红黏土边坡防护生态轻型桩几何参数优化

2022-04-29乔建刚李庆楼刘翔

科学技术与工程 2022年7期

乔建刚，李庆楼，刘翔

(河北工业大学土木与交通学院，天津 300401)

随着中国经济迅速发展，公路建设不断增加，公路边坡在自然环境下由于降雨等因素容易导致失稳现象发生，危害行车安全。目前公路边坡防护中微型桩的应用较广泛，能达到提高边坡抗滑承载力的目的。微型桩技术首次由意大利Lizzi提出[1]。关于微型桩的研究较多， Esmaeili等[2]将微型桩与土体看作整体，对微型桩加固展开研究；Richards等[3]通过研究微型桩在荷载作用下的变形与性能变化，发现荷载方向为水平时微型桩的力学性能良好；William[4]采用数值模拟方法和极限平衡理论分析了微型桩群护坡的稳定性； Khanmohammadi等[5]对微型桩穿透黏土导致的土壤应力变化进行了研究；Bruce等[6]采用微型桩结合表面盖梁的方案对铁路路堤进行了加固，加固效果较为明显；王洋等[7]通过试验分析了微型桩固土护坡的受力机制；孙书伟等[8]通过研究微型桩的力学规律，用数值分析的方法分析其固坡机理；张智超等[9]通过试验与有限元模拟结合的方式，分析了微型桩加固前后边坡的静力响应，从而验证了微型桩抗滑的有效性；胡国平等[10]在考虑桩与桩之间力学传递规律的基础上，分析其结构的变形；王飞等[11]通过大型振动台试验，对比分析地震波加载方向不同时，微型桩群不同位置加速度的响应，并对其护坡效果进行评价；陈再谦等[12]通过试验对不同形式微型桩的承载能力和破坏特征进行研究；邓友生等[13]对香根草-微型桩协同护坡机理进行了研究；宁宇等[14]对联合h形桩在滑坡体阻滑作用进行了研究；李浩等[15]对桩-土作用下桩间距及桩位对抗滑桩及土体力学特性的影响进行了研究；庄培芝等[16]对考虑尺寸效应的桩侧摩阻力修正计算方法进行了研究；谢财进等[17]对不同桩芯微型桩抗弯承载力试验研究。目前，中外关于微型桩的研究多集中于固土效果、力学特性及护坡机理。微型桩虽能提高边坡的稳定性，但是不能促进坡体植物生长，不利于边坡的生态防护。

鉴于此对兼具维持边坡稳定和提高生态景观功能的生态轻型桩进行研究。分析计算当地大气影响深度确定了生态轻型桩的影响深度。通过Geo-Studio有限元软件对不同工况的生态轻型桩进行入渗情况分析，确定了生态轻型桩的几何参数，得到了生态轻型桩的简易设计方法。

1 生态轻型桩定义与影响因素分析

1.1 生态轻型桩定义

生态轻型桩是指按照规定间距设置，在边坡上钻一定直径和深度的孔，灌注化学改良溶液后回填适宜植物生长的客土，通过溶液的渗透在一定范围内对边坡产生固土作用而形成的桩。生态轻型桩一般用于土质难以满足植物生长要求的边坡，通过改良土质形成适宜植物生长的环境，并且起到固土护坡的作用。生态轻型桩具有木桩及钢筋混凝土桩等抗滑桩耗材较少、施工灵活的优点，并且克服了生态景观性差、造价较高的缺点，是一种兼具维持边坡稳定和提高生态景观功能的新型边坡生态防护技术。

1.2 生态轻型桩几何参数分析

生态轻型桩设计需满足对边坡起到固土护坡作用的要求，因此需要对生态轻型桩的几何参数进行优化设计，即最终渗透深度、钻孔直径和钻孔深度。

(1)大气影响深度范围内会引起土的升降变形，生态轻型桩在这一深度范围内对土体进行改良，能有效改善土的变形，提高边坡稳定性。

(2)生态轻型桩的孔径和钻孔深度不同，溶液的入渗深度不同。通过模拟入渗深度，确定适宜的孔径和孔深，使得溶液入渗后的深度达到大气影响深度范围，以此保证形成的生态轻型桩对边坡的防护作用。

