袁媛 隨燦

（鄭州鐵路職業(yè)技術學院，河南 鄭州 450000）

一般砂質土壤明挖邊坡的潛在破壞面存在負孔隙壓力，使邊坡不會在剛開挖時發(fā)生破壞。但當土壤飽和度降低到零，負孔隙壓力消散到零，則邊坡一定發(fā)生崩塌。故維持明挖邊坡土壤飽和度，是維持砂土邊坡不崩塌的重要條件。

本研究以階段式開挖及鋼絲網(wǎng)噴凝土護坡封層，保持切坡下土壤的飽和度，使切坡后的負孔隙水壓及毛細應力不消散，用以維持邊坡潛在破壞面在開挖期間的外視凝聚力，而不發(fā)生崩塌及保持砂土切坡為楔形破壞，并因護坡殼使砂土切坡后飽和度不變，維持開挖解壓后的負孔隙壓力不排水，即強制砂土在開挖期間屬于短期強度應力行為。本研究護坡封層范圍超過潛在破壞面 2m 以上，維持砂土邊坡潛在破壞面內的飽和度，在無地震下完成開挖深度 5.5m 之 70°、60°、55°砂土邊坡，配合切坡上傾斜變位計管邊坡側向變位量測值及STEDWin2.7、RISS計算機程序分析邊坡安全系數(shù)，成功印證階段式開挖配合鋼絲網(wǎng)噴凝土護坡封層之砂土明挖技術的可行性及經(jīng)濟性。

1 研究目的

目前國內部分地區(qū)的山坡地擋土墻施工，習慣先垂直削坡，扎鋼筋封模板再打混凝土，可是多數(shù)擋土墻施工在垂直削坡時，若遇砂性土壤，發(fā)生崩塌埋死工人的意外時有所聞，尤其砂土地盤無凝聚力、排水排氣能力佳，垂直開挖時負孔隙壓力消散快，崩塌時間亦快，施工上安全性更低，故本研究以砂土為主，如何突破傳統(tǒng)明挖方式限制，而使明挖工藝更安全、更經(jīng)濟。

2 工地驗證

2.1 工地試驗規(guī)劃

試驗規(guī)劃以 90°、75°、60°三種不同斜坡明挖角度，在開挖面20m×10m 的空地，預定開挖至 6m 深，并維持一個月監(jiān)測，評估此明挖技術的可行性。

2.2 地層分布與土壤參數(shù)

試驗場地地下開挖到 GL-6.9m，采用筏基，地下一層(大賣場)基地面積為 13246m2。地表面回填土層厚度 1.7m，回填土以下至深度 14.4m 為 N=10 粉質粗中細砂，深度 14.4m~20m為粉質細砂夾粉土薄層。

2.3 施工步驟

地表整平及放樣→地表鋼絲網(wǎng)噴凝土封層→監(jiān)測儀器埋設→初始值量測→第一階段開挖→第一階段護坡→第二階段開挖與護坡→第三階段開挖與護坡→監(jiān)測→回填整平→測量飽和度變化

2.4 相關試驗

①開挖面尺寸測量：開挖底面為12m ×8.2m 的長方形，實際深度 5.5m。

②各坡面角度測量：以水平尺吊垂球測量。表1為邊坡實際角度量測數(shù)據(jù)，北側平均坡角 55°、南側平均坡角60°、西側平均坡角 70°。

表1 邊坡角度測量紀錄

③基本物性試驗：由工地取回的砂土，做土粒比重、含水量等試驗，得砂土 Gs=2.67。

④直接剪力試驗：由工地取回土樣進行室內直接剪力快剪 Q 試驗，得未飽和砂土C=2.6 t/m2、ψ=28.5°，而工地取回的砂土進行直剪快剪 Q 試驗， C=1.6 t/m2、ψ=29.3°。故切坡護坡應力分析采用保守的 C=1.6 t/m2、ψ≒28°。

⑤飽和度測量：以砂錐法、含水量及土粒比重推算，開挖至底面時平均飽和度為 16.08%，開挖到底擱置一個月后，地表封層破除并開挖至 GL-2m 深，計算平均飽和度為39.22%，而無護坡封層處，平均飽和度為 8.81%。[1]

⑥安息角測量：砂土平均安息角為 32°。

3 結果分析

3.1 毛細應力分析

地下水位在GL－7.5m，毛細高度位于GL-7.5M~ GL-6.13M,在開挖面GL-5.5m下方，斜坡應力分析不受毛細應力影響。

3.2 斜坡明挖含混凝土殼護坡的穩(wěn)定分析

砂土地盤護坡式開挖技術，其中鋼絲網(wǎng)噴凝土護坡可提供土壤與護坡殼介面間的摩擦力，維持砂土孔隙壓力，使砂土不發(fā)生顆粒松散而剝落，確保低凝聚力砂土破壞為楔形破壞[2]，故以土楔應力平衡分析各切坡的安全系數(shù)。

