微型桩护坡和微型桩-植被协同护坡的模型试验对比研究_蒋希雁.pdf

江西建材试验与研究382023年1 月作者简介：蒋希雁（1968-），女，河北张家口人，硕士，教授，主要研究方向为环境岩土工程和生态护坡。通信作者：张喆（1998-），男，河北衡水人，硕士，主要研究方向为生态护坡。基金项目：河北省高等学校科学技术研究重点项目，微型桩-植被协同护坡的边坡模型计算研究（ZD20220126），2022年河北省建设科技研究指导性计划项目，寒冷地区城市公路坡面防护设施全生命周期实施模式及效能评估研究（2022-2106）。微型桩护坡和微型桩-植被协同护坡的模型试验对比研究蒋希雁1,2,3，张 喆1,2,3*，刘嘉璐1,2,3，刘 杰1,2,3，王万梅1,2,3，阮梦柯1,2,31.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室,河北 张家口 075031;2.河北省寒冷地区交通基础设施工程技术创新中心,河北 张家口 075031；3.河北建筑工程学院土木工程学院,河北 张家口 075031摘 要：为探究在荷载条件下不同工况边坡位移以及土压力的变化情况，文中以研究工程为背景，依据相似理论进行模型试验，设置微型桩护坡、微型桩植被协同护坡两种不同的工况，通过在坡顶施加竖向荷载，边坡在桩前桩后不同深度处布置土压力盒以及应变片的方式，监测微型桩桩身弯矩分布规律以及微型桩-植被的协同护坡的护坡机理。结果表明，协同护坡组桩身弯矩在相同荷载条件下，相较于微型桩护坡组下降了78.86%，整体与桩后土体脱离速度下降了67.03%；微型桩护坡组最终边坡破坏是由土体破坏所导致的，而协同护坡组则是因为微型桩-土体的共同受力破坏。关键词：模型试验；微型桩受力；边坡土压力；微型桩植被协同护坡中图分类号：U416.14 文献标志码：A文章编号：1006-2890（2023）01-0038-04Model Test Comparison Study of Micropile Slope Protection and Micropile-vegetation Collaborative Alope ProtectionJiang Xiyan1,2,3,Zhang Zhe1,2,3*,Liu Jialu1,2,3,Liu Jie1,2,3,Wang Wanmei1,2,3,Ruan Mengke1,2,31.Hebei Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Diagnosis,Transformation and Disaster Resistance,Zhangjiakou,Hebei 075031;2.Transportation Infrastructure Engineering Technology Innovation Center for Cold Areas,Zhangjiakou,Hebei 075031;3.School of Civil Engineering,Hebei Institute of Architecture and Engineering,Zhangjiakou,Hebei 075031Abstract:In order to explore the change of slope displacement and earth pressure under different working conditions under load conditions,this study takes the actual project as the background,carries out model tests based on the similarity theory,and sets up two different working conditions,namely,micro-pile slope protection and micro-pile-vegetation cooperative slope protection.By applying vertical load on the top of the slope,the slope is arranged with