2 生态轻型桩影响深度确定

大气影响深度是指在自然气候作用下，由降水、蒸发、地温等因素引起土的升降变形的有效深度。生态轻型桩深度的取值与大气影响深度有关，结合边坡所在地区的气象资料，计算当地大气影响深度，从而确定生态轻型桩影响深度范围。

根据蒸发力和降雨量资料，计算研究区边坡土的湿度系数，计算公式为

ψ=1.152-0.726α-0.001 07c

(1)

式(1)中：ψ为土的湿度系数；α为9月—次年2月蒸发力之和与全年蒸发力之和的比值(不包括月平均气温低于0 ℃的月份)；c为月平均气温高于0 ℃且干燥度大于1的月份蒸发力与降雨量差值之和。干燥度定义为蒸发力与降雨量的差值。

《膨胀土地区建筑技术规范》(GB 50112—2013)中规定土的湿度系数与大气影响深度的关系，如表1所示。

表1 湿度系数与大气影响深度关系Table 1 The relationship between the humidity coefficient and the depth of atmospheric influence

从表1可以看出，土的湿度系数越大，大气影响深度数值越小，可近似认为呈线性关系。对湿度系数x与大气影响深度y的关系进行线性拟合，得

y=-6.5x+8.75,R2=0.965 7

(2)

采用F检验进行相关性检验，计算得到F0.05=57.333，查F分布表可得，F0.05(1,2)=18.513 <57.333，该模型显著相关。

在一定范围内，大气影响作用非常显著，称为大气影响急剧层深度，一般为大气影响深度的45%。将生态轻型桩深度确定为大气影响急剧层深度，结合式(2)，可以得出生态轻型桩深度y与土的湿度系数x关系模型为

y=0.45×(-6.5x+8.75)

(3)

研究区位于山西省吕梁市，根据上述理论，吕梁地区气象资料及计算参数如表2所示。

表2 吕梁地区气象资料及计算参数Table 2 Meteorological data and calculation parameters in Luliang area

根据吕梁地区蒸发力和降雨量资料，计算得到吕梁地区红黏土湿度系数为0.96，由生态轻型桩深度与土的湿度系数关系模型可以得出吕梁地区红黏土大气影响急剧层深度为1.13 m，为保证护坡效果，将生态轻型桩影响深度定为1.2 m。

3 生态轻型桩几何参数确定

为保证化学改良溶液通过渗透达到1.2 m深度，选择孔径为8、10、12 cm，孔深60、80、100 cm相互组合的9种工况，通过有限元软件Geo-Studio(seep)分析其入渗深度。

3.1 基本理论

Geo-Studio包含SLOPE/W、SEEP/W、SIGMA/W、QUAKE/W、 TEMP/W、CTRAN/W、AIR/W、VADOSE/W 八个模块，是一套专业、高效而且功能强大的适用于岩土工程和岩土环境模拟计算的仿真分析、设计软件。其中SEEP/W模块用来分析稳态或瞬态情况下边坡内部渗透情况。

Darcy定律可以表示饱和土在水中的流动，即

(4)

式(4)中：vw为水的流速，cm/s；kw为水的渗透系数，cm/s；∂hw/∂y为y方向的水力梯度。x和z方向水力梯度同理。

将渗透系数定义为水流速与水力梯度的比，对于饱和土来说，渗透系数为常数。水在非饱和土中流动时，Darcy定律同样适用，但其渗透系数是变化的，随着基质吸力的变化而变化，可以将非饱和土看做含水量有所降低的饱和土。

溶液在土中的某一定点的能量由三种分量组成，包括动能、重力势能和压力能。

某点处的动能可以表示为

(5)

式(5)中：Ev为动能，J；mw为该点处水的质量，kg；vw为该点的水流速度，m/s。

重力势能可以表示为

Eg=mwgy

(6)

式(6)中：Eg为重力势能，J；g为重力加速度，m/s2；y为相对于基准面而言所取点的高度，m。

压力能可以表示为

(7)

式(7)中：Ep为压力能，J；uw为点的孔隙水压力，kPa；vw为该点处水的流速，m/s。

式(7)可以变形为

(8)

