（岩土工程专业论文）碎石桩复合地基抗液化性能试验研究.pdf

摘要 摘要 在以往的多次地震中，工程结构破坏主要源于结构物之下或周围土体发生了液 化。虽不排除其它土层发生液化的可能性，但液化现象常常与松教的饱和砂土联系 在一起。因此，饱和砂土地震液化问题在岩土地震工程中是一个具有挑战性的研究 课题。在多种可行的抗液化加固方法中，碎石桩复合地基是常用方法之一。本次研 究通过自制的大型叠层剪切变形模型箱和简易单向振动台，围绕饱和砂土地基和碎 石桩复合地基模型试验来展开。主要做了以下一些工作： ( 1 ) 在比较了目前国内外研究岩土结构地震问题振动台试验常用的三种模型 箱( 刚性模型箱、圆筒型柔性模型箱和叠层剪切变形模型箱) 各自优缺点的基础上， 根据本次试验研究的目的和所要达到的目标，研制出一个叠层剪切变形模型箱。饱 和砂土地基试验结果表明：所设计的叠层剪切变形模型箱成功地模拟了天然土层的 边界条件。 ( 2 ) 完成了振动台台面和基础、台面和作动器连接部件、台面支承系统和侧面 导向系统等装置的设计和制作，利用已有的m r s 动力加载试验系统，自制了简易 单向专用振动台用于本次试验研究。 ( 3 ) 对模型试验所用的细砂进行常规室内试验和动三轴试验研究，得到了该砂 样的基本物理力学性质指标以及在循环荷载作用下的动剪应力和动孔隙水压力变 化规律。 ( 4 ) 探讨了饱和砂土及砂土一碎石桩复合地基振动台模型试验技术，为今后开 展此类试验提供一般性的研究思路。 ( 5 ) 采用自制的叠层剪切变形模型箱和简易单向专用振动台完成了饱和砂土 地基和碎石桩复合地基振动台试验。通过对试验数据的分析，得到以下重要结论： 饱和砂土地基中超静孔压的增长都随深度增大而增大。当超静孔压达到最大值 后，浅处孔压保持不变或略有上升由深处开始依次出现消散扩散的明显效果，浅 处消散最慢。输入的振动幅值越大，土层液化持续的时间也就越长。振动加密后 饱和砂土地基的抗液化能力比加密前有较大幅度的提高。碎石桩复合地基具有减 震作用。并且，砂土一碎石桩复合地基桩体的减震作用不是独立的，而是与加密、 排水减压等共同作用来抵抗砂土液化。碎石桩的排水减压作用非常明显。本次试 验中，碎石桩有效影响直径在3 5 出3 7 5d q 为碎石桩桩径) 之间。为充分发挥碎石 桩复合地基的排水减压作用，在进行以抗液化为主的碎石桩复合地基设计时，桩间 距宜选择为3 4 d 。在碎石桩复合地基的多重抗液化作用中，加密作用处于主导地 位。只有当被加固的砂土达到一定的密实度时，碎石桩的排水减压和桩体减震作用 北京交通人学l ：学博士学位论文 碎石桩复合地基抗液化性能试验研究 a r e rd y n 眦i cd e n s i 丘c a t i o n t h ee f r e c t i v e n e s so fe a r t h q u a k es h e a rs t r e s sd i s t r i b u t i o n ， v i z s t o n ec o l u m n sc a nb e a rm o r es h e a rs t r e s st l 衄s a n d sb e t 、v e e ns t o n ec o l 啪n s 1 o r e o v e r ，m i se 丘毫c t i v e n e s si si n c o r p o r a t e dw i t hd e i l s i f i c a t i o na n dd m i n a g et or e s i s t l i q u e f a c t i o n t h ee f f e c t i v e n e s so f 捌髓g eo fs t o n ec o l u m n si sr e m a r k a b l ea n dt h e e f r e c t i v ei n n u e n t i a ld i 锄e t e ri s3 5 小3 7 5d ( di sd i 黜e t e ro fs t o n ec o l u 咖s ) ( 9 t 1 1 e d e n s i f i c a t i o ni sp m m i n e n t 锄o n gm u i t i e 丘b c t i v e r l c s so fl i q u e f h c t i o nr e s i s t a n c e t h e e f r e c t i v e n e s so fd r a i n a g e 柚de 砌q u a k es h e a rs t 陀s sd i s 仃i b u t i o nc a nb er e a l i z e d s u m c i e n t l y 讪1 i l es a n d sg r o u n dh a sac o n s i d e r a b l yh i 曲髓d e 孕e eo fd e n s i t y ( 6 ) i ti sa d o p t e dt h e o r ym o d e l t o 删y s i st 1 1 ee 行酏t i v e n e s so fd r a i n a g