碎石樁復(fù)合地基抗液化探討

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碎石樁復(fù)合地基抗液化探討【摘要】飽和砂土及粉土地震液化問題是巖土地震工程中一個重要的研究課題。在多種可行的防治液化措施中，最普遍的方法是采用碎石樁復(fù)合地基。結(jié)合碎石樁復(fù)合地基對碎石樁的密實(shí)、排水減壓和減震作用做評述。【關(guān)鍵詞】碎石樁復(fù)合地基；液化；砂土；孔隙水壓力1. 引言我國是一個多地震國家，在以往的多次強(qiáng)烈地震中，因飽和砂土及粉土液化而引起工程結(jié)構(gòu)的破壞占有相當(dāng)大的比例。工程結(jié)構(gòu)在地震災(zāi)害中破壞的顯著原因之一是結(jié)構(gòu)物之下或周圍的土體發(fā)生了液化。雖不排除其他土層發(fā)生液化的的可能性，但液化現(xiàn)象常常與飽和砂土及粉土聯(lián)系在一起。飽和砂土在地震荷載作用下會發(fā)生液化，其根本原因在于：一是飽和砂土及粉土的密實(shí)度不足，在動荷載作用下孔隙水壓力上升，有效應(yīng)力降低，顆粒處于懸浮狀態(tài)，使地基承載力不足，變形增大。二是地震作用下產(chǎn)生的孔隙水壓力不能及時消散，造成地基的噴砂冒水或砂土的流動，針對飽和砂土發(fā)生液化的原因，出現(xiàn)了多種可液化土層的處理方法，如換土、加密、采用樁基、加入固化劑、設(shè)置地下圍護(hù)墻和碎石樁等。其中，碎石樁由于具有施工方便，成本低廉、不用三材、加固效果好等優(yōu)點(diǎn)，近年來在工程中得到了廣泛應(yīng)用。碎石樁又稱為粗顆粒土樁，是指用振動、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔，再將碎石壓入已成的孔中，形成密實(shí)的碎石樁體，與周圍土體共同工作，形成復(fù)合地基。隨著碎石樁在工程界的廣泛應(yīng)用，其研究理論也取得了引人注目的進(jìn)展。在靜力作用下采用碎石樁加固軟弱地基的理論研究較早，有關(guān)碎石樁復(fù)合地基的加固機(jī)理、設(shè)計、質(zhì)量檢驗(yàn)等前人做了大量探索，已經(jīng)有了被普遍接受且較為完整的理論體系。研究的主要內(nèi)容有碎石樁復(fù)合地基的抗液化機(jī)理、影響因素、設(shè)計方法、液化檢驗(yàn)和判別等。現(xiàn)有研究已經(jīng)表明，碎石樁復(fù)合地基抗液化的作用主要表現(xiàn)在以下3個方面：（1）增加樁周圍砂土的密實(shí)度。（2）通過樁體的排水來限制砂土中超靜孔隙水壓力的增長。（3）樁體分擔(dān)地震水平剪應(yīng)力作用（樁體減振作用）。但目前我國在進(jìn)行碎石樁復(fù)合地基抗液化設(shè)計和檢驗(yàn)中時依然只考慮加密作用，而將其他兩種作用作為安全儲備。本文主要評述和總結(jié)碎石樁復(fù)合地基抗液化課題的研究成果。對有關(guān)抗液化性能的基本問題進(jìn)行分析討論，以便我們今后的研究工作能夠博采眾長，得到進(jìn)一步的深化。2. 碎石樁密實(shí)作用采用振動技術(shù)來加密松砂的概念易于理解，這里僅從抗液化的角度來總結(jié)和分析。按照施工方法的不同，振動碎石樁又可分為振沖碎石樁和干振碎石樁兩種，由現(xiàn)場試驗(yàn)資料可知，兩種方法形成的復(fù)合地基密實(shí)度都得到了提高。振沖碎石樁在成孔和擠密碎石的過程中，一方面樁周土體在水平振動力作用下產(chǎn)生徑向位移，使樁間土密度提高。