河道坡岸加固应用复芯劲性复合桩技术研究_蔡田余.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 105河道坡岸加固应用复芯劲性复合桩技术研究蔡田余(龙勋建设集团有限公司，江西 贵溪 335400)摘要将复芯劲性复合桩用于河道坡岸加固，可大幅度降低发生桩体剪切毁坏的可能性。案例所在的小流域河道坡岸加固工程应用该技术后取得了良好的工程治理效果。文章基于工程实践，梳理介绍了复芯劲性复合桩施工工艺，包括施工流程、布桩方案、回填进度等内容;以及现场施工质量监测技术，包括护岸顶部竖向移位与墙后回填沉降监测、深层水平移位监测、桩顶和桩间土压监测等具体内容，对同类河道坡岸治理工程应用有技术参考意义。关键词河道坡岸;加固治理;复芯劲性复合桩;施工工艺;质量监测中图分类号TV853文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0306 04收稿日期2022 08 04作者简介蔡田余(1978 )，男，江西鹰潭人，工程师，主要从事水利工程设计与施工管理方面工作。0引言基桩加固河道坡岸，其桩土结合的稳定性是保证工程质量和未来安全运行的重要技术指标。以水泥搅拌桩作为外芯，插入混凝土预制高强度管桩作为内芯，所形成的复芯劲性复合桩，兼具两种桩型的性能优点，又因为两种桩型系统的复合加力，使新桩型拥有更加优异的桩土力学功效。河道坡岸加固，应用复芯劲性复合桩技术，坡岸下发生桩体剪切毁坏的可能性大幅度降低。案例小流域河道坡岸加固工程，应用复芯劲性复合桩技术，出于保证工程质量的需要，在严格执行施工工艺的同时，还注意强化现场施工质量监测，为工程顺利完工提供了坚实技术保障。这里基于工程实践，梳理介绍该技术，以为同类河道坡岸治理工程应用提供研究和技术参考。1工程概况某小流域河道坡岸加固工程里程 19 089 km，IV 类治理标准。区域广泛分布软粘土质，厚度 10 m，含水量高、易受压形变、抗剪强度低、不利于施工。为确保坡岸加固质量，避免施工后降沉，工程对软土坡岸实施复芯劲性复合桩加固技术，即以 PTC 管桩作为芯桩，直径 30 cm，壁厚 5 5 cm，外芯为水泥搅拌桩，直径 70 cm。复合桩长 8 m，桩距 1 70 2 00m，从内到外(东到西)编码为 1 4#。治理工程包括地基治理、C25 混凝土护岸、挖方、边坡筑填等环节。本研究分别选取 40K+875 40K+885、40K+855 40K+865、40K+795 40K+805、40K+775 40K+785 等四个工段开展跟踪监控研究。四个工段相距较近，各工段的建筑布局和设施保持完全相同，只是挖方、护岸混凝土浇注以及护岸施工后填回工期略有不同。四个工段护岸布置在南北向同一条直线，因此检测成果可互相比较。检测日期从护岸底部的测斜管埋设开始，数据记录历时 18 个月。2施工工艺2 1施工流程复芯劲性复合桩的施工操作流程见图 1 所示。图 1复芯劲性复合桩作业流程概念图(1)预先制备钢筋砼预制桩;(2)水泥搅拌桩作业施工。应用 4 搅 2 喷技术，严格按设计标准控制钻杆提升和下沉速率，以充分破碎原土质;(3)水泥未硬化时，一般不超过 6 h，进行 PTC 管桩施打，刚性芯至水泥搅拌桩的中心误差 3 cm，其竖向度误差 1%;(4)最低须 28 d 养护。2 2布桩方案设计方案中，将管桩交错布置在混凝土挡墙的下方，水平桩距为 1 20 1 50 m，竖向桩距为 1 00 m。桩顶和护岸之间，设置厚度为 0，0m 的砾石垫层。桩位的水平和竖向视角图，具体见图 2 与图 3 所示。图 2复芯劲性复合桩桩位水平视角图示常规管桩在载承力和保持坡岸稳定性方面的功效准备较多，但是 PHC 管桩直径比较宽，且长度较长，单根 PHC 高强预应力管桩单桩成本很高。复芯劲性复合桩的设计方案选择成本较低的单根薄壁预应力 PTC 管桩，配合桩径较大的水6032023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3泥搅拌桩，在桩数远低于常规管桩，护岸加固基土的面积却较大，还有效地利用了土体本身的强度，载承功效不逊于成本较高的常规管桩。