随着软土地区城市建筑密度的增加, 岸坡工程周围通常存在高层建筑群, 岸坡的开挖过程受到严格的环境制约。如何评价与保证岸坡的稳定性、控制支护结构的变形、减少对周围环境的影响, 已成为岸坡工程设计和施工的重点^[1,2,3,4,5]。多排桩支护结构是一种空间组合类围护结构, 由前后多排钢筋混凝土桩以及桩顶的刚性连系梁组成, 沿岸坡的剖面方向形成多排围护的空间结构体系, 这种结构利用前后多排桩对土压力分布的有效分担, 使支护结构的入土深度、桩身的内力分布更为合理, 其变形也能得到很好控制, 在场地受限和环境受制约等的岩土及地下工程中得到越来越广泛的应用^[6,7]。

目前, 在双排桩支护结构的设计理论以及影响因素等方面已经取得一些成果和进展^[8,9,10,11], 为双排桩支护结构在岸坡支护工程中的合理应用奠定了良好基础;而三排桩支护结构的作用机理、设计理论方面的研究几乎是一片空白, 严重制约三排桩在实际工程中的广泛应用。本文结合某运河岸坡退建工程, 对三排桩结构在高深岸坡支护工程中的支护效果、开挖过程中的岸坡稳定性, 以及不同灌注桩和水泥搅拌桩施工质量对岸坡稳定性的影响等进行了分析与研究;以丰富三排桩支护结构的研究成果、保障依托工程的安全与稳定, 并为类似工程的设计与施工提供借鉴和参考。

某运河为省际内河航运通道, 对地区间水路运输条件具有重要意义, 因河段断面较窄, 为满足限制性III级航道宽度要求, 对河道进行扩挖与整治, 并对南岸防洪墙采取退建, 因此产生河岸高边坡的稳定性问题。该运河上跨多条重要桥梁, 防洪墙退建距最近一处高层建筑仅约15m, 坝坡的稳定性直接影响周边环境的安全。根据其地质勘察报告以及整治方案, 选取其中地质条件较差、与高层建筑群邻近的K0+480断面进行计算分析。防洪墙底板位于淤泥质重粉质壤土上, 墙前河道边坡为淤泥质土。该段地质构造复杂, 采用三排钻孔灌注阻滑桩和水泥搅拌桩组合加固堤坡及堤基, 灌注桩持力层为中风化安山岩。规范要求正常运用条件下边坡设计安全系数为1.30, 基坑监测等级为一级监测。断面施工如图1所示。

根据地质勘察报告, 合理简化土层建立计算模型, 采用施工图设计的土层参数, 各土层的力学参数如表1所示。

桩顶标高为地面下2.6m, 桩长28m, 入土深度20.1m。考虑到桩底进入岩层, 可将进入岩层部分按固端考虑, 入土深度14.4m。前排桩径1.2m, 桩间距1.49m;后两排桩径1.2m, 间距2.4m;连梁厚1.5m。前中排桩间距4m, 中后排桩间距3.8m。弹性模量均按照C30混凝土计算 (E=30 000MPa) , 通过桩土间的面积计算桩的等效刚度。

考虑到混凝土的弹性模量远大于黏性土的弹性模量, 所以采用近似计算:

前排桩:

中后排桩:

连梁:

水泥搅拌桩对岸坡土体进行加固, 加固后的土体按照Priebe (1978) 提出的复合地基抗剪强度指标进行计算, 其计算方法如下:

式中:c_p为水泥黏土桩的黏聚力 (k Pa) ;c_s为桩土间的黏聚力 (k Pa) ;φ_p为水泥黏土桩的内摩擦角 (°) ;c_ps为水泥黏土桩复合地基的黏聚力 (k Pa) 。

因岸坡长期在水下工作环境复杂, 考虑水对土体软化效应, 对计算后的参数进行0.80的折减。土层加固后具体参数如表2所示。

边坡稳定性分析方法很多, 常用的有极限平衡法和有限元分析法。极限平衡法是将有滑动趋势范围内的边坡土体沿某一滑动面切成若干竖条或斜条, 在分析条块受力的基础上建立整个滑动土体的力或力矩平衡方程, 并以此为基础确定边坡的稳定安全系数;目前用有限元法进行土质边坡稳定性分析可以分为两类:一类是用有限元分析求出边坡内的应力、应变, 再通过优化搜索找到最小安全系数滑动面的方法;另一类则是强度折减法, 即对岩土体的抗剪强度进行折减, 边坡刚好达到临界破坏状态时的折减系数则为安全系数值。

