钢管螺旋桩防护公路膨胀土高边坡工程应用

杨朝旭 任刚 殷卫永 韩战涛 任文博 李佳佳

河南高速公路发展有限责任公司 中国建筑第七工程局有限公司 河南省交通规划设计研究院股份有限公司 郑州大学土木工程学院

摘 要：为促进钢管螺旋桩在公路膨胀土高边坡防护中的推广应用，以某高速公路膨胀土高边坡防护为依托工程，分析螺旋桩防护技术原理和性能特征，阐述螺旋桩防护施工工艺。螺旋桩防护主要依靠螺旋叶片提供的承载力，结合坡面挂 喷射混凝土和排水系统保持膨胀土高边坡长期稳定；螺旋桩防护具有施工周期短、立即承载、经济环保等优势；施工工艺主要包含边坡处理、螺旋桩安装、铺设排水带和边坡喷射混凝土等工序。螺旋桩防护膨胀土高边坡在依托工程中应用效果良好，服役3年期间经过多次暴雨等恶劣天气后仍完好无损，实现了钢管螺旋桩在我国公路工程膨胀土高边坡防护中的首次大规模成功应用。

关键词：公路工程;钢管螺旋桩;膨胀土高边坡;防护;工程应用;

收稿日期：2021-08-28

基金：交通运输部科技示范项目，项目编号2020-06;河南省交通运输厅科技项目，项目编号2015Y08;

膨胀土由于吸水膨胀、失水收缩等特征，性能极不稳定[1,2]。公路膨胀土边坡素有“逢堑必滑、无堤不塌”之说。尤其是膨胀土深路堑高边坡更易发生滑塌事故，造成巨大的经济损失和生态破坏。为保证膨胀土高边坡稳定，必须采取边坡防护措施。传统防护措施中，水泥或石灰改良在膨胀土高边坡施工中难度较大[3,4];浆砌片石护坡、路堑拱形骨架护坡等圬工防护整体强度较低[5,6],且无法有效阻止雨水由坡面渗入坡体。在膨胀土含水量增加产生的体积变化和膨胀压力影响下，圬工防护易发生失稳和破坏。针对膨胀土深路堑高边坡，亟需探索更加耐久完善的防护措施。

钢管螺旋桩加固是近年来迅速发展的新型加固技术。该技术在境外的应用和发展已有近200年的历史，尤其是20世纪80年代以来，随着液压安装技术的突破，该技术已被广泛应用于公路桥梁地基加固、边坡支护改造、工民建等工程领域[7,8]。国际规范委员会(International Code Council)在2006年和2009年《国际建筑规范》(International Building Code)中均针对螺旋桩加固技术制定了相应的条文和规范。

国内钢管螺旋桩应用技术起步相对较晚，随着安装技术的成熟加上钢管螺旋桩良好的性能表现和经济性，钢管螺旋桩加固技术近年来被众多学者研究并逐步应用于工程领域。王健等[9]研究了螺旋桩在复合地基中的应用，表明螺旋桩复合地基可满足基础沉降要求，并可应用于承载能力较弱且存在持力层的地基；吴继峰等[10]通过抗拔静载试验分析了螺旋桩叶片个数、直径及桩径等因素对螺旋钢管桩抗拔承载力的影响，并提出螺旋钢管桩抗拔承载力计算公式；韦芳芳等[11]通过有限元模拟、软土地基抗拔试验及砂土地基水平承载试验，探讨了不同倾斜角螺旋桩叶片数量和叶片埋深对水平承载力的影响；张新春等[12]通过理论计算和现场试验，分析了砂土中螺旋桩螺距与直径比值对安装扭矩的影响。此外还有关于不同因素对螺旋桩冻拔特性[13]、承载特性[14]影响的研究。目前关于螺旋桩加固技术研究应用主要集中在理论研究或地基加固领域，关于钢管螺旋桩加固技术在公路膨胀土高边坡防护中的工程应用鲜有 道。结合膨胀土高边坡防护存在问题及螺旋桩加固技术优势，开展钢管螺旋桩加固公路膨胀土边坡施工工艺及应用效果的研究具有一定意义。

1 材料与设备

1.1材料

钢管螺旋桩防护公路膨胀土高边坡核心材料为钢管螺旋桩，其是一种具有复杂几何形状的异形桩，由若干片螺旋叶片焊接于钢管桩身而成。本工程根据膨胀土边坡高度和防护加固深度，采用不同型号的螺旋桩。钢管螺旋桩结构示意图如图1所示。螺旋桩几何参数如表1所示。其中，d1、d2、d3分别为自螺旋桩深入土中尖端开始，第一、二、三级螺旋叶片的直径；L1为第一级螺旋叶片与第二级螺旋叶片之间距离，L2为第二级螺旋叶片与第三级螺旋叶片之间距离，L3为第三级螺旋叶片与桩杆连接固定端之间的距离，L4为第一级螺旋叶片与螺旋杆尖端之间的距离。

