微型樁在山區(qū)油氣管道防護(hù)中的變形機(jī)制模型試驗(yàn)研究

沈茂丁,孟 建,崔少東

(1. 國防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410073; 2. 中國石油天然氣管道工程有限公司,河北 廊坊 065000)

0 引言

天然氣作為一種節(jié)能環(huán)保的新能源,在我國有著廣泛的應(yīng)用,伴隨著天然氣行業(yè)的發(fā)展,管道運(yùn)輸也是突飛猛進(jìn)。由于中國是一個多山區(qū)國家,滑坡自然災(zāi)害頻發(fā),對管道運(yùn)輸造成巨大威脅,對西氣東輸沿線的地質(zhì)災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)主要有12種地質(zhì)災(zāi)害,滑坡便是其中之一[1]。趙旭陽等[2]指出在滑坡作用中心位置、滑動區(qū)與非滑動區(qū)交界處附近的管道將會產(chǎn)生最大的軸向應(yīng)變,是管道最為危險的截面。因此,滑坡地區(qū)管道的防護(hù)顯得尤為重要,而在山區(qū)修建防護(hù)結(jié)構(gòu),由于地形等各種因素,微型樁能以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。

微型樁是20世紀(jì)50年代由意大利人LAZZI[3]提出并首先應(yīng)用于歷史建筑物的加固,隨后經(jīng)過技術(shù)優(yōu)化、應(yīng)用逐漸推廣至其他地區(qū)。微型樁與抗滑樁結(jié)構(gòu)類似,可以說是抗滑樁的簡化結(jié)構(gòu)。微型樁樁徑一般介于70～300 mm之間,長細(xì)比較大[4],具有施工便捷、效果顯著等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于小型邊坡防護(hù)及護(hù)坡處置。施工時,樁體深入巖土體或滑坡面以下,依靠下部土體的固定作用,使得樁體上部類似于懸臂梁構(gòu)造,具有較強(qiáng)的抗彎性能,并且由于其樁體材料為鋼材,使得其具有較好的抗剪性能。同時,樁體在注漿后,使得樁體與巖土體形成樁-土復(fù)合體。這些作用使得其具有較強(qiáng)的抵抗滑坡推力的作用,從而保障邊坡穩(wěn)定。

長久以來國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了諸多研究。KONAGAI等[5]指出了具有上部堅(jiān)硬承臺的微型樁樁群在橫向受載下的實(shí)際工作長度的重要性。文獻(xiàn)[6-11]采用模型試驗(yàn)對微型樁進(jìn)行了研究,得到土質(zhì)邊坡中微型抗滑樁的破壞機(jī)制及邊坡的破壞模式。BROWN等[12]指出,由于巖土體與樁的相互作用,微型樁群在水平受荷下會產(chǎn)生群樁效應(yīng)。王洋等[13]、周文皎等[14]采用現(xiàn)場原型試驗(yàn),對不同形式的樁體,從滑坡推力、樁身土壓力、樁身彎矩等方面研究了其抗滑性能、鋼花管注漿效果和破壞模式。胡毅夫等[15]研究了微型抗滑樁雙排單樁與組合樁在加固邊坡時的抗滑特性;胡時友等[16]指出樁身最大彎矩位于滑面附近,且樁群均以第一排樁達(dá)到其彈性受力極限而失效;王開洋等[17]提出一種二次注漿豎向鋼花管微型樁新技術(shù);郭亮等[18]通過不同施工工藝微型灌注樁的現(xiàn)場水平荷載試驗(yàn)及數(shù)值模擬,研究微型灌注單樁水平承載力的主要影響因素。文獻(xiàn)[19-23]通過振動臺模型試驗(yàn),揭示了地震作用下微型樁支護(hù)下滑坡的抗震機(jī)制,研究了地震動力作用下微型群樁的破壞模式、加樁后的動力學(xué)特性;周德培等[24]、馮君等[25]按照不同方式對微型樁進(jìn)行了分類,討論了這些結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)計(jì)算時應(yīng)考慮的一些關(guān)鍵問題以及適用條件;呂凡任等[26]通過軟土地基上微型樁的單樁、群樁抗壓和抗拔現(xiàn)場試驗(yàn)研究了其荷載-沉降特性、群樁效應(yīng);陳賀等[27]指出高壓注漿能顯著改善土體的力學(xué)性能,減小樁體的彎曲變形。何思明等[28]提出了一種群樁設(shè)計(jì)的新理論。