3.3 程序分析

3.3.1 STEDWin2.7 程序分析

若砂土邊坡不考慮C值，所有邊坡安全系數(shù)皆遠小于1，處于危險狀態(tài)，但現(xiàn)地邊坡卻站立31天，故C值保守采用重模土壤的直剪快剪試驗數(shù)據(jù)1.6t/m2，其分析如圖1-3所示。北側切坡60°(55°邊坡)最小安全系數(shù)1.34，南側切坡75°(60°邊坡)最小安全系數(shù)1.22，西側切坡90°(70°邊坡)最小安全系數(shù)1.07。STEDWin2.7分析考慮邊坡直接開挖完成到GL-5.5m，而非模擬分階段開挖與護坡后再挖之程序，故其分析所得安全系數(shù)與本研究應力分析所得稍有不同，但除90°切坡外其余FS皆大于1.2屬于安全側。

圖1 北側切坡考慮 C 值最小安全系數(shù)

圖2 南側切坡考慮 C 值最小安全系數(shù)

圖3 西側切坡考慮 C 值最小安全系數(shù)

3.3.2 RISS(Real-time Instrumentation System for Slope)邊坡實時分析軟件

根據(jù)傾斜管監(jiān)測資料，用以回饋分析開挖坡體穩(wěn)定之狀態(tài)，通過其分析結果得知各開挖邊坡安全系數(shù)皆大于 1.2，經(jīng)31 天后安全系數(shù)并無減少，其中南側切坡 75°(60°邊坡)由于坡頂為物料堆放區(qū)，故回饋分析出之安全系數(shù)小于西側切坡90° (70°邊坡)。

各分析方法與各階段之邊坡安全系數(shù)，整理如表2所示。

3.4 安全性評估

依照地表護坡封層，階段式隨開挖隨護坡技術，確實可縮短砂土暴露時間，而護坡范圍增大，也可阻擋雨水滲入破壞面，延長坡面穩(wěn)定時間[3]。若對于地質狀況安全性存有疑慮，可在地表護坡封層前，以鋼軌樁離邊坡 1m 處打設穩(wěn)定樁，間距 1m 一支，打穿 45°主動破壞面，抵擋破壞土楔的下滑力，再進行開挖護坡。

表2 各分析方法與各階段的安全系數(shù)

3.5 施工性評估

與傳統(tǒng)明挖工藝比較，只增加地表護坡封層，施工上并無困難度。施工建議：

1 冬季施工，砂土邊坡降水產(chǎn)生的毛細高度隨溫度降低而增高，故對開挖坡面穩(wěn)定較有幫助。

2 此工藝僅于 N=10 的砂土降水后的工地試驗成功，故適用于 N>10的砂土降水后工地，而黏土地盤有凝聚力存在，孔隙壓力消散慢，應更適用此法。

3 地表護坡封層范圍應超過潛在破壞面 2m 以上，封層以10cm 厚 RC(一排鋼筋)為佳，并預留可焊鋼筋，與開挖后坡面鋼絲網(wǎng)焊接。

4 護坡時采用鋼絲網(wǎng)噴凝土，可均勻將水泥砂漿覆蓋于砂土顆粒，若采用模版灌漿方式，則需振動搗實。

3.6 經(jīng)濟效益評估

本試驗成本含回填夯實及監(jiān)測系統(tǒng)，共花費 390,000 元，若以工地規(guī)模(139.75m × 75.05m × 6.9m)作為比較依據(jù)，將成本依比例放大(不考慮監(jiān)測系統(tǒng)與部份回填)，相當于花費5,883,000 元。就同樣工地規(guī)模而言，連續(xù)壁工藝工程成本約36,260,000 元，排樁工藝工程成本約 16,920,000 元，鋼板樁工藝工程成本約 12,920,000 元。護坡式開挖工藝成本約為連續(xù)壁工藝的 1/6，排樁工藝的 1/3，鋼板樁工藝的 1/2。

4 結語

①由現(xiàn)場切坡試驗顯示，部份飽和砂飽和度，在地表護坡封層將蒸發(fā)水氣阻擋下而增加，更可維持負孔隙壓力的存在，強制砂土在開挖期間為短期不排水強度應力行為，增加坡面安全性。

②砂土地盤護坡式明挖技術施工程序相對于傳統(tǒng)明挖工藝，只增加地表護坡封層，施工上并無困難度，不會影響工期。

③本研究砂土護坡式明挖工地監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，開挖完成后各變位管位移平均速率日變化量未達 0.1mm，月變化量未達2mm，經(jīng) STEDWin2.70 及 RISS 程序分析后，各邊坡安全系數(shù)皆大于 1，而 RISS 分析成果顯示，各坡面歷經(jīng)單日累積雨量 3.5mm，雨強度 1.5mm/hr 并擱置 31 天后強制拆除，安全系數(shù)并無降低。

④護坡式開挖工法成本約為連續(xù)壁工藝 1/6，排樁工藝1/3，鋼板樁工藝1/2。

⑤土釘式護坡明挖技術，可更安全與更省護坡面積，且更安全地在砂土進行護坡式明挖。

[1]雷振甫,陸劍.“鐵板砂”土層基槽開挖施工工藝研究[J].建筑科學.2012（12）：12-13.

[2]許金明.粉砂土路基邊坡防護措施[J].黑龍江交通科技.2013（7）：78-79.

[3]蘇培堅.砂土膜袋圍堰在珠江三角水利工程施工應用[J].商品與質量：房地產(chǎn)研究.2014（2）：111-112.