图1 钢管螺旋桩结构示意

表1 螺旋桩几何参数

其他主要施工材料如表2所示。

表2 主要施工材料

1.2设备

螺旋桩安装主要机具设备如表3所示。

2 技术原理

通过液压旋转设备对螺旋桩套头施加一定轴向力和扭矩，使钢管螺旋桩旋入坡体中。钢管螺旋桩旋拧进入坡体之后，在坡面挂 、喷射混凝土，采用千斤顶通过桩套头对钢管螺旋桩施加反力，使位于远离主动压力土体区域的螺旋叶片获得抗拔承载力，承载力经由螺旋桩钢管桩身、承压板传递至坡面混凝土，以加固位于边坡滑动面或潜在滑动面以外的主动土体，从而保证膨胀土路堑边坡的整体稳定。

由于膨胀土具有显著的吸水膨胀、失水收缩和强度衰减性，因此，边坡防护体系完善的防排水系统是保证膨胀土路堑边坡长期稳定的基础。坡面挂 喷射混凝土可以有效阻止雨水由坡面进入坡体，同时，由内部排水设施和外部排水设施组成的排水系统可以将坡体内部水和坡面汇聚的雨水及时排除，从而保证膨胀土路堑边坡的长期稳定。

3 性能特征

钢管螺旋桩可广泛应用于膨胀土、湿陷性黄土等特殊土质类型公路边坡防护，与传统防护措施相比，具有众多技术优势。

(1)施工条件受限少、对边坡扰动小。

施工设备具有很强的移动性，进出场快捷，对空间和场地要求低，并可在较困难地形或狭窄空间施工；受气候条件影响小，在低温下可照常进行施工操作；在安装过程中振动小，可最大程度减小对原边坡土体的扰动，易保证施工质量。

表3 主要机具设备

(2)施工周期短、立即承载。

传统的水泥灌浆锚杆的施工需要钻孔、安放锚杆、灌浆和养生等施工工序，施工周期长。而钢管螺旋桩由于独特的螺旋叶片构造，可采用专用施工机械旋拧进入边坡土体，通常可在30 min内安装一根15 m长的螺旋桩，且安装完成后无需养护，可直接承受荷载。

(3)经济效益显著。

在治理膨胀土边坡方面，与浆砌片石护坡、路堑拱形骨架护坡、钢筋混凝土抗滑桩等传统圬工防护措施相比，钢管螺旋桩锚固与挂 喷射混凝土复合防护体系整体造价较低，且防护性能稳定，经久耐用，具有可观的经济效益。

(4)绿色环保。

由于钢管螺旋桩独特的螺旋叶片式承载结构及施工工艺，施工过程无需开挖，无传统打桩噪声和振动，无建筑垃圾产生。

4 施工过程

公路膨胀土边坡钢管螺旋桩防护施工应遵循从上往下、从两侧向中间分级分段施工原则，每开挖一级防护一级，再向下开挖；每施工一段防护一段，再开挖邻段。严禁全段一次开挖，避免事故发生。公路膨胀土边坡钢管螺旋桩防护施工工艺流程主要包含以下步骤。

4.1边坡处理

边坡处理是钢管螺旋桩防护公路膨胀土高边坡的前期准备工作，主要工艺及控制要领如下。

(1)施工前准备：

边坡开挖前，应准确放出开挖线，清理表土，设置坡顶截水沟及临时排水装置，使施工场地始终处于良好的排水状态。其中，截、排水设施尺寸在满足相关规范要求的前提下，应根据坡顶汇水面积确定。

(2)边坡开挖：

采用机械配合人工，从高至低分层、分幅开挖，最大未支撑开挖高度应小于3 m, 不得超挖、乱挖，尽量减少扰动边坡的工艺，以避免影响边坡稳定性。

(3)边坡修整：

边坡开挖过程中应加强测量监控，严格控制边坡坡率，边开挖边修整，保证坡面平整、密实，无溜滑体、蠕变体。修整完成后应立即防护。鉴于膨胀土性质的不稳定性，应避免边坡长期裸露、暴晒；对于地下水位较高的路段，施工时应注意修建临时降水位设施，保证施工安全。

边坡修整效果如图2所示。

图2 边坡修整效果

4.2钢管螺旋桩安装

钢管螺旋桩安装是膨胀土高边坡防护的关键步骤，主要工艺及控制要领如下。

(1)螺旋桩运输、堆放：钢管螺旋桩可由平板拖车运至现场，采用机械或人工卸于合适场地，按安装先后顺序及桩的配套要求堆放，并注意方向。

(2)确定安装位置：按施工图要求进行测量放线，准确定位出钢管螺旋桩的安装位置。反复校核，误差不得大于允许误差，并做标记；螺旋桩外边缘至坡顶距离不宜小于0.5 m, 局部不满足时应根据实际情况适当调整。

