坡整體滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)、嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)均大于設(shè)計(jì)允許值；②兩種不同計(jì)算方法得到的邊坡整體滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)基本一致。因此，輸水渠道邊坡的穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 穩(wěn)定性驗(yàn)算安全系數(shù)計(jì)算成果表

5 膨脹土邊坡處理措施研究

5.1 工程區(qū)膨脹土的特點(diǎn)

5.1.1膨脹土的礦物成分

膨脹土的膨縮性主要取決于蒙脫石的含量，蒙脫石是膨脹土具有特殊性質(zhì)的主要物質(zhì)[2]。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)分析結(jié)果[15]，工程區(qū)膨脹土的礦物組成中，蒙脫石和伊利石含量合計(jì)為31%。

5.1.2 膨脹性分布特點(diǎn)

丘崗段輸水線路全長(zhǎng)3.56km，膨脹土全線分布，其中弱膨脹渠段0.905km，占線路總長(zhǎng)度的25.4%，中膨脹渠段2.655km，占線路總長(zhǎng)度的74.6%。根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)[15]，本段弱膨脹土的膨脹力平均為15.37kPa；中膨脹土垂直方向膨脹力平均為71.89kPa，水平方向膨脹力平均為59.82kPa，垂直向膨脹力略大于水平向膨脹力。

5.1.3 膨脹土的豎向分帶及裂隙發(fā)育特點(diǎn)

工程區(qū)膨脹土在深度方向上分為“大氣影響帶”和“非影響帶”。所在區(qū)域大氣影響深度3.2～3.4m，大氣影響急劇層深度1.4～1.5m?！按髿庥绊憥А眱?nèi)脹縮裂隙發(fā)育，“非影響帶”內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有原生長(zhǎng)大裂隙的存在。

5.2 膨脹土邊坡處理措施

以盡量減少邊坡內(nèi)土體的干濕交替作用為主要原則，采取邊坡表土改性，并輔以必要的排水、導(dǎo)水措施。布置措施具體如下：

(1)4.7m平臺(tái)及以上坡面均采用水泥改性土(4%)換填，其中弱膨脹土段垂直坡面換填厚1.0m，中膨脹土段垂直坡面換填厚1.5m，換填后坡面鋪設(shè)土工布(500g/m2)一層。

(2)坡面采用C25鉸接式預(yù)制塊生態(tài)磚護(hù)坡，厚0.12m，下設(shè)0.1m厚碎石墊層。在護(hù)坡表面設(shè)置橫向排水溝，間距20m布置，4.7m及10.7m平臺(tái)處設(shè)置縱向排水溝。

(3)4.7m平臺(tái)以上膨脹土出露坡面設(shè)置Y型排水盲溝，內(nèi)設(shè)直徑150mm高強(qiáng)內(nèi)支撐塑料盲管，外包土工布(200g/m2)，盲溝內(nèi)回填中粗砂。采用直徑90mmPVC排水管分段將盲溝內(nèi)水體排入平臺(tái)縱向排水溝內(nèi)。

(4)坡口線外10m范圍換填1.0m厚4%水泥改性土，防止坡頂水體滲入坡面

6 結(jié)語(yǔ)

(1)引江濟(jì)淮小合分線工程樁號(hào)16+295—樁號(hào)19+855段輸水渠道地處丘崗硬塑膨脹土地區(qū)，成樁試驗(yàn)結(jié)果表明：PRC管樁能夠在工程區(qū)土層中順利沉樁，施工工藝簡(jiǎn)單，且樁體未發(fā)現(xiàn)裂縫；而對(duì)預(yù)制混凝土U型板樁采用錘擊配合圓形小引孔或不引孔的成樁施工工藝，針對(duì)本工程區(qū)地質(zhì)條件難以完全避免板樁裂縫的發(fā)生。

(2)針對(duì)本段輸水渠道邊坡安全提出的“內(nèi)、外雙排預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PRC管樁)加掛板連續(xù)墻”支護(hù)方案合理可行。首先，基于midas GTS NX的支護(hù)結(jié)構(gòu)-土相互作用的有限元法得到的PRC管樁變形、內(nèi)力結(jié)果、邊坡整體滑動(dòng)穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求；其次，采用基于平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法得到的PRC管樁嵌固穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)本工程的成功實(shí)施為開挖深度大于10m的膨脹土邊坡工程提供了寶貴的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于膨脹土地區(qū)河湖治理、河道工程中的邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)，具有良好的借鑒意義。