ea n ds h e a r s t r s sd i s t r i b u t i o n ，a n ds o m ep a r 锄e t e r si nt t l e o r ym o d e la r ed i s c u s di nd e t a i l t h e r e s u l t so ft l e o r ya n a l y s i s 蚰dm es h a k i n gt a _ b l et e s ta r ei d 盯m f i e de a c ho t h e l ( 7 ) t h ea n a l v s i sa n de v a l u a t i o no fc u r r e n td e s i g nm e t h o d so fs t o n ec o l 眦n s c o m p o s i t e f o u n d a t i o na r ed e s c d b e d i n a d d i t i o n ， an e wd e s i 朗i n e m o dt a l d n g d e n s i f i c a t i o n ，d r a i n a g ea n ds h e a rs 仃_ e s sr c d u c ei n t oa c c o u n ti sp r e s e n t e d k e y w o r d s ：s a t l dl i q u e f h c t i o n ；s t o n e 1 u 王i l i 毽c o m p o s i t cf o u n d a t i o n ；e 舵c t i v e n e s s o f l i q u e f 赴t i o nr e s i s t a i l c e ；s h a k i n gt a b l e ；l 孤n i i l 雒s h e 盯b o x ；s e i s m i cg h e 盯s 仕e s s ； e x c e s sp o r ew a t e rp r e s s ；d e s i g no f l i q u e 觚i o nr e s i s 协n c e i v m 一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我国是一个多地震的国家，地震灾害的分布极其广泛，7 度以上的地震设防区 约占整个国土面积的一半，西南、西北、华北和东南沿海地区都是破坏性地震发生 较为频繁的地区。地震作为一种突发的自然灾害，给人类社会带来巨大的人员伤亡 和经济损失。在以往的多次强烈地震中，因饱和砂土液化而引起的工程结构破坏在 建筑物震害中占有相当大的比例。以海城、唐山地震为例，由于地基液化造成严重 损坏的建筑物数目约占地基基础震害总数的5 4 。通过大量的宏观震害调查得到： 在砂土液化区内，上部结构的震害大都是由地基失效引起的，由于直接振动而引起 的结构震害则很小，甚至没有1 1 引。美国国家研究委员会( u s n a t i o n a lr e s e a r c h c o u n c i l ) 认为n 工程结构在地震灾害中遭受破坏的显著原因之一就是结构物之下或 周围的土体发生了液化，虽然不排除其它土层发生液化的可能性，但液化现象常常 是与饱和砂土联系在一起的。 液化对地面建筑物的破坏非常严重。在我国，1 9 6 6 年邢台地震引起的砂土喷水 冒砂，造成了建筑物的严重破坏”j 。1 9 7 5 年辽宁海城地震，震区西部大面积砂基液 化，给公路、桥梁、水利设施、地下管线等造成了严重的损坏【5 】o1 9 r 7 6 年唐山地震 时，唐山地区发生了大面积的地基液化，导致城市道路沉陷、桥梁错位、堤坝滑移、 房屋倒塌等严重后剿“。1 9 9 9 年9 月台湾发生的地震，同样也伴随有液化现象的发 生，造成房屋倒塌、地面开裂等多项事故1 7 j 。在国外，1 9 6 4 年相继发生的美国阿拉 斯加( a s k a ) 地震和日本新演( n i i g a t a ) 地震都引起了大面积的砂土液化，地震影响 区内的港湾、公路、铁路、桥梁等各类建筑物、构筑物由于液化引起的地基失效而 严重破坏b9 j 。1 9 9 5 年日本阪神地震，由于液化导致了城市道路塌陷，河、海岸岸 坡滑移，房屋倾倒等1 1 。 2 0 世纪6 0 年代以来，世界范围内地震活动频繁。大规模饱和砂土地基因地震 液化而造成的各种建筑物的严重破坏引起了地震工程界的高度关注，特别是阿拉斯 加地震和新涛地震的发生，极大地推动了对砂土液化全面深入的研究。这期间主要 采用现场勘测、室内试验、计算分析等方法对液化的机理、液化的判别和评估方法 以及液化的防治措施等开展了全方位的研究工作，取得了丰硕的成果。一些专家和 研究组织对砂土液化的研究现状和发展趋势作出了较为全面的综述，如s e e d l j “、 f j n n l l 2 j 、美国国家研究委员会【“、谢定义1 13 l 和l s h i h a r a 等。 当天然地基不能满足抗液化要求时，需要进行人： 加固。在防治液化的措施方 第一章绪论 工程师协会岩土工程分部土动力学委员会1 1 7 】对“液化”的定义：“任何物质转化为 液体的行为或过程。