牛琪瑛，王菁悅，湯黃俊

（1. 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山西 太原 030006；2.太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

五十多年來，砂土、粉土液化及其加固已成為國(guó)內(nèi)外巖土工程界廣泛研究的課題.從 1936年Casagrande[1]最早用“臨界孔隙比”的概念試圖解釋砂土液化開始，到1971年Seed[2]和Idriss[3]提出液化判別的“簡(jiǎn)化方法”，再到1975年Martin和Finn[4]提出振動(dòng)孔隙水壓力模型，國(guó)外學(xué)者對(duì)其做了大量的研究工作.我國(guó)學(xué)者的研究始于上世紀(jì)60年代，汪文韶[5]給出了振動(dòng)孔隙水壓力與砂土的性狀、排水條件等之間的關(guān)系，提出了初始剪應(yīng)力對(duì)液化的影響，開辟了我國(guó)砂土液化的研究領(lǐng)域.牛琪瑛等[6-7]進(jìn)行了樁體加固液化砂土振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，證實(shí)了碎石樁孔隙水壓力消散明顯,而水泥土樁模型樁間土孔隙水壓力幾乎沒有變化,并且宏觀可見樁間土出現(xiàn)不同程度的液化現(xiàn)象,由此提出實(shí)際工程中采用水泥土樁加固液化土需慎重.國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度采用不同方法進(jìn)行了一些液化土的樁體分析工作，但大多數(shù)是在靜力條件進(jìn)行的，現(xiàn)行的樁基抗震設(shè)計(jì)在很大程度上依賴于靜力條件下的理論和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地震下樁——液化土相互作用機(jī)制問題的理解還不夠，其方法本身缺乏理論根據(jù)，也存在很多不合理的地方.因此，通過模擬地震條件下樁基礎(chǔ)加固液化土層各種模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，探討影響不同樁基礎(chǔ)加固液化土的一些關(guān)鍵因素具有重要的意義.

目前，碎石樁加固液化土方面已經(jīng)做了大量的研究工作，以碎石樁在砂土內(nèi)會(huì)形成良好的排水通道被認(rèn)為是加固液化土最有效的方法，鋼管樁加固土體具有提高復(fù)合地基承載力，增強(qiáng)地基水平抗剪強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)在地基處理中大量應(yīng)用.通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分析不同加固模型在振動(dòng)過程中超靜孔隙水壓力和土壓力的變化,對(duì)比其抗液化特性，研究新型樁體—碎石填芯鋼管樁，既要滿足消散孔隙水壓力又同時(shí)增加地基整體豎向承載力.驗(yàn)證其在實(shí)際工程中用于加固液化土是完全可行.

1 試驗(yàn)儀器

振動(dòng)臺(tái),主要由 SC-0808液體靜壓水平滑臺(tái)、SA2-8功率放大器和DY-1000振動(dòng)臺(tái)體組成.振動(dòng)臺(tái)加速度輸出值為0.51 g，頻率為8.74 Hz，振動(dòng)臺(tái)設(shè)定振動(dòng)時(shí)間為1 min.

土壓力盒，型號(hào)為DZ-I，由丹東市三達(dá)儀器廠生產(chǎn)，用于測(cè)量土壓力.

孔隙水壓力計(jì)，型號(hào)為DYS-3，由丹東市三達(dá)儀器廠生產(chǎn)，用于測(cè)量超靜孔隙水壓力.

試驗(yàn)用材料為有機(jī)玻璃的矩形模型箱[11-10]，外邊緣尺寸為550 mm×400 mm×750 mm，壁厚1 cm，質(zhì)量密度1.21 g/cm3，用防水強(qiáng)力膠粘結(jié)各面有機(jī)玻璃并做套箍加固處理.為了滿足試驗(yàn)振動(dòng)和砂土固結(jié)排水過程中的排水條件，在兩側(cè)箱體長(zhǎng)邊側(cè)壁上設(shè)置直徑3 mm、間隔50 mm的孔洞，孔洞用棉線穿過，使溢出的水能引流到指定位置.

通過幾種材料試驗(yàn)，反復(fù)比較，在模型箱內(nèi)壁粘設(shè)柔性材料----泡沫塑料來吸收側(cè)向邊界的波以模擬土的邊界，防止在動(dòng)力試驗(yàn)中，邊界對(duì)土體變形的限制以及波的反射和散射都將對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，即“模型箱效應(yīng)”，本次試驗(yàn)在振動(dòng)方向垂直箱體兩側(cè)壁鋪墊一層厚度為12.5 mm海綿，減弱邊界反射波造成的信號(hào)干擾及減小邊界條件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不利影響.試驗(yàn)箱底鋪設(shè)粗的土工布，防止土體隨箱體水平方向的位移.試驗(yàn)箱在箱體四個(gè)側(cè)壁的橫縱方向上控制間隔5 cm均勻鉆孔，孔徑1 mm，滿足箱內(nèi)模型土體在自重作用下固結(jié)及振動(dòng)過程中的排水條件.

