单排微型桩加固缓倾长大裂隙土边坡的力学机制

马鹏杰,魏 凯,康静伟,芮 瑞,蔡正乾,夏荣基

(1.中国南水北调集团中线有限公司 渠首分局,南阳 473000; 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司,武汉 430010;3.武汉理工大学 土木工程与建筑学院,武汉 430070)

0 引 言

膨胀土具有失水收缩、吸水膨胀的特性,使得膨胀土边坡在干湿循环作用下,坡体内部容易形成长大裂隙。当膨胀土边坡受到风雨侵蚀时,雨水可以通过纵向裂隙流入边坡土体内部,从而扩大纵向裂隙延伸范围,导致大量纵向裂隙相互交错,在某一土体深度处逐渐形成缓倾裂隙,为可能发生的滑坡灾害提供了滑面。王小波等[1]研究发现膨胀土边坡容易出现裂隙密集和规模较大的缓倾角长大裂隙。陆定杰等[2]研究发现前缘缓倾长大裂隙和后缘陡倾裂隙共同组成了膨胀土边坡的滑动面。

按传统的极限平衡理论计算,该类滑坡一般具有较高的稳定性,其发生失稳破坏有其十分特殊的成因机理和形成条件。庞毅玲[3]发现膨胀土边坡失稳多在雨季发生,具有很明显的季节性。殷宗泽等[4]解释了膨胀土滑坡的平缓性、季节性、方向性、浅层性、牵引性和长期性,认为裂缝开展是膨胀土边坡失稳的主要机理之一。张锐[5]将膨胀土边坡破坏模式分为坡面冲刷破坏、浅层牵引滑坡和受结构面控制的破坏。陈强等[6]将膨胀土边坡破坏类型归结为深层破坏、浅层破坏和表面溜塌。郑勇[7]将膨胀土边坡失稳演化过程划分为3个阶段:初始张裂阶段、剪切面扩展阶段、整体变形阶段。邓铭江等[8]发现膨胀土边坡在冻融循环和干湿交替作用下,其内部土力学特性发生劣化,并造成浅层膨胀土开裂。Liang等[9]发现膨胀土的抗剪强度会随着含水量的增加和干湿循环作用显著降低。Xiao等[10]研究发现膨胀土边坡发生浅层滑坡的主要原因是黏聚力的严重衰减。Huang等[11]研究发现干湿循环次数的增加将会造成黏聚力的减小,但内摩擦角受到的影响较小。当含裂隙膨胀土边坡再次处在大量雨水环境下,膨胀土发生吸水膨胀,将会对边坡产生较大推阻力,导致边坡沿前期形成的滑面滑动发生严重的滑坡灾害。

由于缓倾裂隙膨胀土滑坡特殊的成因机理和形成条件,放缓边坡并不能有效地解决膨胀土边坡的稳定性问题[12],工程中大多采用刚性支护和柔性支护相结合的方法对膨胀土边坡进行联合支护。刘雅君和罗文柯[13]认为膨胀土边坡应根据微结构特征与膨胀土的成因,结合刚性支挡、柔性支挡和植被防护进行综合治理。由于膨胀土边坡滑体一般发生在降雨时期且规模较大,快速便捷的加固治理措施将有利于抢险作业。微型桩因其施工快捷灵活、工作面小等优点,在边坡工程应急抢险中得到广泛应用。

微型桩的设计计算理论和力学机制分析方面。逯卓奇等[14]认为现有微型桩加固边坡计算方法通常是基于某种假定或特定限制条件,但实际情况要更为复杂,选取适用的强度理论尤为重要。Andrew[15]采用P-y曲线法计算了无连系梁的微型桩群应力和位移。谷拴成和甄希翠[16]考虑了微型桩加固边坡的土拱效应,提出了微型桩合理桩间距的确定方法。刘续[17]对微型桩的等效土体法和抗剪强度法进行了对比分析,证明了等效土体法的实用性和可靠性。Khan等[18]基于欧拉-伯努利梁的挠度曲线微分方程和温克尔地基梁模型,得到了水平荷载作用下桩的变形和内力计算方法。Abdoliahi等[19]根据微型桩的长径比、倾斜角和桩距对边坡刚度的影响,提出了可用于确定圆形微型桩组的最佳惯性矩的计算公式。Lahuta等[20]从古典混凝土试验中获取微型桩的弯曲系数,结合相关微型桩设计方法对微型桩加固边坡实例进行验证。相较于传统抗滑桩的剪切破坏,微型桩的破坏模式也表现更为多样。邓友生等[21]根据刚度的不同将微型桩的破坏形式分为受弯破坏和弯剪破坏。辛建平等[22]研究发现微型桩在土质边坡中主要发生弯曲破坏,岩土混合边坡中弯剪破坏和弯曲破坏均可能发生,岩质边坡则主要发生剪切破坏。

