砂土明挖之技术研发－砂土护坡式开挖施工工艺

袁媛 随灿

（郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450000）

一般砂质土壤明挖边坡的潜在破坏面存在负孔隙压力，使边坡不会在刚开挖时发生破坏。但当土壤饱和度降低到零，负孔隙压力消散到零，则边坡一定发生崩塌。故维持明挖边坡土壤饱和度，是维持砂土边坡不崩塌的重要条件。

本研究以阶段式开挖及钢丝网喷凝土护坡封层，保持切坡下土壤的饱和度，使切坡后的负孔隙水压及毛细应力不消散，用以维持边坡潜在破坏面在开挖期间的外视凝聚力，而不发生崩塌及保持砂土切坡为楔形破坏，并因护坡壳使砂土切坡后饱和度不变，维持开挖解压后的负孔隙压力不排水，即强制砂土在开挖期间属于短期强度应力行为。本研究护坡封层范围超过潜在破坏面 2m 以上，维持砂土边坡潜在破坏面内的饱和度，在无地震下完成开挖深度 5.5m 之 70°、60°、55°砂土边坡，配合切坡上倾斜变位计管边坡侧向变位量测值及STEDWin2.7、RISS计算机程序分析边坡安全系数，成功印证阶段式开挖配合钢丝网喷凝土护坡封层之砂土明挖技术的可行性及经济性。

1 研究目的

目前国内部分地区的山坡地挡土墙施工，习惯先垂直削坡，扎钢筋封模板再打混凝土，可是多数挡土墙施工在垂直削坡时，若遇砂性土壤，发生崩塌埋死工人的意外时有所闻，尤其砂土地盘无凝聚力、排水排气能力佳，垂直开挖时负孔隙压力消散快，崩塌时间亦快，施工上安全性更低，故本研究以砂土为主，如何突破传统明挖方式限制，而使明挖工艺更安全、更经济。

2 工地验证

2.1 工地试验规划

试验规划以 90°、75°、60°三种不同斜坡明挖角度，在开挖面20m×10m 的空地，预定开挖至 6m 深，并维持一个月监测，评估此明挖技术的可行性。

2.2 地层分布与土壤参数

试验场地地下开挖到 GL-6.9m，采用筏基，地下一层(大卖场)基地面积为 13246m2。地表面回填土层厚度 1.7m，回填土以下至深度 14.4m 为 N=10 粉质粗中细砂，深度 14.4m~20m为粉质细砂夹粉土薄层。

2.3 施工步骤

地表整平及放样→地表钢丝网喷凝土封层→监测仪器埋设→初始值量测→第一阶段开挖→第一阶段护坡→第二阶段开挖与护坡→第三阶段开挖与护坡→监测→回填整平→测量饱和度变化

2.4 相关试验

①开挖面尺寸测量：开挖底面为12m ×8.2m 的长方形，实际深度 5.5m。

②各坡面角度测量：以水平尺吊垂球测量。表1为边坡实际角度量测数据，北侧平均坡角 55°、南侧平均坡角60°、西侧平均坡角 70°。

表1 边坡角度测量纪录

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

④直接剪力试验：由工地取回土样进行室内直接剪力快剪 Q 试验，得未饱和砂土C=2.6 t/m2、ψ=28.5°，而工地取回的砂土进行直剪快剪 Q 试验， C=1.6 t/m2、ψ=29.3°。故切坡护坡应力分析采用保守的 C=1.6 t/m2、ψ≒28°。

⑤饱和度测量：以砂锥法、含水量及土粒比重推算，开挖至底面时平均饱和度为 16.08%，开挖到底搁置一个月后，地表封层破除并开挖至 GL-2m 深，计算平均饱和度为39.22%，而无护坡封层处，平均饱和度为 8.81%。[1]

⑥安息角测量：砂土平均安息角为 32°。

3 结果分析

3.1 毛细应力分析

地下水位在GL－7.5m，毛细高度位于GL-7.5M~ GL-6.13M,在开挖面GL-5.5m下方，斜坡应力分析不受毛细应力影响。

3.2 斜坡明挖含混凝土壳护坡的稳定分析

砂土地盘护坡式开挖技术，其中钢丝网喷凝土护坡可提供土壤与护坡壳介面间的摩擦力，维持砂土孔隙压力，使砂土不发生颗粒松散而剥落，确保低凝聚力砂土破坏为楔形破坏[2]，故以土楔应力平衡分析各切坡的安全系数。

