（岩土工程专业论文）水泥土围束法抗液化效果研究.pdf

摘要 摘要 本文选用了由不同厚度砂层和黏土层组成的3 种地基，并采用数值计算的方 法得到了3 种地基在不同地震荷载作用下经水泥土围束法加固前后砂层峰值超 静孔压比的变化规律，研究水泥土围束法的抗液化效果，并分析了水泥土围束尺 寸、地震烈度对水泥土围束法抗液化效果的影响。论文主要成果如下： 1 水泥土围束法具有抗液化效果。加固前，3 种地基地表峰值超静孔压比曲 线沿x 轴、y 轴呈波动变化，波动幅度随地震烈度的增大逐渐减小；加固后，地 表峰值超静孔压比小于0 9 ，且曲线呈拱形。 2 沿x 或y 轴存在多个水泥土围束网格时，边缘处水泥土围束对中间处水 泥土围束的抗液化效果有加强作用。同一围束网格中，随着离水泥土围束距离的 增大，抗液化效果逐渐减弱。 3 随着面积比的减小，水泥土围束法抗液化效果逐渐增强。随着地基厚度、 水泥土围束深度的增加，地表峰值超静孔压比随面积比的减小逐渐减小的规律更 为明显，抗液化效果增强，且不同围束方式的抗液化效果差异较大。 4 采用水泥土围束法对砂土液化地基进行处理时，对特定地基、特定地震 荷载存在临界最小围束面积，当水泥土最小围束面积大于此值时，抗液化效果变 化不大，小于此值时，随着水泥土最小围柬面积的减小，抗液化效果不断增强。 5 随着地震烈度的增大，水泥土围束区砂层峰值超静孔压比也相应增大， 并且表层砂中超静孔压比较底层增长要快，增长速度随地基厚度的增加逐渐减 d 、。 关键词：水泥土围束法、砂土液化、抗液化、超静孔压比、围束面积 a b s t r a c t p r e s s u r er a t ei nt h es a n di n c r e a s e dc o r r e s p o n d i n g l ya n dt h ee x c e s sp o r cp r e s s u r er a t e i nt h eu p p e rs 锄di n c r e a s e dm o r eq u i c k l yt h a nt h a ta tt l l eb o t t o mo ft h es a n d t h e s p e e do fi n c r i e a s er e d u c e dw i t ht h ei n c r i e a s eo ft h et h i c k n e s so ft h ef b u n d a t i o n s k e yw o r d s ：i a n i c e - t y p ec e m e n t - m i x e d i l ，s a n dl i q u e f a c t i o i l p v t i n gl i q u e f a c t i o m e x c 船sp o r ep r e s s u r er a t e ，m ea r e ao fl a t t i c e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：纠年f 月础日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的 内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大 学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：瑚年r 月羽日 河海大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 地震是一种常见的自然现象，每年世界上发生的地震多达五百力次，其中约 有百分之一为有感地震，一些强烈的有感地震给人们带来了巨大的灾难，而中国 处于世界两大地震带之间，也是地震多发国家之一【i 】。