综上所述,目前国内外对于利用单排微型桩加固缓倾膨胀土边坡的相关理论和力学机制的研究还比较有限。因此,以南水北调工程淅川2标段膨胀土边坡作为工程实例,建立相似模型与数值模型,按照与裂隙面平行方向施加推阻力的破坏模式,开展了不同桩间距的微型桩加固边坡的相似模型试验及数值模拟研究,为微型桩参数设计提供试验依据,对其位移力学特征进行分析,促进其在膨胀土边坡灾害防治中的应用。

1 相似模型试验前期准备

1.1 工程背景

南水北调中线一期工程总干渠淅川段桩号11+700—11+800渠段右岸渠坡挖深约42 m,根据地质勘察资料,该渠段右岸一级马道至四级马道渠坡以粉质黏土为主,土体膨胀性属于中等膨胀或中偏强膨胀,裂隙发育,分布有0°～15°的缓倾裂隙,其中三级边坡高程152.5～156.7 m处分布一层裂隙密集带,如图1所示。在三级边坡坡脚和靠近坡顶处设置了抗滑桩,在针对渠坡的后期监测中观察到裂隙并未因为抗滑桩的设置而停止扩展,反而继续发展变化。为及时遏制裂隙发展,防止发生灾害性滑坡,在二级、三级边坡分别设置预制高强度混凝土微型桩,桩径0.3 m,桩长10 m,桩身混凝土材料C80,并用钢筋混凝土的连梁将每排微型桩进行连接。其中桩间距Xo= 2 m,连梁截面尺寸为ao×bo=0.3 m×0.4 m。

根据有关设计单位对裂隙发展情况的反演分析,推测裂隙面的内摩擦角φof=10°,黏聚力cof=10 kPa。

1.2 相似材料制备

1.2.1 相似比计算

利用试验箱与实际边坡尺寸的比例作为相似比计算标准,以反映桩身抗弯性能的桩身应变参数ε作为参考,对其有关物理参数利用相似第二定理进行量纲分析(其中M表示质量量纲,L表示长度量纲,T表示时间量纲)。影响桩身应变ε的参数有桩身弯矩M(ML2T-2)、桩截面半径r(L)、抗弯刚度EI(ML3T-2)。其中弯矩M(ML2T-2)受到应力水平q(ML-1T-2)、桩截面半径r(L)与桩长l(L)的影响。根据量纲守恒定理可得:

ε=k1(Mr/EI)a,

(1)

M=k2qlbr3-b。

(2)

式中:a、b、k为常数;E为弹性模量;I为截面惯性矩。

按照工程边坡实际尺寸与模型试验的试验箱尺寸比例,将长度相似比设置Cl=15,应变相似比设置Cε= 1。利用式(1)、式(2),结合Iai[23]计算的量纲分析结果,计算得到表1所示的影响参数相似比。

表1 影响参数相似比

需根据表1所示的相似比,配备满足相似比要求的模型土。

1.2.2 试验材料制备

1.2.2.1 相似模型土

为满足相似关系, 需要降低模型土的黏聚力与模量值, 最终选择将黏土、 黄砂、 聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene,EPS)颗粒(降低相似土密度)按照3∶1∶1的比例,制作成相似模型土,通过试验测得其参数,见表2。

表2 相似模型土有关参数

1.2.2.2 裂隙面

在模型试验的边坡中预设裂隙面, 通过试验选定2张聚四氟乙烯薄膜之间涂抹润滑油的方式模拟裂隙面, 通过试验测得裂隙面内摩擦角φmf为10.8°,黏聚力Cmf为0.567 kPa。

1.2.2.3 模型试验桩

利用d=20 mm的尼龙棒作为模型试验桩,采用3D打印的连梁连接,桩长为600 mm,其弹性模量为1.86 GPa,基本满足相似比要求。选择中桩作为测试桩,桩身前后贴有10对半桥应变片,见图2。