就无粘性土而言，这种由固体状态变为液体状态的转化是7 l 隙 压力增大和有效应力减小的结果。”这罩关于液化的定义比较笼统，泛指土体出现 各种类似液体特性的现象。 饱和砂土液化的产生有其一定的条件，即当地基土为疏松的中砂以下的砂土或 粉土等少粘性的细粒土时，在强烈的动荷载( 如强地震、交通荷载、冲击荷载等) 的 作用下，方可形成液化。关于地基地震液化的机理简述如下1 1 8 1 9 l 。 ( 1 1 地基土疏松饱和 饱和松砂或粉土等由于土粒骨架疏松多为不稳定的散粒结构，因而在地震剪应 力作用下会 现剪缩现象，即土中的孔隙减小，土体趋向密实。 ( 2 ) 超静孔隙水压力的形成 地基土中某点的超静孔隙水压力，是指该点的孔隙水压力值超出其相应位置的 静水压力值，简称超静孔压。 由于地基中饱和松散砂土或粉土等的孔隙完全被水充满，当受到急促、剧烈的 地震作用时砂土趋向密实，土孔隙要减小：但与此同时，孔隙中的水又不易及时排 出，阻碍土孔隙减小，故使土i l 隙难以随振密同步减小，土粒骨架也因水的浮托而 呈松弛状态，土粒间的压力转移至孔隙水，形成超静孔压。 ( 3 ) 超静孔隙水压力的集聚升高 由于急促强烈的振动，而有压水从土中渗出需经相当的路径和时问，超静孔压 不能同步地形成与消散，并随着振动不断聚集、增大。当地基土中超静孔压值达到 相应的固结压力时，土骨架粒问的有效压力完全丧失，粒问应力( 即有效应力) 为零， 土粒之间没有了接触也就出现了液化现象，如产生喷水、冒砂、地基失效等。 1 2 2 抗液化加固技术 由地震液化机理分析可知，砂土要产生地震液化必须具备三个条件，即疏松饱 和、排水不及时和强震作用。针对饱和砂土液化机理，国内外出现了多种行之有效 的加固技术。常见的方法有：换土垫层、强夯、灌浆、裹压喷射注浆、深层搅拌、 爆炸加密、碎石桩等，分述如下。 1 2 2 1 换土垫层 当可液化土层较浅( 小于3 m ) 时，可采用全部挖除，并填充其它无侵蚀性、低 压缩性的非液化散体材料，分层夯实，作为地基的持力层。这种方法消除了浅层土 的液化趋势，彻底改善了土质条件，但造价高，常常受到经济上的限制。另外，该 方法还受到非液化土的来源、弃土场地等施工条件的限制。 1 2 2 2 强夯 北京交通大学：l 学l 蜉 ：学位论文碎7 i 桩复合地基抗液化性能试螗研宄 强夯是法国m e n a r d 技术公司于1 9 6 9 年首创的种地基加固方法1 2 0 ，1 1 i ，一般采 用重锤通过一定的落距，对地基土施加很大的冲击能，使地基土中出现冲。t i 波和动 应力，由此改善砂土的抗液化条件。公路铁路、飞机跑道和码头等工程建设常采用 强夯法加固可液化地基。 强夯属于表面夯实，其有效加固深度一般受到机械设备条件的限制，对较深卜 层的液化处理，效果往往不理想。强夯消除液化的有效加固深度，除与单击能有关 外，还受地基情况( 如液化层厚度、埋深、土层的组成、土性、地下水位深度) 和强 夯参数( 如锤型、夯点间距、夯击次数、夯击遍数、间歇时间等) 等因素影响。为达 到最大的防液化有效深度并降低工程成本，进行强夯加固时，一般需要先通过现场 试验来选择旌工机械、施工工艺和强夯参数。 强夯法加固可液化无粘性土及少粘性土是非常有效的。如秦皇岛港煤码头堆场 对回填砂的加固工程中，强夯前该地基回填砂的动力触探击数平均为5 击 1 0 0 m m ( 相当于标准贯入击数= 7 5 ) ，经强夯后提高到1 5 击，1 0 ( ) m m 以上，为原来 的3 倍，效果很明显1 2 “。 强夯法的主要限制条件就是振动和噪声。因此，要求建筑场地与临近建筑物或 对振动或噪声敏感的结构之间保持3 0 6 0 m 的净距。实际工程可以根据加固深度、 需要的能量以及临近建筑对振动的敏感性来确定安全距离1 2 3 l 。 1 2 2 3 灌浆 灌浆法是用气压、液压通过注浆管把浆液注入土粒孔隙中，凝固成为具有一定 强度的土体，改善地基的物理力学性质，从而提高地基抗液化能力。灌浆法按加固 原理可分为挤密灌浆、渗透灌浆、劈裂灌浆和电动化学灌浆。其中前两者可用于液 化地基的加固。 挤密灌浆是通过钻孔在砂土中灌入极浓的浆液，在注浆点使砂土挤密，在注浆 管端部附近形成球形或圆柱形“浆泡”。实践证明，离浆泡o 3 以0 m 内的砂土都能 受到明显的加密【捌。目前该法主要用于增加砂土地基的承载力、减小不均匀沉降或 防渗等，用于抗液化的工程还不多，主要有堤坝1 2 4 1 、军事设施1 2 5 1 、隧道i2 6 l 和桥台桥 墩等。 渗透灌浆是在较小的压力作用下使浆液填充土的孔隙，排挤出孔隙中存在的自 由水和气体，而基本上不改变原状土的结构和体积。在液化地基加固中化学浆液 主要采用水玻璃或超细水泥浆。在美国加利福尼亚s a n t ac 州z 采用渗透灌浆加固的 一个桥墩经受住了实际地震的检验1 2 ”。 对于已有建筑物基础的加固或无法采用振冲、振动等方法加密的工程，可以考 虑采用灌浆法来防治地基液化。灌浆法的主要问题是析水性大、稳定性差。日前超 细水泥的成_ 术较高，所以常因造价较高而限制它的应用。