本文采用了极限平衡法与有限单元强度折减法对各施工过程中岸坡的稳定性进行对比计算。极限平衡法计算采用功能强大的土质边坡稳定性岩土分析软件GEO-SLOPE, 该程序能对复杂的土层和滑动面形状进行边坡稳定性分析, 并以图形化形式直观地表现最危险滑动面、对应的滑动中心的位置和相应的安全系数。有限元强度折减法计算采用的是功能强大的通用岩土有限元计算软件PLAXIS 2D, 该软件界面友好、操作便捷, 包含多种常用的土体本构模型 (如Mohr-Coulomb模型) , 适合岩土及地下工程问题的分析研究, 已广泛应用于各种复杂岩土工程项目的有限元分析。

安全系数计算结果如图2所示, 极限平衡法计算得到滑面位置与形状如图3所示, 得出以下结论。

1) 两种方法得到的安全系数计算结果十分接近, 验证了计算结果的准确性;自然岸坡的安全系数<1.0, 安全系数偏小。其原因在于, 土层设计参数考虑各种偶然工况、地质变异系数、荷载分项系数等, 以涵盖各种可能的不利工况, 采用设计参数进行自然岸坡稳定性分析得到的安全系数会偏于安全。在进行原防护堤拆除及岸坡卸载施工时, 仍需密切注意其施工作业面边坡的局部稳定性, 高度警惕和预防由此带来的安全事故。

2) 在前4步开挖过程中, 滑动面的位置均位于灌注桩加固范围之外, 灌注桩不能对桩前岸坡提供抗滑力;随着岸坡开挖的进行, 岸坡坡高降低, 稳定性逐步提高;桩前岸坡有可能出现局部滑动现象, 因滑动区属于岸坡卸载部分, 不会对竣工后的堤防工程的安全性造成影响, 但仍应注意坡体的局部滑动可能造成的施工安全隐患。

3) 第5步开挖后, 滑动面从桩后一直延伸到桩前, 由局部稳定性变为岸坡工程整体稳定性问题, 三排灌注桩提供抗滑力, 水泥搅拌桩改善了土层工程性质, 而且坡前挡土围堰提供压脚反压作用, 因此岸坡稳定性大幅提高, 表明钻孔灌注桩与水泥搅拌桩对控制岸坡稳定性的重要性。

4) 第6步开挖后, 施工结束, 失去坡脚围堰, 边坡整体稳定性系数下降幅度较大, 施工时需密切监控边坡的整体稳定性。通过极限平衡法和有限元强度折减法计算得到岸坡最终安全系数为1.356和1.355, 与计算的自然岸坡稳定性进行对比可知, 整个施工过程中岸坡的稳定性可以得到保证。最终滑动面未通过水泥搅拌桩加固区, 表明水泥搅拌桩使岸坡滑动面下移, 提高了岸坡的整体稳定性。

河道岸坡利用多排钻孔灌注桩, 按一定间距排列, 并结合格栅式布置的水泥搅拌桩墙对河岸岸坡进行加固有效防止岸坡滑动, 其施工质量对保证施工和运营期岸坡安全与稳定起着至关重要的作用。

阻滑桩的抗滑作用通过其抗剪强度体现, 通过不同程度地折减其抗剪强度来模拟阻滑桩的施工质量达标程度。分别对前排桩、中排桩、后排桩以及三排桩的抗剪强度进行折减, 其他计算参数保持不变, 求解岸坡的安全系数如表3所示。

