（岩土工程专业论文）地震作用下碎石桩复合地基的变形研究.pdf

中文摘要 摘要：天然地基在强烈地震作用下不能满足抗震要求时，需要通过人工加固 地基达到抗震的要求。碎石桩复合地基在防治饱和砂土液化的机理方面有针对性 作用，因此碎石桩复合地基成为处理可液化砂土地基的首选工程手段。但是迄今 为止，碎石桩复合地基抗液化效果研究主要集中在强度方面，从抗震安全性角度 来看，还应该包括变形问题，因此本文主要开展了地震作用下碎石桩复合地基地 震液化特性以及变形研究，其中主要内容包括： ( 1 ) 分析比较天然砂土地基受循环荷载和e 1c e n t r o 地震波后地震响应影响。 ( 2 ) 分析碎石桩复合地基受不同地震波波幅，碎石桩参数( 包括：桩间距、 桩径、渗透系数) 变化情况下，碎石桩复合地基不同深度桩间土超孔压变化以及 竖向变形特点。 ( 3 ) 分析在e 1c e n t r o 地震波作用下碎石桩地基不同附载条件情况下，碎石 桩复合地基地震期间不同深度桩间土超孔压比变化和变形特征。 ( 4 ) 进行不同工况条件下震后固结沉降变形对比分析。 通过对碎石桩加固复合地基地震液化特性以及变形问题进行系统的理论研 究，得出以下重要结论： ( 1 ) 在地震作用下，碎石桩提高地基抗液化性能的效果十分明显，可以有效 降低由于地震所导致的土变形，碎石桩降低不同深度桩间土竖向变形的根本原因 在于碎石桩的挤密作用和减小了桩间土受到的剪切力，以及有效的排水作用，从 而有效的抑制了地基土层的变形。 ( 2 ) 分析了复合地基中碎石桩的桩间距、桩直径、桩体渗透系数改良对碎石 桩抗液化性能增长，减小超孔压比，以及桩间土单元竖向变形趋势减小起到了积 极影响。 ( 3 ) 在地基承载力范围内，复合地基上部荷载越大，可以有效减小地基在地 震动荷载作用下产生的超孔隙水压力，与碎石桩挤密作用有同等效果。但是，随 着上部荷载的增大，地基发生液化其承载能力减小，因此在地震期间会产生较大 的竖向沉降变形。 ( 4 ) 通过分析复合地基震后孔压消散引起的竖向沉降，得出地震振幅对震后 沉降影响较明显，振幅越大沉降越大；碎石桩参数对震后沉降有着密切的影响， 证明了合理布局碎石桩以及在施工中应尽量减少泥土杂质对碎石桩抗震效果的影 响；上部附加荷载越大复合地基中超孔隙水压力越小，由此造成震后沉降减小。 关键词：碎石桩复合地基；液化；超孔压比；竖向变形 a bs t r a c t a r t i f i c i a lr e i n f o r c e df o u n d a t i o nw o u l db ep u ti n t o p r a c t i c e ，w h e nn a t u r a l f o u n d a t i o nc a l ln o ts a t i s f ya s e i s m a t i er e q u i r e m e n t su n d e ri n t e n s ee a r t h q u a k ea c t i o n s t o n ec o l u m nc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni s s p e c i f i c a l l ye f f e c t i v ei np r o t e c t i n gs a t u r a t e d s a n d sf r o m l i q u e f y i n g ，w h i c hm a k e si t t h ef i r s tc h o i c et ot r e a t l i q u i f i a b l es a n d f o u n d a t i o n s s of a r , t h er e s e a r c hc o n c e r n i n gt h ea n t i - l i q u e f a c t i o ne f f e c to ft h es t o n e c o l u m nc o m p o s i t ef o u n d a t i o nm a i n l yf o c u s e so nt h es t r e n g t h h o w e v e r , a sf a ra st h e s a f e t yo fa n t i e a r t h q u a k ei sc o n c e r n e d ，t h ep r o b l e mo ft r a n s f o r m a t i o ns h o u l da l s ob e t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h ep r e s e n tt h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e st h el i q u e f a c t i o na n d t r a n s f o r m a t i o no ft h es t o n ec o l u m nc o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e