Physical model tests on supporting performance of micro-pile and micro-pile with thread in natural gas pipe-landslide system in mountainous area
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摘要: 山区天然气管道工程难免会遭遇滑坡等地质灾害的影响，这给穿越滑坡区域的沿线管道的安全运营造成严重威胁。文章以中贵天然气管道K558+700滑坡为工程背景，通过室内大型物理模型试验，研究对比花管微型桩与螺纹微型桩两种新型支挡结构在管道滑坡中的支护机理及适用性。试验表明：（1）花管微型桩山侧及河侧峰值土压力沿桩深分布形式基本相似，大体呈“S”曲线形，桩后土体土拱效应明显，且在各级荷载下分布形式大致保持一致，总体来说花管桩侧土压力分布规律为桩中最大，桩顶次之，桩底最小；滑带附近的桩体周围土压力较大，在抗滑桩设计工作中应重点考虑优化。（2）螺纹桩山侧峰值土压力沿桩深分布图大体呈双“S”曲线形，河侧峰值土压力相比山侧分布形式产生了较大差异，桩底的土压力相比山侧有很大幅度减小；随外部荷载的增加桩周土压力增加幅度较大，表明螺纹微型桩在横向承载性能方面有所欠缺。（3）花管桩桩身弯矩沿深度方向呈“M”形分布，桩身离模拟滑面以上5 cm位置处产生最大正弯矩；螺纹桩桩身弯矩分布沿深度方向呈“S”形，桩体正负弯矩位置在模拟滑面附近大致呈旋转对称分布，滑面以上大部分区段为负弯矩，滑面以下为正弯矩；在相同推力荷载工况下，螺纹微型桩变形程度大于花管微型桩。（4）在滑坡作用下花管微型桩可以有效减小传递到管道的坡体应力，在一定程度上预防管道受力破坏；而螺纹桩在较大横向荷载下抗弯性能不足，变形严重，破坏后不能有效承担滑坡推力，传递到桩前管道的应力较大，从而导致管道变形程度更为强烈。在本试验条件下，花管微型桩对管道的保护效益突出，更适用于作为管道—滑坡区域的支挡结构。Abstract: Natural gas pipeline projects in mountainous areas are inevitably affected by geological hazards such as landslides, which pose a serious threat to the safe operation of pipelines along the routes through landslide areas. Based on the engineering background of China-Guizhou natural gas pipeline K558 + 700 landslide, this paper studies and compares the supporting mechanism and applicability of two different support structures, namely, flower-tube micro-pile and threaded micro-pile, in pipeline landslide through indoor large-scale physical model tests. The results show that: (1) The distribution pattern of peak soil pressure along the mountain side and river side of flower tube micro-piles is basically similar along the pile depth, which is in the shape of "S" curve. The soil arching effect behind the pile is obvious, and the distribution pattern of soil pressure is generally consistent at all levels of load. In general, the distribution pattern of soil pressure on the side of the flower-pipe pile is the largest among piles, followed by the pile top, and the bottom of the pile. The soil pressure around the pile near the sliding zone is larger, so the optimization should be considered in the design of anti-slide pile. (2) The distribution diagram of the peak earth pressure along the pile depth of the threaded pile presents a double "S" curve. The distribution pattern of the peak earth pressure on the river side is significantly different from that of the mountain side, and the earth pressure at the bottom of the pile decreases greatly compared with that of the mountain side. With the increase of external load, the soil pressure around the pile increases greatly, indicating that the screw micro pile is deficient in lateral bearing capacity. (3) The bending moment of flowered pipe pile presents an "M" shape distribution along the depth direction, and the maximum positive bending moment occurs at the position 5 cm above the simulated slip surface. The pile body bending moment distribution along the depth direction is "S" shape, and the pile body positive and negative bending moment position near the simulated sliding surface roughly rotate symmetrical distribution, most of the region above the sliding surface is negative bending moment, the pile body below the sliding surface is positive bending moment. Under the same thrust load, the deformation degree of the screw micro pile is greater than that of the flower tube micro pile. (4) The load-bearing performance of the splined pipe pile is better than that of the threaded pile under thrust load, which effectively reduces the landslide thrust transferred to the pipeline; Under the large thrust load, the threaded pile can not effectively bear and offset the landslide thrust due to its insufficient flexural performance and serious deformation, and the stress transmitted to the pipe in front of the pile is large, causing more intense deformation of the pipe. Under the condition of this test, the flowered pipe micro-pile has outstanding protection benefit to the pipeline, and is more suitable for the retaining structure of the landslide area of the pipeline.