通过对灌注桩强度的折减来模拟施工质量不能达到设计要求对边坡稳定性的影响。计算结果表明, 对三排桩分别进行折减时岸坡的稳定性均有一定程度的下降;其中, 前排桩施工质量对岸坡稳定性影响最大, 若不能有效保证前排桩的施工质量, 会严重增大岸坡整体滑动的风险。相对而言, 中后排桩对岸坡的抗滑作用较为不明显, 折减一半强度后岸坡安全系数并无太大降低。对三排灌注桩同时折减结果表明, 灌注桩施工质量的不达标会对岸坡稳定性有较大影响;当三排桩抗剪强度同时折减70%时, 岸坡稳定性下降为1.167, 已不满足规范要求。因此, 在桩基施工时, 必须采取有效措施, 保证前、中、后3排灌注桩的施工质量, 避免桩身倾斜甚至断桩等质量问题。施工结束后, 应当按照规范对桩基进行低应变检测, 检查桩身的完整性, 保证岸坡的稳定性。

水泥搅拌桩的施工质量反映于搅拌桩加固区土体的抗剪强度, 即c, φ值。抗剪强度与水泥搅拌桩的加固效果密切相关, 根据复合地基抗剪强度指标计算方法可知, 加固效果表现在搅拌桩的面积置换率m。采用表4中不同置换率下的土体抗剪强度, 岸坡滑动面变化典型情况如图4所示, 不同置换率下岸坡的安全系数, 如图5所示。

分析结果表明, 当未采用搅拌桩加固岸坡时, 最危险滑移面通过坡脚, 不经过阻滑桩, 较可能发生桩前的边坡失稳;当置换率<5%时, 滑动面为中心圆, 此时置换率的提高可以明显增加边坡的稳定性;随着搅拌桩的面积置换率提高, 最危险滑移面逐渐下移经过阻滑桩, 岸坡较可能发生绕桩滑动;当置换率提高到10%以后, 安全系数保持为1.355, 滑移面已经处于搅拌桩加固土层以下, 不经过水泥搅拌桩的加固范围, 因此进一步提高置换率并不能提高边坡的稳定性;从岸坡稳定性角度考虑, 理论最经济合理的水泥搅拌桩面积置换率约为10%, 施工图设计时可根据防水要求和施工工艺精度对置换率进行适当修正, 施工图设计时考虑更为合理的桩间距与分布形式, 使得加固措施更为经济有效, 同时降低施工难度, 加快桩基施工速度, 从而更好地保证施工期河岸边坡的稳定。

在水泥搅拌桩的施工过程中, 水泥搅拌桩的有效长度也是施工质量控制过程中一个重要环节。当置换率提高到m=10%时, 边坡的滑动面位于搅拌桩加固区域以下。由此, 维持搅拌桩面积置换率为m=10%, 逐步加深水泥搅拌桩的加固深度, 加固深度在原深度的基础上依次增加0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 4.0, 6.0m, 分析其安全系数与滑动面位置的变化。滑面位置局部放大和安全系数如图6所示。结果表明, 当水泥搅拌桩加固深度逐渐加深时, 其滑面的位置逐渐加深, 并与加固区的边缘相切, 相对应的安全系数F_s也随之增大。因此, 在水泥搅拌桩的施工过程中宜加固至硬土层下1m以上, 在搅拌桩加固强度达到设计强度前不能进行后续施工, 以保证岸坡的施工稳定性。

结合某运河岸坡退建工程实例, 对三排钻孔灌注阻滑桩结合水泥搅拌桩支护结构在高深岸坡工程中的支护效果, 施工过程岸坡稳定性变化规律以及支护结构施工质量对岸坡稳定性的影响等方面进行分析研究, 得到如下结论。

1) 在整个开挖过程中, 岸坡的稳定性满足安全要求, 采用三排钻孔灌注阻滑桩和水泥搅拌桩组合加固堤坡及堤基的支护方案合理安全, 效果明显。

2) 三排钻孔灌注桩尤其是前排桩的施工质量对岸坡的稳定性起着至关重要的作用;在施工过程中, 须保证排桩的竖直度、混凝土强度与桩长、桩径等桩基施工质量指标能达到设计要求, 施工后应进行质量检测, 对前排桩的施工质量要予以格外关注。

3) 使用水泥搅拌桩加固岸坡, 在一定范围内, 面积置换率的提高能有效提高岸坡稳定性, 但对土层力学性质的提高作用逐渐降低。提高水泥搅拌桩的有效加固长度也可以增加边坡的稳定性, 因此在设计、施工过程中应根据工程实际计算分析, 考虑经济合理的水泥搅拌桩桩间距、分布形式及桩长。