另一方面，振沖器的振動力在飽和砂土中傳播振動和加速度，在振沖器周圍一定范圍內(nèi)的砂土受到反復(fù)的振動和剪切循環(huán)荷載作用而產(chǎn)生振動液化，液化后的土顆粒在重力、上覆土壓力以及填料擠壓力的作用下重新排列，孔隙比減小，體積收縮，趨于密實(shí)，從而形成密實(shí)的碎石樁復(fù)合地基。黃茂松等結(jié)合實(shí)際工程，在振沖碎石樁復(fù)合地基施工時通過對各個過程的振動孔壓進(jìn)行較為全面的前已述及，在地震荷載作用下飽和松砂發(fā)生液化的原因之一是密實(shí)度不夠。由于飽和松砂土粒骨架疏松且多為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此在強(qiáng)震作用下土體趨向密實(shí)，體積減小。但因短時間內(nèi)充滿土孔隙中的水難以及時排出，土孔隙無法減小，體積不能發(fā)生變化，土粒間的有效應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌紫端畨毫?。隨著震動的持續(xù)作用，土中超孔隙水壓力不斷地聚集、提高、當(dāng)其值達(dá)到相應(yīng)的固結(jié)壓力，粒間應(yīng)力（即有效力）為零，土粒之間沒有了接觸也就出現(xiàn)了液化現(xiàn)象。而飽和松砂在碎石樁施工過程中得到振密和擠密，將原來易產(chǎn)生液化的疏松土體加固成密實(shí)的土體。在以后的地震作用下，不致產(chǎn)生或很少產(chǎn)生振密引起的超孔隙水壓力，消除或大大減小其液化勢。因此可以通過增加砂土的密實(shí)度來防治液化的發(fā)生。3. 碎石樁排水減壓作用在飽和松砂層中碎石樁（或礫石排水樁）的排水減壓效用，并從多角度進(jìn)行了研究。振動液化試驗(yàn)得出，當(dāng)均質(zhì)砂基同樣在2.5ms2的振動加速度（相應(yīng)于ⅷ度地震烈度）下，原狀砂的相對密度必須超過0.66才不發(fā)生液化，而設(shè)置了礫石排水樁（置換率為17%）后，樁間砂土的臨界相對密度可降為0.46，亦即為沒有排水樁時相對密度臨界值的70%，我國現(xiàn)場進(jìn)行了聯(lián)合試驗(yàn)與測定。結(jié)果表明，設(shè)置碎石樁后，復(fù)合地基比天然地基的動孔隙水壓力降低了2/3左右。現(xiàn)場測得天然地基距振沖中心約2.0m以外隨著距離增加基本上按指數(shù)關(guān)系遞減，而采用碎石樁形成復(fù)合地基后，超靜孔隙水壓力比開然地基降低了66%?，F(xiàn)場采用打樁機(jī)作為震源量測了距震源2.0m處天然地基和經(jīng)碎石樁加固后樁間土的超靜孔隙水壓力，在同樣激振情況下，加固后樁間土的超靜孔隙水壓力僅為天然地基的47%。由于目前在現(xiàn)場還沒有很好的辦法來模擬地震荷載，只能采用打樁機(jī)等方式加動力荷載，從模型試驗(yàn)和理論分析碎石樁的排水效應(yīng)。4. 碎石樁的減震作用豎向靜力荷載作用下碎石樁的荷載分擔(dān)作用已經(jīng)得到了廣泛而深入的研究，取得了明顯的進(jìn)展。而在動荷載作用下，樁體效用的發(fā)揮及其對復(fù)合地基抗液化貢獻(xiàn)的研究還很少。近幾年開始進(jìn)行動剪應(yīng)力作用下碎石樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力重分布的研究。