r t h ea c t i o no fe a r t h q u a k e ， w h i c hm a i n l yc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： ( 1 ) a n a l y z ea n dc o m p a r et h er e s p o n d i n gi n f l u e n c eo fn a t u r a ls a n df o u n d a t i o n s u n d e rc y c l i cl o a d i n ga n de1c e n t r oe a r t h q u a k ew a v e ( 2 ) w h i l en u m e r i c a ls i m u l a t i n gs t o n ec o l u m n sc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni se x p o s e dt o v a r i o u sa m p l i t u d e so fe a r t h q u a k e w a v e s ，c h a n g ep a r a m e t e r so fs t o n e c o l u m n s ， i n c l u d i n gc o l u m nd i s t a n c e ，c o l u m nd i a m e t e ra n dp e r m e a t i o nc o e f f i c i e n t ，a n dc o m p a r e e x c e s sp o r ep r e s s u r ev a r i a t i o n so fi n t e r - c o l u m ns o i lo fv a r i o u sd e p t ho fs t o n ec o l u m n c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv e r t i c a ld e f o r m a t i o n ( 3 ) a n a l y z et h ee x c e s sp o r ep r e s s u r er a t i oc h a n g ea n dt r a n s f o r m a t i o no fi n t e r - p i l e s o i lo fv a r i o u sd e p t h sd u r i n ge a r t h q u a k e ，w h e nt h es t o n ec o l u m nc o m p o s i t ef o u n d a t i o n i se f f e c t e db ye1c e n t r oe a r t h q u a k ew a v ea n dw i t hd i f f e r e n tl o a d i n gc o n d i t i o n s ( 4 ) c a l c u l a t et h ed e f o r m a t i o no fc o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n ta f t e re a r t h q u a k eu n d e r v a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s a f t e rt h es y s t e m i c a la n dt h e o r e t i c a ls t u d yo nt h el i q u e f a c t i o na n dd e f o r m a t i o no f s t o n ec o l u m n sr e i n f o r c e dc o m p o s i t ef o u n d a t i o n , i ti s h o p e dt om a k et h ef o l l o w i n g i m p o r t a n tc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t h e s t o n ec o l u m nd e m o n s t r a t e sr e m a r k a b l ee f f e c t i n i m p r o v i n g a n t i l i q u e f a c t i o no ft h ef o u n d a t i o n ；i tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ea s c e n d i n gd e f o r m a t i o n o fs o i lu n i t sg e n e r a t e db ye a r t h q u a k el i q u e f a c t i o nu n d e r g r o u n d s ；t