一种利用螺旋桩锚杆加固膨胀土路堑边坡的方法与流程

本发明属于道路路堑边坡加固工程领域，具体涉及一种路堑边坡抗滑加固方法，尤其是一种利用螺旋桩加固公路膨胀土路堑边坡的方法。

背景技术：

膨胀土路堑边坡加固措施主要有护墙、挡土墙、抗滑桩、边坡锚固、土钉等方式。目前，常用的是在路基边坡坡脚处设置挡土墙，在相邻级边坡平台上垂直向下设置一排钢筋混凝土桩柱，用以支挡坡体的滑动力，起稳定边坡的作用，抗滑桩适用于浅层和中厚层的路基边坡，施工时需要人工分段开挖桩孔，每开挖一段用钢筋混凝土进行护壁施工，混凝土养护达到设计强度后，开挖下一段桩孔，直到开挖至设计位置，将事先绑扎好的钢筋笼沉入桩孔内，然后浇注水泥混凝土。使用抗滑桩和坡脚挡土墙来加固膨胀土边坡，抗滑桩施工时对坡体扰动大、施工程序复杂、施工效率低、经济费用高、且人工开挖时存在安全隐患，施工环境差，达不到生态环境的要求；另外，如果局部边坡较陡(坡率大于1∶5时)，土体抗剪强度将达到极值，由于膨胀土的蠕变效应，土体抗剪强度达到极值后，变形会进一步增加，土体抗剪强度反而减小，路堑边坡容易造成局部失稳现象。边坡锚固是指在坡面钻孔，植入锚杆，灌浆之后进行预应力张拉、锚固。该技术常用于坡面加固中，由于在锚杆中施加预应力，使路基边坡呈现受压状态，防止边坡侧滑。但是该技术钻孔直径较小，预应力锚杆长度大，造成其抗剪、抗弯强度低，无法抵抗土体下滑引起的锚杆弯矩和剪切力。

中国专利cn104452784a一种用于边坡加固的复合锚杆桩及其施工工艺，包括锚杆和注浆体，注浆体填充于锚杆周围，锚杆包括自由段和锚固段，锚杆的自由段一侧固定有注浆管，注浆管与锚杆成一体，锚杆的自由段外侧设有土工布，锚杆的锚固段的顶端横向固定有预留钢筋，预留钢筋与横梁主筋相固定，横梁主筋外侧架设有横梁。但该发明在施工过程中需先对坡体进行钻孔，再置入锚杆灌浆，对于场地和空间要求比较高，施工难度大，不适用于膨胀土和失陷性土体区，在钻孔过程中往往造成膨胀土或失陷性土体的边坡的滑塌，同时该发明缺少边坡体滞水的排出措施，如果膨胀土坡体内的滞水不能及时排出，将会造成边坡的侧向滑移。而螺旋桩具有快速安装、绿色环保，无传统打桩噪音或振动，无开挖，无建筑垃圾，土体内无须护壁和排水，节省时间等优点，但尚没有很好的应用于加固膨胀土路堑边坡之中。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，充分利用螺旋桩的优点，考虑加固膨胀土路堑边坡本身的特点和要求，将螺旋桩的优点运用于加固膨胀土路堑边坡，采用螺旋桩锚杆+喷射混凝土坡面加固路堑边坡，因此提供一种利用螺旋桩锚杆加固膨胀土路堑边坡的方法。该方法从上至下，边开挖边支护，施工快速，作业空间要求低，施工设备轻便，进出场地方便，受施工条件影响小，且边坡土体内无须护壁和排水，无水泥桩养护阶段；通过将螺旋桩分段钻入膨胀土路堑边坡土体，与承压板和挂网喷射混凝土锚固成一体，并对螺旋桩锚杆的承载力进行测试加压，提高螺旋桩锚杆的张拉预应力，增强了边坡的整体强度与稳定性；施工时边坡变形较小，坡面上结构物(排水沟，片石等)受影响小，不易出现开裂等问题；螺旋桩杆及螺旋叶片孔径大，且以纵横向等距呈正方形布置在路堑边坡坡体，锚固抗弯抗剪抗拔能力强；喷射混凝土后的土工复合排水带，能够有效排除坡体滞水，从而降低了路堑边坡土体水压，增加了边坡长期稳定性；边坡坡面喷射混凝土，有效地减少了坡面的暴露面积，降低了外界环境对边坡土体的影响，对于膨胀土土体边坡长期稳定性尤为重要。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种利用螺旋桩锚杆加固膨胀土路堑边坡的方法，包括如下步骤：

