高強(qiáng)度塑鋼板樁路基生態(tài)防護(hù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究★

許建華 余以強(qiáng) 詹 偉

(1.海鹽縣交通運(yùn)輸局，浙江 嘉興 314000； 2.浙江省交通運(yùn)輸科學(xué)研究院，浙江 杭州 310023)

1 概述

農(nóng)村公路是中國(guó)公路網(wǎng)的重要組成部分，也是服務(wù)農(nóng)民群眾生產(chǎn)生活和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。相對(duì)于高等級(jí)公路而言，農(nóng)村公路施工完成后的路肩邊坡存在明顯的沉陷、滑塌及水土流失等直接病害，間接影響路基路面整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，引發(fā)路基路面沉降不均、開(kāi)裂、積水、降低行車(chē)舒適度，亦或是排水邊溝的堵塞，導(dǎo)致排水不暢。因此，針對(duì)當(dāng)下農(nóng)村公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)過(guò)程中存在的路肩邊坡防護(hù)薄弱情況，開(kāi)展路基生態(tài)防護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究致力于已建和新建農(nóng)村公路路肩邊坡生態(tài)防護(hù)，符合當(dāng)下“四好農(nóng)村路”建設(shè)要求，具有實(shí)際運(yùn)用價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

高強(qiáng)度塑鋼板樁是經(jīng)特殊配方成型的高分子強(qiáng)化復(fù)合材料，強(qiáng)度高、運(yùn)輸輕便、工程造價(jià)低、施工方便快捷、施工占地少、耐久性好、綠色節(jié)能低碳環(huán)保、對(duì)周邊環(huán)境影響小，有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)[1]，已被水利部列入《2016年水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄》。高強(qiáng)度塑鋼板樁作為新型節(jié)能材料相較木板樁、鋼筋混凝土板樁及鋼板樁[2]等傳統(tǒng)板樁優(yōu)勢(shì)明顯，有利于解決農(nóng)村公路路肩邊坡病害問(wèn)題，在路基生態(tài)防護(hù)工程中應(yīng)用前景廣泛。

目前，高強(qiáng)度塑鋼板樁應(yīng)用于路基防護(hù)工程中的研究相對(duì)較少，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究未充分進(jìn)行。為此，本研究旨在通過(guò)高強(qiáng)度塑鋼板樁的路基生態(tài)防護(hù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究塑鋼板樁在路基防護(hù)工程中應(yīng)用的合理性，為高強(qiáng)度塑鋼板樁的深入研究及推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 試驗(yàn)方案

結(jié)合工程運(yùn)用背景，本試驗(yàn)路段選址于某市縣道，道路采用雙向兩車(chē)道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，瀝青路面結(jié)構(gòu)，道路設(shè)計(jì)時(shí)速50 km/h，道路兩側(cè)均存在土路肩，土路肩兩側(cè)為農(nóng)田，道路兩側(cè)土路肩均采用放坡+植被護(hù)坡形式，路基邊坡存在水土流失現(xiàn)象，沖刷痕跡明顯，局部路段路基邊溝存在堵塞情況。

本次試驗(yàn)路段總長(zhǎng)度為50 m，采用的路基防護(hù)形式是塑鋼板樁+鍍鋅圓管+鍍鋅方管+拖板板樁的高強(qiáng)度塑鋼組合板樁防護(hù)型式：分別在道路兩側(cè)土路肩施工安裝一排高2.0 m FA型高強(qiáng)度塑鋼板樁，組合打入長(zhǎng)4.0 m鍍鋅圓管，每隔四張F(tuán)A型塑鋼板樁設(shè)置一張拖板，以鍍鋅方管連接，拖板略短于前端塑鋼板樁，起到加固作用，施工現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與方法

塑鋼板樁現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)主要針對(duì)路基防護(hù)工程試驗(yàn)段變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要包括樁頂豎向位移、樁頂水平位移、土體深層水平位移和樁體表面土壓力等觀測(cè)項(xiàng)目[3]。通過(guò)對(duì)樁頂位移、樁體變形及樁土壓力的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)可以判別支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而判斷其工程運(yùn)用可行性。

