一种膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩及施工方法

摘要

本发明公开了一种膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩及施工方法，包括嵌固段、储水段和弹性段，嵌固段包括第一钢筋混凝土预制桩和第一钢筋混凝土护壁，第一钢筋混凝土预制桩与第一钢筋混凝土护壁之间浇筑有混凝土，储水段包括第二钢筋混凝土预制桩和第二钢筋混凝土护壁，第二钢筋混凝土预制桩与第二钢筋混凝土护壁之间填充有碎石，弹性段包括第三钢筋混凝土预制桩和混凝土桩，混凝土桩由多个弧形混凝土预制件拼接而成。本发明将抗滑桩分为弹性段、储水段和嵌固段，通过弹性段的变形来协调膨胀土在经历干湿循环时的胀缩变形，可有效防止竖向拉裂隙的产生，从而显著减小表层降水的下渗，在充分发挥抗滑能力的同时实现对膨胀土胀缩变形的协调控制。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩及施工方法。

背景技术

膨胀土是一种以强亲水性矿物，如蒙脱石、伊利石等为主要组成成分的高塑性粘土，其主要特征是吸水后产生显著的膨胀变形，失水后产生显著的收缩变形，同时还具有多裂隙性、超固结性和强度衰减性。由于其工程特性复杂难以治理常常被称为“问题土”，给工程建设造成许多困扰。

膨胀土地区的土坡，如路堤、路堑、渠道边坡等常发生失稳滑坡。膨胀土边坡的失稳机理为：降雨时膨胀土吸水膨胀使土块内部结构胀松，显著降低了土块的强度指标；干燥时，膨胀土失水收缩形成拉裂隙，使边坡表层土体结构劣化；而拉裂隙又可作为下次降雨时雨水快速入渗的通道，从而在干湿作用下导致土体强度的进一步劣化以及拉裂隙的进一步扩张；此外，降雨入渗后还会显著的提高土体内部的孔隙水压力，导致其有效应力的降低；上述因素综合作用下膨胀土边坡最终发生溃散式的整体失稳。

目前工程界对膨胀土边坡尚且没有完善的处理办法，主要采用的方法是整体换填非膨胀土；或者将弱膨胀土通过掺加水泥、石灰等材料进行改性成非膨胀土换填，换填的主要作用是压重，次要作用是封闭膨胀土，但是该方法工程量较大，成本高，且不能从根本上防止滑坡的发生。

抗滑桩是治理滑坡的有效工程措施，已广泛应用于边坡治理中。它靠桩插入滑床以下的稳定地层中来提供阻滑力，加上桩身对桩周土体的嵌制作用来稳定坡体。也有不少学者对抗滑桩进行了大量的研究和改进，提出了较多新型的抗滑桩，如各种类型的排水抗滑桩。虽然膨胀土本身具有胀缩性，但其也具有超固结性，在不经历干湿循环作用或经历少量干湿循环作用时强度较大，膨胀土边坡也十分稳定。但边坡表层土体在经历多次干湿循环后会产生大量的宏观与微观裂隙，这一方面破坏了坡体的完整性，另一方面为降雨快速入渗提供了通道，继而威胁到边坡整体的稳定性。因此，保持膨胀土边坡稳定性的关键在于防止表层降水的快速下渗。常规抗滑桩无法解决膨胀土边坡入渗的问题，而各种类型的排水抗滑桩则侧重于对土体内部孔隙水的渗排，同样无法有效阻止雨水下渗。由于上述原因，已有类型的抗滑桩很难有效解决膨胀土边坡的失稳问题。