(1)坡面开挖，按照坡率要求开挖至螺旋桩锚杆安装位置下部0.3-0.9米(优选为0.4-0.8米，更优先为0.5-0.7米，最优选为0.6米)，坡顶设置截水沟，最大未支撑开挖高度小于2.8米；

(2)安装螺旋桩锚杆，确定螺旋桩锚杆位置，按照设计的角度安装螺旋桩锚杆至设计深度，安装过程中记录安装扭矩，安装扭矩需要满足最小安装扭矩要求；优选地利用与挖掘机液压系统相连的动力装置将螺旋桩锚杆按照设计角度钻入路堑边坡坡体至设计深度；

(3)铺设土工复合排水带，螺旋桩锚杆施工完毕后，在两纵向螺旋桩锚杆中心位置沿坡面向下铺设土工复合排水带；

(4)安装初层混凝土钢筋网，并在钢筋网上安装表面深度标记，以确保钢筋网处在喷射混凝土厚度的中间位置，确保喷射混凝土与坡面紧密粘合，优选地在喷射混凝土之前，湿润坡面；

(5)喷射初层混凝土，初层混凝土喷射前用pvc管套筒将螺旋桩锚杆露出部分套住，用于隔离混凝土与锚杆，然后再喷射初层混凝土；

(6)初层喷射混凝土覆盖养生，并根据气温情况进行洒水；

(7)安装承压板，初层喷射混凝土达到设计强度后，将承压板套入螺旋桩锚杆，对安装完成的螺旋桩锚杆进行承载力测试加压，并拧紧螺栓，以有效提高螺旋桩锚杆在土体内的张拉预应力；

(8)安装终层混凝土钢筋网，其钢筋网布置及伸缩缝设置原则同初层喷射混凝土；

(9)喷射终层混凝土，终层混凝土喷射时需保证初层混凝土喷射面湿润，以保证喷射混凝土与初层混凝土喷射面紧密贴合。

(10)终层喷射混凝土覆盖养生，养生方式同初层喷射混凝土；

(11)继续开挖边坡至下一排锚杆或平台位置，安装竖向土工复合排水带，安装螺旋桩锚杆或在平台位置直接喷射混凝土，在边坡平台设置排水沟；

(12)继续下一级开挖，重复步骤(1)到(11)；

(13)直到开挖至一级边坡坡脚，安装最下一排螺旋桩；

(14)进一步地，重复步骤(3)-(10)；

(15)检查验收。

更具体地，所述螺旋桩锚杆长度为6～15米，优选为p1级6米、p2级10米、p3级15米，所述螺旋桩锚杆包括螺旋桩和螺旋锚杆，所述螺旋桩与螺旋锚杆通过螺栓连接，利用与挖掘机液压系统相连的动力装置将螺旋桩分段钻入路堑边坡坡体，并与承压板和挂网喷射混凝土锚固成一体，螺旋桩锚杆安装完毕。

根据路堑的开挖深度设置边坡坡级和坡率，路基垂直向上距离10米为一级边坡，一级边坡坡率为1∶1.5，一级边坡坡脚垂直向上距离6米为二级边坡，二级边坡坡率为1∶1.5，二级边坡坡脚向上6米为三级边坡，三级边坡坡率为1∶1.75，相邻级边坡设置4米宽边坡平台，边坡平台处设置40×40厘米排水沟，边坡坡顶外设置截水沟，坡面设置土工复合排水带以排除边坡体内滞水。

所述一级边坡共设置四排螺旋桩锚杆，所述螺旋桩锚杆以纵横向布置在路堑边坡坡体，优选等距呈正方形布置在路堑边坡坡体，更优选纵横向间距均为2米布置在路堑边坡坡体，最下排螺旋桩锚杆距坡脚距离宜为2米，最下排螺旋桩锚杆优先为p1级6米，其余三排螺旋桩锚杆优选为p3级15米；二、三级边坡分别设置两排螺旋桩锚杆，其间距、布置形式同一级边坡，锚杆分别为优选p2级10米、p1级6米，其中，螺旋桩锚杆外边缘至坡顶距离不宜小于0.5米。

所述螺旋桩锚杆，p1级6米安装扭矩为42～63kn，最小安装扭矩为42kn，失稳状态下荷载63kn，服务极限状态下荷载42kn，测试验证荷载63kn；p2级10米安装扭矩为60～90kn，最小安装扭矩为60kn，失稳状态下荷载90kn，服务极限状态下荷载60kn，测试验证荷载90kn；p3级15米安装扭矩为144～216kn，最小安装扭矩为144kn，失稳状态下荷载216kn，服务极限状态下荷载144kn，测试验证荷载216kn。