earth pressure boxes and strain gauges at different depths before and after the pile,Monitor the distribution of the bending moment of the micro-pile shaft and the slope protection mechanism of the micro-pile-vegetation cooperative slope protection.The results are as follows:under the same load condition,the bending moment of the pile body of the cooperative revetment group decreased by 78.86%compared with the micro-pile revetment group,and the overall separation speed from the soil behind the pile decreased by 67.03%;The final slope failure of the micro-pile slope protection group is caused by the soil failure,while the cooperative slope protection group is the joint failure of the micro-pile and the soil.Key words:Model test;Micro pile stress;Slope earth pressure;Micro pile vegetation coordinated slope protection0 引言地质灾害中，滑坡是主要的灾害类型。为做好灾害防治研究，嵇晓雷等1-2研究了植被支护边坡根系加固区域，未深入到边坡滑动面，但植被根系通过为土壤提供支撑并限制浅层土体位移来提升边坡稳定性。陈潮3通过室内正交试验发现灌木根系能有效控制边坡浅层变形，使得边坡由“脆性破坏”转“延性破坏”，浅层稳定性得到提高。张丽等4通过三轴试验发现根土复合体的抗剪强度相较于素土有明显提升，其中，黏聚力与素土相比增长非常明显。P.P.Capilleri5通过对不同饱和比的根系进行拉伸试验，证明根系的抗剪强度主要是通过增加内摩擦角和黏聚力来提升边坡的稳定性，只能适用于坡脚较小的边坡，且植被只能用于浅层护坡，对于工程提供的支护作用较小，需要进行协同护坡。现有的研究对于协同护坡的土压力研究较少，植被的加入对于微型桩受力的改变及整体边坡土压力的改变效果并不清晰。为了在治理和预防滑坡的过程中同时兼顾深层和浅层滑坡，尝试使用微型桩-植被协同护坡的方式。微型桩具有非开挖施工、施工机具小、受地形影响小、桩位布置灵活、振动小、施工速度快、桩型小节省材料等特点。其作江西建材试验与研究392023年1 月为一种新型抗滑结构，以常规抗滑桩不能替代的优点在边坡加固和滑坡治理，尤其是在一些应急抢修工程中得到了越来越广泛的应用。王波6通过模型试验发现，单纯的微型桩加固会使得加固区产生裂缝，建议和别的加固方式一起使用。Qaisar Abbas7通过模型试验及有限元分析，需要增加微型桩上部土体的刚度，才能发挥微型桩的最大效益。Mojtaba Alizadeh8通过现场试验与数值模拟结合的方式研究了微型桩位置对于边坡位移的影响，解释了微型桩与土体的作用机理。因此，微型桩和植被二者协同护坡是一种既能实现灵活布置、抢险救灾，又能实现绿色建筑的新型护坡方式。本文研究微型桩护坡和微型桩-植被协同护坡形式的土压力发展和变化规律，以提升共同加固效果，分析二者加固边坡土体的作用机理以及二者相互的作用，为边坡预警提供一些参考。1 试验模型设计1.1 试验原理试验选用粉质粘土作为滑体及滑床的土体，通过铺设双层塑料薄膜的方式人工设计滑面，采取在坡顶使用千斤顶按照每20min增加5kN的方式，施加逐级增加的竖向荷载，使坡体发生滑动，依据 GB 50330-2013 建筑边坡工程技术规范，当边坡坡顶位移大于20mm后，达到监测报警标准，终止试验。