通過以上發(fā)現(xiàn),微型樁對滑坡的防護(hù)能起到有效的防護(hù),有諸多專家學(xué)者對其破壞機(jī)制、設(shè)計(jì)計(jì)算等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。但是對于注漿花管樁的變形機(jī)制、受力特征研究還是相對較少,因此,本文依托中貴天然氣管道滑坡整治項(xiàng)目,通過設(shè)置2種不同形式的樁體,對普通微型樁和注漿花管樁進(jìn)行了對比模型試驗(yàn)研究,探討了不同形式樁體的變形機(jī)制和破壞特點(diǎn),為微型樁的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了參考依據(jù)。

1 工程背景

中貴天然氣管道滑坡應(yīng)急搶險治理工程位于甘肅省隴南市成縣黃陳鎮(zhèn)中灣村一斜坡上,滑坡地區(qū)示意圖如圖1所示。2020年8月12—18日中灣村附近連降暴雨,導(dǎo)致中貴天然氣管道K558+700 m 處斜坡發(fā)生明顯滑動變形。共產(chǎn)生2處滑坡及1處滑塌體。其中,中貴天然氣管道位于H1滑坡中部,采用橫坡敷設(shè),管徑1016 mm,管道走向186°,滑坡區(qū)管道埋深 2.2～4.1 m,其間與鄉(xiāng)村水泥道路小角度斜交,作業(yè)帶上管道外側(cè)已建有塊石堡坎1道。H1滑坡縱長約190 m,寬約186 m,滑坡平面面積約 2.25×104m2,滑體平均厚度約8.5 m,滑體總方量約1.913×105m2,屬于中型土質(zhì)滑坡。該滑坡地表變形強(qiáng)烈,尤其是與管道斜交的鄉(xiāng)村水泥道路已完全損毀,管道已受滑坡推擠作用,嚴(yán)重危害管道安全運(yùn)營。

圖1 滑坡區(qū)全景照片F(xiàn)ig. 1 Panoramic photo of landslide area

圖2 測試模型示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the test model

圖3 測試元件布置圖Fig. 3 Layout of test elements

2 材料

2.1 相似比設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)是研究滑坡變形破壞過程的重要手段之一,能夠通過模型試驗(yàn)來分析滑坡影響下的微樁加固管道的變形破壞特征和演化過程。為了保證模型試驗(yàn)的可靠性,采用相似原理進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),根據(jù)王志佳等[29]的研究,原型與模型幾何尺寸相似比是進(jìn)行相似設(shè)計(jì)時需首先確定的控制參量,綜合考慮模型重量和試驗(yàn)設(shè)備尺寸等因素,可以確定模型試驗(yàn)的尺寸相似比。確定微樁體幾何尺寸、密度和重力加速度為主要控制參數(shù),進(jìn)而推導(dǎo)出其他參數(shù)。確定的試驗(yàn)相似比如表 1所示。

表1 相似關(guān)系Table 1 Similarity relation物理量相似關(guān)系相似比備注長度lCl1∶30控制參數(shù)密度ρCρ1∶1控制參數(shù)黏聚力cCc=ClCρCg1∶30內(nèi)摩擦角φCφ1∶1彈性模量ECE=ClCρCg1∶30重力加速度gCg1∶1控制參數(shù)應(yīng)力σCE=ClCρCg1∶30應(yīng)變εCε1∶1直線位移 uCu=Cl1∶30時間tCt=C0.5lC-0.5g1∶5.5表2 試驗(yàn)加載工況Table 2 Test loading condition工況壓力/MPa推力/kN11.028.0421.542.0632.056.0842.570.1053.084.1263.598.1474.0112.16

2.2 加載設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用分級加載的方式進(jìn)行,每級加載0.5 MPa。過程中按照施加的荷載大小分為不同的工況,具體加載工況如表2所示,表中將油壓表讀數(shù)換算為施加的推力。

板式換熱器由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成，液體(或氣體)與液體通過板片進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)能量由余熱傳遞到熱媒水，供生活熱水或空調(diào)使用。