式(8)中：ρw为水的密度，g/cm3。

水的密度为常数，则式(8)可以表示为

(9)

土体中一点处的总势能则为三种能量分量之和，即

(10)

式(10)两边同时除以水的质量可以得到一点处的水头，即

(11)

溶液在土中流动入渗的条件为两点之间存在水头，基准面与入渗深度之间的水头为0时，达到最大入渗深度。

3.2 参数及工况选择

根据文献及工程经验，每孔灌注溶液的体积为5 505 cm3。依托吕梁环城高速离石服务区实际边坡，边坡坡度为1∶0.75，钻孔方向垂直于边坡，不同孔径和深度的孔内能够盛放的液体最大量如图1所示。

图1 不同钻孔尺寸盛液量Fig.1 Liquid holding capacity of different drilling sizes

对不同孔深和孔径生态轻型桩的盛液量进行拟合，构建不同几何尺寸的生态轻型桩最大盛液量模型，即

(12)

式(12)中：y1、y2、y3为孔深为60、80、100 cm时生态轻型桩盛液量，cm3；x为生态轻型桩的孔径，cm。

上述模型通过F检验，该模型显著相关。

分析式(1)可以得到，为满足5 505 cm3的盛液量，生态轻型桩孔深为60 cm时，孔径需大于11.62 cm；孔深为80 cm时，孔径需大于9.79 cm；孔深为100 cm时，孔径需大于8.64 cm。结合上述9种工况，选择孔径10 cm时，孔深为80、100 cm，孔径为12 cm时，孔深为60、80、100 cm这5种工况分析溶液灌入生态轻型桩后的入渗深度。工况如表3所示。

表3 工况选择Table 3 Working condition selection

截取生态轻型桩周围特征部分进行分析，具体尺寸如图2所示。选择四边形加三角形的形式进行网格划分，共1 375节点，1 283单元。单元格划分如图3所示。总水头设置46.2 m，经过液体入渗确定其最终能达到的深度。参数选择如表4所示。

图2 模型尺寸Fig.2 Model size

图3 单元格划分Fig.3 Cell division

表4 材料参数

3.3 入渗深度分析

根据上述5种工况分别对液体入渗的深度进行分析。以孔径10 cm，孔深80 cm和100 cm两种工况为例，分析溶液入渗深度，如图4所示。

从图4可以看出孔径都为10 cm，孔深为80 cm时溶液入渗深度可以达到1.2 m，孔深为100 cm时，入渗深度为1.4 m左右。同理，将其余3种工况即孔径为12 cm，孔深分别为60、80、100 cm分别进行入渗模拟，渗透深度如5所示。

图4 入渗深度Fig.4 Infiltration depth

从图5可以看出孔径都为12 cm，孔深为60 cm时溶液入渗深度小于1.2 m，孔深为80 cm和100 cm时，入渗深度都大于1.2 m。对不同生态轻型桩的尺寸与入渗深度关系进行分析，如图6所示。

图5 入渗深度Fig.5 Infiltration depth

由图6可以得到，孔径为10 cm和12 cm时，孔深和入渗深度的关系模型分别为

图6 生态轻型桩的尺寸与入渗深度关系Fig.6 The relationship between the size of ecological light pile and the infiltration depth

y=0.009 5x+0.46

(13)

y=0.005 17ex/22.844 9+1.088 57

(14)

式中：y为计算入渗深度,m；x为孔深,cm。

根据式(13)、式(14)分析得出，要达到1.2 m的入渗深度，在孔径为10 cm时，孔深需达到77.89 cm；孔径为12 cm时，孔深需达到70.15 cm。

当边坡坡度不同时，液体在垂直边坡方向产生的压力不同，造成入渗深度有差异。边坡越陡，液体在垂直坡面方向的压力越小，达到的入渗深度就越小。结合不同坡度边坡的平均入渗率，以1∶0.75坡度入渗深度为基准，对坡度为1∶1和1∶1.25两种坡度达到1.2 m的入渗深度所需的孔深进行系数折减，得到边坡坡度不同时，达到入渗深度所需孔深，如表5所示。