设计两组模型试验分别为：S1-微型桩护坡试验、S2-微型桩-植被协同护坡试验，通过在桩身前后布置土压力盒，桩身两侧不同深度布置应变片的方式，研究边坡土压力以及微型桩的内力与护坡形式和受荷载的关系，以探究微型桩-植被协同护坡的作用机理，为微型桩-植被协同护坡的设计提供依据。1.2 相似设计根据张家口某小区工程，由于原三层楼已经开裂，再开挖会严重影响结构安全与稳定，因此对坡面位移的要求更高。该工程边坡高度为10.8m，长度为17m，微型桩原尺寸为：桩长9m，桩径150mm，微型桩内插108mm，壁厚4.5mm钢管，钢管内插2根直径32的HRB400钢筋，EI为1240MPa。采用相似第二理论的量纲分析法进行设计模型试验，选取的物理力学参量及其相对应的相似比如表1 所示。表1 试验物理力学参数相似设计物理含义密度长度应变应力位移抗弯刚度弯矩相似系数4/3相似比191996561729本次试验的几何相似比Cl=9、弹性模量相似比CE=1，重度相似比为1，再根据相似理论原理求出剩余各物理量的相似比，CL=9、C=9、CE=9、C=1、CEI=6561，其中，L为长度、为密度、E为弹性模量、EI为抗弯刚度，根据相似关系计算结果如表2所示。根据微型桩的抗弯刚度选择采用3mm厚直径为20mm铝管 EI为0.19MPa。表2 试验相似设计结果类别密度/（g/cm3）模型箱高度/m模型箱长度/m微型桩长度/m微型桩抗弯刚度/MPa相似比19996561试验取值11.21.81.20.1892 单桩受力试验结果及分析根据成对粘贴于微型桩前后桩面上的应变片，可测试出微型桩桩后应变1，及桩前桩身应变2，由公式可计算出相应测点位置的桩身弯矩，M（MPa）为测点位置的桩身弯矩；W为桩身横截面的抗弯截面系数；Es（MPa）为铝管的弹性模量，为简化问题，假设铝管不发生塑形变化，一直处于弹性变化范围内，假设 Es不变。图1 是微型桩护坡组的桩身弯矩图（以桩后受拉为正）。可以看出，微型桩抗滑段与锚固段所受弯矩方向相反，抗滑段桩前受拉，锚固段桩后受拉。加载初期，抗滑段弯矩变化较小，锚固段位于埋深0.81.2m，在加载到45kN以后，抗滑段的弯矩变化速度突然加快，埋深在0.4m位置处的弯矩变化范围较大。而锚固段则在加载到55kN以后，在埋深1.0m处弯矩变化速度突然加大，但在试验后期，抗滑段所受的弯矩的规律有明显改变，虽然微型桩所受的弯矩始终维持为三角形的受力规律，但其0.4m和0.6m埋深的地方在80kN、85kN时，所受弯矩交替增加，说明抗滑段变形过大，土体已经和微型桩脱离，土体已失稳无法有效承担抗滑受弯的作用，微型桩的弯矩仍可以增加，说明微型桩并未完全失稳，整体边坡的破坏是由土体破坏所导致。最终抗滑段弯矩最大处出现在埋深0.4m处的位置，锚固段弯矩最大处出现在埋深在1.0m处的位置，且锚固段的最大弯矩位于埋深1.0m处（820 N m），小于抗滑段的最大弯矩（1190 N m）。图1 微型桩护坡组单桩弯矩沿高度变化曲线图2 为微型桩-植被协同护坡组的桩身弯矩图（以桩后受拉为正）。从图中可以看出，微型桩抗滑段与锚固段所受弯矩方向依旧相反，抗滑段桩前受拉，锚固段桩后受拉。加载初期，抗滑段弯矩变化较小，锚固段位于埋深0.81.2m，在加载到65kN以后，抗滑段的弯矩变化速度稍微加快，说明边坡开始加快速度滑动，埋深在0.4m位置处的弯矩变化范围较大，而增长到135kN以后弯矩增长速度减缓，但仍呈现稳定增长的趋势。最终抗滑段弯矩最大处出现在埋深0.6m处的位置，锚固段弯矩最大处出现在埋深在1.0m处的位置，且锚固段的最大弯矩位于埋深1.0m处（236 N m），大于抗滑段的最大弯矩（210 N m）。江西建材试验与研究402023年1 月图2 微型桩-植被协同护坡组单桩弯矩沿高度变化曲线通过分析整个试验过程中单桩弯矩的受力情况，微型桩和微型桩-植被协同护坡两组试验的弯矩反弯点都在埋深0.60.8m范围内，且随着加载进行合力点都在向下偏移。协同护坡组在试验过程中，微型桩整体所受弯矩规律基本不变，整体基本呈现三角形的受力规律。选取出现弯矩最大值的埋深1.0m处的弯矩值进行分析，微型桩组弯矩出现快速增长和最大弯矩值所对应的荷载分别为55kN和85kN；协同护坡组出现弯矩快速增长和最大弯矩值所对应的荷载分别为65kN和145kN，如表3 所示。