2.3 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)在中國中鐵科技研發(fā)中心的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)采用長×寬×高(4 m×2 m×2 m)的試驗(yàn)箱,試驗(yàn)加載裝置為油壓千斤頂。為了模擬滑坡體的整體滑動,在千斤頂與坡體接觸位置放置一塊鋼板以擴(kuò)散推力。邊坡坡比采用1∶1,坡高60 cm,邊坡模型如圖 2所示。試驗(yàn)采用PVC管來模擬樁體,管道外徑20 mm,壁厚2 mm,樁長160 cm。單個群樁共設(shè)置3列單樁,考慮到樁體以受彎為主,中間一列采用3根單樁,其余兩列布置5根單樁。單個微型樁群共計(jì)包含13根微型樁,共設(shè)置4組微型樁群,從左到右其中1#、2#號樁設(shè)計(jì)為常規(guī)樁,3#、4#號樁為花管樁。花管樁的模擬是在PVC管道上采用鉆機(jī)沿著管道長度方向每5 cm交替在兩側(cè)鉆孔。樁頂采用尺寸為20 cm×30 cm承臺板連接,承板采用木板制作,樁體采用水灰比為1∶1水泥漿進(jìn)行灌注,天然氣管道采用直徑20 cm PVC管道來模擬。

4組群樁在樁頂承臺位置處安裝百分表用來測量樁頂位移情況,其中在中間2組群樁(2#、3#)前后沿著群樁樁身按照間隔25 cm均勻布置土壓力傳感器,共布置24組,同時在土壓力傳感器對應(yīng)位置處群樁的中間一列樁體上對稱布置應(yīng)變片,如圖 3所示。

2.4 巖土材料

由于試驗(yàn)條件的限制,無法采用現(xiàn)場原狀土進(jìn)行試驗(yàn)研究,因此采用相似材料來模擬現(xiàn)場滑坡土體。土體的性質(zhì)主要是通過內(nèi)摩擦角ψ和黏聚力c兩項(xiàng)參數(shù)來控制,根據(jù)左保成等[30]、REN等[31]的研究,巖土體可采用石英砂、石膏、水泥等來模擬。鑒于此,結(jié)合現(xiàn)場鉆探結(jié)果,并通過直剪試驗(yàn),如圖4所示。最后確定采用石英砂、黏土、水泥、石膏粉、滑石粉和水來模擬滑坡土體。最終滑體采用石英砂∶水泥∶石膏粉∶水=70∶25∶3∶10;滑床采用石英砂∶黏土∶水泥∶水=40∶60∶25∶10;滑帶采用石英砂∶水泥∶滑石粉∶水=27∶52∶35∶15。

圖4 直剪試驗(yàn)Fig. 4 Direct shear test

2.5 模型填筑

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì),對邊坡填筑材料進(jìn)行攪拌,進(jìn)行樁體應(yīng)變片的布設(shè)?；鶐r按照分層填筑的要求進(jìn)行填筑壓實(shí),填筑完成后在預(yù)留的位置處埋設(shè)微型群樁,按照設(shè)計(jì)標(biāo)高布設(shè)土壓力盒,同時布設(shè)5 cm厚的滑帶,安裝管道。埋設(shè)完成后,進(jìn)行樁體澆筑,然后在千斤頂位置吊裝傳遞荷載用的鋼板,按照坡比為1∶1填筑邊坡,并完成整個滑坡模型的填筑,模型填筑完成后在4組微型群樁樁頂?shù)某信_板上布置百分表,模型填筑過程如圖5所示,最后進(jìn)行測試儀器的安裝與調(diào)試。