给我们印象最为深刻的是 1 9 7 6 年7 月2 8 日发生在唐山的7 8 级地震【2 1 ，同日1 8 时4 3 分在距唐山4 0 余千 米的滦县又发生7 1 级地震，震中烈度度。这次地震发生在人口稠密的工业城 市，导致2 4 2 7 6 9 人死亡，1 6 4 8 5 1 人受伤。唐山市区建筑物多数倒塌或严重破坏， 铁轨发生蛇形扭曲，地表出现大量裂缝，并且塌陷还伴有喷水冒砂、发光等现象。 邻近的天津也遭到破坏，有感范围波及辽宁、山西、河南、山东、内蒙古等1 4 个省、市、自治区，破坏范围半径约2 5 0 千米，损失十分严重1 3 一。 最近半个世纪以来，世界上就发生了一系列的强烈地震，对人们的生命造成 了巨大的威胁，给经济财产带来了巨大的损失。2 0 0 3 年5 月2 6r 和2 0 0 3 年7 月2 6 日在日本m i y a 百地区连续发生了7 级和6 1 级地震造成了严重的山体 滑坡。2 0 0 3 年1 2 月2 6 只，在伊朗发生了6 3 级强烈地震，伤亡人数将近1 0 万。 2 0 0 4 年1 2 月2 6 同在印度洋上发生的9 3 级地震引起了高达l o m 浪高的海啸【6 1 ， 在这次地震中死亡及下落不明人数将近3 0 力，不仅如此，这次地震还造成印尼、 斯里兰卡、印度、泰国、索马旱、肯尼亚等1 2 个环印度洋国家大量的沿海道路、 桥梁、堤防以及地下结构物的破坏，给人们带来了巨大的灾难，给经济财产带来 巨大的损失。 据统计，地震中大量建筑物、道路、桥梁、堤防等的破坏大多是由于地基土 体液化引起的。所谓液化，美国岩土工程学会土动力学会【7 】下了一个定义，认为 液化是任何物质转化为液体的过程。但无论是静荷载或循环荷载均能导致土体液 化，所以液化又分为静态液化和动态液化两种。 静态液化主要用来研究边坡稳定问题( 3 1 。c a l s t r o f 9 1 、c 笛a 伊锄d e l 嘲、k r a m 0 1 】 等最早提出了静态液化的概念，并给出了标准的或非相关流弹塑性模型、非线性 增量模型等本构模型。影响静态液化的因素有很多主要受初始孑l 隙比、加载方 第一章绪论 式、初始偏应力、粉砂含量的影响较大。d o a n h 等【忆】通过三轴试验研究了固结方 式、围压、细颗粒含量对其稳定性、静态液化可能性的影响。除此之外，删e 等【1 3 5 1 还通过一些饱和砂、部分饱和砂的三轴试验从应力应变关系的角度研究了 松散细砂构成的坡体的静态液化和失稳问题。并通过重塑砂的不排水压缩试验研 究了非塑性粉砂含量对砂土静态液化势的影响。 但是人们最常见、关注更多的还是动力荷载作用引起的动态液化，引起建筑 物地基和土工建筑发生振动的震源有两种【1 6 】：一是天然震源，二是人工震源。所 谓人工震源一般比较常见的就是交通荷载、爆炸、还有施工过程中机械的振动等， 而天然震源主要指地震、波浪力、风力等，就两种震源引起的振动产生的破坏性 来说，人工震源振动主要造成经济财产的损失，对人们的生命也会造成一定的威 胁，但是天然震源引起的振动造成的破坏对人们的生命财产均造成严重的威胁和 损失，因此天然震源引起的振动受到人们普遍的关注，特别是地震荷载作用导致 的破坏，这些在前人所做的震害调查中有充分的体现，特别是1 9 “年日本新漓 地震和1 9 7 6 年唐山地震时，因饱和砂土地基液化导致建筑物严重破坏体现得尤 为明显。还有1 9 9 5 年日本阪神大地震中发现因地基土体发生液化而导致的建筑 物、工程结构的破坏大量存在并且相当严重。1 9 9 9 年8 月1 7 日在土耳其西部发 生的里氏7 4 级地震【 ，1 引，许多结构由于砂土液化而下沉、倾斜和滑动，其中数 座钢筋混凝土框架结构的楼房因土体液化而整体倒塌，周围地表出现达1 m 的水 平侧向位移。由此可见地震过程中由于土体液化导致的破坏是相当严重的，并引 起了人们普遍的重视，而可液化土体大多为饱和砂性土，最早提出饱和砂土液化 问题是在同本尼崎地震，但是引起人们普遍关注的还是在r 本新漓地震和美国阿 拉斯加大地震的时候，这两次大地震造成的破坏是严重的。