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摘 要：为研究旋挖钻配合人工分步开挖抗滑桩桩孔的施工过程，结合临沧临翔至清水河高速公路滑坡工程，对开挖过程中桩孔地表、桩底土体及开挖完成后护壁的位移进行了研究分析。结果表明：在开挖过程中，地表面随着距桩孔位移的增大，先沉降后鼓起，孔底土层向上隆起，呈“反扣锅底”形。
关键词：分步开挖;地表;孔底;变形
中图分类号：U445.55+1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0034-03
Numerical Analysis on Construction Technology of Anti-slide Pile with Rotary Drilling and Manual Step-by-Step Excavation
LI Derong1 CHEN Gang1 MA Shaoming1 ZHU Farui2 YU Feng2
（1.Yunnan Transportation Group Highway Construction Co.， Ltd.， Kunming Yunnan 650000;
2. Yunnan Jiaotong Road Construction Sixth Engineering Co.， Ltd.， Kunming Yunnan 650000）
Abstract：In order to study the construction process of anti-slide pile hole excavated by rotary drilling combined with artificial step by step， combined with the landslide project of Linxiang to Qingshuihe expressway in Lincang， the displacement of the surface of the pile hole， the soil at the bottom of the pile and the retaining wall after excavation were studied and analyzed. The study results show that in the process of excavation， the displacement of the ground surface increases with the distance of the pile hole increasing， and settlement firstly，then the soil layer at the bottom of the bore up uplift that shows "button the bottom of the pot shape".
Keywords：sequential excavation; ground; hole bottom; deformation
目前，滑坡是高邊坡最常见的灾害[1-2]，而针对滑坡，施工方案中多采用抗滑桩[3]。实际工程中，桩孔就相当于截面较小的深基坑，其最大的不同点在于基坑是先支护后开挖，而桩孔是先开挖后支护。传统的机械钻孔施工效率高，不太容易受环境变化的影响，可有效降低施工安全风险，但是对于矩形抗滑桩，其应用关键是其成孔难，相比圆形桩，其钻孔器具复杂，施工操控难度大。另外，机械成孔一般不设护壁，对于软土地基，不设护壁可能会导致塌孔等诸多问题，而人工挖孔施工效率慢，安全风险高。
不少学者对此做了研究，周鹏等[4]以重庆市渝中区龙家湾实际工程为例，选取“分步开挖无支护”和“分步开挖即时支护”两种工况点，结果表明，分步开挖及时支护更有利于保证边坡的稳定性。赵尚毅等[5]采用有限元强度折减法，选取路堑高边坡为研究对象，通过对“整体开挖完后再支护”和“开挖一级支护一级”两种施工方案开挖、支护施工过程中的有限元模拟分析，得出后者更有利于边坡的稳定性的结论。
在软岩等复杂环境下的地区，旋挖钻配合人工分步开挖桩孔的研究较少，本文以实际工程案例建模并计算，对开挖过程中桩孔附近地表、桩底土体的变形进行了研究分析。
1 工程概况
以临沧临翔至清水河高速公路第LQTJ3-2标段K98+840～K99+080滑坡项目为依托，K98+840～K99+080段滑坡位于耿马县勐简乡勐简村委会芒嘎组附近，高程介于530～560 m，相对高差约20 m，属于构造溶蚀地貌区，地形起伏相对较大。该填方段原先主要为耕地。滑坡区地貌属构造溶蚀地貌区，该区海拔高程处500～700 m，相对高差50～200 m不等，自然坡角范围为25°～45°，局部坡角达70°，其山势明显受构造控制，山间谷地较空阔，地表主要为黏性土覆盖。