(3)安装液压旋转设备：在专用机械上安装液压旋转设备，动力头额定扭矩应根据钢管螺旋桩设计承载力进行匹配。

(4)螺旋桩安装：桩位验收后，安装机械就位并调整机身，校正位置，将钢管螺旋桩螺旋钻头与液压旋转动力头连接，调整钢管螺旋桩角度，以保证桩身角度与设计角度偏差不得大于允许偏差；启动液压动力头缓慢旋入螺旋桩，一般应先慢后快；待螺旋钻头安装完毕后，采用桩套头将钢管与螺旋钻头连接，按照设计角度继续安装钢管螺旋桩至设计深度。

(5)液压扭矩监测：安装过程中，记录安装扭矩，安装扭矩应满足与钢管螺旋桩承载力相匹配的最小安装扭矩要求。

(6)重复步骤4到5,按照设计桩位继续安装下一根钢管螺旋桩，直至开挖坡面设计桩位安装完毕。

钢管螺旋桩安装工艺如图3所示。

图3 钢管螺旋桩安装

4.3安装排水设施及钢筋

安装排水设施及钢筋 的主要工艺及控制要领如下。

(1)铺设排水带：

开挖坡面钢管螺旋桩安装完毕后，在相邻两钢管螺旋桩中心位置沿坡面向下铺设40 cm宽排水带，排水带沿坡面铺设至距每级边坡平台或坡脚30 cm处，排水带槽深可根据螺旋桩安装密度和坡体含水量确定；排水带铺设完毕后，在其表面铺设一层土工布，以防止在喷射混凝土的过程中堵塞排水带。

(2)安装PVC排水管：

在每个排水带底部安装直径?5 cm PVC排水管，安装角度为水平向下倾斜10%,以使排水带汇聚的内部水排入平台排水沟或坡脚边沟内。PVC排水管应采取一定的加固措施，使其倾斜角度保持稳定。

(3)钢筋 安装：

钢筋 采用直径?6 mm HPB300级钢筋制作，相邻钢筋横纵向间距为15 cm, 钢筋应绑扎紧密；钢筋 应在坡面连续配置，每隔10 m～15 m设置伸缩缝，缝宽2 cm; 钢筋 片与坡面之间放置垫块，以保证混凝土保护层厚度不小于5 cm; 钢筋 上应安装足够多的表面深度标记，以在喷射混凝土时能够确保足够的喷射厚度。

(4)安装加强钢筋：

钢管螺旋桩桩头四周应绑扎4根直径?20 mm HRB400级横、纵向加强钢筋，横向加强钢筋通长布置，纵向加强钢筋应超出顶排螺旋桩外边缘不低于70 cm。

(5)安装PVC套管：

钢筋 片安装完成后，在钢管螺旋桩桩头处安装PVC套筒，用于隔离喷射混凝土。

排水设备及钢筋 片安装如图4所示。

图4 排水设备及钢筋 片安装

4.4喷射初层混凝土

喷射混凝土与钢筋 对坡面共同起到加筋保护作用，其主要工艺及控制要领如下。

(1)混凝土配合比：

喷射混凝土的施工配合比应通过试验确定，满足混凝土强度和喷射工艺要求，混凝土设计强度可根据坡体情况具体确定。

(2)喷射机具检查：

混凝土喷射机应具有良好的密封性能，输料连续、均匀，附属机具的技术条件应能满足喷射作业要求。

(3)喷射混凝土作业：

在喷射混凝土之前，要湿润坡面，确保喷射混凝土与坡面紧密黏合；喷射时喷嘴尽量垂直于坡面，喷嘴分片做螺旋往复运动，直到混凝土层满足规定厚度，并控制好喷射混凝土表面的平整度；C20强度初层混凝土喷射厚15 cm(其他强度等级喷射厚度可适当调整),每隔10 m～15 m长度设置伸缩缝，缝宽2 cm。

(4)养生：

第一层混凝土喷射完成后，应根据天气状况进行养生，直至混凝土达到设计强度；之后，采用弹性沥青填缝板填塞伸缩缝。

喷射初层混凝土的现场施工照片如图5所示。

图5 喷射初层混凝土

4.5张拉钢管螺旋桩

张拉钢管螺旋桩主要是使螺旋桩具有一定初始预应力，其主要工艺及控制要领如下。

(1)千斤顶校验：

钢管螺旋桩张拉前必须把千斤顶、测力装置及所需附属机具准备齐全，并进行严格的率定和校验；对率定和校验的机具应妥善保管，以免影响精度。

(2)设备标定：

千斤顶在对钢管螺旋桩施加反力前进行配套标定，并绘制出反映千斤顶出力和压力表指示压强之间关系的F～p曲线，作为张拉时的依据。

(3)安装承压板：

切除高出喷射混凝土表面的PVC套管，在桩套头上安装螺旋锚杆，之后将承压板套入螺旋锚杆。