另外，治理施工处于雨季，土层含水量较高。喷粉法水泥搅拌桩可以吸收土壤中多余的水分，增强土壤的有效应力，使内芯混凝土受河水和附近地下水的腐蚀程度大幅度降低，延长桩身健康应用周期。所以案例工程选择复芯劲性复合桩方案。图 3复芯劲性复合桩桩位竖向视角图2 3回填进度案例工程将于 7 月至 8 月间完成四段桩顶垫层的作业施工。在 8 月下旬逐渐完成坡岸浇注操作，9 月下旬进行坝体墙后的土体回填，回填的时间与高度具体见表 1 所示。表 1坝体墙后回填时间与高度位置层数回填时间回填高度位置层数回填时间回填高度墙后1 层9 200 3墙后17 层9 280 3墙后2 层9 200 3墙后18 层9 280 3墙后3 层9 210 3堤身 1(轻型)19 层 10 310 3墙后4 层9 210 3堤身 2(轻型)20 层 10 310 3墙后5 层9 220 3堤身 3(轻型)21 层11 10 3墙后6 层9 220 3堤身 4(轻型)22 层11 10 3墙后7 层9 230 3堤身 5(轻型)23 层11 20 3墙后8 层9 230 3堤身 6(轻型)24 层11 20 3墙后9 层9 240 3堤身 7(轻型)25 层11 60 3墙后10 层9 240 3堤身 8(轻型)26 层11 80 3回填高度时程曲线见图 4 所示。图 4填土高度随时间变化关系图示从图 4 和表 1 可以看出，本工程墙后填充大体分成 2 个阶段。第 1 阶段，9 月 20 日 9 月 28 日，填方高度 0 5 4m;第 2 阶段，10 月 31 日 11 月 12 日，每天平均填方高度0 60 m，最终填方高度 9 30 m。3现场施工质量监测3 1护岸顶部竖向移位与墙后回填沉降为保证施工期间岸坡、建筑的安全性和稳定性，须对护岸施工的全过程开展监控，观察墙后回填过程中墙体的降沉和移位情况，控制回填率。早期护岸工程应用精密水准测量护岸施工时的竖向位移，检测仪器见表 2 具体所示:表 2竖向位移与降沉监测仪器名称设备型号是否标定精度GPSS82是 0 25m+1 ppmGPSS82是 0 25m+1 ppm全站仪TS 1125L是1、2mm 2 ppm水准仪DS05是每公里往返 2 mm前期竖向移位观测量点设置在护岸底板前缘两侧的伸缩缝处，后期降沉移位观测量点设置在墙体顶部伸缩缝的两侧。场地应用预埋 20 cm 20 cm 60 cm 预制水泥土桩，在左右岸对称布置。桩顶设有测钉，其将标高和平面位置的共同点设为观测基点。应用极坐标法进行观测基点的平面位置测量，在首级控制点架设全站仪。调平后，瞄准另一个首级控制点，盘右盘左分别测量 1 次，取均值作为测量结果。测量基点高程，是利用水平仪结合平面千分尺，在首级控制点和观测基点间，形成一条封闭路线。调整后确定基点标高，测量结果应符合二级测量水准要求。左岸降沉点测量时，将全站仪设置左岸观测点。对中调平后，瞄准右岸观测点并测量结果。然后在右岸设置观测点。对中调平后，瞄准左岸观测点，测量结果。取均值为测量结果。右岸降沉点测量则相反。在测站后视设置 1 根径值约 5 cm、长度约 50 cm 木桩，桩顶钉上钢钉。降沉观测点每增加 1 组后，在测站视距的中点设置 1 个木桩，以固定测量路线和测站，尽量降低测量误差。3 2深层水平移位深层水平移位是判断护岸结构稳定性的主要控制指标。而测斜仪能检测挡土墙内部和各层土壤的横向形变。为完成深层水平移位检测，须在混凝土挡土墙浇注过程中提前埋设测斜仪导管，并准备长电缆和测斜仪采集数据。测斜导管是由聚乙烯模具成型的塑料管制成，其内壁的滑动轨道为两两对称的导槽。测斜仪上下设置两组导向轮，来确保沿测斜导管槽的定位与升降。电缆用于将显示器与测斜仪连接，为测斜仪供电并且向显示器传输信号，用绳索控制测斜器升降，且每隔 0 5 m 标记一次电缆。检测开始时，测斜仪的测量方向，对准水平移位方向，将测斜仪的滑轮引导到导向槽中。滑入管道底部片刻，等待其稳定。测量从管道底部到管口的距离，并测量其读数。将测斜仪向上拉回，且每 0 50 m 测量 1 次，然后 180 度旋转测斜仪开展测量和读数，以消除仪器自身的误差。