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0. 引言
2020年2月英德市沙口镇某村发生3处岩溶地面塌陷[1]。2020年4月26日又连续发生3处岩溶地面塌陷，单个塌陷坑最大面积183 m2，深4.9 m，潜在危害该村61户227人生命财产安全。
岩溶地面塌陷的研究开展已久，形成了抽排地下水、暴雨、洪水及振动等主要成因机理[2-7]。针对本研究区岩溶地面塌陷灾害，前期已开展了多轮调查工作。2006年广东省地质环境监测总站完成了1∶10万英德市地质灾害调查与区划，2010年广东省工程勘察院编制了《广东省英德市地质灾害防治规划（2011—2020年）》，2018年广东省核工业地质调查院编制了《广东省英德市1∶5万地质灾害详细调查报告》，2013年广东省化工地质勘查院编制了《英德市望埠镇奖家洲村岩溶地面塌陷地质灾害初步勘查评价报告》等，分析研究了英德市岩溶地面塌陷地质灾害特点与规律。前人大量的岩溶地面塌陷地质灾害专项调查、区划、专项勘查为本文编写提供丰富的基础资料。
本次研究过程中，采用了工程测量、工程地质测绘、高密度电法、地震面波法、地质钻探验证、抽水试验、室内岩土水测试分析、地下水动态监测等综合勘查手段[8-10]，查明场地地质环境条件、隐伏岩溶发育与分布状况及岩溶地面塌陷发育特征，对岩溶地面塌陷的形成机理进行分析。
1. 研究区地质环境条件
1.1 研究区基本情况
研究区位于北江右岸，地貌类型属河流堆积河漫滩地貌，地形平缓。东侧北江，西侧为山体，山体陡立，为典型灰岩峰林地形，北侧为碎屑岩风化剥蚀低丘，南侧由岩溶洼地逐渐向碎屑岩风化剥蚀低丘过渡（图1）。
北江干流自北东向南西流经本区，形成宽阔的纵向岩溶河谷，北江河床宽宽约400 m，自1978年以来研究区北江最高水位44.27 m，最低水位33.07 m。
1.2 地层岩性及水文地质特征
研究区地层为泥盆系上统天子岭组（D3t）灰岩、泥盆系上统帽子峰组（D3m）砂页岩和第四系更新统黄岗组粉质黏土、粉砂、卵石（Q2-3h）（图2）。研究区岩溶地面塌陷地段上覆松散盖层粉砂、卵石层中赋存丰富的松散岩类孔隙水，下覆基岩可溶性碳酸盐岩中赋存裂隙溶洞岩溶水。粉砂层富水性与透水性均中等，卵石层富水性与透水性强，岩溶水水量丰富，地下水位年变化幅度为4～6 m。
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图 2 研究区工程地质平面和剖面图Figure 2. Engineering geological map of the study area and a profile1.3 地质构造
研究区位于八里石背斜北西翼之次一级向斜核部。推断有WF1断裂经过WTK5及ZK2，走向大致呈北偏西45°展布，呈舒缓波状，切割泥盆系天子岭组灰岩，长度约1300 m，宽度不明，倾角较陡，带内主要由构造角砾岩、断层泥、大理岩化灰岩及灰岩组成，为逆断层。
2. 岩溶地面塌陷发育特征
研究区共发现8处塌陷，编号为T1～T8，塌陷统计见表1，分布位置见图2，照片见图3。塌陷发育主要有方向性、同步性等6个特征。
表 1 研究区岩溶地面塌陷统计表Table 1. Statistical table of karst ground collapse in the study area编号 发生时间 平面形态 地貌及第四系岩性 造成损失 T1 2020-04-26 呈16.45×14.03 m的椭圆形，深4.9m 河流阶地，粉质黏土、粉砂及卵石 毁田 T2 2020-04-26 呈直径9.5 m的近圆形，深3.8 m 河流阶地，粉质黏土、粉砂及卵石 毁田 T3 2020-04-26 呈12.1×10.03 m的椭圆形，深3.8 m 河流阶地，粉质黏土、粉砂及卵石 毁田 T4 2020-02-04 呈7.95×6.80 m的椭圆形，深6.5 m 河流阶地，粉质黏土、粉砂及卵石 毁田 T5 2020-02-05 呈7.7×4.4 m的椭圆形，深6.5 m 河流阶地，粉质黏土、粉砂及卵石 毁田 T6 2020-02-05 呈10.1×7.24 m的椭圆形，深5.2 m 丘陵坡地，粉质黏土 毁竹林 T7 2020-07-19 呈6.68 m的近圆形，深4.3 m 河流阶地，粉质黏土、粉砂及卵石 毁田 T8 1978年 呈5.0 m的近圆形，深5.0 m 河流阶地，粉质黏土、粉砂及卵石 毁田 （1）塌陷多分布在土层较薄、土颗粒较粗地段：塌陷为土层塌陷，土体主要由粉质黏土、粉砂、卵石层组成，卵石与下伏灰岩直接接触，覆盖层厚度与第一层溶洞顶板厚度处于12.4～15 m，厚度较薄[11]。如距T1～T3塌陷坑最近的ZK10钻孔覆盖层厚仅11.60 m，溶洞顶板厚0.8 m；距T4～T7塌陷坑最近的ZK19钻孔覆盖层厚仅10.80 m，溶洞顶板厚2.1 m。
（2）塌陷多分布在褶皱轴部[12]：塌陷区位于八里石背斜北西翼之次一级向斜核部地段，地下水集中，有利岩溶强发育。
