独立式微型桩的桩顶不设约束, 从形式上桩与桩之间是完全独立存在, 类似于立锚(索)杆的布置, 如图2所示.该种类型的微型桩施工简便、经济、环保, 能为抢险加固工程赢取更多的时间, 但其对滑坡的约束效果需根据桩间距来确定.

图2

Fig.2

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	图2 独立式微型桩Fig.2 Independent micropile

连系梁微型桩是在独立式微型群桩的桩顶增设一条连系梁, 其效果类似于抗滑桩上的冠梁, 见图3.添加连系梁可对微型桩的受力协调性加以改善, 但成本和工期略有增加.

图3

Fig.3

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	图3 连系梁式微型桩Fig.3 Micropile with coupling beams

承台式微型桩是在独立式微型桩的基础上, 在其桩顶添加承台而构成, 承台约束的微型桩桩群可以是矩形分布, 也可以是梅花形或其他形式分布, 如图4所示, 承台的设置可使各桩之间的整体受力协调性得以改善, 但施工成本及工期均有所增加.

图4

Fig.4

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	图4 承台式微型桩Fig.4 Micropile with pile cap

在数值模拟过程中, 微型桩与顶板的物理力学参数如表1所示.微型桩、顶板采用弹性模型进行模拟, 粉质黏土与泥岩采用Mohr-Coulomb模型进行模拟, 其中, 微型桩直径为150 mm, 连系梁长为0.3 m, 顶板长和宽均为0.7 m, 厚为0.1 m, 将微型桩与粉质黏土、泥岩之间建立接触界面, 接触界面参数通过参考相关文献及相近模型, 结合试验段实际情况进行取值, 如表2所示.

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 微型桩的物理力学参数 Tab.1 Physical and mechanical parameters of micropile 结构类型 弹性模量/GPa 泊松比 重度/(kN· m-3) 微型桩 30 0.25 24 连系梁 30 0.25 23 顶板 20 0.20 21

表1 微型桩的物理力学参数 Tab.1 Physical and mechanical parameters of micropile

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 接触界面参数 Tab.2 Contact interface parameters 接触类型 法向刚度模量/ (kN· m-3) 剪切刚度模量/ (kN· m-3) 黏聚 力/kPa 内摩擦 角/(° ) 桩— 土接触 6.67× 107 6.67× 105 25 24 桩— 岩接触 2.60× 109 2.60× 107 100 25

表2 接触界面参数 Tab.2 Contact interface parameters

微型桩系统的受力特性与抗滑效果会受到连系介质的影响, 选取以土为主的地质情况, 其岩土力学参数见表3.

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 岩土体力学参数 Tab.3 Mechanical parameters of rock-soil mass 材料类型 黏聚力/Mpa 内摩擦角/(° ) 弹性模量/Gpa 滑体 0.02 20 0.06 基岩 2 35 5 滑动面 0.014 14 —

表3 岩土体力学参数 Tab.3 Mechanical parameters of rock-soil mass

建立模型的主要问题在于桩前土体边界条件的选取, 本文在参考现有模型的基础上优化、改进并建立模型, 每一种群桩组合体系的边界条件通过试算法校验确定, 最终所建计算模型见图5.外围模型一次性建立, 微型桩不同的群桩类型可通过FLAC^3D内置的结构单元实现, 其中桩采用pile单元模拟, 连系梁采用beam单元模拟, 承台采用shell单元模拟.边界荷载的施加是通过先将边界施加约束, 然后在边界上施加速度荷载来实现.

图5

Fig.5

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	图5 微型桩的FLAC3D计算模型Fig.5 Calculation model of micropiles by using FLAC3D

微型桩的布置可分为矩形和梅花形2种, 如图6和图7所示.