2.1.1樁頂豎向位移及樁頂水平位移

樁頂位移監(jiān)測(cè)包括樁頂豎向位移及樁頂水平位移，支護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂位移直接體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性。現(xiàn)場(chǎng)塑鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂豎向及水平位移通過(guò)采用徠卡高精度全站儀TM50結(jié)合棱鏡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，徠卡Nova TM50集成了市場(chǎng)上最高精度的測(cè)角和測(cè)距系統(tǒng)。樁頂位移監(jiān)測(cè)采用定點(diǎn)后方交會(huì)法，在開(kāi)始監(jiān)測(cè)前，用全站儀對(duì)各測(cè)點(diǎn)反復(fù)測(cè)量多次，待數(shù)值連續(xù)3次穩(wěn)定后取平均值作為初始坐標(biāo)值，以后每次測(cè)量前均通過(guò)三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，確定無(wú)誤后再以固定順序依次測(cè)出各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的即時(shí)坐標(biāo)，記錄在專(zhuān)用觀測(cè)表內(nèi)，與初始坐標(biāo)相比，即可計(jì)算出樁頂累計(jì)豎向位移量和水平位移量及相應(yīng)的變化速率，分析并判斷塑鋼板樁穩(wěn)定性。

2.1.2土體深層水平位移

土體深層水平位移監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)路肩深層土體側(cè)向位移，監(jiān)測(cè)結(jié)果是判斷土體是否有失穩(wěn)預(yù)兆的有力依據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)土體深層水平位移監(jiān)測(cè)采用加拿大Roctest公司生產(chǎn)的Profil數(shù)字式測(cè)斜儀結(jié)合CXG6070型測(cè)斜管進(jìn)行，測(cè)斜裝置由測(cè)斜管、測(cè)斜儀、數(shù)字測(cè)讀儀三部分組成，測(cè)斜儀的探頭滑輪基距為500 mm，分辨率為0.005 mm。測(cè)斜管采用2 m一根標(biāo)準(zhǔn)測(cè)斜管組成，測(cè)斜管內(nèi)部對(duì)稱分布四條十字型凹槽，作為測(cè)斜儀上下滑行的軌道。測(cè)斜儀通過(guò)監(jiān)測(cè)儀器軸線與鉛垂線之間傾角的變化量，進(jìn)而計(jì)算測(cè)斜管各深度測(cè)點(diǎn)的水平變形與位移，判斷樁土穩(wěn)定性。

2.1.3樁體表面土壓力

樁體表面土壓力大小的監(jiān)控量測(cè)可以識(shí)別樁土接觸狀態(tài)，通過(guò)樁體表面土壓力大小的變化過(guò)程可判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變化方向，并且在土壓力變化趨勢(shì)和速率分析的基礎(chǔ)上可以間接判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)塑鋼板樁的穩(wěn)定性。現(xiàn)場(chǎng)塑鋼板樁樁土壓力監(jiān)測(cè)通過(guò)在塑鋼板樁樁土接觸位置埋設(shè)振弦式土壓力計(jì)，并利用振弦式數(shù)據(jù)采集儀采集原始頻率數(shù)據(jù)，基于每個(gè)土壓力計(jì)對(duì)應(yīng)計(jì)算參數(shù)即可獲取相應(yīng)土壓力，進(jìn)而分析樁土接觸土壓力變化量和樁土穩(wěn)定性。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要布置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，斷面之間間隔20 m左右，塑鋼板樁現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目布置示意圖如圖2所示：樁頂豎向位移及樁頂水平位移分別布置于道路兩側(cè)，共計(jì)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；土體深層水平位移布置在道路左側(cè)，測(cè)斜管布置在離板樁0.5 m處的土體中，測(cè)斜管長(zhǎng)3 m，外露30 cm左右；樁土表面土壓力僅布置在道路左側(cè)樁土接觸面處，沿路基頂面向下每隔1 m埋設(shè)一個(gè)土壓力計(jì)，每個(gè)斷面埋設(shè)2個(gè)，共埋設(shè)6個(gè)。