2 现场工艺流程
首先利用旋挖钻机的圆形钻头对桩体核心部位进行钻进并挖除核心部位土方，然后对矩形桩体轮廓线土层进行人工削挖，按照矩形桩体轮廓线修整完毕后，进行混凝土护壁施工，待混凝土护壁成型后，再次利用旋挖钻机继续钻孔并挖除孔内土方，依次交替进行施工，直至成孔。
桩孔开挖的施工过程可归纳为：旋挖钻开挖第N节土体（N为开挖步数）→人工削挖多余土体→绑扎护壁钢筋→支护壁模板→浇筑第N节护壁混凝土→护壁混凝土强度达到75%后拆模→开挖下一节。
3 数值模拟
3.1 模型尺寸 现以在建的临沧临翔至清水河高速公路K98+940断面为典型断面，使用有限元ABAQUS软件建立桩孔分步开挖模型。边坡断面的地质情况见图1，图中阴影部分为桩孔开挖区域，桩孔深28 m，截面尺寸为2.6 m×3.6 m，其中护壁厚度为30 cm。
3.2 模型材料
由圖1可知，共有5种材料，地基主要为粉质黏土，桩底持力层为砾石和卵石，靠近山体部分为岩层。各材料参数见表1。
在Interaction模块中通过设置Model Change中的Deactivated（移除）或Reactivated（重新激活）来实现桩孔开挖与护壁施工，桩孔分步开挖共28步，每次开挖1 m，每一步开挖后消除相应土体的接触单元，每一层护壁施工后，激活相应的护壁与土体的接触单元。
模型的边界条件参照实际工程中进行设置，在图1中，固定模型有限元区域底部的位移和转角，即限制X、Y与Z方向的移动，模型的前后两侧限制Y方向移动，其余面均为自由态。
3.3 结果分析
通过使用ABAQUS软件计算，取该断面桩孔开挖的第10步、18步及28步，来分析这三种情况下的桩孔附近地表的沉降及孔底的变形规律，最后对开挖完成后护壁的变形进行相应分析。
为了方便表示，护壁方位示意如图2所示。
3.3.1 开挖过程中地表沉降。从图3、图4可以看出，开挖第10、18、28步完成后，离桩孔近的区域，地基表面的竖向位移是负值，即沉降。在前期开挖过程中，随着距桩孔位移的增大，地基表面的竖向位移出现由负值过渡到正值再缓慢增大的趋势，即地表面随着距桩孔位移的增大，先沉降后鼓起。而在后期的开挖过程中，桩孔地表面的竖向位移均为负值，随着距桩孔位移的增大，竖向位移逐渐减小，即沉降逐渐减小。随着开挖步数的增大，桩孔地表土体的最大竖向位移也逐渐变大。并且在同一步开挖后，桩孔左侧的竖向位移小于右侧的竖向位移。
3.3.2 孔底变形。随着桩孔开挖深度的增加，孔底土体受到上覆土层卸荷作用而产生回弹，同时孔外土体向孔内有一定的水平移动，孔底边角处土体受到孔外土体向孔内的挤压作用，最终导致了孔内土体竖直方向产生隆起变形。
图5是开挖第10、18和28步后孔底的竖向位移关系图，由于位移为正，即孔底土层隆起，从图中可以看出，这三种情况下产生的位移规律基本一致，都是孔底边角处的隆起量最小，孔底中央的隆起量最大。这是因为开挖面以上土体所产生的自重应力被释放，引起孔底土体产生一定的卸荷回弹，孔底隆起呈“反扣锅底”形。并且随着开挖步数的增加，这种规律越来越强烈，隆起量的最大值越来越大。第10、18和28步开挖完成后的隆起量的最大峰值出现在与桩孔左壁距离2.70 m处，最大峰值分别为4.10 mm、5.24 mm和6.39 mm，开挖第28步结束后，即开挖完成。
4 结论
通过选用旋挖钻配合人工分步开挖桩孔的施工方案，施工效率快，开挖效果好，再使用ABAQUS来分析第10、18及28步的桩孔附近地表的沉降及孔底的变形规律，最后对开挖完成后护壁的变形进行了相应分析，发现以下结论。
①在前期开挖过程中，随着距桩孔位移的增大，地基表面的竖向位移出现从负值过渡到正值在缓慢增大的趋势，即地表面随着距桩孔位移的增大，先沉降后鼓起。而在后期的开挖过程中，桩孔地表面的竖向位移均为负值，随着距桩孔位移的增大，竖向位移逐渐减小，即沉降逐渐减小。
②孔底土层向上隆起，呈“反扣锅底”形，变形规律都是在孔底两角处的隆起量最小，孔底中央的隆起量最大。
③孔底土层变形随着开挖步数的增加，这种规律越来越强烈，隆起量的最大值越来越大。
参考文献：
[1] 郑颖人，陈祖煜，王恭先，等.边坡与滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2007.
[2] 刘远兴，雷用，康景文.边坡工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.
[3] 王恭先，王应先，马会民.滑坡防治100例[M].北京：人民交通出版社，2008.
[4] 周鹏，吴曙光，朱博莉.复杂条件下岩质边坡施工过程数值模拟[J].后勤工程学院学报，2012，（3）：6-10.