针对已有类型抗滑桩在治理膨胀土边坡时的技术缺陷，本发明提供了一种既能控制表层降水快速下渗、又能及时将入渗水排出的新型抗滑桩。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩及施工方法。本发明通过弹性段的变形来协调膨胀土在经历干湿循环时的胀缩变形，在膨胀土吸水膨胀时弹性段收缩，而在其脱水收缩时弹性段变形恢复，不给宏观拉裂隙的产生提供变形空间，可有效防止竖向拉裂隙的产生，从而显著减小表层降水的下渗。在充分发挥抗滑桩整体的抗滑能力的同时实现对膨胀土胀缩变形的协调控制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩，其特征在于，包括自下而上依次分布的嵌固段、储水段和弹性段，所述嵌固段包括第一钢筋混凝土预制桩和套装于第一钢筋混凝土预制桩外侧的第一钢筋混凝土护壁，所述第一钢筋混凝土预制桩与第一钢筋混凝土护壁之间浇筑有混凝土，所述储水段包括第二钢筋混凝土预制桩和套装于第二钢筋混凝土预制桩外侧的第二钢筋混凝土护壁，所述第二钢筋混凝土预制桩与第二钢筋混凝土护壁之间填充有碎石，所述弹性段包括第三钢筋混凝土预制桩和套装于第三钢筋混凝土预制桩外侧的混凝土桩，所述混凝土桩为圆筒状结构，混凝土桩由多个弧形混凝土预制件拼接而成，相邻两个弧形混凝土预制件之间通过弹簧组件连接，第三钢筋混凝土预制桩与多个弧形混凝土预制件之间均设置有弹性组件，所述弹性组件包括沿第三钢筋混凝土预制桩的轴向均匀布设的多个弹性件，所述弹性件的一端固定于弧形混凝土预制件的内侧，弹性件的另一端固定于第三钢筋混凝土预制桩的外侧。

上述的一种膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩，其特征在于，所述第一钢筋混凝土预制桩和第二钢筋混凝土预制桩为一体式结构，所述第一钢筋混凝土护壁和第二钢筋混凝土护壁为一体式结构。

上述的一种膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩，其特征在于，相邻两个弧形混凝土预制件之间且位于弹簧组件的两侧均设置有折叠构件，所述折叠构件的左端与位于其左侧的弧形混凝土预制件固定连接，折叠构件的右端与位于其右侧的弧形混凝土预制件固定连接。

上述的一种膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩，其特征在于，所述折叠构件包括两个折叠板，两个折叠板通过转轴转动连接，两个折叠板之间设置有压缩弹簧，所述折叠板上沿折叠板的厚度方向设置有通孔。

上述的一种膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩，其特征在于，位于弹簧组件外侧的折叠构件的外表面设置有土工膜。

上述的一种膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩，其特征在于，所述压缩弹簧的一端固定于一个折叠板的内侧，压缩弹簧的另一端固定于另一折叠板的内侧。

上述的一种膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩，其特征在于，所述弹簧组件包括设置于相邻两个弧形混凝土预制件之间且沿混凝土桩的轴向均匀布设的多个弹簧件。

上述的一种膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩，其特征在于，所述弹性件为钢制弹簧，所述弹性段上方设置有桩盖。

上述的一种膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩，其特征在于，所述第三钢筋混凝土预制桩与混凝土桩之间形成集水空隙，所述弧形混凝土预制件的外侧设置有与集水空隙相连通的集水管。

另外，本发明还提供了一种上述膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据实际施工地的气候条件，确定当地的降雨极限工况，利用下式计算降水入渗深度：

其中h为降雨浸湿深度，单位为米；k为土体饱和渗透系数，单位为米/小时；t为持续降雨时间，单位为小时；S₀为土体初始饱和度；n为土体孔隙率；

步骤二、根据步骤一中计算得到的降水入渗深度h，设计弹性段的长度为h～(h+0.5)米；根据实际施工地形及边坡的勘察资料确定基岩面的深度，从而确定储水段的长度，使储水段的底部位于基岩面上，并设计嵌固段的长度为抗滑桩总长度的1/3～2/5；

步骤三、在边坡上进行钻孔施工，钻孔施工过程中浇注混凝土护壁，形成第一钢筋混凝土护壁和第二钢筋混凝土护壁，将第一钢筋混凝土预制桩和第二钢筋混凝土预制桩置于钻孔内；

步骤四、在第一钢筋混凝土护壁和第一钢筋混凝土预制桩之间浇筑混凝土，形成嵌固段，所述嵌固段固定于基岩内；在第二钢筋混凝土护壁和第二钢筋混凝土预制桩之间填充碎石，形成储水段；