3.3 程序分析

3.3.1 STEDWin2.7 程序分析

若砂土边坡不考虑C值，所有边坡安全系数皆远小于1，处于危险状态，但现地边坡却站立31天，故C值保守采用重模土壤的直剪快剪试验数据1.6t/m2，其分析如图1-3所示。北侧切坡60°(55°边坡)最小安全系数1.34，南侧切坡75°(60°边坡)最小安全系数1.22，西侧切坡90°(70°边坡)最小安全系数1.07。STEDWin2.7分析考虑边坡直接开挖完成到GL-5.5m，而非模拟分阶段开挖与护坡后再挖之程序，故其分析所得安全系数与本研究应力分析所得稍有不同，但除90°切坡外其余FS皆大于1.2属于安全侧。

图1 北侧切坡考虑 C 值最小安全系数

图2 南侧切坡考虑 C 值最小安全系数

图3 西侧切坡考虑 C 值最小安全系数

3.3.2 RISS(Real-time Instrumentation System for Slope)边坡实时分析软件

根据倾斜管监测资料，用以回馈分析开挖坡体稳定之状态，通过其分析结果得知各开挖边坡安全系数皆大于 1.2，经31 天后安全系数并无减少，其中南侧切坡 75°(60°边坡)由于坡顶为物料堆放区，故回馈分析出之安全系数小于西侧切坡90° (70°边坡)。

各分析方法与各阶段之边坡安全系数，整理如表2所示。

3.4 安全性评估

依照地表护坡封层，阶段式随开挖随护坡技术，确实可缩短砂土暴露时间，而护坡范围增大，也可阻挡雨水渗入破坏面，延长坡面稳定时间[3]。若对于地质状况安全性存有疑虑，可在地表护坡封层前，以钢轨桩离边坡 1m 处打设稳定桩，间距 1m 一支，打穿 45°主动破坏面，抵挡破坏土楔的下滑力，再进行开挖护坡。

表2 各分析方法与各阶段的安全系数

3.5 施工性评估

与传统明挖工艺比较，只增加地表护坡封层，施工上并无困难度。施工建议：

1 冬季施工，砂土边坡降水产生的毛细高度随温度降低而增高，故对开挖坡面稳定较有帮助。

2 此工艺仅于 N=10 的砂土降水后的工地试验成功，故适用于 N>10的砂土降水后工地，而黏土地盘有凝聚力存在，孔隙压力消散慢，应更适用此法。

3 地表护坡封层范围应超过潜在破坏面 2m 以上，封层以10cm 厚 RC(一排钢筋)为佳，并预留可焊钢筋，与开挖后坡面钢丝网焊接。

4 护坡时采用钢丝网喷凝土，可均匀将水泥砂浆覆盖于砂土颗粒，若采用模版灌浆方式，则需振动捣实。

3.6 经济效益评估

本试验成本含回填夯实及监测系统，共花费 390,000 元，若以工地规模(139.75m × 75.05m × 6.9m)作为比较依据，将成本依比例放大(不考虑监测系统与部份回填)，相当于花费5,883,000 元。就同样工地规模而言，连续壁工艺工程成本约36,260,000 元，排桩工艺工程成本约 16,920,000 元，钢板桩工艺工程成本约 12,920,000 元。护坡式开挖工艺成本约为连续壁工艺的 1/6，排桩工艺的 1/3，钢板桩工艺的 1/2。

4 结语

①由现场切坡试验显示，部份饱和砂饱和度，在地表护坡封层将蒸发水气阻挡下而增加，更可维持负孔隙压力的存在，强制砂土在开挖期间为短期不排水强度应力行为，增加坡面安全性。

②砂土地盘护坡式明挖技术施工程序相对于传统明挖工艺，只增加地表护坡封层，施工上并无困难度，不会影响工期。

③本研究砂土护坡式明挖工地监测数据显示，开挖完成后各变位管位移平均速率日变化量未达 0.1mm，月变化量未达2mm，经 STEDWin2.70 及 RISS 程序分析后，各边坡安全系数皆大于 1，而 RISS 分析成果显示，各坡面历经单日累积雨量 3.5mm，雨强度 1.5mm/hr 并搁置 31 天后强制拆除，安全系数并无降低。

④护坡式开挖工法成本约为连续壁工艺 1/6，排桩工艺1/3，钢板桩工艺1/2。

⑤土钉式护坡明挖技术，可更安全与更省护坡面积，且更安全地在砂土进行护坡式明挖。

[1]雷振甫,陆剑.“铁板砂”土层基槽开挖施工工艺研究[J].建筑科学.2012（12）：12-13.

[2]许金明.粉砂土路基边坡防护措施[J].黑龙江交通科技.2013（7）：78-79.

[3]苏培坚.砂土膜袋围堰在珠江三角水利工程施工应用[J].商品与质量：房地产研究.2014（2）：111-112.