[5] 赵尚毅，郑颖人，唐树名.路堑边坡施工顺序对边坡稳定性影响数值模拟分析[J].地下空间，2003（4）：370-374，454.
关键词：分步开挖;地表;孔底;变形
中图分类号：U445.55+1 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）24-0034-03
Numerical Analysis on Construction Technology of Anti-slide Pile with Rotary Drilling and Manual Step-by-Step Excavation
LI Derong1 CHEN Gang1 MA Shaoming1 ZHU Farui2 YU Feng2
（1.Yunnan Transportation Group Highway Construction Co.， Ltd.， Kunming Yunnan 650000;
2. Yunnan Jiaotong Road Construction Sixth Engineering Co.， Ltd.， Kunming Yunnan 650000）
Abstract：In order to study the construction process of anti-slide pile hole excavated by rotary drilling combined with artificial step by step， combined with the landslide project of Linxiang to Qingshuihe expressway in Lincang， the displacement of the surface of the pile hole， the soil at the bottom of the pile and the retaining wall after excavation were studied and analyzed. The study results show that in the process of excavation， the displacement of the ground surface increases with the distance of the pile hole increasing， and settlement firstly，then the soil layer at the bottom of the bore up uplift that shows "button the bottom of the pot shape".
Keywords：sequential excavation; ground; hole bottom; deformation
目前，滑坡是高邊坡最常见的灾害[1-2]，而针对滑坡，施工方案中多采用抗滑桩[3]。实际工程中，桩孔就相当于截面较小的深基坑，其最大的不同点在于基坑是先支护后开挖，而桩孔是先开挖后支护。传统的机械钻孔施工效率高，不太容易受环境变化的影响，可有效降低施工安全风险，但是对于矩形抗滑桩，其应用关键是其成孔难，相比圆形桩，其钻孔器具复杂，施工操控难度大。另外，机械成孔一般不设护壁，对于软土地基，不设护壁可能会导致塌孔等诸多问题，而人工挖孔施工效率慢，安全风险高。
不少学者对此做了研究，周鹏等[4]以重庆市渝中区龙家湾实际工程为例，选取“分步开挖无支护”和“分步开挖即时支护”两种工况点，结果表明，分步开挖及时支护更有利于保证边坡的稳定性。赵尚毅等[5]采用有限元强度折减法，选取路堑高边坡为研究对象，通过对“整体开挖完后再支护”和“开挖一级支护一级”两种施工方案开挖、支护施工过程中的有限元模拟分析，得出后者更有利于边坡的稳定性的结论。
在软岩等复杂环境下的地区，旋挖钻配合人工分步开挖桩孔的研究较少，本文以实际工程案例建模并计算，对开挖过程中桩孔附近地表、桩底土体的变形进行了研究分析。
1 工程概况
以临沧临翔至清水河高速公路第LQTJ3-2标段K98+840～K99+080滑坡项目为依托，K98+840～K99+080段滑坡位于耿马县勐简乡勐简村委会芒嘎组附近，高程介于530～560 m，相对高差约20 m，属于构造溶蚀地貌区，地形起伏相对较大。该填方段原先主要为耕地。滑坡区地貌属构造溶蚀地貌区，该区海拔高程处500～700 m，相对高差50～200 m不等，自然坡角范围为25°～45°，局部坡角达70°，其山势明显受构造控制，山间谷地较空阔，地表主要为黏性土覆盖。
2 现场工艺流程
