抗滑桩支挡膨胀土边坡处治与施工工艺分析

陈跃文，谭智勇，张荣

（1.昭通市大永高速公路建设指挥部，云南 昭通657305；2.中交公路规划设计院有限公司，北京100088；3.昭通市高速公路投资发展有限责任公司，云南 昭通657000）

1 引言

高速公路路堑开挖设计图都会强调施工过程要边开挖边防护，而施工组织时，为了实现流水作业，开挖工序和边坡防护工序往往由不同的施工队伍完成，很多时候会出现一次性边坡开挖完成后再防护的情况。由于地质条件各异，不一定会发生边坡垮塌，所以，一些施工企业弱化了对这条规定的重要性和必要性的认识，成为违规边坡施工的常见病和多发病。

现以某高速公路养护工区土质边坡开挖过程中局部垮塌及防护变更为研究对象，通过对养护工区开挖现场土质、水文条件调查、查看地勘及变更前后设计资料分析，分析垮塌机理及设计、施工中应注意的事项，为类似抗滑桩支挡边坡工程设计、施工、监理加强边坡垮塌防范提供启示，同时，为制订施工方案时提供参考[1]。

2 边坡概况

2.1 边坡设计概况

该段边坡属于构造溶蚀侵蚀低山地貌底部斜坡地段，现状地形相对平缓，分布高程752～788.9 m，相对高差约37 m，横向地形坡度一般为5°～10°，纵向地形坡度一般为10°～25°，局部为耕地堡坎。根据工程地质调绘及钻孔揭示资料，边坡区在勘探深度范围内地层主要为：红黏土（Q4el+dl），碎石土（Q4el+dl）；中风化灰岩（O2b+s）。根据区内地层岩性组合及地下水赋存条件，区内地下水类型可分为第四系松散岩类孔隙潜水、碳酸盐岩溶水两大类，地层含水性、富水性均较好。红黏土有弱膨胀性，稳定性差。

2.1.1 各级边坡坡率计算

各级边坡坡率计算结果为：（1）一级：坡高8 m，坡率为1∶1；二级；坡高8 m，坡率为1∶1.00；三级：坡高不等，坡率为1∶1.25；（2）一级平台宽5 m，二级平台宽2 m。（3）碎落台宽度为1.25 m。

2.1.2 边坡加固防护措施设计

边坡加固防护措施具体为：（1）如图1所示，一级边坡采用3排锚杆框格梁+复合网防护；（2）一级平台采用一排尺寸为2.5 m的方形抗滑桩加固，抗滑桩间距为5 m（中对中），桩头增设锚索2排6束锚索；（3）二级、三级边坡：采用3排预应力框架锚索加固，格梁内采用复合网防护。

2.1.3 排水设计

边坡排水设计具体内容为：（1）每级边坡平台上按大样图要求均设置平台截水沟；（2）堑顶部开口线5 m外设置堑顶截水沟；（3）各级边坡平台大里程端设引流槽连通平台截水沟与堑顶截水沟，排除坡面汇水；（4）一级边坡坡脚设置边沟；（5）分别在第一、二级边坡坡脚段设置一排疏干孔，孔径130 mm，间距10 m，孔深15 m；（6）在坡面上每20.8 m增设1道急流槽，用以排除坡面及平台汇水。

2.2 施工情况

边坡设计里程为JK0+050～JK0+290，施工单位开挖养护工区JK0+050～JK0+095段二级边坡时，发生坍塌；开挖JK0+095～LK0+271段二级边坡时，边坡已出现多条裂缝，且边坡外侧也已出现裂缝。停止开挖15 d后，发现滑坡发育较快，坡面裂缝明显，坡面沿土层交界面剪出，部分路段坡脚已反翘，坡面及坡脚渗水量大，边坡后缘最远裂缝已牵引至距开挖线约75 m处，后缘裂缝已贯通，最大裂缝宽度已达30~40 cm，可见裂缝深度达3～4 m[2]。

3 垮塌原因分析

边坡开挖后坡面稍湿，部分坡面渗水，现场调查时坡脚处有积水。该段顺向坡主要为灰岩岩层倾向与斜坡倾向一致，基岩面坡度一般5°～15°，局部地段可达31°，层间结合较差，表层覆盖碎石土，结构松散~稍密，钻孔揭露显示约20～25 m，雨季受雨水冲刷易滑落，局部段落有红黏土，有弱膨胀性，稳定性差。该路堑为高边坡，由于开挖方量较大，坡体开挖后地应力调整大，易形成较大的松弛区，从而导致边坡的稳定性降低。若防护不及时或支挡不到位，易沿着倾向临空面的不利结构面组合产生滑塌。