步骤五、在第三钢筋混凝土预制桩外壁焊接弹性组件，然后将多个弧形混凝土预制件置于第三钢筋混凝土预制桩外侧并与相应位置的弹性组件焊接连接，再将相邻两个弧形混凝土预制件之间用弹簧组件连接，形成弹性段；

步骤六、将弹性段置于钻孔内且位于储水段上方，然后用桩盖盖在弹性段上方。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明设置弹性段，通过弹性段的变形来协调膨胀土在经历干湿循环时的胀缩变形，在膨胀土吸水膨胀时弹性段收缩，而在其脱水收缩时弹性段变形恢复，不给宏观拉裂隙的产生提供变形空间，可有效防止竖向拉裂隙的产生，从而显著减小表层降水的下渗。

2、本发明利用弹性段外部的集水管体系将坡体内部入渗的少量降水收集至储水段，能够快速有效排出入渗水。

3、本发明将抗滑桩分为弹性段、储水段和嵌固段，充分的发挥了抗滑桩整体的抗滑能力，并利用其变形特征实现了对膨胀土胀缩变形的协调控制。

4、本发明的弹性段的结构包括内部的钢筋混凝土预制桩、外部离散的多个弧形混凝土预制件、以及两者之间的弹性组件和相邻两个弧形混凝土预制件之间的弹簧组件，具有适应土体变形能力强、恢复弹性好、有利于集水等优点；本发明优选在弹簧组件的两侧设置开设通孔的折叠构件，并在弹簧组件外侧的折叠构件的外表面设置土工膜，有效的起到隔土渗水的作用。相比于其他类型的排水抗滑桩在结构上具有显著的创新性。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的变形自适应排水抗滑桩的主视图。

图2为本发明弹性段的横截面示意图。

图3为图2的A处的局部放大图。

图4为本发明折叠构件的结构示意图。

图5为本发明储水段的横截面示意图。

图6为本发明嵌固段的横截面示意图。

图7为本发明变形自适应排水抗滑桩在边坡上的位置示意图。

附图标记说明:

1—嵌固段； 2—储水段； 3—弹性段；

4—第一钢筋混凝土预制桩； 5—第一钢筋混凝土护壁；

6—混凝土； 7—第二钢筋混凝土预制桩；

8—第二钢筋混凝土护壁； 9—碎石；

10—第三钢筋混凝土预制桩；11—弧形混凝土预制件；

12—弹簧组件；13—弹性件；

14—折叠构件；14-1—折叠板；

14-2—转轴；14-3—通孔；

14-4—压缩弹簧；15—集水空隙；

16—集水管；17—桩盖。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2、图5和图6所示，本发明的膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩，包括自下而上依次分布的嵌固段1、储水段2和弹性段3，所述嵌固段1包括第一钢筋混凝土预制桩4和套装于第一钢筋混凝土预制桩4外侧的第一钢筋混凝土护壁5，所述第一钢筋混凝土预制桩4与第一钢筋混凝土护壁5之间浇筑有混凝土6，所述储水段2包括第二钢筋混凝土预制桩7和套装于第二钢筋混凝土预制桩7外侧的第二钢筋混凝土护壁8，所述第二钢筋混凝土预制桩7与第二钢筋混凝土护壁8之间填充有碎石9，所述弹性段3包括第三钢筋混凝土预制桩10和套装于第三钢筋混凝土预制桩10外侧的混凝土桩，所述混凝土桩为圆筒状结构，混凝土桩由多个弧形混凝土预制件11拼接而成，相邻两个弧形混凝土预制件11之间通过弹簧组件12连接，第三钢筋混凝土预制桩10与多个弧形混凝土预制件11之间均设置有弹性组件，所述弹性组件包括沿第三钢筋混凝土预制桩10的轴向均匀布设的多个弹性件13，所述弹性件13的一端固定于弧形混凝土预制件11的内侧，弹性件13的另一端固定于第三钢筋混凝土预制桩10的外侧。

