碎石樁復(fù)合地基抗液化探討.doc

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(wèn)題是巖土地震工程中一個(gè)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(duì)碎石樁的密實(shí)、排水減壓和減震作用做評(píng)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(guó)是一個(gè)多地震國(guó)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(huì)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(dòng)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(shí)消散，造成地基的噴砂冒水或砂土的流動(dòng)，針對(duì)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(lái)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(dòng)、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(jì)、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(jì)方法、液化檢驗(yàn)和判別等?，F(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(gè)方面：（1）增加樁周圍砂土的密實(shí)度。（2）通過(guò)樁體的排水來(lái)限制砂土中超靜孔隙水壓力的增長(zhǎng)。（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(guó)在進(jìn)行碎石樁復(fù)合地基抗液化設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)中時(shí)依然只考慮加密作用，而將其他兩種作用作為安全儲(chǔ)備。本文主要評(píng)述和總結(jié)碎石樁復(fù)合地基抗液化課題的研究成果。對(duì)有關(guān)抗液化性能的基本問(wèn)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(zhǎng)，得到進(jìn)一步的深化。2. 碎石樁密實(shí)作用采用振動(dòng)技術(shù)來(lái)加密松砂的概念易于理解，這里僅從抗液化的角度來(lái)總結(jié)和分析。按照施工方法的不同，振動(dòng)碎石樁又可分為振沖碎石樁和干振碎石樁兩種，由現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程中，一方面樁周土體在水平振動(dòng)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(dòng)力在飽和砂土中傳播振動(dòng)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(dòng)和剪切循環(huán)荷載作用而產(chǎn)生振動(dòng)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(shí)通過(guò)對(duì)各個(gè)過(guò)程的振動(dòng)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(shí)間內(nèi)充滿土孔隙中的水難以及時(shí)排出，土孔隙無(wú)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(dòng)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(méi)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(guò)程中得到振密和擠密，將原來(lái)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(shì)。因此可以通過(guò)增加砂土的密實(shí)度來(lái)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(dòng)液化試驗(yàn)得出，當(dāng)均質(zhì)砂基同樣在2.5ms2的振動(dòng)加速度（相應(yīng)于度地震烈度）下，原狀砂的相對(duì)密度必須超過(guò)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(duì)密度可降為0.46，亦即為沒(méi)有排水樁時(shí)相對(duì)密度臨界值的70%，我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了聯(lián)合試驗(yàn)與測(cè)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(dòng)孔隙水壓力降低了2/3左右?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(kāi)然地基降低了66%?，F(xiàn)場(chǎng)采用打樁機(jī)作為震源量測(cè)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(chǎng)還沒(méi)有很好的辦法來(lái)模擬地震荷載，只能采用打樁機(jī)等方式加動(dòng)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(dòng)荷載作用下，樁體效用的發(fā)揮及其對(duì)復(fù)合地基抗液化貢獻(xiàn)的研究還很少。近幾年開(kāi)始進(jìn)行動(dòng)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(dòng)剪應(yīng)力來(lái)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(shí)，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(duì)剛度較大的碎石樁上會(huì)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(chǎng)對(duì)碎石樁加固前后地面加速度的測(cè)量和剪切波的量測(cè)，可定性地反映樁體分別剪應(yīng)力的情況。通過(guò)對(duì)振沖加固前后的地面振動(dòng)加速度的量測(cè)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?jiàn)樁體分擔(dān)水平剪切應(yīng)力的作用也很明顯。采用振動(dòng)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(cè)出了地面振動(dòng)加速度值。測(cè)量結(jié)果表明，地基經(jīng)碎石樁處理后，其樁間土地面振動(dòng)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(gè)意義上來(lái)說(shuō)，碎石樁對(duì)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(shí)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(lái)抵抗地震液化。室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)砂箱也表明，排水樁不僅通過(guò)改變地基的滲透性提高其排水作用，而且通過(guò)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(zhǎng)，提高土體抗液化的效果。5. 結(jié)語(yǔ)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(cè)性，與之相關(guān)的研究缺乏現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，因此對(duì)碎石樁復(fù)合地基抗液化特性的認(rèn)識(shí)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(guó)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(méi)有得到