给人们造成的生命财 产损失是巨大的，自那时起饱和砂土液化问题得到了普遍关注，并得到了较系统 的发展。因此饱和砂土液化所引起的大变形导致的破坏受到人们的普遍关注。 除了美国岩土工程学会土动力学会给土体液化下了定义，表明就无粘性土而 言，孔压增大有效应力减小是导致物态变化的根本原因。我国学者汪闻韶【i9 】通过 比较土体液化与极限平衡和破坏的区别关系，从液化过程中土体剪切模量的变化 这一角度对液化进行了解说，认为液化是物态的转化，是物质从固态向液态转化 的行为和过程，物质在山固态向液态转化的过程巾，其原有的剪切刚度剪切强度 河海大学硕士学位论文 均将大幅降低，导致在重力作用下不能保持一定的形状，成为液体。 我国学者谢定义从微观上给液化下了个定义【2 0 ，2 ，认为所谓液化是指饱和砂 土在动力荷载作用下颗粒结构破坏，孔隙水应力骤然上升，有效应力骤然下降并 趋于零，导致土体的强度近乎完全丧失，土体呈现出近乎液体的状态的现象。谢 定义在前人研究的基础上总结了目自订砂土液化研究的两种不同途径【2 2 】：一是从砂 土的应力状态出发，其次是从物态变化即流态破坏出发进行更深入的研究。除此 之外，还对影响液化的因素进行了总结，指出土体在静应力或循环应力作用下均 可能出现液化现象，土体是否液化除了受作用在土体上的荷载形式、大小影响外， 与土体自身的物理属性和环境，主要指颗粒的粒径、密度、粘粒成分含量、土层 形成的地质年代、地震历史、饱和程度及现场条件如土层厚度、地下水位埋藏条 件、排水条件、渗透能力等【2 0 2 。砂土在动力荷载作用下比较典型的现象【2 3 1 就 是地表开裂、喷砂冒水、震陷、滑坡等。其中喷砂冒水现象主要在饱和或地下水 位较高的地基中，当地震烈度较强时会出现地表开裂、不均匀等现象。 1 2 抗液化措施研究现状 关于饱和砂土的液化研究，s e c d 可谓是丌拓者，其于1 9 6 6 年通过饱和砂土 的循环剪切试验，对循环荷载作用下，砂土中孔隙水压力的上升，砂土的液化进 行了验证，揭示了饱和砂土的液化机理【2 4 1 。除了s e e d ，f i 肌、1 w 勰a l ( i 、d 朗l b a 、 i s h i h a r a 等人在砂土液化研究方面做了大量的工作，国内对砂土液化方面的研究 相对起步较晚，研究水平相对国外还有一定的差距，国内黄文熙【2 5 1 、沈珠江、张 建民、谢定义、徐志英、汪闻韶、张克绪、谢君斐、栾茂用、刘汉龙、高玉峰等 对国内砂土液化的本构特性、液化机理、液化判别、液化发展规律、液化后大位 移问题做了大量的研究【2 们。 液化主要发生在饱和无粘性土中，而对于饱和度较低的无粘性土则无需考虑 液化问题，更不需要考虑由液化导致的破坏问题。我们目前岩土界所关注的也是 最重要的倒不是土体液化本身，而是由此引起的破坏，也就是要防止液化。之前 讲到地震中由于地基液化导致的破坏给人们带来的损失是巨大的，因此防止液化 受到人们的普遍关注。 由前面的分析可知，砂土等无粘性土液化最根本的原因是由于饱和土体在循 环荷载下，孔隙水应力骤然上升并水小及 n 散使得无凝聚力靠接触点传递有效心 第一章绪论 力的砂土颗粒处于悬浮状态，强度近乎为零，从而形成液化地基。地震激振作用 引起的地基液化沉降，同时地基软化又使得地震波的传播发生改变，从而反过来 影响地基的动力反应【2 7 1 。试验中，超孔隙水应力的增加和剪应变的增大是密切相 关的，一般情况下超孔隙水应力突增的同时剪应变也会相应增大【2 引，所以说一般 从控制超孔隙水应力和剪应变的增加着手来抗液化。a d a l i e r 和m u r a l e e t l l a r a n 等 l 捌模拟砂土路堤的离心机试验结果表明：路堤未滑坡破坏前动力加速度峰值出现 和超孔隙水应力增加达到峰值符合得很好，动力原因是孔隙水应力急剧增加的根 本原因，过大的孔隙水应力又是造成液化的原因。