已民用工業(yè)的研究表明碎石樁不僅可以分擔(dān)上部垂直荷載的作用，而且還可以分擔(dān)振動剪應(yīng)力來抵抗砂土液化，即碎石樁的減震作用。碎石樁復(fù)合地基中樁土分別的震剪應(yīng)力重分布的概念由baez和martin提出。由于碎石樁復(fù)合地基中樁體的剛度遠(yuǎn)大于樁間天然土體，地震荷載將因地基地初始應(yīng)力狀態(tài)和剛度發(fā)生了變化而產(chǎn)生應(yīng)力的重新分布。因此，當(dāng)碎石樁和周圍的土體一起變形時，地震剪應(yīng)力的分布應(yīng)該是樁土各自剛度和面積的函數(shù)。在相對剛度較大的碎石樁上會產(chǎn)生地震剪應(yīng)力的集中，因此減小了作用在樁間土上的剪應(yīng)力水平。在現(xiàn)場對碎石樁加固前后地面加速度的測量和剪切波的量測，可定性地反映樁體分別剪應(yīng)力的情況。通過對振沖加固前后的地面振動加速度的量測發(fā)現(xiàn)，加固后地基的垂直、水平切向和水平徑向的加速度均較加固前分別減少了28.2%、12.5%和19.0%?？梢姌扼w分擔(dān)水平剪切應(yīng)力的作用也很明顯。采用振動打樁機(jī)作為激振源，在加固區(qū)樁間土上和未加固區(qū)天然 地基上分別測出了地面振動加速度值。測量結(jié)果表明，地基經(jīng)碎石樁處理后，其樁間土地面振動加速度僅為未加固地基地面加速度的30%左右，也就是地面加速度降低了70%，從這個意義上來說，碎石樁對樁間土地震反應(yīng)產(chǎn)生了減震效應(yīng)。這是由于復(fù)合地基抵抗地震剪應(yīng)力時是由碎石樁和樁間土共同承擔(dān)的，因?yàn)闃杜c土的剛度不同，剪應(yīng)力在樁上體現(xiàn)了集中。雖然由于具體的情況不同，但是都表明了碎石樁可以分擔(dān)較大的水平剪應(yīng)力，使得樁間土上作用的剪應(yīng)力減少來抵抗地震液化。室內(nèi)振動臺砂箱也表明，排水樁不僅通過改變地基的滲透性提高其排水作用，而且通過改變地基土的復(fù)合剛度限制土體變形的作用，收到減少超孔隙水壓力的增長，提高土體抗液化的效果。5.結(jié)語從20世紀(jì)70年代到現(xiàn)在，碎石樁復(fù)合地基用于抗液化已經(jīng)有30多年的歷史。碎石樁復(fù)合地基的抗液化特性的研究已日益深入和廣泛，取得了令人矚目的成果。但由于地震液化機(jī)理及影響因素的復(fù)雜性和地震發(fā)生的不可預(yù)測性，與之相關(guān)的研究缺乏現(xiàn)場數(shù)據(jù)，因此對碎石樁復(fù)合地基抗液化特性的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，仍是巖土工程界亟待解決的一研究課題。碎石樁防止砂土地震液化有3種作，即密實(shí)作用，排水作用和樁體減震作用已經(jīng)得到人們的重視，國內(nèi)外專家進(jìn)行了這方面的研究，但多數(shù)采用有限元方法進(jìn)行分析，沒有得到室內(nèi)或現(xiàn)場試驗(yàn)的證明。前述的幾個試驗(yàn)也只是針對某一個單一作用進(jìn)行研究，沒有考慮這3種作用的綜合效應(yīng)，還需要進(jìn)一步研究?，F(xiàn)在我國的設(shè)計理論也只是考慮碎石樁的加密作用，根據(jù)已有的研究結(jié)果可以得到，在保證一定密實(shí)度的前提下，碎石樁的排水和減震作用也不容忽視，如果在進(jìn)行碎石樁的抗液化設(shè)計時能綜合考慮到這三種效應(yīng)，可以降低工程的造價。