h eu n d e r l y i n gr e a s o n o fs t o n ec o l u m n sr e d u c i n gt h ea s c e n d i n gd e f o r m a t i o nd u et ot h ee a r t h q u a k el i q u e f a c t i o n o fi n t e r - c o l u m ns o i lo fv a r i o u sd e p t h1 i e si nt h a ts t o n ec o l u m n sr e d u c et h es h e a rs t r e s s a n de f f e c t i v ed r a i n a g ee f f e c to nl i q u e f i a b l es o i l ，t h e r e b ye f f e c t i v e l ys u p p r e s s i n gt h e v d e f o r m a t i o na n dm o b i l i t yo ff o u n d a t i o ns o i ll a y e r ( 2 ) w h i l et h ea n t i l i q u e f a c t i o n o fs t o n ec o l u m n si n c r e a s ew i t hd i f f e r e n t e n g i n e e r i n gp a r a m e t e r s ，t h ei n c r e a s i n gr a t i oo fi t se x c e s sp o r ep r e s s u r ed e c r e a s e s ，a n d t h ev e r t i c a ld e f o r m a t i o no fi n t e r - c o l u m ns o i lu n i t sr e d u c e s ，w h i c hc a l ls i g n i f i c a n t l y i n h i b i td e f o r m a t i o no ft h ef i e l d ( 3 ) w i t h i nt h ef o u n d a t i o nb e a r i n gc a p a c i t y , t h ei n c r e a s eo ft h el o a do nt h eu p p e r p a r to ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ee x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r e o ft h ef o u n d a t i o ng e n e r a t e db yt h ee f f e c to fd y n a m i cl o a dd u r i n ge a r t h q u a k e ，w h i c hi s o fe q u a le f f e c tt ot h ec o m p a c t i o no fs t o n ec o l u m n s h o w e v e r , w i t ht h ei n c r e a s eo ft h e l o a do nt h eu p p e r p a r t ，t h ef o u n d a t i o nl i q u e f i e sa n d i t sb e a r i n gc a p a c i t yr e d u c e s ，w h i c h r e s u l t si nb i g g e rv e r t i c a ls e t t l e m e n ta n dl a t e r a ld e f o r m a t i o nd u r i n gs t r o n ge a r t h q u a k e ( 4 ) i ti sf o u n dt h r o u g hc o m p o s i t em o d u l u sm e t h o dt h a tt h ev e r t i c a ls e t t l e m e n to f t h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o ni sc a u s e db yd i s s i p a t i o no fp o s t - e a r t h q u a k ep o r ep r e s s u r e t h e e a r t h q u a k ea m p l i t u d eh a sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo np o s t e a r t h q u a k es e t t l e m e n t ，a n dt h e b i g g e rt h ea m p l i t u d ei s ，t