由于堑顶是村民耕地，村民开挖了1个灌溉用的水池，不断向边坡渗水。综合边坡坍塌变形情况及红黏土弱膨胀性的特点分析，雨水渗入坡体及坡顶水池渗水共同加剧了膨胀土特性突显。膨胀土有3大特性,分别是：裂隙性、遇水膨胀性和超固结性。裂隙性指膨胀土失水开裂，裂缝加剧了雨水渗入土体的可能性，遇水膨胀性特点与其名称相符，容易理解；按压缩性土有欠固结土、固结土、超固结土，土的压缩性依次降低，代表了土能否再压缩变形的状态。膨胀土具有超固结性，在条件适合时可能膨胀变形，因此，膨胀土又被形象地称为“橡皮土”，膨胀土边坡再开挖后由于外侧土体移除，导致上部荷载和侧向约束力减小，膨胀土释放水平及向上的超固结应力，坡脚处土体剪出破坏，因此，上层土体支撑力不足，连锁反应下，土体平衡被破坏，导致坍塌。如果上层土体做到了施工时边开挖边防护，增加了锚杆与锚索来承担部分上层土体的支撑力，超固结应力释放带来的边坡垮塌的风险就会大大减小。

另外，第二台边坡脚正好是抗滑桩桩顶位置，如果抗滑桩已经施工，坡脚土体被挤出反翘的作用力就会由抗滑桩来承担和平衡，边坡变形的情况就会减弱或不出现。

基于以上原因，治水保湿、边开挖边防护、平衡膨胀土的超固结应力是该边坡处治的重点[3]。

4 处理措施

该边坡工程的处理措施为：

1）为防止滑坡继续发展，现状开挖平台向上填土反压，反压土体宽6 m，高6 m。

2）尽快施工疏干孔，排出坡体积水。雨季应用彩条布对裂缝进行遮盖。

3）降低变坡坡率：一二台边坡由1∶1降为1∶1.25，顶层边坡由1∶1.25降为1∶1.5，加宽碎落台宽度。

4）调整加强防护措施为：一级平台抗滑桩+二级平台钢花管桩+坡面钢锚管格梁。（1）反压填土顶面设置1排2 m×2.5 m抗滑桩（桩顶距一级平台5 m）。一级平台以上设置5 m高桩板墙，一级平台以上边坡防护施工完成后，清除反压土体，并开挖一级边坡。（2）三级平台设置5排钢花管桩+桩头锚索。（3）如图2所示，一级～三级坡分别设置3排钢锚管格梁防护。

图2 处治设计典型断面

边坡采用分段逆作法施工，开挖段落长度≤25 m，钢锚管格梁及抗滑桩施工完再开挖下一段；边坡开挖一格框架梁高度施工完成后再开挖下一格。严禁大开大挖后集中施工防护工程。

放缓边坡有利于减小边坡脚的荷载负担。通过坡脚反压，平衡原边坡土体挖出后的超固结水平推力及向上的剪应力，及时施工疏干孔有利于排出水分，增强坡脚土体的承载力。抗滑桩、钢花管桩+桩头锚索提升了边坡的承载力，分担了传递到坡脚土的压力，从“去头、固脚、强腰”3个方面来保证边坡的稳定[4]。

5 实施效果

按照调整的设计方案实施后，经过1个雨季的边坡监测，边坡处于稳定状态，说明调整的设计处治方案效果明显。

6 结语

从该边坡的施工和处治过程，总结出以下结论：

1）土质边坡边开挖边防护、逆作法施工的重要性和必要性；

2）在设计有抗滑桩支挡防护的边坡开挖中，先支挡后开挖、分段开挖、跳槽开挖能逐步进行土体和结构物的受力体系转换，对防范施工过程中的边坡变形及垮塌具有较大的作用；

3）膨胀土及类膨胀土边坡开挖方案制定时随时保持土体受力平衡和干湿平衡，重视膨胀土的超固结水平推力作用是需重点关注的问题。

设计时，要根据水文地质及周边人的生产活动情况考虑边坡足够的安全系数，同时设计技术交底要交代清楚关键的施工注意事项和重要性，引起施工、监理人员足够的重视。建成后能安全运营的工程设计如果施工工序、工艺不合理，往往在施工过程中受力体系转换时不能保持稳定而出现质量安全事故。