所述螺旋桩壁厚优选为1厘米，优选口径为9厘米，包括带螺旋叶片的旋入段和自由段，旋入段长度优选为3米，旋入段螺旋桩杆径上设置三个螺旋叶片，叶片直径由尖端到另一端逐渐变大，所述螺旋叶片直径为25～45厘米，螺旋叶片与旋入段螺旋桩杆径焊接在一起，所述旋入段包括尖端和固定端，尖端钻入边坡土体，固定端设置有三个贯穿的螺纹孔，自由段长度为3～5米，其一端与旋入段固定端相同，另一端为套筒，套筒上有三个贯穿的螺纹孔与旋入段固定端通过螺栓连接，旋入段与自由段之间、自由段与自由段之间、旋入段与动力装置之间、自由段与动力装置之间均可以用螺栓连接。

所述螺旋锚杆包括套筒和螺杆，套筒和螺杆之间通过螺栓连接，套筒与所述螺旋桩自由段一端通过螺栓连接，螺杆的直径2.5-3.5厘米，优选为2.8厘米。

所述土工复合排水带厚度为2.5厘米，包括宽度40厘米排水板、土工格栅、土工布和直径5厘米pvc排水管，所述复合排水带安装顺序为：在路堑边坡坡面由下至上纵向分别设置塑料排水板、土工格栅、土工布，并用两纵排钢筋把它们固定到坡体，在坡脚与排水带之间设置pvc管(优选倾斜10％)，边坡坡体内的水通过排水带、pvc管排入平台排水沟或路基边沟内，优选地排水带横向间距为2米，布置于两纵向螺旋桩中间位置，沿坡面铺设至距每级边坡平台或坡脚30厘米处，土工复合排水带应于坡面喷射初层混凝土前先行安装完毕。

所述喷射混凝土坡面包括初层c20喷射混凝土、承压板和终层c20喷射混凝土，初层喷射混凝土、承压板和终层喷射混凝土均与螺旋桩锚杆锚固连接；优选地初层c20喷射混凝土为15厘米厚，终层c20喷射混凝土为26厘米厚。

所述初层c20喷射混凝土，在喷射混凝土之前，要注重坡面清理，将坡面松动浮土清除干净后方可施工，每段喷层内采用直径6毫米hpb400钢筋网连续配置，纵横向间距为15厘米，钢筋采用梅花点绑扎，安装钢筋网时，在钢筋网上均匀布置表面深度标记，以确保钢筋网处在喷射混凝土厚度的中间位置，以在喷射混凝土时确保足够的喷射厚度，并湿润坡面，确保喷射混凝土与坡面紧密粘合，喷射混凝土每隔10～15厘米设置伸缩缝，缝宽2厘米，采用弹性沥青填缝板堵塞。

进一步地，初层喷射混凝土抗压强度达到28.2mpa(28天)时，安装承压板，将承压板套入螺旋桩锚杆，并嵌入初层喷射混凝土2厘米，用螺栓与螺旋锚杆连接将承压板固定，承压板安装完毕。

承压板安装完毕后，再喷射终层混凝土，其钢筋网布置及伸缩缝设置原则同初层喷射混凝土，终层混凝土喷射时需保证初层混凝土喷射面湿润，以保证喷射混凝土与初层混凝土喷射面紧密贴合。

承压板安装时，在承压板上下面分别铺设4根直径20毫米hrb400钢筋，以保护承压板，横向钢筋通长布置，纵向钢筋超出承压板边缘不低于70厘米；其中，承压板下面4根钢筋，2根横向和2根纵向连续置于螺旋桩锚杆四周，处于初层喷射混凝土中间，承压板上面4根钢筋(2根横向和2根纵向)连续置于距离承压板上部4厘米。

所述承压板的长宽均为35厘米、高为4.4厘米厚的正方体，正方体中心有一直径为2.8厘米的穿孔，在正方体四角均匀安装四个螺钉，正方体每一侧两螺钉之间的距离为25厘米，所述螺钉杆直径为1.9厘米，螺帽直径为3.18厘米。

本发明的有益效果为：

1.该方法从上至下，边开挖边支护，施工快速，作业空间要求低，施工设备轻便，进出场地方便，受施工条件影响小，且边坡坡体内无须护壁和排水，无水泥桩养护阶段；

2.通过将螺旋桩分段钻入膨胀土路堑边坡土体，与承压板和挂网喷射混凝土锚固成一体，并对螺旋锚杆的承载力进行测试加压，提高螺旋桩锚杆的张拉预应力，增强了边坡的整体强度与稳定性；