图6

Fig.6

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	图6 矩形对称布置Fig.6 Rectangular symmetrical arrangement

图7

Fig.7

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	图7 梅花形交错布置Fig.7 Plum blossom shape arrangement

3.1.1 矩形布置

由试算可知, 在桩周土体屈服时, 群桩在2 m的间距范围内荷载分担比约为1∶ 1∶ 1, 采用上述荷载分担比例, 对独立式微型桩桩周土体屈服, 滑坡发生前荷载作用下桩体的最大内力分布规律进行计算分析.图8为独立式微型桩在矩形布置的情况下桩身最大内力与桩间距之间的关系图.由图8(a)可知, 独立式微型桩各桩的受力受桩间距影响较大, 桩间距1.0 m以下时群桩的联合抗弯效应最好, 超过1.0 m后3根桩表现为滑坡推力先作用到的桩弯矩较大, 其余两桩弯矩相对较小.由图8(b)可知, 桩身最大轴力同样反映出这一规律, 各桩最大轴力受桩间距的影响较明显, 1#桩桩身轴力随桩间距增大而明显增大, 2#、3#桩的桩身轴力随桩间距的增大表现出增大后趋于平稳的趋势.这可能是由于桩直径较小, 当平行布置微型桩时, 桩土介质协同受力的影响范围不会超过2 m, 所以当矩形布置的微型桩桩间距过大时, 群桩协同受力的效果就不再明显.

图8

Fig.8

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	图8 独立式微型桩矩形布置最大内力与桩间距关系Fig.8 Relationship between the maximum internal force and pile spacing when the independent micropile arranged in rectangular symmetry

3.1.2 梅花形布置

图9为独立式微型桩在梅花形布置的情况下桩身最大内力与桩间距之间的关系.

图9

Fig.9

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	图9 独立式微型桩梅花形布置最大内力与桩间距关系Fig.9 Relationship between the maximum internal force and pile spacing when the independent micropile arranged in plum blossom shape

由图9可知, 梅花形布桩的情况下, 各桩的受力比矩形布置更协调, 由图9(a)可知, 桩间距的变化与桩身受到的最大弯矩相关性较大, 由图9(b)可知, 当桩间距增加到1.0 m以上时, 轴力开始表现为滑坡推力先作用到的桩受力较大, 其它两根桩所受轴力随桩间距的增大表现出先增大后趋于平稳的趋势.此外, 梅花形布桩形式对桩与桩之间的受力协调可起到加强联系的作用, 比矩形平行布桩更有利于群桩的协同受力.

将矩形布置的微型桩加“ 井” 字形连系梁, 梅花形布置的微型桩加“ X” 形连系梁, 分别计算分析其弯矩、轴力最大值的变化规律.图10和图11分别为连系梁微型桩在矩形布置和梅花形布置的情况下桩身最大内力与桩间距之间的关系.

图10

Fig.10

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	图10 连系梁式微型桩矩形布置时内力与桩间距关系Fig.10 Relationship between the maximum internal force and pile spacing when micropile with coupling beams arranged in rectangular symmetry

图11

Fig.11

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	图11 连系梁式微型桩梅花形布置时内力与桩间距关系Fig.11 Relationship between the maximum internal force and pile spacing when micropile with coupling beams arranged in plum blossom shape

3.2.1 矩形布置

由图10可知, 矩形布置的微型桩加连系梁后, 随着桩间距的变化, 当桩间距较小时连系梁对微型桩各桩间协同受力的改善并不特别明显, 2#、3#桩并未完全发挥其抗滑作用, 要使连系梁充分发挥其组织协同三排桩发挥最大抗滑效果的作用, 桩间距需在1.5 m以上.这说明由于微型桩结构尺寸较小, “ 井” 字形连系梁对微型群桩的受力改善并不会像大型抗滑桩一样传递到土体较深处.因此, 在设计选用时需综合考虑工程的经济合理性及连系梁的改善效果.

3.2.2 梅花形布置

由图11可知, 梅花形布置的微型桩在其桩顶增设“ X” 形连系梁后, 由于布桩形式的改变及连系梁的协同作用使得各排微型桩桩身抗滑能力的发挥效果在桩间距增大的情况下得以改善, 其中对各桩桩身最大抗弯能力的充分发挥改善更为明显, 3根桩桩身最大弯矩的数值相对接近, 变化规律较为一致, 可见其协同受力效果较好.就微型桩而言, 桩身最大弯矩为设计时所考虑的主要参数, 当桩间距为1.5~2.0 m时, 连系梁微型群桩可在兼顾安全性和经济性的同时, 最大限度发挥其抗滑能力, 且不同桩之间具有良好的协同受力效果.因此, 建议将桩间距设置到1.5~2.0 m之间.