h eg r e a t e rt h es e t t l e m e n tw i l lb e t h es e t t l e m e n tv a r i e sw i t ht h e c h a n g eo fs t o n ec o l u m n sp a r a m e t e r s ，w h i c hd e m o n s t r a t e st h a ts t o n ec o l u m n ss h o u l db e d i s t r i b u t e dr a t i o n a l l ya n dt h ei n f l u e n c eo na s e i s m a t i cp e r f o r m a n c eo fs t o n ec o l u m n s f r o ms o i l i m p u r i t i e s s h o u l db er e d u c e dt ot h eg r e a t e s te x t e n ti nc o u r s eo f c o n s t r u c t i o n t h el a r g e rt h el o a do nt h eu p p e rp a r ti s ，t h es m a l l e rt h ee x c e s sp o r e p r e s s u r eo fc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni s ，a n dt h ep o s t e a r t h q u a k es e t t l e m e n tw i l ld e c r e a s e c o n s e q u e n t l y k e y w o r d s ：s t o n ec o l u m n sc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，l i q u e f a c t i o n ，e x c e s sp o r e p r e s s u r er a t i o n ，v e r t i c a ld e f o r m a t i o n 北京交通人学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鹣茂 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：燃 导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月 日 致谢 本论文的工作是在我的导师张鸿儒教授的悉心指导下完成的，张鸿儒教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 张鸿儒老师对我的关心和指导。 刘建坤、陈文化、白冰教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，胡晓勇、秦小明、刘易平等同学对我论文中 的复合地基液化研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 我们国家位于世界两大地震带环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平 洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育，由此产生地震 活动频度高、强度大、震源浅，分布广，因此我们国家是一个震灾严重的国家。 地震作为一种突发性自然灾害，给人类社会带来了巨大的灾难。 随着建筑物抗震结构的不断发展，在强烈的地震作用下建筑物和构筑物结构发 生破坏的比例在不断下降。但是在强烈地震中振动带来建筑物和构筑物地基液化 失效，而引起结构发生不均匀沉降变形破坏的案例在损坏的建筑物中将占相当大 的一部分比例。 1 9 6 4 年的新日本新溺西南发生6 8 级地震，在这次地震中楼房的整体性都比较 好，没有因地震而发生坍塌。但是有很多楼房却出现了地基失效问题。有些楼房 就像火柴盒一样整体地倾斜，有的虽然没有完全倾倒，但已经转过2 0 0 - , 3 0 0 的角 度，基本上不能居住，成为砂土液化引起建筑变形破坏的最经典案例。我国1 9 7 6 年唐山地震均引起大范围的地下沙土液化。尤其1 9 7 6 年7 月2 8 日于河北省唐山 地区发生的两次灾难性强地震，震后数分钟大面积地区沙土液化，开始喷水冒沙 达数小时，引起地表开裂与下沉，最终使建筑物成片倒塌。1 9 9 5 年日本阪神地震 中砂土液化，人工岛地基大面积液化沉陷，大部分港口地面开裂，沉陷。1 9 9 9 年 我国台湾省7 6 级地震，台中港大面积地基液化，码头到处可见沉陷和裂缝，大量 高层建筑因为底层破坏而整体倾倒的震害。特别是2 0 0 8 年汶门i 地震发生，对我们 国家的人员生命财产带来了极大的损失，很多地方出现砂土液化现象，有些地方 甚至出现喷砂现象，反映强度较大的破坏性地震。 