预应力高强度管桩在膨胀土高边坡渠段中的应用

李新源

(湖北大禹建设股份有限公司第二工程公司，湖北 武汉 430060)

1 基本资料

1.1 工程概况

在长江荆江河道引水补给汉江流量是一项大型输水工程项目，渠道工程建筑物设计为1级建筑物，干渠工程设计线路长度为67.23 km[1]。引江济汉工程渠道存在以下问题：工程运行后工程管理和保护范围未确权划界，渠道临边的旱田改造为水田种植水稻，使新规划建设的沟渠堰塘形成积水区域，这样的长期积水造成渗透，部分马道高程以上发生渗透变形破坏现象。为实现引江济汉工程范围的渠道安全运行和保障膨胀土渠段渠坡边坡岸坡稳定，采用高强度管桩对引江济汉膨胀土段高边坡渠道工程进行加固[1]。

1.2 水文气象

本工程项目区域气候为典型的亚热带季风性气候，冬冷夏热，四季特征明显，冬天无霜期较长，夏天日照时间较长，全年雨量充沛。根据离项目区最近的水文站整编的资料可知，项目区多年平均降水量为1 009.6 mm，多年平均气温17.1 ℃，历史上极端最高气温、极端最低气温分别为38.9 ℃和-14.5 ℃，多年平均蒸发量为1 093.5 mm[2]。暴雨常发生在每年的5～9月，约占全年降雨的70%，工程项目区枯水期为11～4月。

1.3 工程地质

工程项目区位于江汉平原西北部，工程渠道段膨胀土主要分布在该平原阶地内，以冲积和冲洪积倾斜平原为主要特征。地形坡度多为3°～15°，波状起伏，高程为31.5～38.9 m，局部高程达46.0 m以上[3]。

地质资料显示，该工程均为上更新统地层，第四系松散堆积物，由河流冲积、冲洪积形成。湖泊和河流相互交织影响区域的地质资料显示，从上部到下部依次为全新统冲积、湖积、冲湖积成因地层，上更新统地层[4]。

根据工程场区的地质结构及地层岩性可知，工程场区为Ⅱ类场地。工程项目区基本地震动峰值加速度低于0.05 g，基本地震动加速度反应谱特征周期为0.35 s，地震基本烈度为Ⅵ度。

工程项目区地下水分布主要有3类：浅层土体中的上层滞水；蒸发型大气降水；透镜状地下水。因部分区域岩体孔隙和裂隙高度发育，形成地下水较多。项目区地下水水位不统一，其随大气降水而动态变化，一年四季变化明显；部分渠段渠底板膨胀土厚度薄，下卧承压含水层，承压水沿膨胀土上升会影响基坑的稳定。渠道施工开挖时，有可能产生基坑突涌问题，应加强降水、排水措施。由最新地下水化学成分分析可知，地下水中含碳酸钙、碳酸钙钠。地下水化学成分对高强度管桩不造成腐蚀。

2 预应力高强度混凝土抗滑管桩特点

根据类似工程膨胀土边坡变形处理经验，为增加已变形边坡的稳定性，防止边坡变形进一步发展，主要采取的工程技术加固措施为抗滑桩加固、土钉加固、削坡减载。通过对现场实验段分析可知，对于渠段中马道以上边坡垂直高度大于5 m的渠段，采用预应力高强度抗滑桩加固，施工加固效果好。

预应力高强度混凝土管桩主要采用PHC-A400型抗滑管桩。预制构件采用先张预应力离心成型制作工艺，成型后采用180 ℃高温、10个大气压蒸汽养护，每个标准构件长10 m，标称直径300～800 mm，混凝土强度等级C80以上[5]。

预应力高强度混凝土管桩单桩桩身混凝土强度大且承载力高，可施打膨胀土土层，施打后周围土体受到挤压，让整桩承载力得以提高。国内膨胀土土体加固工程，多数采用预应力高强度管桩，桩体与土体的侧阻力和端阻力可抵抗上部荷载作用，全风化岩体、强风化岩体均可作为持力层，支撑上部荷载工作，适应性强。

预应力高强度混凝土管桩生产和施工过程全部采用机械化，构件标准专业，易操作，质量控制简单，成桩质量易于保证。从类似项目的总结和分析中可知，预应力高强度混凝土管桩工程经济，施工全过程速度最快，施工工期最短，社会效益和经济价值最大，工程现场职业健康安全与环境管理易达标。采用静压法施工，无强噪声，无强震动，施工渠道穿越城市乡镇影响小。施工全过程可自动记录数据并监测保存，质量不受人为因素干扰，能减轻业主和监理的现场工作劳动强度。