3.施工时边坡变形较小，坡面上结构物(排水沟，片石等)受影响小，不易出现开裂等问题；螺旋桩杆及螺旋叶片孔径大，且以纵横向等距呈正方形布置在路堑边坡坡体，锚固抗弯抗剪抗拔能力强；

4.喷射混凝土后的土工复合排水带，能够有效排除坡体滞水，从而降低了路堑边坡土体水压，增加了边坡长期稳定性；

5.边坡坡面喷射混凝土，有效地减少了坡面的暴露面积，降低了外界环境对边坡土体的影响，对于膨胀土土体边坡长期稳定性尤为重要。

附图说明

图1是本发明路基横向断面设计图；

图2是路堑边坡坡面竖向布置图；

图3是喷射混凝土和螺旋桩锚杆安装细节图；

图4是螺旋锚杆桩身设计图；

图5是承压板图；

图6是相邻坡级边坡平台排水细节图；

图7是混凝土挡土墙与螺旋桩组合加固边坡图；

图中：1.截水沟，2.坡顶，3.地面线，4.路基，5.边沟，6.边坡(6a为一级边坡、6b为二级边坡、6c为三级边坡)，7.相邻级边坡平台，8.边坡平台排水沟，9.螺旋桩锚杆(9a为p1级、9b为p2级、9c为p3级)，10.承压板，11.土工复合排水带，12.直径5厘米pvc排水管，13.终层喷射混凝土表面，14.横向通长布置的直径20毫米钢筋2根，15.竖向布置的直径20毫米钢筋2根，16.直径50厘米pvc管，17.置于初层喷射混凝土的中间的直径6毫米间距15厘米×15厘米钢筋网，18.厚15厘米c20初层喷射混凝土，19.厚26厘米c20终层喷射混凝土，20.置于终层喷射混凝土中间的直径6毫米间距15厘米×15厘米钢筋网，21.置于螺旋桩头四周的直径20厘米4根钢筋(2根横向和2根纵向连续)，22.螺栓，23.连续置于距离承压板上部4厘米处的直径20厘米4根钢筋(2根横向和2根纵向)，24.螺旋叶片，25.螺旋桩杆，26.桩套头，27.螺钉，28.直径2.8厘米穿孔，29.混凝土挡土墙。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例：

本实施例中所用螺旋桩锚杆为p1级6米、p2级10米、p3级15米，其形状和尺寸见表1、图5所示。其中，d1、d2、d3分别为螺旋叶片24a、24b、24c的直径，l1为螺旋叶片24a和螺旋叶片24b之间的距离，l2为螺旋叶片24b和螺旋叶片24c之间的距离，l3为螺旋叶片24c和螺旋桩杆固定端之间的距离，l4为螺旋桩杆尖端和螺旋叶片24a之间的距离，螺旋桩杆25a与螺旋桩杆25b长均为3米，螺旋桩杆25c长为3米或4米，螺旋桩杆之间通过桩套头26用螺栓连接。

表1螺旋桩锚杆尺寸

本实施例中路基4至坡顶2的距离是22.7米，设置三级边坡，相邻级边坡设置边坡平台7，路基垂直向上距离10米为一级边坡6a，一级边坡坡率为1∶1.5，一级边坡平台7垂直向上距离6米为二级边坡6b，二级边坡坡率为1∶1.5，二级边坡平台以上为三级边坡6c，三级边坡坡率为1∶1.75，边坡平台7宽为4米，并在边坡平台7上设置40×40厘米排水沟8，边坡坡顶2外设置截水沟1，在坡面设置土工复合排水带11。

在一级边坡6a设置四排螺旋桩锚杆，其中最下一排为p1级螺旋桩锚杆9a，其余三排为p3级螺旋桩锚杆9c，螺旋桩锚杆以纵横向间距均为2米呈正方形布置在路堑边坡坡体，最下排至坡脚距离为2米；二、三级边坡均设置两排螺旋桩锚杆，分别为p2级螺旋桩锚杆9b和p1级螺旋桩锚杆9a，其间距、布置形式同一级边坡，其中，螺旋桩锚杆外边缘至坡顶距离不宜小于0.5米。

安装角度：一级边坡6a设置的螺旋桩锚杆9a和9c与水平方向的夹角为35度，二级边坡6b设置的螺旋桩锚杆9b与水平方向的夹角为30度，三级边坡6c设置的螺旋桩锚杆9a与水平方向的夹角为25度。