从上面所举的例子可以看出，地震振动使建筑物和构筑物地基液化失效，主要 造成地面变形，从而导致上部结构发生不均匀沉降变形破坏，给人们的生命财产 带来严重损失，因此对于地基的抗震研究就显得十分重要而有意义。 北京交通人学硕士学位论文第一章绪论 天然地基在强烈地震作用下，一般不能满足抗震要求，因此需要通过人工加固 地基达到抗震的要求。而在众多的复合地基中，碎石桩复合地基在抗震防治地基 液化方面有着挤密、排水和抗剪相互耦合作用，有效地提高了复合地基抗液化能 力，从而使碎石桩成为处理可液化砂土地基的首选工程手段。 1 2 碎石桩复合地基研究发展 1 2 1 碎石桩复合地基的实践发展 碎石桩法于1 9 3 7 年首次用于处理柏林一栋大楼的深达7 5 m 的松砂地基，使 该砂基的密实度由4 0 振密为8 0 【l 2 1 。上世纪5 0 年代碎石桩法引入美国，试用 于安德斯坝工地，有效地提高了砂基的密实度，随即在美国和西欧推广应用。 在2 0 世纪5 0 年代末、6 0 年代初，联邦德国和英国相继把原先只适用于挤密 砂土的碎石桩法用来处理粘性土地基。1 9 5 9 年，联邦德国j o h a n nk e l l e r 地基公司 在n u r e m b r e g 的一项地基工程中用振冲器在粘性土中制造了2 m 深的孔，填入块石， 再用振冲器使块石密实，经这样处理后，地基承载力有很大的提高。1 9 6 0 年，英 国c e m e n t a t i o n 地基工程公司在尼日利亚首都拉各斯建造了一幢六层房屋，在开挖 基槽时意外地发现地基中有一层厚2 m 的有机粉土，强度很低。最后采用振冲造孔， 回填碎石的方法处理，效果很好。后来，这两家公司有意识地把这一方法用于加 固软弱粘土地基，逐渐演变出一种新的加固方法一振冲碎石桩法。 我国应用碎石桩法始于1 9 7 7 年，首次应用的工程是南京船舶修造厂船体车间 软土地基加固。由于该方法有着较高的经济效益和社会效益，3 0 多年来在我国获 得了较快的应用和推广，大量应用于土建、水利、冶金和交通等工程的地基与土 构物的加固处理【3 - 8 1 。 在工程实践中又相继发展了多种碎石桩地基加固方法，使碎石桩法的使用范 围更加广泛。 2 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 碎石桩复合地基的分类 按施工方法不同，碎石桩复合地基可分为振冲碎石桩复合地基、振动挤密碎 石桩复合地基、沉管碎石桩复合地基、射水成孔袋装碎石桩复合地基和强夯置换 碎石桩复合地基等。这些碎石桩复合地基都属于散体材料桩复合地基【5 一。1 5 】。 ( 1 ) 振冲碎石桩复合地基 按加固机理，振冲法加固地基可分为二类：振冲密实法和振冲置换法。振冲 密实法的加固原理是一方面依靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化，砂颗粒 重新排列，孔隙减小，另一方面依靠振冲器的水平振动力，在加填料情况下通过 填料使砂层挤压加密。振冲置换的加固原理是利用振冲器在高压水流下边振边冲 在软弱粘性土地基中成孔，再在孔内分批填入碎石等坚硬材料，制成一根根桩体， 碎石桩和原地基土构成碎石桩复合地基。 ( 2 ) 干法振动挤密碎石桩复合地基 干法振动加固地基工艺是先用于干法振动成孔器成孔，原桩孔位中的土体被 挤到周围土体中去，提起振动成孔器，向孔内倒入碎石等坚硬材料并进行捣实， 然后提起振动成孔器，继续倒碎石，直至碎石桩形成。碎石桩和挤密的桩间土形 成碎石桩复合地基。 ( 3 ) 沉管碎石桩复合地基 采用沉管打桩机在地基中设置碎石桩，形成复合地基。按施工方法又可分为 下述几种：管内投料重锤夯实法和先拔管、后投料复打密实法等。除采用碎石制 桩外，近年来还采用钢渣、炉渣、石屑等材料制桩以形成复合地基。 ( 4 ) 射水成孔袋装碎石桩复合地基 在高含水量的软粘土地基中，采用射水器射水成孔，用土工织碎石桩在地基 处理中的应用研究物袋围在地基中设置碎石桩，形成袋装碎石桩复合地基；印度 曾采用一种板条外用粗金属丝分节捆扎维护的袋装碎石桩。袋装碎石桩主要是为 了增加碎石桩四周的约束力。 ( 5 ) 强夯置换碎石桩复合地基 3 北京交通人学硕十学位论文第一章绪论 强夯置换法近年来得到发展。利用重锤夯击成孔，回填碎石等坚硬材料后夯 击密实，边夯边填碎石，不断置换，使之形成深度为3 6 m m ，直径为2 m 左右的 碎石桩体，与周围土体形成碎石桩复合地基。 1 2 3 碎石桩加固液化地基在以往地震中的表现 近年来有学者对实际地震条件下碎石桩减轻液化的成功实例进行归纳总结， 虽然观测资料有限，但是仍可以说明碎石桩加固液化场地的效果非常明显。 1 9 9 1 年m i t c h e l l 和w e n t z 1 6 1 评估了1 2 个加固场地在l o m ap r i e t a 地震( 1 9 9 1 ) 中的情况。其中有3 个加固场地是碎石桩复合地基场地，他们发现碎石桩加固后 的场地无论是地面或是上部结构基本没有损伤，或损伤很小。与之相对应形成明 显差异的是未加处理的地面，由于液化产生地面开裂、沉陷等液化现象。 1 9 9 4 年h a y d e na n db a e z 1 7 1 调查了2 个碎石桩场地在n o r t h r i d g e 地震后的液化 情况，调查结果表明两个场地中，复合地基没有出现破坏和液化，地基上的结构 都没有破坏。 