圖5 模型填筑過程Fig. 5 Model filling process

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

為了更直觀地總結(jié)在微型樁防護(hù)作用下滑坡體的變形演化機(jī)制,試驗(yàn)過程中完整地記錄了各個工況作用下的邊坡變形情況,在荷載逐漸增加的情況下,邊坡發(fā)生變形的部分試驗(yàn)記錄圖片如圖6(a)～(f)。通過記錄發(fā)現(xiàn),加載到工況3之前邊坡無明顯破壞現(xiàn)象產(chǎn)生,只是樁后土體有向上隆起的現(xiàn)象,如圖6(a)所示。當(dāng)荷載增加到工況3時,如圖6(b)、(c)所示,樁后土體發(fā)生剪切破壞,滑坡模型兩側(cè)出現(xiàn)波浪形的橫向裂縫。同時由于坡體受到較大的推力作用,樁體在滑坡體推力作用下向前產(chǎn)生位移,導(dǎo)致常規(guī)樁防護(hù)側(cè)坡面上出現(xiàn)橫向裂縫,如圖6(f)所示(圖6(f)為荷載增加后裂縫寬度增加)。在施加荷載到工況5的時候邊坡中間位置出現(xiàn)較大的從坡頂向坡腳蔓延的豎向裂縫,如圖6(d)所示,表明在此刻,邊坡中部有向前滑移的跡象,坡體將要產(chǎn)生破壞。加載到工況6的時候常規(guī)樁一側(cè)邊坡上部土體出現(xiàn)的裂縫寬度繼續(xù)發(fā)育,且邊坡中間的裂縫數(shù)量進(jìn)一步增加,裂縫加寬。當(dāng)加載到工況7時,樁后土體在千斤頂施加荷載的推擠以及樁體的防護(hù)共同作用下,土體向上產(chǎn)生較大的隆起現(xiàn)象,樁后土體受到較大的剪切力作用,土體進(jìn)一步發(fā)生剪切破壞,邊坡模型側(cè)面裂縫寬達(dá)到5 cm,如圖6(e)所示,同時邊坡坡面裂縫進(jìn)一步加大,表面出現(xiàn)明顯破壞,如圖6(f)所示。

圖6 試驗(yàn)過程坡體變化Fig. 6 Slope changes during the experiment

同時在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),施加荷載到工況6時,樁后土體向上隆起現(xiàn)象更加明顯,在土體向上的擠壓推力作用下,承臺板被隆起土體向上推擠,出現(xiàn)與樁體分離現(xiàn)象。同時樁體向前出現(xiàn)較大位移,導(dǎo)致百分表失效。如圖 7(a)所示。在加載結(jié)束后,坡面出現(xiàn)2條明顯的橫向裂縫,分別位于距離邊坡坡頂和坡腳1/4位置處,如圖 7(b)所示。

圖7 承臺以及滑坡表面破壞Fig. 7 Pile cap and landslide surface damage

通過以上試驗(yàn)現(xiàn)象可知,在滑坡推力作用下,微型樁結(jié)構(gòu)防護(hù)作用下的滑坡變形,首先表現(xiàn)為樁后土體向上隆起,隨著滑坡推力的增大,樁后土體產(chǎn)生剪切破壞,產(chǎn)生橫向裂縫,并且樁后土體隆起繼續(xù)發(fā)育,直至荷載作用下樁體發(fā)生破壞,承臺板失效,最終導(dǎo)致邊坡前部土體開裂破壞,產(chǎn)生滑坡現(xiàn)象。

試驗(yàn)加載完畢后,在模型拆解過程中發(fā)現(xiàn),3#花管群樁在靠近滑帶位置出現(xiàn)剪斷現(xiàn)象,如圖 8(c)所示,常規(guī)樁一側(cè)樁體沒有出現(xiàn)明顯的斷裂現(xiàn)象。并且樁體的變形呈現(xiàn)“S”形,如圖8(b),而常規(guī)樁并未出現(xiàn)明顯的“S”形彎曲產(chǎn)生。此外,在管道的拆解過程發(fā)現(xiàn),管道在常規(guī)樁一側(cè)出現(xiàn)了相對于花管樁一側(cè)較為明顯的擠壓破壞,如圖8(a)所示,說明注漿的花管樁在邊坡防護(hù)過程中具有較強(qiáng)的抵抗滑推力的作用,在同等推力作用下較好地保護(hù)了管道不受破壞。

圖8 樁體和管道變形Fig. 8 Deformation of piles and pipes

3.2 樁頂位移分析

對于防護(hù)結(jié)構(gòu)物來說,位移是最為直觀地體現(xiàn)防護(hù)設(shè)施防護(hù)效果的一項(xiàng)指標(biāo)。在本次試驗(yàn)中可以通過微型樁頂?shù)奈灰苼砼袛鄻扼w變形和破壞情況。本次試驗(yàn)施加的最大荷載為4.0 MPa,當(dāng)施加荷載為3.5 MPa后,4#樁體發(fā)生位移較大導(dǎo)致百分表失效,為此圖中未繪制3.5 MPa以后的位移曲線。