此外，灌浆设锝、灌浆设 第章绪论 振冲碎石桩在成桩过程中，一方丽依靠振冲器的水平振动力，在加填料的情况 下通过填料使砂土挤压加密。另一方面，振冲器的振动力在饱和砂士中传播振动和 加速度，使振冲器周围一定范围内的砂土受到反复的振动和剪切循环荷载作用而产 生振动液化，液化后的土颗粒在重力、上覆土压力以及填料挤压力的作用下重新排 列，孔隙比减小，体积收缩，趋于密实，从而形成密实的碎石桩复合地基。 李宏瑗、郭拴宁| 5 5 j 等结合实际工程，通过对加固前后土层物理力学性质的对 比分析，认为振冲碎石桩法具有明显的加密效果。黄茂松等【5 6 5 7 l 以振冲器作为振源， 在振冲碎石桩施工时对各个过程的振动孔压进行较为全面的测试与分析，得出在碎 石桩成孔和成桩阶段对地基土有加密作用的结论，从而肯定了振冲碎石桩的抗液化 加固效果。 千振碎石桩对桩问土的加密作用可分为：挤密作用：下沉桩管时桩管对周围 砂层产生很大的横向压力，将地基中等于桩管体积的土挤向周围土体，使其孔隙比 减少，密度增大，达到挤密的效果。振动沉管法施工过程中，灌注碎石后振动、反 插使周围土体受到挤密，从而提高了地基的抗剪强度和抗液化性能：振密作用： 在成桩过程中，振动打桩机或重锤采用垂直振动的激振力将桩管沉入土中，土体发 生挤密作用的同时，桩管的振动能量以波的形式在土中传播，引起桩管周围土体的 强烈振动，产生振动孔隙水压力，导致部分土体液化，土颗粒重新排列趋向密实， 从而起到振密作用。 蔡袁刮5 引、吴廷杰等1 5 9 l 通过室内试验和原位试验对比了加固前后土层的性质， 肯定了干振碎石桩对桩问土的挤密和振密作用。刘松玉1 6 ”、邱玉等1 6 2 l 结合连云港一 徐州高速公路工程液化地基加固试验，对成桩过程中孔隙水压力进行了测试分析， 证明了干振碎石桩的振密效应。邵俐等i 部l 在试验过程中观测了成桩时孔隙水压力和 水平位移的变化情况，成桩结束后进行标准贯入试验和瞬态瑞利波测试，并藉此分 析了干振碎石桩对土层的挤密效果。结果表明，干振碎石桩主要依靠振动和挤密作 用加固地基，挤密作用是决定千振碎石桩加固地基效果的主要因索。 由于振密和挤密两种作用对桩间砂土加密作用的贡献不同，而且与施工机械的 激振能量构大小、设计的桩距、桩径和原始砂土的相对密度有关，挤密作用随着桩 径的扩大和桩距的减小而增大，而振密作用却在其他条件相同时随着桩距的减小而 减小m j 。在选择施工方法和进行复合地基设计时应综合考虑振密作用和挤密作用对 提高桩间土密实度的贡献，合理确定复合地基的设计参数。 1 3 2 碎石桩复合地基的排水减压作用 复合地基中的碎石桩可以在二仁层中形成良好的排水通道，缩短土中排水路径， 加速超静孔压的消散，增强土体抗剪强度。因此，在地震力作用下土层中孔隙水压 北京交通人学l 一学博十学位论文 碎石桩复合地基抗液化性能试验研究 力不易积累增长，也就不会发生液化。迄今为止，在可液化土层中设置碎石桩( 或 砾石排水桩) 的排水减压作用已有多人进行过研究。 柳堀羲彦等i 叫曾在振动台上用模型箱做了模拟现场的振动液化试验。当给定的 振动加速度为2 5 m ，s 2 ( 相应于8 度地震烈度) 时，原状砂抗液化临界相对密度为o 6 6 ， 而设嚣了砾石排水桩( 置换率为1 7 ) 的复合地基抗液化临界相对密度仅需0 4 6 ，为 l j 者的7 0 ，说明排水减压效果是显著的。 我国化工部、冶金部、水电部、建筑研究院等十个单位曾在大兴现场进行了联 合试验与测定，结果表明l ，设置碎石桩后，复合地基比天然地基的动孔隙水压力 降低了2 3 左右。官厅水库大坝下游坝中细砂地基位于8 度地震区，现场测得在距 振冲中心约2 m 范围内的天然地基振动i l 压剧增、砂土发生液化，而2 m 以外则随 距离的增加基本上呈指数关系递减。为防止地震液化，采用桩距为2m 的振冲碎石 桩形成复合地基后，超静孔隙水压力比天然地基降低了6 6 。 王余庆1 6 0 l 也曾对粉土地基的加固现场进行了孔压实测，结果表明在桩距0 9 2 m 处实测的天然地基孔压比为1 o ，即地基已发生了液化。而采用1 4 0 m 桩距加固的 碎石桩复合地基桩问土中最大孔压比仅为0 3 4 ，采用1 6 0 m 桩距的桩问土中最大孔 压比接近0 4 0 。 郑建国l ”l 在现场采用打桩机作为震源量测了距震源2 o m 处天然地基和经碎石 桩加固后桩间土的超静孔隙水压力，在同样激振情况下，后者的超静孔隙水压力仅 为前者的4 7 。 日本的t o l 【i m a t s u 和y o s h j m i i 盯j 对建筑物下采用砾石挥水桩加固可液化砂土地 基进行模型试验，研究了砾石桩的排水效果。s a s a l ( i 和t a n j g u c h i i 鹋l 将装有饱和砂土 的大尺寸矩形模型箱固定于振动台上来研究砾石排水桩和周围砂土的孔压增长及 消散效应，发现靠近砾石捧水桩砂土的超静孔压在激振过程中增长较慢，振动结束 后则快速消散。我国冶金部建筑研究总院的王士风l 。l 也进行了振动台模型试验来研 究碎石桩加固可液化地基的效果。研究结果表明，即使是浅层桩也能改善地基的抗 液化能力。l a i 等【7 0 噪用圆形叠层剪切变形模型箱进行的振动台试验也表明了碎石桩 可以迅速降低超静孔压，抑制砂土液化的作用。