本实施例中，所述第一钢筋混凝土预制桩4和第二钢筋混凝土预制桩7为一体式结构，所述第一钢筋混凝土护壁5和第二钢筋混凝土护壁8为一体式结构。

如图2所示，本实施例中，相邻两个弧形混凝土预制件11之间且位于弹簧组件12的两侧均设置有折叠构件14，所述折叠构件14的左端与位于其左侧的弧形混凝土预制件11固定连接，折叠构件14的右端与位于其右侧的弧形混凝土预制件11固定连接。

如图3和图4本实施例中，所述折叠构件14包括两个折叠板14-1，两个折叠板14-1通过转轴14-2转动连接，两个折叠板14-1之间设置有压缩弹簧14-4，所述折叠板14-1上沿折叠板14-1的厚度方向设置有通孔14-3。

本实施例中，位于弹簧组件12外侧的折叠构件14的外表面设置有土工膜。

本实施例中，所述压缩弹簧14-4的一端固定于一个折叠板14-1的内侧，压缩弹簧14-4的另一端固定于另一折叠板14-1的内侧。

本实施例中，所述弹簧组件12包括设置于相邻两个弧形混凝土预制件11之间且沿混凝土桩的轴向均匀布设的多个弹簧件。

本实施例中，所述弹性件13为钢制弹簧，所述弹性段3上方设置有桩盖17。

本实施例中，所述第三钢筋混凝土预制桩10与混凝土桩之间形成集水空隙15，所述弧形混凝土预制件11的外侧设置有与集水空隙15相连通的集水管16。

实施例2

本发明的膨胀土边坡用变形自适应排水抗滑桩的施工方法，包括以下步骤：

步骤一、根据实际施工地的气候条件，确定当地的降雨极限工况，利用下式计算降水入渗深度：

其中h为降雨浸湿深度，单位为米；k为土体饱和渗透系数，单位为米/小时；t为持续降雨时间，单位为小时；S₀为土体初始饱和度；n为土体孔隙率；

步骤二、根据步骤一中计算得到的降水入渗深度h，设计弹性段3的长度为h～(h+0.5)米，具体长度可根据经验，结合当地膨胀土边坡的失稳深度最终确定；根据实际施工地形及边坡的勘察资料确定基岩面的深度，从而确定储水段2的长度，使储水段2的底部位于基岩面上，并设计嵌固段1的长度为抗滑桩总长度的1/3～2/5，具体长度可根据实际施工现场情况以及抗滑桩治理工程设计规范确定；

步骤三、在边坡上进行钻孔施工，钻孔施工过程中浇注混凝土护壁，形成第一钢筋混凝土护壁5和第二钢筋混凝土护壁8，将第一钢筋混凝土预制桩4和第二钢筋混凝土预制桩7置于钻孔内；

步骤四、在第一钢筋混凝土护壁5和第一钢筋混凝土预制桩4之间浇筑混凝土6，形成嵌固段1，所述嵌固段1固定于基岩内；在第二钢筋混凝土护壁8和第二钢筋混凝土预制桩7之间填充碎石9，形成储水段2；

步骤五、在第三钢筋混凝土预制桩10外壁焊接弹性组件，然后将多个弧形混凝土预制件11置于第三钢筋混凝土预制桩10外侧并与相应位置的弹性组件焊接连接，再将相邻两个弧形混凝土预制件11之间固定折叠构件14和弹簧组件12，形成弹性段3；

步骤六、如图7所示，将弹性段3置于钻孔内且位于储水段2上方，然后用桩盖17盖在弹性段3上方。

本发明的排水抗滑桩在使用时，通过弹性段的特殊结构，使得膨胀土在吸水膨胀时弹性段收缩，而在其脱水收缩时弹性段变形恢复，不给宏观拉裂隙的产生提供变形空间，可有效防止竖向拉裂隙的产生，从而显著减小表层降水的下渗。通过在弹性段设置集水空隙，弹性段上的集水管能够将坡体内部入渗的少量降水通过集水空隙收集至储水段，从而快速有效排出入渗水。本发明的排水抗滑桩具有适应土体变形能力强、恢复弹性好、有利于集水等优点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。