表3两组工况下弯矩及减小量对比加载量/kN微型桩护坡组微型桩-植被协同护坡组558565145弯矩/（N m）473.741119.08139.36236.53减小量/%/70.58%78.86%协同护坡组整体弯矩较小，相较于微型桩护坡组弯矩分别下降了70.58%和78.86%，说明微型桩变形较小，桩身未与土体脱离，土体在试验结束时仍有承受荷载的能力。整体的弯矩要远远小于微型桩组，除去抗滑段埋深在0.4m位置处有较小突变以外，整个桩身在加载过程中都保持一个均匀变化的过程，这说明在协同护坡组中，微型桩和边坡的土体更好地形成了一个整体，所有的受力均由两者共同完成，且微型桩-植被协同护坡组锚固段的最大弯矩小于微型桩护坡组弯矩快速增长时的弯矩，说明在整个试验过程中都没有明显的分离，协同护坡并未达到其极限承载力，土体与桩身并未脱离，因此，协同护坡组的承载能力还有富余，破坏并非像微型桩组边坡土体破坏而微型桩本身并未完全失去抗力，协同护坡组的破坏按照现有的趋势，应为完全发挥微型桩身的抗滑作用，后与土体一同破坏。为了探究植被的加入对于微型桩受力的改变，选取两种工况下相同位置处的四组土压力进行对比。其中，实线为微型桩护坡组，虚线为协同护坡组。从图3a、b、c可以看出，微型桩组桩身所受的土压力随着加载的进行持续上升且均已经达到了峰值，最终进入平稳不变的阶段，但协同护坡组则是随着加载的进行直到加载结束均呈现上升的趋势，说明其还可以承受更多的土压力，协同护坡组的整体还未破坏。（a）两种工况下桩后埋深80cm测点土压力对比（b）两种工况下桩前埋深40cm测点土压力对比（c）两种工况下桩前埋深80cm测点土压力对比图3 两组工况下不同位置处土压力对比相较于单纯微型桩护坡，微型桩-植被协同护坡提升承载能力的效果很显著，其最大的提升改变了整体边坡的破坏形式，微型桩的破坏是由于土体强度不足，桩身与前后土体脱离，使得微型桩在高荷载条件下无法继续发挥作用，而协同护坡在高荷载条件下则没有发生明显的桩身与土体分离的现象，这是因为根系优异的加固作用，使土体本身的抗剪强度增加，边坡土体密实相连。微型桩很难与土体分离，当微型桩与土体无法分离时，边坡所受的土压力则由微型桩和植被加固的边坡土体共同承担，发挥出了所有的微型桩的抗滑性能，这导致了植被-桩-土三者受力从上到下的均匀受力，体现出微型桩-植被的协同作用。3 结论（1）协同护坡组整体弯矩较小，试验结束时相较于微型桩护坡组弯矩下降了78.86%。（2）在微型桩-植被协同护坡组中，微型桩整个桩身在加载过程中都保持均匀变化的过程，微型桩和边坡的土体更好地形成了一个整体，所有的受力均由两者共同完成。（3）微型桩组桩身所受的土压力已达到峰值，但协同护坡组直到加载结束均呈现上升的趋势，说明其还可以承受更多的土压力。相较于微型桩组，协同护坡在与桩后土体分离的过程（下转第43 页）江西建材试验与研究432023年1 月工况D在水槽注水第15d后开始出现渗水现象，渗水后的每隔8h的观测数据如表6所示。对比工况C试验结果可知，在试件表面涂刷卷材专用胶后，粘贴 CPS高分子防水卷材试件的抗渗效果得到进一步的提高，此时的峰值单位渗水量为1.53ml/s。此外，由表5 和表6 数据可知，在相同时间段内，工况 D的渗水体积量小于工况 C的渗水体积量。产生上述现象主要是因为在试件表面涂刷卷材专用胶后，减少了卷材的局部脱落面积，从而使得试件的抗渗性能得到提高。表6 工况 D试验结果观测时间/h水头高度/mm水头差/mm 渗水体积/ml单位时间渗水量/（ml/s）8999.0 1.0 4800.02 16952.1 46.9 225120.78 24876.7 75.4 361921.26 32788.4 88.3 423841.47 40696.5 91.9 441121.53 48613.8 82.7 396961.38 56539.2 74.6 358081.24 64467.7 71.5 343201.19 72403.6 64.1 307681.07 80345.1 58.5 280800.98 88289.4 55.7 267360.93 96238.0 51.4 246720.86 104190.0 48.0 230400.80 112146.9 43.1 206880.72 120110.2 36.7 176160.61 12879.3 30.9 148320.52 3 结论本文以某CBD工程地下空间项目地下连续墙为背景，进行了混凝土抗渗性能试验和地下连续墙接缝部位抗渗性能试验，探究不同防水卷材及卷材粘贴处理方式对地下连续墙抗渗效果的影响，主要结论如下。