3 施工工艺

预应力高强度混凝土抗滑管桩加固渠道采用先造孔再静压施工工艺，即压桩机将预应力高强度混凝土抗滑管桩压入膨胀土土体中的一种成孔沉桩工艺。施工过程主要包括护坡块体材料拆除清运、压桩机行驶至作业面、测量放线桩号定位、高程轴线复核、成孔钻机就位成孔、孔深孔径测量、数据记录备案、抗滑管桩施打施工、引孔回填平整、现场二次放线[6]。

在正式打桩前，首先由人工将布桩范围内及机械行走作业施工时会影响到的原预制砼C20六角块移除，搬运至堤后放置整齐，再测量放线，定出桩位，引孔施工完毕后，由停靠在堤顶的 QY25C汽车吊逐根吊至平台堆放，然后采用布设在渠坡马道上的带振动锤及锁口的挖机夹牢桩头，吊起管桩桩顶插入引孔，用设备控制管桩的垂直度并施打，逐根逐排完成φ400PHC管桩的施工。

由于管桩布设在斜坡上，平台宽度只有2.5 m，因此，应采用钢材制作一个支撑平台，平台长5.5 m，宽2.5 m，钢支撑平台面与渠坡平台在一个平面上即可形成5.0 m宽的施工平台，以便承载钻机，钢平台需要2个并排安放，以便移动。钢支撑平台采用角钢制作，竖向间距500 mm一道上部为10 mm厚钢板，钢平台底部倾斜角度与渠坡相同，需要钢材1.5 t。

管桩施打完成后，用M25水泥砂浆封闭桩顶，再将桩身上部和周围用土方回填压实，最后摊铺10 cm砂垫层及护坡材料。

4 施工质量控制

预应力高强度混凝土抗滑管桩进场时，需进行生产及质量验收检查,施打前进行桩位轴线、标高复核，确定数据精确度，对压桩机进行安全检查。预应力高强度混凝土抗滑管桩在正式施打前，各责任主体到施工现场共同进行试桩施工，确定持力层的强度、贯入度、收锤标准3项施工参数。

正式施打沉桩前应先测量定位，在项目施工区域设置水准测量基准点2个及控制桩点位3个以上，控制桩点位和水准测量基准点应不受成桩地层变位影响，轴线控制桩应按标准设置，时刻监测桩基轴线和标高。构筑施工平台，先将马道处预制六角块进行拆除，搬运至堤后放置整齐。在马道和坡面上构筑施工平台，平台必须牢固而稳定，避免滑动。钻孔应根据桩基入土深度内的土层分布情况及孔深，选择合适的机具。钻机安装位置要牢固，地势稳定，钻机就位后不得产生局部位移，其所处位置不得地层沉陷。预应力高强度混凝土抗滑管桩桩位、钻杆与机架三者垂直方向应保持同心，偏差不大于设计值1 cm[6]。

预应力高强度混凝土抗滑管桩吊运和插桩时，混凝土强度必须达到设计值的100%，否则不得进行运输和压桩施工。吊桩过程中应避免管桩在重力或其他外力作用下发生弯曲。当预应力高强度混凝土抗滑管桩被吊入夹桩设备后，桩顶应先下降到距离地面10 cm左右，再进行微调，使桩孔与桩尖对应，不得一次性将桩压入桩孔，应先将桩压入桩孔50～100 cm，再次校核桩身垂直度，微调使压桩机将桩尖与桩孔完全对准，待偏差满足设计要求(小于0.5%)时继续压桩。施工中，严禁使用挖机拖拉管桩。压桩过程应连续施工。当液压表盘读数突变时，要立刻停机并进行检查，根据地勘报告进行原因分析，判断地下障碍物情况或造成断桩的原因[6]。

预应力高强度混凝土抗滑管桩沉桩过程不易过快，应按照设计要求以1 m/min的速度沉桩。当沉桩过程中出现压力值突降，沉降量突然变大，桩身突然跑位和歪斜，压桩长度未达到设计长度或桩体混凝土产生裂缝等情况时，应立即停止压桩施工，与设计方、勘测方、监理方技术人员分析原因并采取针对措施处理，当以上现象消失后可继续压桩施工[7]。