樁體的變形分為3個階段,即初始變形階段、加速變形階段和破壞階段,如圖9所示。其中在加速變形階段,荷載施加初期變形較為明顯,即當(dāng)荷載施加荷載為2.0 MPa 時樁頂產(chǎn)生了較大位移, 荷載繼續(xù)增加,位移逐漸增大,但是位移增加的速度明顯變緩。當(dāng)荷載施加到3.5 MPa時樁體位移突然增加,繼續(xù)增加荷載后樁體發(fā)生破壞,如圖8(c)所示,樁體發(fā)生剪斷。分析得出,在初始變形階段,由于土體較為松散,施加荷載后土體內(nèi)部應(yīng)力逐漸增加,松散的土體逐漸變得密實(shí),此時樁體受到較小的推力作用。荷載繼續(xù)增加,土體內(nèi)部應(yīng)力開始向樁體傳遞,樁體進(jìn)入加速變形階段,隨著位移的增加,樁體抵抗土體應(yīng)力的作用進(jìn)一步體現(xiàn),表現(xiàn)為樁體位移增加變緩。最后在施加荷載超過3.5 MPa時樁體由于彎矩過大而發(fā)生彎曲破壞,樁體產(chǎn)生較大的位移,此時判斷樁體進(jìn)入破壞階段。

圖9 樁頂位移Fig. 9 Displacement of pile top

3.3 土壓力分析

土壓力是表征在滑坡體作用下防護(hù)結(jié)構(gòu)受到推力大小的主要指標(biāo)。2#、3#樁體前后在滑坡體推力作用下的土壓力大小,如圖10所示。文中樁前指千斤頂加載一側(cè)。

圖10 樁體土壓力Fig. 10 Earth pressure of pipes

由圖10可知,樁體兩側(cè)的土壓力大小,與施加的推力大小在工況6以前呈正相關(guān),而當(dāng)荷載施加到工況6時,土壓力突然打破正相關(guān)規(guī)律,出現(xiàn)突變。結(jié)合位移曲線和試驗(yàn)現(xiàn)象可知,當(dāng)施加荷載到工況6(3.5 MPa)的時候,樁體部分防護(hù)性能失效,不能有效地抵抗滑坡推力,樁體位移突然增大,土壓力有變小的趨勢,尤其在圖 10(a)中當(dāng)施加荷載到工況7時,滑帶以上的部分土壓力有較大幅度的降低,此時樁體防護(hù)性能幾乎處于喪失狀態(tài)。

由圖 10(a)、(b)可知,在常規(guī)樁防護(hù)一側(cè),樁前土壓力主要分布在樁頂與滑帶的上半部分之間,最大值出現(xiàn)在靠近滑帶以上部位,在同工況作用下,樁前土壓力遠(yuǎn)大于樁后土壓力。樁后土壓力的分布則向樁體下部移動,最大值出現(xiàn)在滑帶以下位置處。由于樁體良好的防護(hù)作用,樁前土壓力要遠(yuǎn)大于樁后土壓力。另外在靠近滑帶的上部,樁前土壓力接近為零,而在樁后則出現(xiàn)較大變化。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象,在施加荷載的時候樁前土體向上隆起,靠近滑帶位置處由于土體的隆起作用導(dǎo)致滑帶處受力較小,而在樁后由于樁前土體向后傾倒,樁體中部位置受到較大推力的作用。

由圖 10(c)、(d)可知,在滑帶以上位置,樁前土壓力從樁頂往下有一個較為明顯的變化,在滑帶附近變?yōu)樽钚?樁后土壓力則變化幅度較小,且樁后土壓力在滑帶上部達(dá)到最大值,而樁前土壓力在滑帶下部達(dá)到最大值,此結(jié)果與常規(guī)樁防護(hù)側(cè)恰好相反。同時,在樁底位置,樁前土壓力遠(yuǎn)大于樁后土壓力,可得知由于花管樁在注漿后樁與土體構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu),樁土連接共同抵抗滑坡推力,樁土復(fù)合體以滑帶位置為軸,有旋轉(zhuǎn)的趨勢,導(dǎo)致樁體底部有運(yùn)動的趨勢使得樁底位置樁土間作用加強(qiáng),土壓力增大。