（1）粘贴 CPS高分子防水卷材混凝土试件的抗渗效果优于粘贴传统自粘型防水卷材混凝土试件。粘贴 CPS防水卷材后，混凝土试件的抗渗等级为 P6，而粘贴传统自粘型防水卷材后，混凝土试件的抗渗等级为 P5。（2）通过对试件表面进行涂刷卷材专用胶处理，提高了CPS高分子防水卷材与混凝土试件的黏结力，减少了卷材的局部脱落面积，使得混凝土试件的抗渗等级由 P6 提升至 P10。（3）粘贴防水卷材后，地下连续墙的单位时间渗水量随着水头高度的降低呈现出先增大后减小的趋势，这主要与卷材局部脱落面积有关，当防水卷材脱落面积稳定后，单位时间渗水量将逐渐减小。参考文献 1 徐启鹏，倪汉杰，王玥.地下连续墙接缝渗漏检测及防治技术J.隧道建设（中英文），2019，39（S2）：372-378.2 高琪.深基坑渗漏水防治施工技术 J.铁道建筑技术，2017（8）：97-100，110.3 尹超凡，冯艳玲，顾军，等.开挖前地下连续墙接缝声纳渗流检测施工技术J.施工技术，2016，45（S1）：71-75.4 谷湘泉.地铁车站深基坑地下连续墙接缝渗漏原因分析及防治J.江西建材，2014（18）：144-145.5 谢林星.轨道交通地下连续墙基坑渗漏水处理方法J.价值工程，2020，39（19）：127-128.6 刘林波，刘彬.地铁深基坑地下连续墙接缝渗水控制施工技术J.城市建设理论研究（电子版），2017（3）：193-194.7 侯新宇，刘娟，薛必芳，等.地铁基坑地下连续墙渗漏原因分析及治理措施J.建筑技术，2017，48（9）：972-975.8 林加戍.浅析地铁地下连续墙接缝渗漏的原因及防治措施J.江西建材，2016（13）：145-146.9 陈晓飞.地连墙与自凝灰浆防水墙组合防渗新技术的应用及分析J.探矿工程（岩土钻掘工程），2012，39（8）：50-53.10 王斌.地铁车站地下连续墙接缝施工质量控制要点分析J.工程技术研究，2020，5（20）：95-96.中更加缓慢，协同护坡组的土压力下降速度降低了67.03%。（4）相较于单纯微型桩护坡，微型桩-植被协同护坡提升承载能力的效果很显著，改变了整体边坡的破坏形式，转为了微型桩-土体共同破坏的模式，体现了微型桩-植被的协同作用。参考文献 1 嵇晓雷，杨平.不同降雨强度下植被护坡对边坡位移的影响J.林业工程学报，2020，5（5）：152-156.2 嵇晓雷，杨平.不同根系布置模式对降雨条件下边坡稳定性的影响J.东北林业大学学报，2020，48（7）：86-89，97.3 陈潮.护坡灌木根土力学作用时间尺度效应研究D.成都：西南交通大学，2017.4 张丽，岳绍玉，薛静.河流植被护坡的防护机理研究与分析J.河南水利与南水北调，2017（1）：84，88.5 P.P.Capilleri，M.Cuomo，E.Motta，M.Todaro.Experimental Investigation of Root Tensile Strength for Slope StabilizationJ.Indian Geotechnical Journal，2019，49（6）：126.6 王波.微型桩加固浅层堆积层滑坡破坏模式试验研究 D.西安：西安工业大学，2016.7 Abbas Qaisar，KimGaram，KimIncheol，KyungDoohyun，LeeJunhwan.Lateral Load Behavior of Inclined Micropiles Installed in Soil and Rock LayersJ.International Journal of Geomechanics，2021，21（6）：257.8 Alizadeh，Mojtaba，Khodaparast，Mahdi，Rajabi，Ali M.Simulation of the Interaction of Micropiles and a Fault RuptureJ.KSCE Journal of Civil Engineering，2021，25（12）：67.（上接第40页）