压桩后桩体的质量验收，应根据实验段试压桩的试验结果确定终压和验收标准。桩长、孔深及桩顶与设计标高必须完全吻合，底部不应有空孔且不应出现实际桩顶高程低于设计桩顶高程的情况。

5 问题分析及措施

5.1 桩体断裂

预应力高强度混凝土抗滑管桩产生桩体断裂的主要原因是：桩在预制生产时，混凝土强度未达到设计值，管桩壁厚度不均匀，桩身发生弯曲变形，桩纵轴线偏离超过规定值；桩在储存、移运吊装中产生微小裂纹或断裂没被发现，管桩施打时发生较大倾斜或弯曲变形；地质土层复杂，硬软交替或障碍物坚硬，桩体发生偏心后受压，侧挤、变形、断裂。

预防桩体断裂可采取以下措施：严格按照标准验收，进场施工管桩应检查外径、壁厚、桩身弯曲度等强制性数据，并做好记录备查，弯曲值超过设计要求的应禁止使用；管桩的储存堆放、移运吊装严格按照规定执行；管桩在吊装入孔时应先稳桩，确保桩身轴线垂直，与引孔中心线方向完全重合，且管桩压入施工时不得发生歪斜；压桩机施工平台应平整不发生位移和塌陷，挖机行走或施压时机身平稳不晃动[8]。

5.2 桩顶发生移位

桩顶发生移位的原因：预应力高强度混凝土抗滑管桩在沉桩施工过程中，当管桩桩尖插入桩孔土体后，桩尖一旦遇到无法穿过的坚硬大块障碍物，就会发生偏移倾斜；管桩群中管桩数量巨大，管桩中心间距很小，地基土体不断挤压达到极限密实，从而向上隆起，带动桩体向上移动浮起；在软弱土基群桩施工，孔隙水压力推动桩身倾斜或浮起。

为预防桩顶发生移位，可采取以下措施：根据地勘资料，全部清除地下障碍物，且验收的桩体弯曲应该满足规定设计值，若超出设计值不得使用；调运的桩体应稳桩，垂直度不满足要求应立即纠正；桩体施工过程中不得以堆载或开挖施工的方式扰动基坑。

5.3 沉桩达不到设计高程

预应力高强度混凝土抗滑管桩采用静压施工，最终桩长和最终贯入度为管桩设计施工的最终控制指标，桩长无法达到设计深度是由于地勘勘测资料不够详尽，勘测点位个数布置不足，未详细摸清硬夹层、软夹层及地下障碍物分布情况；施工中设备出现故障造成的施工无法继续，造成沉桩中断时间过长，沉桩阻力不断增强，无法将桩体沉到设计高程；砂夹地层较厚且结构不稳定，群桩穿越该地层时强度差异变化较大，砂层越挤越密，造成沉桩无法达到设计高程。

沉桩无法达到设计高程可采取以下预防措施：首先查明项目区工程地质特性，设计合理持力层或标高值，优化施工方案及调整压桩顺序；沉桩全过程应严格按照技术标准和规范标准施工；施工过程中应根据实际发生情况不断提高施工技术应用水平，控制管桩施工质量，保证管桩施工安全。

6 建议

高边坡膨胀土渠段，在渠顶、渠坡均采用水泥改性土换填处理，水泥改性土渗透系数为10-6～10-7cm/s量级，可在渠顶及渠坡形成一个半封闭的隔水体系，防止大气降水在渠道边坡的渗透降低边坡土体的强度，并减少渗透压力。抗滑桩施工过程中应尽量避免破坏水泥改性土防护层，并对已破坏的水泥改性土防护层进行修复，尽可能避免扰动边坡土体。施工渠段膨胀土边坡较高，对边坡土体的扰动会造成土体强度降低，且在扰动土体中会形成渗水通道，对膨胀土边坡的稳定非常不利，进而造成边坡变形和破坏。严格控制施工用水，并对施工余水进行有效的疏导、排放，以防止施工用水渗入边坡。膨胀土遇水膨胀，失水收缩，亲水性强，反复胀缩变形是膨胀土体强度降低的关键因素。坡顶附近的地表水源长期对坡体的渗透是造成边坡变形的重要因素，施工时应将坡顶附近的地表水排干，并采取有效的措施防止地表水、施工用水进入渠坡附近。