有关室内模型试验的具体情况在下 文将详细介绍( 见1 5 节) 。 1 3 3 碎石桩体的减震作用 竖向静力荷载作用下碎石桩的荷载分担作用已经得到广泛而深入的研究1 1 9 “- 7 “7 4 1 ，并取得明显的进展。相比较而言，在动力荷载作用下，桩体作用的发挥及其 对复合地基抗液化贡献的研究还很少。而地震作用下碎石桩复合地基桩土应力重分 布的研究只是在近几年才开展起来。已有的研究表明1 4 3 ，4 5 ，7 5 t 76 i 碎石桩不仅可以分担 上部垂直苟载的作j 1j 而且还能以分担振动剪应力的方式来防止砂土液化，即在地 震动荷载作用下，剪应力集中于桩体，碎石桩对桩问土起“减震”作用。因此，在 同样地震烈度下桩闽土所承受的剪应力由于桩的应力集中而得到衰减，从两提高了 抗液化能力。 碎石桩复合地基中桩土分担地震剪应力重分佰的概念由b a e z 和m a r t i n 提出1 7 5 l 。 由于碎石桩复合地基中桩体的刚度远大于桩问天然土体，地震荷载将因地基的初始 应力状态和刚度发生了变化而产生应力的重新分布。因此，当碎石桩和周围的土体 一起变形时，地震剪应力的分布应该是桩土各自刚度和面积的函数。在相对刚度较 大的碎石桩上会产生地震剪应力的集中，因此减小了作用在桩间土上的剪应力水 平。 a d a l j e r 等州进行了一系列无塑性粉砂土一碎石桩复合地基离心机模型试验研 究，结果表明：碎石桩复合地基整体刚度增大，地基沉降量得到大幅度的降低，即 桩体减震作用不容忽视。试验内容将在1 5 节中详细介绍。 在现场对碎石桩加固前后地面加速度和剪切波的量测，可定性地反映桩体分担 剪应力的情况。郝增志等通过对振冲加固前后的地面振动加速度的量测发现，加固 后地基的垂直、水平切向和水平径向的加速度均较加固前分别减少了2 8 - 2 、1 2 5 和1 9 。o 1 4 ”，可见桩体分担水平剪切应力的作用也很明显。 郑建国1 4 3 j 以振动加速度为参数研究了碎石桩的减震作用，分别在饱和粉土地基 加固区桩间土层和未加固区土层上布置了拾振器，采用振动打桩机作为激振源，在 加固区桩间土上和未加固区天然地基上分别测出了地面振动加速度值( 如表1 2 所 示) 。试验结果表明，地基经碎石桩加固后，其桩间土地面振动加速度仅为未加固 地基地面加速度的3 0 左右，也就是地面加速度降低了7 0 。从这个意义上来说， 碎石桩对桩间土地震反应产生了减震效应。虽然因具体情况不同，现场试验所测得 的加速度可能会有较大的差异，但碎石桩复合地基可以通过桩体分担较大的水平剪 应力，使作用于桩间土上的剪应力减小来抵抗地震液化得到了验证。 表1 2 地面振动加速度 加速度口( g ) 距震源距离( m ) 口加固区，口非加周区 加固区桩间十非加固区 2 00 0 5 2o 1 5 33 4 3 0o 甜10 1 4 0 2 9 王士j x l 进行的室内振动台试验也表明，排水桩不仅通过改变地基的渗透性提 高其排水作用，而且还通过改变地基土的复合刚度限制土体变形的作用，达到减少 超静孔压的增长，提高土体抗液化的效果。 第一章绪论 抗液化措施，叫显限制了港口设施的丌裂宽度和沉降。下表是m i z u n o 对在此次 地震中抗液化措施效果的评价。值得注意的是，尽管地基加固不能队l e 丌裂或沉降 的出现，但与没有采用任何加固措施的地基相比，平均裂缝宽度降低了8 0 平均 沉降量也降低了6 2 。 表1 3 钏路港码头地基有无抗液化加固措施对地震后破坏的不同影响 地基有无抗液化总长度码头破坏长度平均裂缝宽度平均沉降 加吲措施( 英尺)( 英尺)( 英寸) ( 英寸) 有抗液化加固措施 5 9 6 02 7 5 60 7 23 2 2 无抗液化加固措施 1 4 6 5 08 7 3 43 6 18 5 2 小计 2 0 6 1 01 1 4 9 0 百分数 o 7 2 3 6 1 = 2 0 3 2 2 8 5 2 = 3 8 1 4 3n o r i h r i d g e 地震( 1 9 9 4 ) 1 9 9 4 年1 月1 7 日清晨5 时荚国加利福尼亚州n o n h 制g c 地区发生了6 1 8 级的地 震。n o n h r i d 叠e 地震造成6 0 人死亡，直接经济损失超过2 0 0 亿美元，被认为是美国 历史上经济损失最严重的自然灾害之一1 7 8 1 。h a v d e n 和b a z e l 7 9 1 调查了3 个建造在复 合地基之上的建筑结构，其中两个采用的是碎石桩复合地基：加州大学变压器大楼 和两个高架铁路的引道。 变压器大楼距震中约1 5 英里，受到一个大予0 7 9 的水平加速度作用。建筑场 地为冲积层土层，为限制地基的沉降变形，采用振动碎石桩加固后形成复合地基。 钻孔勘察时水位超过4 0 英尺深，建筑物周围没有地基破坏或液化的现象。 另一实例为一组高架铁路的引道，距震中约3 0 英里。采用碎石桩加固主要用 于降低液化势、增加土层的整体抗剪强度。在地基加固前，圆锥灌入试验灌入阻力 c p t 为3 0 8 0 t s f 加固后c p t 值增加到1 2 0 t s f 以上。震后调查发现加固后地基没 有任何液化迹象。 