（3）塌陷多分布在断层影响带：已发8个塌陷总体上位于WF1断裂影响带上，其中T1～T3位于断层上盘约80～100 m处，T4～T7总体位于断层带上，T8位于断层下盘约70 m处，断层破碎带处地下水富集，径流强，潜蚀作用下岩溶强发育，为塌陷提供良好的地下空间。
（4）塌陷分布于河床右岸：地貌为河流阶地，地形平缓，洪水期间被淹没，地下水动力条件改变快，易产生塌陷。
（5）方向性：T4—T6塌陷发生于2020年2月，轴线方向为NW300°；T1—T3发生于2020年4月，轴线方向为NW335°；T7发生于2020年7月，位于T4南侧约14m，塌陷坑长轴方向为NW300°。塌陷虽不在同一时间发生，但塌陷坑平面分布位置具有明显的线性特征。
（6）同步性和持续性：塌陷产生的时间快慢，主要受动力作用的强度和形成条件的差异影响。在两者共同影响下，可产生同步的塌陷群，如T1—T3、T4—T6；影响程度不同时，塌陷将陆续发生，在诱发因素消失作用前将持续发展，直至达到新的平衡。持续时间主要取决于诱发因素动力的强度，研究区塌陷始发于1978年，至今已长达40余年。
3. 深部岩溶发育状况
3.1 沿层面发育
地表溶蚀较强烈，沿层面、风化裂隙发育。溶洞可见洞径0.50～1.50 m，且相互贯通；溶蚀裂隙延伸长，呈0.1～0.2 m开口状；局部地段存在岩溶漏斗。地表岩溶特征见图4，照片位置见图2。
3.2 钻孔见洞率高
揭露灰岩的32个钻孔中有3个钻孔共揭露3个土洞，有24个钻孔共揭露36个溶洞，其中有1个钻孔仅揭露土洞未揭露溶洞，钻孔见洞率78.1%，钻孔线岩溶率3.57%～71.02%，平均32.61%。岩面下5 m范围内岩溶发育，在垂直方向一般发育2～3层溶洞，最多发育有4层溶洞[13]。钻孔揭露土洞、溶洞特征表见表2，土洞、溶洞大小、比例及充填特征见图5。
表 2 钻孔揭露土洞、溶洞特征表Table 2. Characteristics of cave and karst cave exposed by boreholes孔号 岩面埋深/m 溶洞顶板埋深/m 洞高/m 充填情况 溶洞层数 WTK1 19.2 19.2 1.1 全充填 1 WTK2 13.4 13.8 2.8 半充填 2 17.1 1.8 半充填 WTK3 33.1 30.8（土洞） 1.1 无充填 4 33.4 1.05 半充填 34.7 3.8 半充填 38.8 1.4 半充填 WTK6 11.6 12.2 0.2 无充填 1 WTK7 17.6 18.3 0.6 半充填 1 WTK8 12.8 14.4 1.2 半充填 1 WTK10 30.3 31.6 0.7 半充填 1 WTK11 19.7 22.1 0.5 半充填 1 ZK1 12.2 13.4 1.5 全充填 1 ZK2 19.7 18.2 1.3 半充填 1 ZK3 18.6 16.4（土洞） 2.2 无 2 18.7 1.6 全充填 ZK4 12.3 12.4 0.5 全充填 2 13.2 1.5 ZK5 16.1 16.3 1.6 半充填 1 ZK6 20.2 20.7 2.4 半充填 2 23.6 1.3 半充填 ZK7 12.3 13.1 1.1 全充填 2 15.1 1.8 ZK8 12.1 12.5 2.3 全充填 1 ZK10 11.6 12.4 0.4 全充填 1 ZK12 20.9 21.0 4.2 全充填 2 26.1 6.7 ZK14 13.6 17.3 1.8 全充填 1 ZK15 21.4 18.1（土洞） 3.3 半充填 1 ZK16 19.1 19.6 2.3 全充填 2 22.2 0.5 ZK18 11.2 11.8 0.4 全充填 4 13.7 2.6 16.4 2.0 18.8 3.6 ZK19 10.8 12.9 1.9 无充填 2 16.1 1.1 无充填 ZK21 20.4 21.6 0.7 半充填 1 ZK26 15.6 15.9 1.3 半充填 1 ![]()
图 5 单个洞高分级与充填特征统计图Figure 5. Statistical diagram of height grading and filling characteristics of single hole3.3 物探异常区密集
33条高密度电阻率法测线及10条地震面波法勘探测线，共发现异常点334处，物探解译为岩溶发育区，多表现为溶沟、溶槽及溶洞，岩面一带岩溶发育，位置相近的岩溶发育带有连通性。代表性电阻率断面图及推测剖面图见图6。
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图 6 代表性测线地震面波及视电阻率推断剖面图Figure 6. Seismic surface and apparent resistivity inferences of representative survey lines4. 岩溶地面塌陷机理