将独立式微型桩桩顶增设承台.图12与图13为承台式微型桩在矩形布置和梅花形布置的情况下桩身最大内力与桩间距之间的关系.

图12

Fig.12

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	图12 承台式微型桩矩形对称布置时最大内力与桩间距关系Fig.12 Relationship between the maximum internal force and pile spacing when micropile with pile cap arranged in rectangular symmetry

图13

Fig.13

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	图13 承台式微型桩梅花形交错布置时最大内力与桩间距关系Fig.13 Relationship between the maximum internal force and pile spacing when micropile with pile caparranged in plum blossom shape

3.3.1 矩形布置

由图12可知, 承台的加设对矩形布置的微型桩内力的改善较大, 能够体现出承台的作用, 且使群桩的土拱效应充分发挥, 加强了桩与周围土体介质的联系.当桩间距增长到1.5 m以上时, 微型桩体系的最大桩身弯矩有减小趋势, 说明桩间土体出现扰流现象, 使滑坡推力未完全传递给承台式微型桩.

3.3.2 梅花形布置

由图13可知, 相比于矩形布桩的承台式微型桩体系而言, 梅花形布桩的承台式微型桩体系受力有所改善, 但效果不明显, 这说明梅花形布桩形式对于承台式微型桩系统内力协调性的改善作用有限.

将不同类型的微型桩在不同桩间距和布桩形式下的最大弯矩汇总, 如图14所示.对比不同桩间距下的桩身所产生的最大弯矩, 可知在1.5~2.0 m范围内各桩型的力学性能均得到充分发挥.而对比不同结构形式可以看出, 承台式微型桩, 尤其是梅花形布置的承台式微型桩结构在桩身力学性能及不同桩之间协同受力效应的充分发挥上, 表现出更好的效果, 其最大桩身弯矩分别约为独立式和连系梁型的1.36和1.35倍, 而在其他条件相同的情况下, 梅花形布桩形式微型桩的桩身最大弯矩约为矩形布桩形式的1.02倍.由此可见, 梅花形布置的承台式微型桩在抗弯性能方面更具有优势, 可抵抗更大的滑坡推力.

图14

Fig.14

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	图14 微型桩不同桩间距和布桩形式下各桩型最大弯矩汇总Fig.14 Summary of the maximum bending moment of micropiles with different pile spacings and in different pile forms

将各种类型的微型桩在不同桩间距和布桩形式下的最大轴力汇总, 如图15所示.同样在1.5~2.0 m的范围内, 各桩型受力的改善效果较为理想, 桩身能承受更大的轴力作用.对比不同桩型, 承台式微型桩受力的改善效果明显优于其他类型的微型桩, 其最大轴力分别可达到独立式和连系梁微型桩最大轴力的1.04和1.02倍, 可见在滑坡发生之前, 承台式微型桩能承受更大的桩身轴力, 抗滑能力更好.

图15

Fig.15

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	图15 微型桩不同桩间距和布桩形式下各桩型最大轴力汇总Fig.15 Summary of the maximum axial force of micropiles with different pile spacings and in different pile forms

综上所述, 在独立式微型桩、连系梁微型桩、承台式微型桩3种桩型中, 承台式微型桩具有更好的抗滑能力和固坡效果, 是推荐的抗滑桩形式.相比于矩形布桩形式, 梅花形布桩形式虽然在桩身最大轴力的发挥上未体现出明显的优势, 但从桩身所能承受最大弯矩的对比中可以看出, 梅花形布桩对微型桩的抗滑效果是有所改善的.此外, 通过以上对比, 给出微型桩的推荐布桩间距为1.5~2.0 m, 在此范围内各桩型的力学性能均得到充分发挥.