1 4 4 其它地震 1 9 6 4 年日本新泻地震时有两个2 万立方米和一个3 万立方米的油罐建在振冲碎 石桩加固的复合地基上，尽管附近未加固地基上的油罐有显著下沉和倾斜，但建在 加固地基上的2 万立方米的油罐仅下沉2 3 c m ，3 万立方米的油罐沉降稍大，但这 砖个汕罐都可以继续使用i 帅l 。 义如f 1 本十胜冲造纸厂地基为2 0 m 深的细砂层，地下水位位于地表下1 5 m ， 北京交通人学i ：学l 撙：f ：学化论文碎石桩复合地基抗液化性能试验研究 设计时对三个建筑物分别采用了1 3 5 m 间距振冲加打桩，1 5 5 m 间距振冲，以及不 加固三种方法。在1 9 6 8 年5 月1 6 日十胜冲地震时，未进行地基加固的建筑物破坏 严重，地基只采用振冲加固的建筑物破坏轻微，而地基采用振冲加打桩的建筑物无 明显破坏。 1 5 室内模型试验研究进展 为了弄清楚碎石桩复合地基抗液化性能，探讨其抗液化的规律性，进行相关试 验是必不可少的。当然，就试验结果的可靠性而言，现场试验方法应为首选。但目 前，现场试验较难实现，原因主要是缺少模拟自然地震效应的振动源。前述的几个 碎石桩复合地基现场试验研究，只是采用振冲器或打桩机作为振源研究在碎石桩施 工期问的一些特性，无法模拟地震液化效应，因此不能系统深入地研究碎石桩复合 地基的抗液化性能。虽然也有人采用爆炸等动力源进行试验，但由于爆炸波与地震 波的差别太大( 持续时间只有数m s ，波的频率成分主要为高频等) ，难以模拟地震液 化效应。因此，采用室内大型模型试验比较现实。这首先涉及到地震荷载的模拟， 其次就是试验方法和试验仪器的选择。 1 5 1 水平土层地震反应 土层的地震反应是极其复杂的。现在，人们对它的认识还不全面，在实验室中 还做不到比较理想地模拟这一复杂过程。但是，可以在某种程度上加以近似。通常， 覆盖在基岩之上的土层中的波速远小于 基岩的波速，且波在土层中传播的能量损 耗也比在基岩中的大。根据波的折射原 理，在离震中稍远处就可以认为地震动主 要是来自基岩的剪切波竖直向上传播的 结果【8 2 8 4 1 ，如图1 1 所示。 因此，对实际地基来说，土的振动变 形大部分都是由于下卧层向上传递的剪 切波引起的。饱和土层的液化也认为是由 于地震时剪切波引起土层剪切变形所致 1 8 2 l 。对于水平土层，如在土层中取出一个 1 磊； 基岩 基岩运动 一 图1 1 剪切波由基岩向覆盖士层传播 土体单元，在没有地震的作用下，作用在单元土体上的竖向有效应力为口：，水平有 效应力为七。盯：，其中 。为静止土压力系数( 如图l 一2 a 所示) 。地震时产生的循环剪 应，j “会作用在单元土体上( 如图1 2 b 、c 所示) 。因此在室内研究液化问题大多都 以这个理论为指导，进行各种各样的模型试验和理论分析。到目前为止，研究土体 筇一章终论 液化可以采用的试验方法行：动j 轴试验1 8 5 8 6 l 、动单剪试验1 8 7 - 8 、动扭剪试验【9 0 ，9 振动台试验，9 2 ，9 3 1 和离心f j l 试验1 7 69 ”。 一j z 笠咝一 足o q ， 薰要重量量圣黧塞：篓羔 一j z 垫! 查堕一一一 三 一j z 些i 娈垃 ：= 孝碱谁“够碱奄“ b c 图l 一2 在单元士体上由于地震引起的循环剪应力 研究碎石桩复合地基抗液化问题的室内试验包括离心机试验和振动台试验，二 者都可以真实地模拟实际地基在地震作用下的上述应力条件。但是，离心机和振动 台试验都必须要有一个模型箱来盛土，这就引入了实际并不存在的土体人工边界问 题。 1 5 2 模型箱的设计 在实际情况下，地基是没有边界的。而在模型试验中，只能在有限尺寸的容器 里来模拟原型地基。这样，由于其边界上的波动反射以及体系振动形态的变化将会 给试验结果带来一定的误差，即所谓“模型箱效应”。另外，按照前面的分析，饱 和砂土的液化被认为是由于地震时剪切波引起土层剪切变形所致，天然土层在地震 作用下的变形如图1 3 所示。模型试验结果的可靠性取决于在试验中是否真实地再 现原型复合地基体系的实际工作状态。因此，在模型试验中，理想模型箱的设计目 十 搽号 j + 基岩 丛岩坦z 力 剖】3 火然卜崖曲地碰作川f 的变形 碎“ j i = 叟合地丝抗液化r # 能试验研究 标是既要保持对：i ：样的侧向约束，还要j f 确模拟天然土层在单剪受力条件下形成的 剪切变形州时：l 体要控制整个 ：一辅体系的动力反应。 | i 】于土体材料的复杂性及地震波在土中传播的复杂性，完全模拟原型地基的边 界条件非常嘲难。在这种情况下，如何减少模型箱边界的波动反劓则成为模型试验 的关键和难点。成功的模型箱设计要求边界条件对整个系统反应的影响最小，使模 型土在模型箱中能再现天然二匕层的地震反应。为了能准确模拟土的边界条件，各国 学者在模型箱的设计上颇卜- 了一番功夫。目前为止，振动台模型试验中常用的模型 箱大致有三种型式【9 ”。 第一种为刚性模型箱，在模型箱内壁粘设泡沫塑料等柔性材料来吸收侧向边界 的波以模拟土的边界。这种模型箱在2 0 世纪8 0 年代被广为采用，如日本的t o k i m a t s u 和y o s h i m i l 9 8 】、s a s a k i 和t a n j g u c h i l 6 8 l 以及我国冶金部研究总院的王士风【6 9 l ，都是采 用这种模型箱进行振动台试验来研究碎石桩加固可液化地基的效果。