m i t c h e l le ta 1 ( 1 9 9 5 ) 1 8 】总结了地震中碎石桩处理后的场地变形情况，表明碎石 桩地基的抗震效果明显，但是仍不清楚这些效果的主要作用是排水效应还是桩的 挤密效应。 日本k u s h i r o 港的板桩码头墙用碎石桩和挤密砂桩进行加固后，在经历 k u s h i r o o k i 地震( 峰值加速度约为0 4 7 9 ) 后，码头墙没有破坏，而其他未处理的 地方破坏程度为中掣1 9 1 。 1 2 4 碎石桩复合地基加固液化机理研究 近几十年来，学术界和工程界对碎石桩加固可液化土层进行了大量的理论和 试验研究。对于不同的碎石桩复合地基施工方法加固可液化土层，其主要加固机 理体现在挤密效应、排水效应以及减震效应等方面【2 0 、2 1 1 。 ( 1 ) 挤密作用 4 北京交通大学硕+ 学位论文第一章绪论 对于碎石桩在施工过程中对桩间土的加密效应，刘松玉等乜2 1 曾经做过详细的 分类。碎石桩在成孔和挤密碎石的过程中，一方面桩周土体在水平振动力作用下 产生径向位移，使桩间土密度提高。另一方面，振冲器的振动力在饱和砂土中传 播振动和加速度，在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。 部分学者研究了砂土特点对加密效果的影响。只要砂土中粒径小于0 0 7 4 m m 的细砂含量不超过1 0 时，可以获得满意的加密效果。s a i t 0 1 9 7 7 年根据试验提出 细颗粒含量的多少将影响砂土的挤密效果，若细粒含量不大于2 0 ，土的振密效 果很小【2 3 1 。a d a l i e r t 2 4 】根据地震现场调查和室内试验证明，用增大砂土相对密度的 方法来阻止液化发生是十分有效的。有数据表明当烈度为7 、8 、9 度时，如果砂 土的相对密实度分别达到5 5 、7 0 和8 0 以上时，砂土不会发生液化。落合真 等【2 5 】曾用振动台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 时，原 状砂的抗液化临界相对密度为0 6 6 ，而设置了砾石排水桩的复合地基抗液化临界 相对密度仅需0 4 6 ，为前者的7 0 ，说明碎石桩对改变地基密实度效果十分显著。 一些学者对碎石桩地基的挤密效果进行了理论计算。b a e z 和m a r t i n 2 6 】介绍了一 个相对简单的用来计算碎石桩的加密、排水和刚度效果的程序，并认为考虑碎石 桩的排水和刚度效用比仅考虑加密效应，桩间距可以增大，从而降低工程造价。 b a e z 在评价了1 8 个典型实际设置碎石桩前后的标贯击数后，利用将近4 0 0 个测试 点的数值，根据加固前的天然地基标贯击数和桩土面积置换率建立了一组可以预 测加固后桩间土标贯击数的经验公式。将预测值与实测值相对比的结果是，两者 对于饱和砂土能够较好吻合。这个预测模型的建立可以为碎石桩复合地基的设计 提供一定的依据。 对于工程中，更多的是通过一些工程强度经验参数，如标贯击数、静力触探 值等确定地基的密实度，从而判断碎石桩地基的抗液化性能力。建筑抗震设计规 范( g b5 0 0 1 1 _ 2 0 0 1 ) 对振冲碎石桩消除液化的检测，以加密后土层实际标贯击 5 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 数不小于液化判别标准贯入锤击数临界值，主要考虑碎石桩对土层的挤密作用。 邱钰等【2 7 】( 2 0 0 1 ) 结合连云港徐州高速公路工程液化地基加固试验，对成桩 过程中的孔隙水压力进行了测试，证明碎石桩成桩过程中对土体的挤密效应以及 排水效应。邵俐【2 8 1 ( 2 0 0 1 ) 在试验中观察了成桩过程中孔隙水压力和水平位移的 变化情况，并在成桩后进行了标贯试验和瞬态瑞丽波测试，分析了干振碎石桩法 对土层的挤密效应。李宏秀等在实际工程中，检测地基加固前后土层物理力学特 性，从而总结振冲碎石桩法具有明显的加密效果。 ( 2 ) 排水减压作用 对砂土液化机理研究表明，当饱和松砂受到剪切循环荷载作用时，将发生体 积的收缩和趋于密实，在砂土无排水条件时，体积的快速收缩将导致超静孔隙水 压力来不及消散而急剧上升，当砂土液化被触发后，地基抗剪强度急剧下降，形 成完全液化。 在碎石桩复合地基中，碎石桩有透水性很好的碎石或砾砂等构成，在土层中 形成为较好的排水通道，极大的缩短了排水路径，可以较快的排掉土层中的水， 减小由不断振动引起的孔隙水水压力，加速孔隙水压力消散，从而保持土的抗剪 强度。一些学者通过研究碎石桩参数变化，来研究碎石桩的排水效果。s e e d 和 b o o k e r 2 9 1 ( 1 9 7 7 ) 认为碎石桩排水效应的大小与碎石桩的半径a 和桩间有效距离的一 般b 的比值有关，并在大型振动台上以相同条件进行不同a b 比值的碎石桩排水减 压试验，研究表明，当达到a b = o 2 5 时，振动的最大孔压比已经小于0 6 ，砂基的 任何部位都不会产生液化。t o k i m a t s u 和y o s h i m i 3 0 】( 1 9 8 0 ) 对建筑物下采用砾石 排水桩加固可液化砂土地基进行模拟试验，研究了砾石桩的排水效应。