如图1-7所示，本实施例利用螺旋桩锚杆加固膨胀土路堑边坡的方法，包括如下步骤：

(1)三级坡面坡顶开挖，在地面线3上按照坡率要求开挖至螺旋桩锚杆安装位置下部0.6米，坡顶2以外设置截水沟1，开挖高度2.7米；

(2)安装螺旋桩锚杆，按照设计图纸对螺旋桩桩位放样，确定螺旋桩锚杆位置，按照设计的角度，通过与挖掘机液压系统相连的动力装置将螺旋桩锚杆9按照设计角度钻入路堑边坡坡面至设计深度，安装过程中记录安装扭矩，安装扭矩需要满足最小安装扭矩要求，p1级6米最小安装扭矩为42kn，p2级10米最小安装扭矩为60kn，p3级15米最小安装扭矩为144kn，见表2所示；

表2螺旋桩锚杆加载参数表

(3)铺设土工复合排水带，螺旋桩锚杆施工完毕后，在两纵向螺旋桩锚杆中心位置沿坡面向下铺设土工复合排水带11，其厚度为2.5厘米，包括宽度40厘米排水板、土工格栅、土工布和直径5厘米pvc排水管12，所述土工复合排水带11的安装顺序为：在路堑边坡坡面由下至上纵向分别设置塑料排水板、土工格栅、土工布，并用两纵排钢筋把它们固定到土体，在坡脚与排水带之间设置pvc管(倾斜10％)12，边坡坡体内的水通过排水带11和pvc管12排入平台排水沟8或路基边沟5，土工复合排水带11的横向间距为2米，布置于两纵向螺旋桩中间位置，沿坡面铺设至距每级边坡平台或坡脚30厘米处；

(4)安装初层混凝土钢筋网，一级边坡螺旋桩锚杆6a、6c和土工复合排水带11安装完毕后，将坡面松动浮土清除干净，在一级边坡坡面及坡顶铺设钢筋网17，钢筋网采用直径6毫米hpb400钢筋连续配置，纵横向间距为15厘米，钢筋采用梅花点绑扎，并在钢筋网上安装表面深度标记，以确保钢筋网处在喷射混凝土厚度的中间位置，围绕锚杆额外加4根20毫米hrb400钢筋21，2根横向和2根纵向连续置于螺旋桩锚杆9四周，横向钢筋14通长布置，纵向钢筋15超出承压板10边缘不低于70厘米；

(5)喷射初层混凝土，初层混凝土18喷射前用直径50厘米pvc管套筒16将螺旋桩锚杆9露出部分套住，用于隔离混凝土18与螺旋桩锚杆9，在喷射混凝土之前，湿润坡面，确保喷射混凝土与坡面紧密粘合，然后再喷射初层混凝土18，喷射混凝土每隔10～15厘米设置伸缩缝，缝宽2厘米，采用弹性沥青填缝板堵塞；

(6)初层喷射混凝土覆盖养生，并根据气温情况进行洒水；

(7)安装承压板，初层喷射混凝土18强度达到28.2mpa(28天)时，将承压板10套入螺旋桩锚杆9，利用千斤顶对安装完成的螺旋桩锚杆9进行承载力测试加压，使螺旋桩锚杆9具有一定的张拉预应力，将承压板10嵌入初层喷射混凝土18中2厘米，拧紧螺栓22，螺旋桩锚杆9测试加压荷载见表2所示，所用承压板10的长宽均为35厘米、高为4.4厘米厚的正方体，正方体中心有一直径为2.8厘米的穿孔28，在正方体四角均匀安装四个螺钉27，正方体每一侧两螺钉27之间的距离为25厘米，螺钉杆27直径为1.9厘米，螺帽直径为3.18厘米，详见图6所示；

(8)安装终层混凝土钢筋网，其钢筋网20布置及伸缩缝设置原则同初层喷射混凝土18，在承压板10上部4厘米处面铺设4根直径20毫米hrb400钢筋23，2根横向和2根纵向连续置，横向钢筋14通长布置，纵向钢筋15超出承压板10边缘不低于70厘米，4根钢筋固定在承压板10四角的四个螺钉27上；

(9)喷射终层混凝土，终层混凝土19喷射时需保证初层混凝土18喷射面湿润，以保证喷射混凝土与初层混凝土18喷射面紧密贴合；

(10)终层喷射混凝土19覆盖养生，养生方式同初层喷射混凝土18；

(11)继续开挖边坡至下一排锚杆或平台位置，安装竖向土工复合排水带11，安装螺旋桩锚杆9或在边坡平台7直接喷射混凝土，在边坡平台7设置排水沟8；

(12)继续下一级开挖，重复步骤(1)到(11)；

(13)直到开挖至一级边坡坡脚，安装最下一排螺旋桩。

(14)重复步骤(3)-(10)；

(15)检查验收。

以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围，如图7所示，利用混凝土挡土墙29替换一级边坡最下一排螺旋桩加固路基的方式等。