3 3桩顶和桩间土压压力感受器用于测试桩间土和桩顶土压及分布。施工桩顶垫层时，应埋入土压计，并记录其初始读数。检测仪器包括土压计和频率仪。土压计选择振弦 VWE 土压计，每节埋设 3 个，外芯桩顶安装振弦 TX 2020 土压计，每段埋设 2个，频率仪选择 VW 102A 频率仪。在装配压力感受器前，须给予校准。装配时，土压计的受压膜应朝上，土压计底部应填 5 cm 左右的中细砂进行压密找平，以保证装配水平。装配完成后，用厚 10 cm 的中细砂703第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月覆盖四周并压密。在检测过程中，应使用频率计读取土压计内部振弦的振动频率，然后通过计算公式将其换算为实际压力。本项目使用的两种土压计的计算方法有所不同。VWE振弦土压计的土压计算公式为:P=k1(F F0)(1)式中:P 为测量值;F0为初始测量值，F 为实时测量值;k1为灵敏度。振弦 TX 2020 土压计的土压计算公式:P=k2(F2 F20)1 000(2)式中:P 为测量值;F0为初始测量值，F 为实时测量值;k2为测量灵敏度。依据水上运输工程观测规范，确定此次检测期包括施工筑填期和完成施工后 1 年的监测期。依据水上运输工程质量检测标准，本工程筑填期与筑填完成后的检测频次分别见表 3 和表 4 所列。表 3筑填施工期的监测频率工况测量频率常规每筑填 1 层检测 1 次，且1 次/3d沉降量突变1 2 次/d2 次筑填时间较长1 次/周表 4完成筑填后的监测频率工期测量频率1 2 个月1 次/2 周3 6 个月1 次/月6 个月以后1 次/3 月4施工质量监测结果与分析4 1护岸顶部竖向移位与墙后回填沉降对 40K+875 40K+885、40K+855 40K+865、40K+795 40K+805、40K+775 40K+785 四个断面右岸实施观测，发现最小沉降量的是断面 40K+855 40K+865，沉降平均值 37 7 mm，断面 40K+795 40K+805 的沉降量为最大，沉降平均值 4 3 mm。在完成施工 1 年后断面沉降量在35 45 mm，而且四个断面沉降趋势相似，施工 1 3 月间初期沉降幅度比较大，沉降幅度 3 个月后显著趋缓，半年后的沉降量变化不大;相对于填土阶段差异较明显，墙顶部分的沉降曲线较为圆润，没有发生显著分段，但最快速率时，施工现场还没有实施回填，显示填土对变动速率的影响并不大，是由于复芯劲性复合桩支撑了填土及坡岸重量，缓解了浇筑挡土墙与填土带来的可能沉降。4 2深层水平移位选择 40K+855 40K+865、40K+795 40K+805、40K+775 40K+785 等三个截面墙顶的中段，进行斜管检测，绘制深位平移曲线图。图线揭示，三个截面最终发生面向临河一侧的侧向移位。其中截面 40K+855 40K+865 水平移位最小，达 12 9mm，40K+795 40K+805 截面水平移位最大，达 18 6 mm，平均移位 15 7 m，为降沉均值的 41 6%。沿深度，水平移位呈自下至上逐渐扩大趋势，6 0 m 8 5 m 区域水平移位迅速发展，8 5 m 11 5 m 区域水平移位微小，0 5 m 6 m 区域移位发展比较缓慢。推断估测 8 5 m 11 5 m 区域斜管位处粉质黏土层，土体刚度与强度均比原淤泥粉质黏土，具有较强的抵抗形变能力。6 0 m 8 5 m 区域斜管受到指向临空面的水平推力，0 5 m 6 m 区域斜管位处挡土墙内部，挡土墙内部形变不明显。斜管水平相对移位与填方进程相关，但是增速缓慢。两次填方期间，深层水平移位变化曲线的间隔比较大，显示水平相对移位发展比较迅速，第 1 填方工期中水平相对移位 0 7 mm 左右，第 2 填方工期中自 8 mm 发展到 12 16 mm间。间歇期、固结期的水平移位则较少。在完成填方 10 d后，水平相对移位稳定。全部填回后曲线间隔比较小，甚至几乎重合，显示水平移位基本不再发展。