王士风通 过改变地基的渗透系数提高排水作用，减小超孔隙水压力的增长，提高了土体抗 液化的效果。 一些学者对碎石桩地基的排水效果进行了理论计算。徐志英3 1 1 ( 1 9 8 5 ) 尝试 计算了砂基排水情况下地基孔隙水压力值，并根据解析解绘制了桩基布置图。徐 志英【3 2 】( 1 9 9 2 ) 认为应同时考虑砂基竖向排水和径向排水情况。因此，在考虑了 地震期竖向和径向同时排水的条件下，计算砾石排水的砂基中孔隙水压力产生、 6 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 扩散和消散的控制方程。顾卫华、王余庆( 1 9 8 5 ) 【3 3 】用等价非线性有效应力分析 的二维有限元方法分析水平饱和砂层液化特性，并考虑了碎石桩排水效应和地面 压重的透水性与不透水性的单根碎石桩的抗液化效果。 ( 3 ) 减震效应 碎石桩复合地基在碎石桩复合地基中，由于碎石桩的的刚度大于周围土体， 因此碎石桩的存在不仅分担了轴向上部荷载，而且由于碎石桩与桩间土在地震中 共同协调变形，承担了水平向剪切作用力如图1 1 所示。 c 图1 - 1 桩土应力分担示意图 碎石桩复合竖向荷载分担作用特征研究已经有了广泛而深入的研究。而对于 动剪应力作用下碎石桩复合地基桩土应力重分布的研究近十几年才开始进行，已 有研究表明碎石桩在分担振动剪切力抵抗砂土液化方面有着重要的作用。 碎石桩复合地基中剪应力重分布的概念首次由b a e z 3 4 1 ( 1 9 9 5 ) 提出了。认为 由于碎石桩的刚度和强度均远大与桩间土，地震荷载将因地基的初始应力状态和 刚度发生变化而产生应力的重新分布。因此，在复合地基受振动作用时，碎石桩 与周围土体一起变形，地震剪应力的分布应该是桩土各自刚度和面积的函数。碎 石桩的刚度较大，地震剪应多集中在碎石桩上，从而减小了桩间土上的地震剪应 力。 对于碎石桩的剪应力分担作用许多学者做了大量的现场和室内模拟试验。 g o u g h n o u r 和p a s t e n a 3 5 1 通过现场和模拟试验证明了这种潜在的应力重分布效应。 7 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 a d a l i e r i 3 6 1 ( 2 0 0 3 ) 蝴心模拟试验，主要研究了碎石桩带来的刚度增加的好处，并 通过对沉降、加速度和超孔隙水压力等数据的分析，认为碎石桩阻碍了超孔隙水 压力的积累，使得基础土体的整体刚度增加，沉降量减小。郝增志等通过现场对 振冲加固前后地面加速度的两侧发现，加固后地基和垂直、水平切向和水平径向 的加速度均较加固前分别减小2 8 2 、1 2 5 和1 9 o ，由此可见桩体分担水平剪 切的作用很明显。 应该认识到碎石桩复合地基加固机理之间并不是孤立单独作用，而是相互联 系耦合作用提高地基的抗液化能力的。正是上述碎石桩复合地基在加固机理有挤 密作用、排水作用和抗剪作用，并且相互耦合作用，提高了复合地基抗液化能力， 从而使碎石桩成为处理可液化砂土地基的首选工程手段，并且在地震作用下得到 实际检验。 虽然对于碎石桩加固液化地基的机理已经进行了广泛而深入的研究，但是大 都集中在碎石桩地基密实度加强，提高复合地基强度，进行砂土液化工程防治， 体现在碎石桩复合地基加固后强度变化，并通过一些工程强度经验参数，如标贯 击数、静力触探值等确定地基的密实度，从而判断碎石桩地基的抗液化性能力。 而对于研究碎石桩增强场地抗液化能力从而减小场地竖向变形，防止上部建筑结 构变形破坏方面研究较少。因此对碎石桩复合地基地震变形研究就有着十分重要 的意义。 1 2 5 碎石桩复合地基变形研究 目前对于地震作用下碎石桩复合地基变形研究较少。研究地震作用下地基变 形主要集中在天然饱和砂土的震后残余变形。如l e e 【3 7 3 8 】通过对饱和砂土的震后 再固结试验，指出饱和砂土的再固结体变形取决于孔压值的大小，与动荷载的特 性无关。t o w h a t a 等【3 9 】( 1 9 9 2 ) 将液化后砂土假设为流体，由振动台试验结果将液 化土体的侧向变形曲线假设为正弦函数曲线，根据最小势能原理推倒出了简单地 形条件下的液化表层位移的解析式。张建民等提出了饱和砂土液化变形后大变形 的一种机理解释，建立了描述饱和砂土液化后不排水单调剪切大变形的本构模型， 北京交通人学硕十学位论文第一章绪论 发展了一套相对比较完善的可预测液化后侧向以及竖向大变形的方法。而且张建 民和王刚【4 0 , 4 1 根据液化后大变形的机理r a m b e r g - o s g o o d 模型的基础上建立了能够 模拟饱和砂土液化前后循环应力应变响应的非线性弹性模型。 而对于碎石桩复合地基变形研究主要集中在地基静力研究方面的沉降计算和 震后复合地基沉降变形观测总结。 一些学者总结了震后加固处理的复合地基抗液化能力增强变形减小的情况。 m i t c h e l l 1 8 】等曾经根据震后地基沉降变形观测，对比了不同方法下的加固地基的抗 液化性能，结果表明密实方法加固的地基沉降量小，没有振动加密的碎石桩有较 大的沉降。