對比圖 10(a)、(c)可知,在滑帶上部,常規(guī)樁在不同位置處土壓力分布數(shù)值差距較大,最大差值可達(dá)30 kPa,而在花管樁防護(hù)一側(cè),土壓力分布則較為均勻,說明花管樁一側(cè)變形較小上部樁體均勻承擔(dān)了滑坡推力。由圖10(b)、(d)中可知,常規(guī)樁一側(cè)的樁后土壓力峰值要明顯大于花管樁一側(cè),也證實(shí)了花管注漿法能更有效地抵抗滑坡推力的作用。

3.4 樁體彎矩分析

根據(jù)前面試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析可知,當(dāng)施加荷載到工況6時樁體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,樁體的應(yīng)變和彎矩不再具有參考價值,因此在下面彎矩和應(yīng)變的分析中不再繪制工況6以后的變化曲線。

對于樁結(jié)構(gòu)來說,彎矩的分析是表征其結(jié)構(gòu)防護(hù)性能和自身變形特征的一種重要指標(biāo)。在樁體兩側(cè)布置應(yīng)變片是用來計(jì)算樁體彎矩的一種有效方法,李尋昌[32]、任青陽等[33]在抗滑樁的研究中采用了此計(jì)算方法。根據(jù)試驗(yàn)中測得的樁體兩側(cè)的應(yīng)變值ε1、ε2,然后根據(jù)材料力學(xué)中梁的彎曲理論來計(jì)算樁體的彎矩,表達(dá)式為:

δ1=E·ε

(1)

(2)

聯(lián)立上邊兩式,則彎矩公式為:

(3)

式中:I為抗滑樁慣性矩(m4);E為樁體彈性模量(MPa);ε1、ε2為樁前、后應(yīng)變;d為樁體直徑(m)。

通過以上計(jì)算方式計(jì)算得到微型樁單樁彎矩圖如圖 11所示,其中負(fù)彎矩表示樁體在千斤頂一側(cè)受拉。

由圖11可知,彎矩與荷載呈正相關(guān),隨著荷載的增加彎矩增大,并且當(dāng)荷載施加到工況5時,彎矩出現(xiàn)急劇增加的現(xiàn)象,且由圖 11(b)可知,此時常規(guī)樁最后一排樁樁體彎矩產(chǎn)生突變,彎矩從正變?yōu)樨?fù)值。圖中可以看出常規(guī)樁在樁頂和滑帶附近彎矩產(chǎn)生最大值,在距離樁頂1/4位置處彎矩最小,如圖 11(a)、(b)所示,而花管樁的彎矩最大值出現(xiàn)在滑帶附近,如圖 11(c)、(d)所示,其最大值達(dá)到600 N·m是常規(guī)樁最大彎矩值的2.4倍,花管樁相比常規(guī)樁在同等荷載作用下樁體受到更大的彎矩,通過分析可知,常規(guī)樁在抵抗滑坡體滑動的過程中,由于群樁各單樁之間存在間隔,導(dǎo)致土體從樁體中間流失,而花管樁防護(hù)一側(cè)由于注漿使得樁、土、水泥漿形成密實(shí)結(jié)構(gòu),起到很好的防護(hù)作用,使得樁體在滑帶附近產(chǎn)生較大彎矩。這與閆金凱等[9]的研究:樁體的破壞是在滑帶附近的彎剪破壞理論相一致,在實(shí)際的設(shè)計(jì)中需要考慮到樁體滑帶附近的加強(qiáng)。同時在承臺體系的作用下,樁頂位置同樣產(chǎn)生了較大的彎矩,這一點(diǎn)在實(shí)際的設(shè)計(jì)施工中也得進(jìn)行充分的考慮。此外對比群樁最前排以及最后排單樁的彎矩可知,第一排樁的彎矩要大于后排樁的彎矩,說明群樁的受力主要集中在前排,間接證實(shí)本次試驗(yàn)中采用的群樁布置形式是合理的。此外由圖 11(a)、(b)可知,除了樁底自由端以外樁體的最小彎矩出現(xiàn)在距離樁頂位置1/4處,同時在靠近樁頂處前后2排樁彎矩符號恰好相反,而花管樁則不同。從彎矩數(shù)值結(jié)果來看,花管樁承受的彎矩整體要大于常規(guī)樁,表明花管樁良好的樁土復(fù)合結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抵抗滑坡推力的作用。