3 試驗(yàn)成果與分析

本研究現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)始于2019年4月17日，期間每周采集一次數(shù)據(jù)，截止于2019年10月16日，共采集有效數(shù)據(jù)27組。

3.1 樁頂豎向位移及樁頂水平位移監(jiān)測(cè)成果與分析

通過(guò)與初始采集數(shù)據(jù)的比較，計(jì)算獲得累計(jì)樁頂豎向位移及累計(jì)樁頂水平位移，累計(jì)樁頂豎向位移及水平位移時(shí)程曲線如圖3，圖4所示。

通過(guò)圖3，圖4可知，樁頂豎向位移及樁頂水平位移整體偏小，樁頂累計(jì)豎向位移最大值不超過(guò)0.8 mm，樁頂累計(jì)水平位移最大值不超過(guò)2 mm，且在小范圍內(nèi)波動(dòng)，數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定。基于GB 50497—2009建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，本項(xiàng)目塑鋼板樁路基支護(hù)結(jié)構(gòu)深度為2.0 m，視為三級(jí)基坑，頂部豎向位移的預(yù)警值為0.5%h～0.6%h(h為基坑開(kāi)挖深度)，頂部水平位移的預(yù)警值為0.6%h～0.8%h，計(jì)算得出本項(xiàng)目的樁頂豎向和水平位移預(yù)警值分別為10.0 mm～12 mm和12 mm～16 mm。結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)程曲線可以得出，樁頂最大豎向及水平位移均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)預(yù)警值，路基處于穩(wěn)定狀態(tài)，塑鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)路肩邊坡的支護(hù)作用得到了充分發(fā)揮，塑鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 土體深層水平位移監(jiān)測(cè)成果與分析

通過(guò)與初始數(shù)據(jù)的比較計(jì)算得出沿樁身各數(shù)據(jù)采集深度位置的位移，各監(jiān)測(cè)斷面位移與深度的關(guān)系曲線如圖5～圖7所示。

通過(guò)圖5～圖7可知，路肩土體深層即1.5 m～3.0 m之間基本沒(méi)有發(fā)生位移，完全處于穩(wěn)定狀態(tài)。路肩土體淺層即0.5 m～1.5 m之間施工完成后監(jiān)測(cè)初期存在少量變形，監(jiān)測(cè)后期逐漸減少并趨于穩(wěn)定，位移最大位置位于最頂端即測(cè)深0.5 m處，斷面1、斷面2、斷面3的最大位移分別為6.69 mm，5.06 mm和7.68 mm。基于GB 50497—2009建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，本研究塑鋼板樁路基支護(hù)結(jié)構(gòu)深度為2.0 m，視為三級(jí)基坑，深層水平位移的預(yù)警值為0.9h～1.0%h(h為基坑開(kāi)挖深度)，則本研究的深層水平位移預(yù)警值為18 mm～20 mm。結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及位移—深度關(guān)系曲線可以得出，實(shí)測(cè)深層水平位移均小于預(yù)警值，路肩邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，塑鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 樁體表面土壓力監(jiān)測(cè)成果與分析

通過(guò)與初始數(shù)據(jù)的比較，分析計(jì)算得出各個(gè)監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)土壓力變化值，各斷面土壓力變化量時(shí)程曲線圖如圖8所示。

由圖8可知，3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的樁體表面土壓力變化量都很小，最大變化量均不超過(guò)1.5 MPa，且一直在小范圍內(nèi)波動(dòng)，以此反映出樁土接觸情況良好，塑鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于塑鋼板樁路基生態(tài)防護(hù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，綜合分析樁頂豎向位移及樁頂水平位移、土體深層水平位移與樁體表面土壓力監(jiān)測(cè)成果表明：塑鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之間監(jiān)測(cè)結(jié)論吻合，均表明現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路段樁土接觸良好，路肩邊坡中不存在滑動(dòng)面，高強(qiáng)度塑鋼組合板樁處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)，安全可靠性高；高強(qiáng)度塑鋼組合板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)合理情況下發(fā)揮的支護(hù)作用是顯著的，實(shí)用性強(qiáng)。