試驗(yàn)用土選擇細(xì)砂，采自太原市南中環(huán)橋西邊,汾河西岸某個(gè)住宅小區(qū)的施工現(xiàn)場(chǎng)，指標(biāo)見表1.

表1 試驗(yàn)砂土顆粒組成Tab.1 Grain composition of sand sample

試驗(yàn)制備四種土體模型分別為碎石樁加固、鋼管樁加固、碎石和鋼管樁復(fù)合加固、碎石填芯鋼管樁加固地基模型.

碎石填芯鋼管樁在鋼管樁身打孔，孔間距為8cm，對(duì)穿打孔，碎石填芯樁的制備與裝土同步進(jìn)行，需在樁體下部放置一塊厚紗布.碎石樁、鋼管樁、碎石填芯鋼管樁在地基模型中均布置9根樁，采用正方形布樁，，碎石和鋼管樁復(fù)合加固地基模型中鋼管樁共5根，正方形的中間布置1根，其余4根布置在4個(gè)角落；碎石樁共4根，布置在鋼管樁的中間，樁體布置如圖1所示.

圖1 樁和傳感器平面位置圖Fig.1 The pile and sensor location schematic plan

圖2 傳感器埋設(shè)剖面示意圖Fig.2 Sectional schematic of sensors buried

制備地基模型主要包括埋設(shè)傳感器和裝填試驗(yàn)用砂兩方面工作.砂土分9層裝填，底層5 cm，其余8層均是6 cm.傳感器的埋設(shè)位置分別為12 cm、24 cm和36 cm，埋設(shè)與裝箱同時(shí)進(jìn)行，并且應(yīng)注意在埋設(shè)時(shí)，振動(dòng)方向與孔隙水壓力計(jì)的埋設(shè)方向平行，振動(dòng)方向與土壓力盒的面部垂直，傳感器的固定同時(shí)也應(yīng)該注意，其埋設(shè)位置如圖2所示.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

制作完成四種土體模型后，注水到模型箱內(nèi)，使土體飽和度達(dá)到80 %以上，經(jīng)過48 h靜置后，水平地震動(dòng)力單向輸入，也就是土體做一維方向上的純剪切運(yùn)動(dòng).武漢地震研究所提供了地震動(dòng)力波型，振動(dòng)臺(tái)設(shè)定1 min的振動(dòng)時(shí)間，可以更好的了解在振動(dòng)過程中液化土的現(xiàn)象及內(nèi)部參數(shù)的變化情況.

2.1 不同模型加固的超靜孔隙水壓力變化

原始數(shù)據(jù)由孔隙水壓力計(jì)測(cè)得后，不同模型加固的不同埋深處的孔隙水壓力時(shí)程曲線可整理得到，如圖3.

由圖3可知，碎石樁不同埋深處的超靜孔隙水壓力在振動(dòng)臺(tái)開始加載后都快速增大，隨后出現(xiàn)了快速回落；鋼管樁12 cm的孔隙水壓力曲線總體保持上升趨勢(shì)，但是在上升的速度不斷變化，24 cm的超靜孔隙水壓力曲線開始上升速度極快，而后曲線基本保持水平上下小幅度波動(dòng)；而在很短的時(shí)間內(nèi)，碎石樁與鋼管樁復(fù)合加固地基模型不同埋深處超靜孔隙水壓力先上升到峰值，而后開始減小，3.8 kPa、5.8 kPa和5.5 kPa分別為埋深12 cm、24 cm、36 cm處的峰值，碎石填芯鋼管樁埋深12 cm、24 cm、36 cm處的超靜孔隙水壓力走勢(shì)大體與碎石樁與鋼管樁復(fù)合加固相似，都是在振動(dòng)開始后迅速達(dá)到了最大值，緩慢的降低后基本保持不變.

2.2 超靜孔隙水壓力沿埋深變化

四種加固模型不同埋深處超靜孔隙水壓力峰值與振動(dòng)荷載作用60 s時(shí)超靜孔隙水壓力值整理后可得對(duì)比曲線，見圖4和圖5.