圖11 樁體彎矩圖Fig. 11 Bending moment of the pile

3.5 樁體應(yīng)變分析

樁體的應(yīng)變能表現(xiàn)出樁體在外力作用下的局部變形程度,施加荷載到工況5的單樁前側(cè)應(yīng)變峰值曲線如圖12所示。

圖12 樁體應(yīng)變峰值曲線Fig. 12 Strain peak curves of pile

由圖12可知,應(yīng)變峰值整體上呈“S”形曲線分布,表現(xiàn)出靠近滑帶附近應(yīng)變值最大,并且對比圖 12(a)、(c)可知,花管樁一側(cè)樁體應(yīng)變值要遠(yuǎn)大于常規(guī)樁,且從數(shù)值來看是常規(guī)樁應(yīng)變值的2.4倍,這與彎矩的最大值表現(xiàn)出高度一致。同時可以看出,常規(guī)樁樁頂位置的應(yīng)變值相對于花管樁要表現(xiàn)得更為劇烈。另外從圖 12(d)可知,相比其他位置只有在花管樁最后一排的樁底位置產(chǎn)生了較大應(yīng)變,可知在注漿的影響下,樁土之間形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)使得群樁形成的整體結(jié)構(gòu)在樁后側(cè)受到較大的應(yīng)力,從而產(chǎn)生較大變形,在實(shí)際的應(yīng)用中這個位置要引起重視。從整體來看,花管樁一側(cè)的應(yīng)變要遠(yuǎn)大于常規(guī)樁。

3.6 管道土壓力分析

為了解2種不同結(jié)構(gòu)物防護(hù)作用下管道受到的土壓力情況,在管道前后側(cè)布置了3組土壓力傳感器。由圖13(a)可知,施加荷載較小時管道土壓力沿管道方向分布較為平均且數(shù)值較小,只有當(dāng)荷載增加到3 MPa 時,管道前土壓力才有較為顯著的變化,且由圖13(a)可知,樁體在中間位置土壓力較大。由圖13(b)可知,管道后側(cè)土壓力荷載施加到3.5 MPa之前一直為0,當(dāng)加到3.5 MPa的時候土壓力才有所增加,但土壓力依舊很小最大值為2.3 kPa,并且只在常規(guī)樁防護(hù)一側(cè)。同時對比微型樁樁體前后土壓力可知,微型樁阻擋了大部分滑坡推力,對管道起到了很好的防護(hù)作用。

圖13 管道土壓力Fig. 13 Earth pressure of pipes

4 結(jié)論

為了探討不同形式的微型樁在山區(qū)滑坡作用下對燃?xì)夤艿赖姆雷o(hù)變形機(jī)制,以中貴天然氣管道滑坡為背景,開展了常規(guī)微型群樁和花管注漿形式的微型群樁室內(nèi)對比模型試驗(yàn)研究,通過應(yīng)變、土壓力傳感器以及百分表對單樁的樁體彎矩、群樁兩側(cè)的土壓力以及位移進(jìn)行了分析,得到如下結(jié)論:

1)2種不同形式的微型樁都可以抵抗較小滑坡推力的作用,緩解滑坡的發(fā)育。邊坡在滑坡推力作用下,首先表現(xiàn)為土體的擠壓密實(shí),向上隆起,樁后土體發(fā)生剪切破壞,產(chǎn)生裂縫,隨著滑坡推力的增加,裂縫和隆起現(xiàn)象繼續(xù)發(fā)育直至樁體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,樁前土體開裂,產(chǎn)生滑坡。

2)花管樁彎矩的最大值出現(xiàn)在滑帶附近,且樁體在距離樁頂1/4位置處彎矩出現(xiàn)最小值。從整體來看,花管樁的彎矩值要大于常規(guī)樁,其彎矩最大值是常規(guī)樁彎矩最大值的2.4倍,彎矩較大。前排樁產(chǎn)生的彎矩大于后排樁的彎矩,彎矩表現(xiàn)為“S”形曲線分布。

3)群樁樁頂在承臺的作用下,使得樁體在頂部產(chǎn)生了彎矩,承臺在滑坡過程中也承受了坡體的推擠作用,表現(xiàn)為土體向上隆起過程中樁體與承臺板脫離,設(shè)計(jì)中應(yīng)加大承臺尺寸。

4)樁體的應(yīng)變最大值出現(xiàn)在滑帶附近,花管樁一側(cè)應(yīng)變最大值是常規(guī)樁一側(cè)的2.4～3.0倍,且常規(guī)樁在最后排樁底部產(chǎn)生了較大應(yīng)變。