m i z u n o 对日本北海道地震中加固地基抗液化效果进行了评价，尽管复 合地基不能阻止开裂与沉降，但是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 。从震后碎石桩复合地基变形观测 总结可以知道碎石桩在减小地基震后变形方面，有着显著的效果。 1 3 选题意义 从上述碎石桩复合地基研究进展可以看出，碎石桩复合地基抗震研究在国内 外得到了十分的重视和广泛的研究。至今为止，研究的重点主要集中在碎石桩抗 震防治液化产生的条件、力学机理和影响因素等方面，并通过一些工程强度经验 参数，对碎石桩抗液化效果进行的评估。从抗震安全性角度来看，碎石桩复合地 基抗液化效果研究不应该只是强度问题，还应该包括变形问题。但是迄今为止， 对于震后地基变形问题研究主要集中在天然饱和砂土方面，而碎石桩复合地基的 震后变形研究较少。因此本文主要开展了地震作用下碎石桩复合地基的变形研究。 1 4 主要研究内容与方法 本文是基于国家自然科学基金项目开展研究工作。主要对碎石桩加固复合地 基震后液化特性以及变形问题进行系统的理论研究。 9 北京交通大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 1 研究内容 其中主要内容包括： ( 1 ) 建立碎石桩复合地基数值分析模型 建立碎石桩复合地基数值分析模型，根据实际情况建立模型，设置边界条件， 和材料属性，并选取合适的地震波作为输入地震。 ( 2 ) 天然砂土地基地震响应分析。 研究天然地基在循环荷载作用下超孔压比时程规律，以及在e 1c e n t r o 地震波 作用下超孔压比时程规律及竖向变形特征。比较不同类型振动情况下碎石桩复合 地基地震响应影响。 ( 3 ) 碎石桩复合地基地震响应分析 分析碎石桩复合地基在e 1c e n t r o 地震波不同振幅作用下，不同深度桩间土 超孔压比变化以及竖向变形特点。 分析在e 1c e n t r o 地震波作用下，碎石桩参数( 包括：桩间距、桩径、渗透 系数) 变化，碎石桩复合地基不同深度桩间土超孔压比变化以及竖向变形特点。 分析在e 1c e n t r o 地震波作用下碎石桩地基不同附载条件情况下，碎石桩复 合地基地震期间不同深度桩间土超孔压比变化和变形特征。 进行不同工况条件下震后固结沉降变形对比分析。 1 4 2 研究方法 本文采用数值分析的方法进行分析，主要利用f l a c 程序计算碎石桩复合地基 在地震作用下的地震响应，即分析地震作用下复合地基中桩间土不同深度的超孔 压比时程变化趋势，以及由于有效应力的变化导致不同深度土体的竖向变形时程。 并比较不同工况条件下，复合地基桩间土超孔压比变化以及竖向变形变化，最后 进行震后固结变形分析。 研究步骤具体分为：建立碎石桩复合地基动力数值分析模型、动力计算分析 处理、复合地基震后沉降变形分析。 l o 北京交通大学硕士学位论文第二章碎石桩复合地基数值分析方法 第二章碎石桩复合地基动力数值分析模型 2 1 计算模型 本次数值模拟碎石桩复合地基场地简化为平面应变问题，碎石桩复合地基长 2 4 m ，高1 2 m ，因此计算的整体模型场地平面尺寸分析区域按下列原则取值： 碎石桩复合地基外左右两边各取复合地基尺寸的2 倍，深度方向取桩长的3 倍，整体模型尺寸为长1 0 4 m ，地基深度取3 6 m ，整体模型尺寸见图2 1 和图2 2 图2 - 1 模型立面尺寸 图2 - 2 模型平面尺寸 地 基 深 度 北京交通大学硕士学位论文第二章碎石桩复合地基敛值分析方法 数值模拟中计算采用f l a c 程序。桩体与土层采用六面体单元进行划分，在 复合地基区域单元划分较细，复合地基井单元划分大些，有佩元模型见母2 - 3 2 2 土体本构 图2 - 3 有限元模型 模型强度准则为经典的m o c o l l l 啪b 强度条件描述单元的屈服，并在其基础 上增加了动孔压增长应变模式( f i n n 模型) mq 圈2 4 f i n n 模型 并假定动孔压的上升与塑性体积应变增量有关。设在有效应力为一时砂土的 北京交通大学硕士学位论文第二章碎石桩复合地基数值分析方法 一维回弹模量为巨，则对于不排水条件下孔隙水压力的增量“与排水条件下塑性 体积应变增量的关系为： a u = 巨, 5 6 讨 ( 2 - 1 ) 一维回弹模量巨与动荷载作用下的有效应力盯有关。 塑性体积应变增量是总的累积体积应变g 耐和剪切应变厂的函数。 凸= c - ( 加- c 2 6 , ) + 石c 3 瓦6 v 2 即某一周期产生的体积应变增量岛与已累积的体积岛与剪应变幅局有关。 2 3 材料属性 ( 2 2 ) 地基土层材料属性采用m o h r - c o u l o m b 强度准则，表2 1 和表2 2 给出初始地 基土分层情况及物理力学指标，表2 3 为地震分析流体参数及液化参数。 表2 1 地基土的物理力学指标 层底标层厚密度 体积模量e剪切模量g 土层 砍o ) c ( 1 a a ) 高( m )( m )( k n m 3 ) m p am p a 1 粘土 22 2 0 1 45 61 7 o1 0 2 砂土 - 1 2l o2 12 01 62 8 oo 3 粘土 3 32 12 22 62 02 52 6 1 4 页岩 3 632 6 8 0 0 0 4 3 0 0 1 3 北京交通人学硕士学位