这种简单的、 刚性壁的模型箱不允许试样均匀地变形。而且，刚性模型箱模拟真实土层的效果与 模型箱内壁所垫材料的性质及其厚度有很大关系，材料太柔太厚，则土层将发生弯 曲变形而不是剪切变形；材料太刚太薄，则边界的反射太强，难以模拟天然土层的 反应。 第二种为圆筒型柔性模型箱，由美国b e r k e l e y 大学的m e y m a n d 博士i 叫设计， 用于土一桩一上部结构相互作用的振动台试验。这种模型箱包括一块围成圆筒形的 橡胶膜，上端固定于上部钢圆环，下端固定在下部基底钢板上。上部钢圆环支撑在 四根钢杆上，钢杆与钢环用万向结联接，它允许模型箱内的模型土发生多方向平动 的剪切变形。橡胶膜外包纤维带或钢丝提供径向刚度。我国同济大学的吕西林、陈 跃庆i 瑚，1 0 1 l 采用类似的模型箱进行结构一地基动力相互作用体系振动台模型试验研 究。迄今为止，尚未见到采用这种模型箱进行砂土液化试验的研究报道。柔性模型 箱外包纤维带的间距对试验结果的影响很大，太小则成了刚性模型箱，难以提供剪 切变形，太大则在振动时，士体向外膨胀，导致土体约束压力的释放，同时土层可 能发生弯曲变形。 第三种为叠层剪切变形模型箱，m a t s u d a 等【2 i 最早采用叠层剪切变形模型箱进 行了饱和砂土振动台试验。这种模型箱一般由1 0 2 0 层矩形平面钢( 铝) 框架由下而 上叠合制成，并在层问放置轴承( 橡胶块) ，使框架之间可以相对滑动以模拟土的剪 切变形。对于刚性模型箱和叠层剪切变形模型箱，端壁对波的反射可用图1 4 来表 不a 叠层剪切变形模型箱对土的剪切变形几乎没有约束，大大减少了边界对波的反 射。1 1 e 模拟土的剪切变形方面优于前两种，并且因为采川了刚性框架，对二t 体能提 供较好的侧向约束力。因此，近年来，困外有关岩j ：结构的振动台模型试验多采f f j 这种 ：；：| 型箱米完成i i n3 1 川。 i ! 童圣塑奎兰兰堡主兰堡篁圣 堡互篓墨盒些董垫堡丝丝璧兰兰竺窒 图l - 6 大尺寸堆叠式剪切模型箱实物图 叠层剪切变形模型箱在日本发展迅速，也得到了广泛的应用。日本建筑研究院 建筑地基与基础实验所( b r i ) 于1 9 8 8 年研制了一个长l o m 、宽4 m 、高5 m 的大型 剪切变形模型斜“4 1 ( 图1 7 ) 。该模型箱由1 7 层h 型钢焊接的钢框架组成，各框架 层间设置轴承。研究结果表明，该模型箱可以很好地模拟土体在动力荷载作用下的 剪切变形，重现地震时地基的动力反应。 图1 7 大型堆叠式剪切模型箱( b r j ) 日本国家地球科学与防灾研究中心( n i e d ) 设有一个大型振动台实验室，实验室 内拥有目前世界上最大的叠层模型箱( 图1 8 ) 。该模型箱长1 2 m 、宽6 m 、高3 5 m 。 已在台面尺寸为1 5 m 1 5 m 的大型振动台上做了大量的液化场地土一桩一结构相互 作用试验【1 0 8 圳】。 第一章绪论 图1 - 8 晟大的堆叠式剪切模型箱( n i e d ) 在国内，同济大学的伍小平【9 7 】在开展砂土一桩一结构相互作用振动台试验研究 时也采用了这种模型箱( 图1 9 ) 。模型箱由1 8 层独立的长方形钢框架叠合而成，由 于模型箱仅考虑一个方向( 振动方向) 的剪切变形，为限制其垂直方向的变形及平面 扭转变形，在与振动方向垂直的侧面各贴一块厚2 脚l 的钢板，钢板与框架用螺栓 连接。除底层框架外，其它层问设置凹槽，并在凹槽内放置钢滚珠以形成可以自由 滑动的支承点。 撵躺a 蝴 瓣矿一 譬= 毒= = = = ：誊= 爿 麓= 冀= = = = 霉= = l 拳= = 譬= = = = 舞烹墨 吲至薹至封 _ _ _ - _ 。_ - _ _ _ _ _ _ - 。_ _ 州 匡善室 譬= 篁芒= = = = ；= = 爿 | 一幽一1 雠- l _ 蛸- | 蘩 。：岂 o o ：。曼 。：- ：一：。：苣 ：= ：o ：曼 。o ：- o i 。- ：。：+ ：曩 a 正视图b 侧视图c 实物图 图1 9 叠层剪切变形模型箱( 单位：m m ) 目前，国外大多采用叠层剪切变形模型箱来进行有关岩土结构地震问题的振动 台模型试验研究，但研究的主要内容是土与结构动力相互作用问题，涉及到碎石桩 复合地基抗液化特性研究的试验较少，而国内只有伍小平在砂土一桩一结构相互作 用振动台试验中采用过这种模型箱。但迄今为止，采用叠层剪切变形模型箱来进行 碎石桩复合地基振动台试验研究尚属首次。 北京交通大学工学博士学位论文 碎石桩复合地基抗液化性能试验研究 1 5 3 离心机试验 土工离心机模型试验的基本原理是：将土工模型置于高速旋转的离心机中，让 模型承受相当于几十个甚至上百个重力加速度的离心加速度场作用，以补偿因模型 尺寸缩小而导致土工构筑物自重的损失。 离心机试验对于解决复杂的土工动力问题，如液化、土一结构相互作用等具有 较大的潜力，但由于离心机设备尺寸的限制及价格昂贵，只能使用较小的模型进行 试验。