圖4 超靜孔隙水壓力峰值對(duì)比曲線Fig.4 Contrast curve ofpore water pressure peak

圖5 60 s時(shí)超靜孔隙水壓力對(duì)比曲線Fig.5 Contrast curve of excess pore water pressure value in 60 s

將圖4與圖5對(duì)比分析，碎石樁加固地基中孔隙水壓力消散最為明顯，60 s時(shí)孔隙水壓力比孔隙水壓力峰值減小了約4 kPa.碎石填芯樁的孔隙水壓力在整個(gè)過程中大約減小了2 kPa，隨著碎石的排水通道作用，有效的降低土體中孔隙水壓力，也明顯有效地抑制了土體的液化.而鋼管樁加固地基模型的孔隙水壓力峰值和60 s時(shí)孔隙水壓力值沒有太大變化.說明鋼管樁不能消散土體的孔隙水壓力，抑制土體液化的作用并不明顯.鋼管樁與碎石樁復(fù)合加固地基模型因?yàn)橛兴槭瘶兜膮⑴c，超靜孔隙水壓力消散明顯，而碎石樁在振動(dòng)后成為了排水通道，有效的降低了土體中孔隙水壓力..試驗(yàn)中土體產(chǎn)生了剪切應(yīng)變，隨著水的排出，土體液化，土的振動(dòng)造成孔隙水壓力的變化.

2.3 碎石填芯鋼管樁加固模型的土壓力變化

土體在振動(dòng)過程中的應(yīng)變通過土壓力盒測(cè)量到，土壓力值經(jīng)過計(jì)算機(jī)換算得到.不同埋深處土壓力時(shí)程曲線見圖6.

圖6 碎石填芯鋼管樁加固方式下埋深處土壓力時(shí)程曲線Fig.6 Earth pressure time curve in improved soil by gravel filling the core steel tube pilein different depth

由圖6可知，碎石填芯鋼管樁淺層12 cm的土壓力振動(dòng)后出現(xiàn)了兩次小幅度的波動(dòng)，隨后土壓力一直在85 kPa上下波動(dòng)，24 cm的孔隙水壓力峰值過后土壓力值出現(xiàn)回落但是幅度較小，隨后土壓力慢慢的波動(dòng)增大，36 cm的土壓力曲線在振動(dòng)結(jié)束時(shí)，土壓力一直在80 kPa上下波動(dòng).說明碎石填芯鋼管樁能夠?qū)⑼馏w一部分水排出，但是效果沒有碎石樁明顯.土壓力是加固后土體振動(dòng)變化的，是土的變形造成土壓力的變化.

2.4 土壓力沿埋深變化

四種地基模型不同埋深處除土壓力峰值及60 s時(shí)土壓力值對(duì)比曲線可由土壓力時(shí)程曲線整理得出，見圖7和圖8.

圖7 土壓力峰值對(duì)比曲線Fig.7 Contrast curve ofearth pressure peak

圖8 60 s時(shí)土壓力對(duì)比曲線Fig.8 Contrast curve of earth pressure value in 60 s

從圖7總體來看，碎石樁加固土壓力大于碎石填芯鋼管樁，其次是鋼管樁加固地基，土壓力最小的是碎石與鋼管樁復(fù)合加固地基.由圖8可見，不同埋深處，碎石樁加固地基的土壓力仍然是四條曲線中最大的.碎石樁與碎石填芯鋼管樁加固的土壓力峰值和60 s土壓力值沒有太大的變化.碎石與鋼管樁復(fù)合加固地基的60 s土壓力與其他三種加固方式相比，明顯減小.表明振動(dòng)過程中，剛性樁體并沒有增大或者減小土壓力的值.而碎石參與的樁體加固模型在振動(dòng)中隨著孔隙水排出，使得土體變密，強(qiáng)度增強(qiáng).

3 結(jié)論

對(duì)四種不同加固模型,整理超靜孔隙水壓力及土壓力曲線，對(duì)比得出如下結(jié)論：

（1）鋼管樁加固地基并不能有效的消散土體的孔隙水壓力.鋼管樁與碎石樁復(fù)合加固液化土?？紫端畨毫σ?yàn)橛兴槭瘶兜膮⑴c，超靜孔隙水壓力消散明顯，抑制土體液化趨勢(shì).碎石的排水作用，使得碎石填芯樁具有了碎石樁的抗液化效果.

（2）由每組土壓力時(shí)程曲線圖可見，淺層和深層的土壓力較小，中層最大.但碎石樁有時(shí)在地震水平荷載作用中，中層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，影響碎石排水.碎石填芯樁外部的鋼管避免了此情況，提高了樁體的水平抗剪性能，保證了內(nèi)部碎石穩(wěn)定.

（3）在同一埋深土壓力由小到大排列分別是：鋼管樁與碎石樁復(fù)合加固、鋼管樁加固、碎石填芯樁加固、碎石樁加固.說明碎石在排水的同時(shí)，也使得土體強(qiáng)度增大.

（4）在試驗(yàn)過程中，碎石填芯樁顯現(xiàn)出降低孔隙水壓力，提高土體強(qiáng)度等特點(diǎn).說明碎石填芯鋼管樁不僅提高地基整體的豎向承載力，也增加地基水平抗剪性能，更能有效的抑制土體的液化.因此實(shí)際工程可選擇其加固方式.

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