图2 模型试验桩

除模型桩弹性模量的实际相似比存在一定的误差(实际相似比20),其他物理量实际相似比与理论相似比接近,试验结果具有参考性。

1.3 试验装置

专门开发了微型单排桩加固缓倾裂隙膨胀土边坡模拟试验装置(专利号:CN 214585405U),见图3。该装置包含填料箱、测力推板以及位移控制系统,测力推板尺寸为500 mm(长)×450 mm(宽),安装有9块500 mm(长)×50 mm(宽)的载荷板。载荷板下安装有应变式悬臂式载荷计,可以实时输出推板不同高度处的推阻力值。推板位移控制系统利用丝杠升降机沿裂隙面方向推动滑体产生滑动。

图3 边坡模型尺寸

1.4 试验方案

根据图1所示的膨胀土多级边坡,其单排微型桩布置在第三级,边坡高度为7 m,分布有0°～15°的裂隙。根据工程的实际情况以及相似比计算的结果,为聚焦研究微型桩对裂隙加固力学机制,将坡比设置为1∶2,针对现场膨胀土边坡中存在长大贯通裂隙情况,设置一个倾角为10°的裂隙滑面,模型桩桩长设置为600 mm,如图3所示。

1.4.1 相似模型试验方案

对加桩边坡以及单排微型桩加固边坡的2处桩位布置点分别进行桩间距为125、167、250 mm的缓倾裂隙面的推移破坏试验。

填土过程中,依据土体密度1.28 g/cm3,计算分层填土时,每层填土所需质量,按照100 mm每层的厚度进行填土并压实,直至到达模型试验的滑裂面位置。滑裂面处铺设特氟龙膜,涂抹润滑剂,然后继续进行填土,相似模型试验材料与试验过程照片见图4。针对桩间距和桩位布置点共设计了6组试验,如图5所示。

图4 模型试验材料与试验过程照片

图5 桩位布置俯视图

通过推板位移控制系统按照滑裂面方向均匀缓慢地推动滑体。利用相机以一定的时间间隔采集试验过程的高清照片,并实时记录推板上载荷计数值。

1.4.2 数值模拟方案

为进一步分析微型桩加固边坡的力学机制,采用PLAXIS 3D软件对微型单排桩加固缓倾裂隙边坡进行数值模拟。根据相似试验物理模型建立了数值模型,包括边坡模型与微型桩的尺寸、布置以及滑面布置等,如图6所示。

图6 微型单排桩加固边坡数值模型

土体强度准则采用摩尔-库伦准则,模型参数与相似试验参数一致。采用与相似试验相同的方式沿平行滑面方向控制边坡滑体位移,对A、B、C、E型布置的微型单排桩共进行了4组数值模拟。

2 试验结果分析

2.1 单排微型桩加固边坡的推阻力分析

通过读取推板推移过程中的载荷计推阻力,得到不加桩情况以及单排微型桩不同桩位布置下的推板推阻力变化情况,将推板位移量Δ与推板有效高度H的比值作为横坐标,绘制不同桩间距和桩位布置下的推阻力-位移变化曲线,如图7所示。通过各曲线的推阻力峰值,绘制推阻力峰值与桩间距的关系曲线,如图8所示。

图7 推阻力-位移变化曲线

图8 推阻力峰值与桩间距的关系曲线

通过图7、图8可以得出:

(1)与不加桩情况相比,布设微型桩会使模型推板推阻力上升,推阻力的稳定值均高于不加桩试验,微型桩在边坡滑动的过程中起到了很好的阻滑效果。

(2)在桩间距相同的情况下,A、C、E型布置的边坡推阻力大于B、D、F型,即微型桩布置在边坡中部较微型桩布置在边坡上1/3位置边坡稳定性更高,原因可能是在边坡承受上部推移作用的工况中,将桩体布置在边坡中部,上段滑面起到了一定抗滑作用,提高了整体抗滑效果。当边坡破坏模式发生改变时,抗滑桩设置位置对边坡稳定性的影响还有待进一步探讨。

(3)推阻力随着桩间距的增大而减小,其减小幅度在逐渐地扩大。桩间距从125 mm增大至167 mm时,其减小幅度较为有限,说明在保障边坡抗滑力的情况下,可以通过合理布置桩间距来利用桩间土体强度以达到节省成本的作用。当桩间距扩大至250 mm时,推阻力减小幅度明显增大,说明桩间距设置不宜过大,建议桩间距取值为8倍桩直径。

2.2 边坡的力学特征分析

为研究缓倾裂隙膨胀土边坡在不同形式微型桩加固条件下的边坡应力状态,根据数值模拟结果,得到了不同桩间距工况下的边坡应力云图,并与相似物理模型试验进行了对比,如图9、图10所示。

图9 推阻力达到峰值时的边坡应力云图

图10 推应力峰值随深度变化曲线

通过图9、图10可以得出:

(1)微型桩与滑面交界处出现应力集中的现象,靠近坡底处的滑体应力水平得到有效控制。微型桩与滑面交界处的应力云图呈现为椭圆状,设计上需要着重对微型桩与滑面交界处桩的抗剪强度进行复核。

(2)应力在沿着边坡滑动方向的传递过程中逐渐消散,被微型桩与滑面阻力逐渐抵消。从剖面图中可以看出,在微型桩与滑面交界处的对角方向分别出现应力集中带,微型桩对边坡下滑起到阻滑作用,提升了缓倾裂隙边坡稳定性。

(3)当桩间距扩大至250 mm时,单排微型桩与滑面交界处的单桩应力影响范围相对独立,说明单根微型桩对于边坡土体的影响范围是有限的。随着桩间距增大到较高值,桩对边坡提供的阻滑力降低,土拱效应减弱,桩之间的相互作用可以忽略。

(4)推应力随着桩间距的增大而减小。数值模拟得到的边坡推应力较模型试验值小,但整体变化趋势是一致的,且误差处于合理范围内,推测可能由于模型箱侧面的摩擦阻力产生了一定的影响。

2.3 微型桩力学特征分析

利用模型试验中桩身应变测量数据以及数值模拟中,读取的A、C、E型布置下微型桩桩身对应位置的弯矩值,绘制了如图11所示各试验推阻力峰值对应的桩身弯矩图。同时,通过对桩身弯矩的计算,可以得到此时的桩身剪力分布情况,如图12所示。

图11 推阻力达到最大值时桩身弯矩分布情况

图12 推阻力达到最大值时桩身剪力分布情况

通过图11、图12可以得出:

(1)滑坡体中的微型桩剪力分布形式为桩顶与桩底小,桩身中间最大,且最大剪力出现在滑面附近,桩身在靠近滑面附近上下两侧,弯矩最大,即滑面附近处的桩体最易产生剪切破坏。

(2)数值模拟试验的桩身弯矩及桩身剪力变化幅度和变化趋势与模型试验值接近,且数值模拟结果在桩底部没有出现正弯矩,而是趋近于0。

(3)桩身弯矩及剪力的变化幅度沿桩埋深逐渐减小,说明对于微型桩抗弯性能的利用率沿桩埋深逐渐减小,过长的微型桩设计可能导致材料浪费。

(4)桩间距从125 mm增大至167 mm时,桩身弯矩及剪力没有明显变化,当桩间距进一步增大至250 mm时,桩身弯矩及剪力值出现明显下降,结合图9 推阻力达到峰值时的边坡应力云图,再次说明过大的桩间距减弱了桩间土拱效应,使得土体受到的推阻力无法有效地传递到桩上,桩体受力减小。针对不同的桩位布置点,合理的桩间距布置能够适当提高对于单桩性能的利用。

3 结 论

在相似模型试验的基础上,建立含裂隙面边坡滑体及微型单排桩模型,开展了相似模型试验及数值模拟,通过对边坡推阻力以及桩体有关力学参数进行分析,得到的主要结论如下:

(1)在实际工程背景下,微型桩作为对缓倾裂隙边坡的应急加固方式,通过对比分析相似模型试验与数值模型试验,验证了其可行性,其表现出了较好的阻滑效果,将边坡推阻力维持在较高水平,边坡抵抗破坏的韧性增加。

(2)滑坡体中的微型桩在滑面附近所受剪力最大,桩身在靠近滑面上下两侧,弯矩最大,即滑面附近的桩体最易产生剪切破坏。

(3)将微型桩布置在边坡中部较布置在边坡上部,边坡推阻力维持在更高水平,更有利于边坡滑面的自身抗滑作用得到较好的发挥,对维持边坡稳定效果更好。

(4)桩间距在一定范围内变化时,微型桩对边坡推阻力影响变化不明显。但当桩间距增大到一定程度,单排微型桩与滑面交界处的单桩应力影响范围逐渐相互独立。即单根微型桩对于边坡土体的影响范围是有限的,过大的桩间距导致各桩之间相对独立,减弱了桩间土拱效应,使得土体受到的推阻力无法有效地传递到桩上,桩体受力减小。建议桩间距取值为8倍桩直径。

(5)微型桩与滑面交界处的对角方向出现应力集中带,应力云图呈现为椭圆状,应力在沿着边坡滑动方向的传递过程中逐渐消散。微型桩对边坡下滑起到阻滑作用,提升了缓倾裂隙边坡稳定性。