4.1 地层组成及岩溶发育强度
塌陷所在区域地层主要为第四系冲洪积层与泥盆系上统天子岭组组成。天子岭灰岩位于向斜核部地带，推测塌陷区有隐伏断裂经过，岩溶强发育，为地面塌陷形成具备空间条件。第四系土层主要由粉质黏土、粉砂及卵石组成，土体结构松散，孔隙大，透水性强，强烈的地下水活动作用对溶洞、洞隙通道中的松散充填物和上部第四系覆盖层产生潜蚀和淘蚀作用[14]，有利于塌陷的产生。
4.2 长期地表水与地下水剧烈波动
40余年来，北江河道塌陷区记录最高水位有1994年6月18日43.67 m（高于房屋室外地面标高3.17 m），2006年7月16日44.27 m（高于房屋室外地面标高3.77 m），比勘查期间附近WTK5钻孔地下水位37.24 m高出7.03 m。洪水淹没与退去时，第四系冲积层中的潜水位和岩溶地下水位均随地表水位波动，由于两者渗透性的差异，在波动过程中不但可产生有利于渗透潜蚀作用的附加水头，而且还产生正、负压力的作用[15]。覆盖层中砂、卵石层较厚，卵石与下伏灰岩直接接触，卵石透水性强，与北江水力联系密切，因此洪水来临时地下水位迅速抬升，产生正压力作用，洪水退去时又产生负压力，加剧了土洞的形成（图7），给塌陷形成了空间条件。
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图 7 水位波动与土洞扩大关系图Figure 7. Diagram of water level fluctuation and soil cavity enlargement4.3 地下水动力条件变化
11月至次年2月初为降雨量极少的冬季，地下水位为一年最低时期，地下水的浮托作用减少或者散失，引发T4—T6塌陷。4—7月降雨量集中，地表径流冲刷强烈，地下水位迅速上升，溶蚀作用与搬运作用强，改变了上覆土体物理力学性质，引发T1—T3、T7塌陷。
5. 结论
沙口镇某村主要受地质构造及地下水影响，隐伏岩溶发育，在长期地下水位波动、潜蚀及淘蚀等作用下，上部松散盖层土体颗粒不断流失，进而形成土洞。随着土洞规模不断扩大，北江水位急剧变化形成正负压力等作用，土洞上部盖层散失承载能力发生塌陷。
岩溶地面塌陷已严重威胁沙口镇某村居民生命财产安全，并对其造成一定的伤害，当地居民十分恐慌。当地政府可采用回填与搬迁避让相结合的防治方案[16]，尽快解决当地居民生产生活问题。
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图 4 承台及单桩模型布置设计图（单位：cm）
Figure 4. Cap and single pile model layout design drawing (unit: cm)
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图 7 天然气管道应变片布设位置（单位：cm）
Figure 7. Location of strain gauge for natural gas pipeline （unit: cm）
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图 8 群桩前后土压力盒布设位置（单位：cm）
Figure 8. Position of earth pressure cell before and after pile group (unit: cm)
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图 9 天然气管道前后土压力盒布设位置（单位：cm）
Figure 9. Location of earth pressure cell before and after natural gas pipeline (unit: cm)
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图 10 桩顶水平位移随施加荷载的变化曲线
Figure 10. The horizontal displacement of pile top varies with the applied load
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图 11 山侧花管桩和螺纹桩土压力时程曲线对比
Figure 11. Comparison of soil pressure time-history curves of flowered pipe pile and threaded pile on the mountainside
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图 12 河侧花管桩和螺纹桩土压力时程曲线对比