模型过小存在不足以安装足够的测量设备，难以体现内部结构特性及地基工 程地质特性的缺陷。另外，因惯性坐标系和旋转坐标系之间转换而产生的科里奥利 效应，在一些模型试验中足以使试验结果产生明显的误差【9 7 1 。因此，采用离心机完 成的碎石桩复合地基抗液化特性模型试验较少。 a d a l i e 等1 7 6 l 通过离心机模型试验研究了无塑性粉砂土一碎石桩复合地基的抗液 化效应。该模型试验在模型制备时消除了碎石桩的加密和排水作用，以此来研究了 碎石桩的减震作用。试验记录的沉降、加速度和孔压数据的对比分析表明，相对于 天然地基而言，碎石桩复合地基整体刚度增大，阻碍了桩间士体超静孔压的增长， 地基沉降量得到大幅度的降低。 1 5 4 振动台试验 振动台系统是一个集激振系统、测试系统和软件分析系统于一体的完整的现代 振动测试系统。自1 9 6 6 年日本建成世界上第一台正弦波振动台以来，经过3 0 年的 发展，目前世界上大大小小的振动台已有很多，分别应用于许多工程专业的动力试 验。 振动台试验的主要特色在于试验是在1 g 重力场环境下进行的，因而不能获得 像离心机试验那样较高的应力场。然而，这并没有限制研究者利用振动台试验对饱 和砂土液化问题进行研究。振动台试验最大的优点在于实验设备兼有二维和三维振 动能力，而且其模型一般情况下比离心机试验模型大得多。同时，振动台试验因不 存在科里奥利效应而更增加了自身的优势。目前，国内外进行碎石桩复合地基抗液 化模型试验研究还是以振动台试验为主。 s a s a k i 和1 抽i g u c h i 【6 8 】通过大型振动台试验来进行砾石排水桩防治砂土液化效 果的研究，试验模型如图1 1 0 所示。模型试验是在日本筑波科学城国家地球科学与 防灾研究所( n i e d ) 台面尺寸为1 2 m 1 2 m 的大型振动台上进霉亍的。该试验使用的是 刚性模型箱，在与激振方向垂直的箱壁两侧设置了5 c m 厚的海绵以减少箱壁刚性对 模型地基的影响。 摸型1 砂 r 砂 - - - - - - - + 卜刮卜丽三_ 4 6 m 图1 1 0s a s a k i 和t a n i g u c h i 振动台试验模型 试验模型地基尺寸为1 2m 2m 3 m ( 长宽高) ，其中设置了砾石排水墙来代替 排水桩。砂土在风干状态下铺入箱中，每5 0 c m 让人用脚踩密。在铺设完砂层后， 让水从底部慢慢渗入，使砂层饱和。试验模型的平均相对密度为5 0 。模型箱中设 置了1 7 个加速度计和3 5 个孔压计来量测水平加速度和孔隙水压力。振动台输入是 加速度0 2 9 ( g 为重力加速度，以下同) ，频率5 h z 。持时6 0 s 的正弦波。 某一深度孔隙水压力的测试结果显示，激振过程中距排水桩中心5 0 c m 处( 桩的 直径为4 0 c m ) 与2 0 m 处测得的孔压相同。据此，可以确定试验模型中砾石排水桩 的有效影响范围为距桩中心5 0 c m 以内的砂层。同时，研究中没有一个模型试验结 果可以表明设置的砾石排水桩能够防止半径5 0 c m 以外的砂层发生液化。在此次试 验中，砾石排水桩不能有效地抑制超静孔压的产生，但激振结束后允许超静孔隙水 压力的快速消散。试验结果表明，砾石排水桩的设置只影响了可液化砂层的有限范 咽。这是进行砾石桩抗液化设计时必须注意的问题。s a s a k i 和t a n i g u c h i 认为出现这 一结果的原因是激振频率过高( 0 2 9 ，5 h z ) 抑制了碎石桩的排水性能。 王士j x l i6 9 】为了研究排水桩提高砂基抗液化性能的机理，在5 l 正弦波水平单向振 动台上进行了一系列模型试验。他把建筑物一地基体系简化为平面应变问题，重点 i j 究了不同排水桩斫i 胃方案的有效范围和效果，其巾包括采_ h j 外缘排水桩对已有建 筑物防l i ：砂基液化的效粜。 试验采用的刚性模型祈，内部尺i j 为1 5 0 c m 2 8 8 c m 5 0 c m ，在两端壁内衬5 c m j l 京交通人学1 4 1 产i ! i ii “学他沧文碎t 一桩复合地基抗液化性能试验研究 厚海绵以减少辅端! 挂对l ：体变形的限制。箱内模拟了4 0 c m 厚的粉砂一砾打排水桩 复台地基，建筑物模型采川一块5 c m 厚的混凝土板，宽2 0 c m ，板底球力为1 2 6 k p a 。 粉砂的平均粒径为0 1 3 m m ，干重度为1 4 8 k n m 3 ，渗透系数为3 1 1 0 。m s 。在平面 应变条件下，碎石桩制成墙式的，碎石直径为2 3 5 m m ，碎石桩的桩径为2 c m ，桩 距为8c m ，基础底面设水平砾石排水层( 图1 一) 。 图】1 1 干士风振动台试验模型 试验分为以下4 种情况：不设桩、设置表层桩( 桩长1 0 c m ) 、浅层桩( 桩长2 0 c m ) 、 深层桩( 桩长4 0 c m ) 。施加的动荷载为水平向正弦波，频率为4 h z 。为了便于比较各 方案的抗液化效果，每次试验所用砂料的成份、相对密度、饱和方法以及振动台的 输入等试验条件均不变。通过撒砂器和制桩模按一定的工艺过程制备模型地基，保 证了各试验中砂基试样具有一致的沉积条件，基本上排除了排水桩对砂基