首先利用旋挖钻机的圆形钻头对桩体核心部位进行钻进并挖除核心部位土方，然后对矩形桩体轮廓线土层进行人工削挖，按照矩形桩体轮廓线修整完毕后，进行混凝土护壁施工，待混凝土护壁成型后，再次利用旋挖钻机继续钻孔并挖除孔内土方，依次交替进行施工，直至成孔。
桩孔开挖的施工过程可归纳为：旋挖钻开挖第N节土体（N为开挖步数）→人工削挖多余土体→绑扎护壁钢筋→支护壁模板→浇筑第N节护壁混凝土→护壁混凝土强度达到75%后拆模→开挖下一节。
3 数值模拟
3.1 模型尺寸 现以在建的临沧临翔至清水河高速公路K98+940断面为典型断面，使用有限元ABAQUS软件建立桩孔分步开挖模型。边坡断面的地质情况见图1，图中阴影部分为桩孔开挖区域，桩孔深28 m，截面尺寸为2.6 m×3.6 m，其中护壁厚度为30 cm。
3.2 模型材料
由圖1可知，共有5种材料，地基主要为粉质黏土，桩底持力层为砾石和卵石，靠近山体部分为岩层。各材料参数见表1。
在Interaction模块中通过设置Model Change中的Deactivated（移除）或Reactivated（重新激活）来实现桩孔开挖与护壁施工，桩孔分步开挖共28步，每次开挖1 m，每一步开挖后消除相应土体的接触单元，每一层护壁施工后，激活相应的护壁与土体的接触单元。
模型的边界条件参照实际工程中进行设置，在图1中，固定模型有限元区域底部的位移和转角，即限制X、Y与Z方向的移动，模型的前后两侧限制Y方向移动，其余面均为自由态。
3.3 结果分析
通过使用ABAQUS软件计算，取该断面桩孔开挖的第10步、18步及28步，来分析这三种情况下的桩孔附近地表的沉降及孔底的变形规律，最后对开挖完成后护壁的变形进行相应分析。
为了方便表示，护壁方位示意如图2所示。
3.3.1 开挖过程中地表沉降。从图3、图4可以看出，开挖第10、18、28步完成后，离桩孔近的区域，地基表面的竖向位移是负值，即沉降。在前期开挖过程中，随着距桩孔位移的增大，地基表面的竖向位移出现由负值过渡到正值再缓慢增大的趋势，即地表面随着距桩孔位移的增大，先沉降后鼓起。而在后期的开挖过程中，桩孔地表面的竖向位移均为负值，随着距桩孔位移的增大，竖向位移逐渐减小，即沉降逐渐减小。随着开挖步数的增大，桩孔地表土体的最大竖向位移也逐渐变大。并且在同一步开挖后，桩孔左侧的竖向位移小于右侧的竖向位移。
3.3.2 孔底变形。随着桩孔开挖深度的增加，孔底土体受到上覆土层卸荷作用而产生回弹，同时孔外土体向孔内有一定的水平移动，孔底边角处土体受到孔外土体向孔内的挤压作用，最终导致了孔内土体竖直方向产生隆起变形。
图5是开挖第10、18和28步后孔底的竖向位移关系图，由于位移为正，即孔底土层隆起，从图中可以看出，这三种情况下产生的位移规律基本一致，都是孔底边角处的隆起量最小，孔底中央的隆起量最大。这是因为开挖面以上土体所产生的自重应力被释放，引起孔底土体产生一定的卸荷回弹，孔底隆起呈“反扣锅底”形。并且随着开挖步数的增加，这种规律越来越强烈，隆起量的最大值越来越大。第10、18和28步开挖完成后的隆起量的最大峰值出现在与桩孔左壁距离2.70 m处，最大峰值分别为4.10 mm、5.24 mm和6.39 mm，开挖第28步结束后，即开挖完成。
4 结论
通过选用旋挖钻配合人工分步开挖桩孔的施工方案，施工效率快，开挖效果好，再使用ABAQUS来分析第10、18及28步的桩孔附近地表的沉降及孔底的变形规律，最后对开挖完成后护壁的变形进行了相应分析，发现以下结论。
①在前期开挖过程中，随着距桩孔位移的增大，地基表面的竖向位移出现从负值过渡到正值在缓慢增大的趋势，即地表面随着距桩孔位移的增大，先沉降后鼓起。而在后期的开挖过程中，桩孔地表面的竖向位移均为负值，随着距桩孔位移的增大，竖向位移逐渐减小，即沉降逐渐减小。
②孔底土层向上隆起，呈“反扣锅底”形，变形规律都是在孔底两角处的隆起量最小，孔底中央的隆起量最大。
③孔底土层变形随着开挖步数的增加，这种规律越来越强烈，隆起量的最大值越来越大。
参考文献：
[1] 郑颖人，陈祖煜，王恭先，等.边坡与滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2007.
[2] 刘远兴，雷用，康景文.边坡工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.
[3] 王恭先，王应先，马会民.滑坡防治100例[M].北京：人民交通出版社，2008.
[4] 周鹏，吴曙光，朱博莉.复杂条件下岩质边坡施工过程数值模拟[J].后勤工程学院学报，2012，（3）：6-10.
[5] 赵尚毅，郑颖人，唐树名.路堑边坡施工顺序对边坡稳定性影响数值模拟分析[J].地下空间，2003（4）：370-374，454.