Figure 12. Comparison of earth pressure time-history curves of flowered pipe pile and threaded pile beside the river
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图 13 山侧花管桩和螺纹桩峰值土压力分布曲线对比
Figure 13. Comparison of peak earth pressure distribution curves of splined pipe pile and threaded pile on the mountainside
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图 14 河侧花管桩和螺纹桩峰值土压力分布曲线对比
Figure 14. Comparison of peak earth pressure distribution curves of flowered pipe pile and threaded pile beside the river
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图 15 花管桩实测桩身弯矩分布图
Figure 15. Measured bending moment distribution diagram of flowered pipe pile
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图 16 螺纹桩实测桩身弯矩分布图
Figure 16. Measured bending moment distribution diagram of threaded pile
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图 17 管道山侧与河侧土压力时程曲线对比
Figure 17. Comparison of soil pressure time history curve between mountain side and river side of pipeline
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图 18 管道山侧峰值土压力分布图
Figure 18. Distribution diagram of peak earth pressure on the mountain side of pipeline
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图 19 管道河侧峰值土压力分布图
Figure 19. Distribution diagram of peak earth pressure at river side of pipeline
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图 20 管道实测桩身弯矩分布图
Figure 20. Measured pile bending moment distribution diagram of pipeline
表 1 相似比设计
Table 1 Design of similarity constant
物理量 相似比 物理量 相似比 几何尺寸 CL=30 变形模量 质量密度 摩擦角 重度 Cy=1 黏聚力 应变 时间 位移 重力加速度 
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表 2 模型材料与原型材料相关物理性质参数
Table 2 Physical property parameters related to model material and prototype material
物理力学参数 重度/（kN·m−3） 内摩擦角/（°） 黏聚力/kPa 弹性模量/MPa 滑体 原型 19.0 30.0 40.0 / 模型 19.0 30.5 1.2 / 滑带 原型 18.5 25.0 30.0 / 模型 18.0 25.0 1.0 / 基岩 原型 27.0 / / 5000 模型 26.7 / / 160
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表 3 各级加载工况Q值
Table 3 Q values of loading conditions at all levels
工况 加载压力/MPa 工况 加载压力/MPa 1 1.0 5 3.0 2 1.5 6 3.5 3 2.0 7 4.0 4 2.5 − −
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