4 3桩顶和桩间土压在 2#和 3#桩分别装配桩间土与桩顶的土压感受器并检测装配初始读数，对四截面中段的桩顶、筑填桩间土工期和随后的土压状态绘制变化曲线，检测起始日期为开始填回前，检测 0 10 d 内第 1 填方工期，10 40 d 内的填方工期，40 50 d 第 2 填方工期，50 d 后完成填方后的固结期。土压变化曲线显示，四截面的内芯和外芯的桩顶压力趋势相近，0 15 d 的压力升高较快，2#桩的外芯的桩顶土压在100 120 kPa，内芯在，3#桩的外芯的桩顶土压在 120 140kPa，内芯在 300 350 kPa，桩间土压仅为 20 25 kPa，相对增长较慢。10 45 d 填方工期，五位土压的增长幅度比较小，45 60 d 内、外芯桩顶的土压持续增长，2#桩外芯可达120 140 kPa，内芯桩顶的土压达 500 550 kPa，3#桩外芯桩顶土压为 140 160 kPa，内芯为 600 700 kPa，桩间土的压力则变化不大，达 30 35 kPa。因为内侧坡岸比较低，临河外侧的坡岸较高，因此 3#桩发生提升最显著的内芯桩顶土压，2#桩该压力的提升幅度相对偏低。第 2 次填方，2#桩内芯和外芯的该压力增长速度较3#桩快，这是因为第 2 次填方工位置相对靠后，对 2#桩的影响要比 3#桩显著。但在稳定以后，3#桩顶压力仍大于 2#桩，此是挡土墙比填方更重所致。第 1 填方工期内土拱效应有所发挥，只是其作用不够显著，所以复合桩的内芯、外芯的载承功效的差异并不明显，跟内芯和外芯的桩顶土压相比较，桩间土压的增长幅度为最小。对应于填回进度，土拱效应变得明显，桩顶明显应力集中。填回工期的原土体降沉、固结，造成桩顶土压稍微上升，但外芯桩间土、桩顶压力则基本不存在变化。第 2 填方工期内，实际上是复合桩几乎承担了全部回填方载荷，外芯桩顶土压低幅度增长，内芯该压力则大幅度增长，而桩间土压则基本不存在变化。各位置固结期表现类似于填回间期。4 4桩土应力比 n 值，内外芯桩间土 n 值和桩顶 n 值应力比(n 值)可以定量揭示桩间土与复合桩的载荷分担状态，绘制随填方高度变化的 n 值曲线，曲线显示，起始阶段各截面 2#桩和 3#桩的 n 值都略大于 1 0。完成第 1 阶段填回后，2#桩 n 值增长到 4 0，3#桩 n 值处于 5 0 6 0 间，显示土拱效应部分发挥作用。完成第 2 阶段填回后，2#桩 n 值处于 5 0 6 0，3#桩 n 值处于 6 5，显示随载荷增加土拱效应对应放大，复合桩在桩顶发生较明显的应力集中。比较内、外芯 n 值，结果显示，随填回进度增长，四断面的内芯 n 值均对应增长，并且趋势比较相似。2#和 3#桩起始压力比都处于 1 0 2 0;第 1 填回工期后，2#桩和 3#桩的内803第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月芯的 n 值分别增长到 10 0 12 0 和 12 0 16 0;完成整体填回后，2#桩和 3#桩的内芯的 n 值分别增长到 16 0 和 18 0 22 0。外芯 n 值发生类似的变化趋势，2#桩和 3#桩由 1 0起始值增长到第 1 填回工期后的 2 5 3 0，再增长到完成整体填回后的 4 0 和 5 0，两桩的外芯 n 值差距比较小。内、外芯桩顶在检测开始时仅盖覆垫层，所以示数比较小，因为感受器型号的关系，公式计算有所差异，相对于真实值，两桩顶的应力误差相对比较大，实际状态偏离较多的应力比，应当不予考虑。两桩的内、外芯桩顶 n 值均随填回进度对应增长，并且趋势吻合于填方进度。2#桩和3#桩的内芯和外芯的桩顶起始应力比分别略高于 1 0 和 1 5。完成填回第 1 工期后，2#桩呈现 2 5 3 0 的应力比，3#桩大于 3 0。完成填回后，2#桩呈现 3 5 4 0 的应力比，3#桩呈现 4 0 5 0 的应力比。5结语开展了河道坡岸加固应用复芯劲性复合桩技术研究，主要技术点包括:复芯劲性复合桩施工工艺，具体述及施工流程、布桩方案、回填进度等内容;现场施工质量监测，述及护岸顶部竖向移位与墙后回填沉降监测、深层水平移位监测、桩顶和桩间土压监测等具体内容。还对案例工程施工质量监测结果进行了分析，验证了河道坡岸加固应用复芯劲性复合桩工艺的技术适用性，对同类河道坡岸治理工程应用有技术参考意义。参考文献 1何奔 软粘土地基单桩和复合桩基水平受荷性状D 浙江大学 2016 2齐泊良 联锁混凝土块在护岸结构中的应用研究D 山东大学 2017 3王安辉，章定文，谢京臣 软黏土中劲芯复合桩水平承载特性 p y 曲线研究 岩土工程学报 2019(上接第 274 页)产生深部渗漏可能性小。图 2库首水文地质剖面图4库岸边坡稳定分析拟建水库库岸河谷主河道在河道转弯以上为斜至横向河谷，河道转弯以下为走向河谷结构。库区地形坡角一般 20 50，局部达 80，库岸较陡段一般由坚硬较完整致密的灰岩等构成，平缓库岸段一般由页岩、砂质页岩等碎屑岩等构成。沿线构造主要以裂隙为主，无大的不良地质现象分布，库岸现状总体稳定性较好。但在库尾小干溪一带民房集中，主要分布在 906 41 915 0 m 高程，沿线为阶梯状缓坡台地，地表多被第四系覆盖层，厚 3 5 m，出露基岩为 S2 3hn泥岩，水库正常蓄水位(905 0 m)附近有居民住户一户，水库蓄水后覆盖层库岸在库水的变幅淘刷下稳定性较差，引发前缘塌岸的可能性大，对居民区的影响较大。另，在库中左岸长安坝一带分布有一弃渣挡土墙，为浆砌块石挡墙，呈梯级分布，共两级，一级挡墙长约 42 4 m，高约 5 38 m，顶宽约 1 0 m，分布高程 897 14 902 52 m;二级挡墙长约 36 7 m，高 3 0 m，顶宽约 0 8 m，分布高程 903 00 907 00 m;挡墙后缘为人工堆积含碎石土，挡墙基础置于基岩上，现状稳定，未见开裂、沉降等不良迹象。该侧为冲沟地形，地形坡度约 40，地表为厚 1 5 m 残坡积、人工堆积含碎石土，沿线基岩出露，为 P2q+m 灰岩，构造主要以裂隙为主，水库蓄水至正常蓄水位 905 m 高程后，回水至二级挡墙中部，由于挡墙置于基岩上，且后缘土层总体不厚，水库蓄水后对其影响较小，建议蓄水后对挡墙进行监测。库中至库首河流流向与岩层走向基本一致，为深切的“V”型走向河谷结构，两岸地形坡度一般 32 40，局部为悬坡，沿线两岸基岩出露，为 T1y2地层，岩性为薄至中厚灰岩、泥灰岩，岩层产状 N50 60E/NW48 75，总体陡倾左岸，左岸为逆向岩质边坡，右岸为顺向岩质边坡，未见大的不利物理地质现象，库岸总体稳定性较好，仅局部有厚约 2m 含碎石粘土覆盖，蓄水后局部存在浅表滑塌，但方量小，约10 m3，其对大坝枢纽安全影响小。5结语水库两岸山体宽厚，地形封闭条件较好，库区为碎屑岩与碳酸盐岩相间分布，地下水横向或顺岩层走补给库水，两岸均有高于正常高水位的地下分水岭或弱透水岩组存在，水库蓄水后不存在向库外永久性渗漏问题，主要的渗漏问题是沿坝基、左右岸坝肩强化风带、裂溶隙及库首 T1y2岩溶层向下游渗漏的问题，可结合大坝防渗一并进行处理，经防渗处理后，可具备成库条件;库岸未发现大的滑移体及崩塌体等物理地质现象，水库建成蓄水后也无大规模的库岸再造和产生滑移体的可能，库岸总体稳定性较好;参考文献 1龚志明 永德县马鞍桥岩溶水库成库条件评价J 工程勘察2022(11)49 56 2邵明星 江苏庆安水库成库条件分析J 陕西水利 2021(8)163 164 3裴建国，梁茂珍，陈阵 西南岩溶石山地区岩溶地下水系统划分及其主要特征值统计J 中国岩溶 2008(01):6 10 4曹建文，夏日元 西南岩溶石山地区不同类型地下河开发利用模式探讨J 中国岩溶 2017 36(5):609 617 5王益，彭峰 新洲水库库尾复杂岩溶对水库成库条件的影响分析J 黑龙江水利科技 2014 6(42)10 12 6卢耀如 岩溶地区主要水利工程地质问题与水库类型及其防渗处理途径J 水文地质工程地质 1982(04):15 22 7赵瑞，许模 水库岩溶渗漏勘察技术要点与方法研究J 地下水 2011 33(02):20 22 8刘茂，周义波，刘军 岩溶洼地成库论证及防渗处理J 水利规划与设计 2018(10):144 146 9袁代江 白河沟水库成库条件论证及处理J 黑龙江水利科技 2015 1(43)60 62903第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月