既然我们不能控制地震等动力 作用的发生，就应当控制孔隙水应力的增加积累。因此，使颗粒胶结固化、密实 或可限制地震时土中孔隙水压力上升的方法均可用来抗液化及限制液化产生的 大位移。具体做法主要有两种思路f 3 0 1 ： 、 ( 1 ) 改良砂土的性质 可以对砂土层采取挖除置换、搅拌处理、压实、降低水位等措施来实现将土 粒改良、硬化、加密、降低饱和度的目的，从而改良砂土的性质与预防砂土液化。 ( 2 ) 改善应力应变条件 可以通过降低地下水位、排水、打设地下连续墙等措施实现消散孔压、阻止 孔压发展、提高有效应力、抑制剪切变形的目的。k 0 s e l ( i ，y 0 s t l i d a 等【3 1 1 通过土在 低围压下的循环剪切试验，表明土的液化可能性与其抗剪强度密切相关，有效的 改变土体的应力状态就可以提高土的抗液化强度，起到限制液化产生的大变形的 目的。 对于可能液化的土层应尽可能采用挖除置换法。当挖除比较困难或很不经济 时首先考虑采取人工加密措施。使之达到与设计烈度相适用的密实状念，然后采 取加盖重、加强排水等附加防护措施。在易液化土层的人工加密措施中，对浅层 土可以进行表面振动加密，对深层土则以围封法和人工密实法( 振动水冲法、振 动沉管挤密法、强夯法、砂井排水法、深层爆炸法等) 、灌浆胶结法等。 目前抗液化的措施有很多，主要工程措施有桩基、化学注浆和加化学掺和荆 等f 1 9 1 。s e e d 【3 2 】等曾经对抗液化措施进行了分类： 丌挖或压密：丌挖和可液化土的处理、。丌挖和再压实 对原有地基进行加密：振冲加密、动力加固、挤密桩、用爆破法进行深 4 河海大学硕士学位论文 层加密、用薄水泥浆加密。 其他地基处理方法：将水泥浆掺入、粉喷法、深搅桩、排水井( 砂砾排 水井、砂井、预制土工材料排水) 、前期加荷超载、结构性填充。 边界的围堵：用结构物或挡土结构来围堵边界并阻止后期变形。 深基础：一般采用桩，具体根据实际情况采用静压或打入、钻孔或挖孔 桩。 1 2 1伽密法 当液化砂层埋深较浅时，可以将液化层全部挖去，但当液化层埋深较深时， 一般要采取其他方法。加密法是在实际工程中应用较广的一种抗液化措施，主要 是通过增加砂土的相对密实度起到抗液化的效果。l o p z q r l l e r o l 和b l a z q u c z 【3 3 1 分 析了路堤液化的破坏机理，并采用有限元对路堤底层进行加密前后情况进行了对 比分析，结果表明加密法确实可以起到抗液化的效果。a d a l 衙和s h a 印等【3 4 】详 细研究了加密法在加固堤坝下易液化地基方面的应用，并通过离心机试验研究了 地基上覆层密实度、厚度变化对堤坝地震液化的影响。 1 2 2 1强夯法 强夯法是通过重锤自由落下在短时间内对土体施加巨大冲击能的一种方法， 这种冲击能可以转化成压缩波、剪切波、瑞利波等，是目前高速公路上主要采用 的一种抗液化方法。关于强夯法，刘春等基于波动理论推导出了由强夯在土层 中产生的波的波动方程以及超静孔压微分方程并得到通解，得到由强夯作用在土 体中产生的孔隙水应力是呈波动上升的。 强夯法抗液化机理是通过对土体施加冲击波使土中孔隙体积减小，产生超孔 隙水应力，并通过由于强夯作用对土体产生的一些裂隙固结排水，使孔隙水应力 消散，从而土颗粒更加密实，土体的抗液化能力增强。除此之外，通过对土体强 夯，砂土层也将更均匀，可减小地基的不均匀沉降，增强夯坑底部的承载力。张 平仓和汪稔【3 6 】给出了强夯处理法的作用深度计算公式。 刘松玉、缪林昌【3 刀详细分析了强夯法的作用机理，主要有以下四个方面：第 一，饱和土的压缩。通过对土体的夯击，使饱和土颗粒之间的一些孔隙水与孔隙 气排出、压缩，从而使土体压缩产生大量的沉降。第二，液化。在进行强夯时， 5 第一章绪论 当夯击能达到界限饱和能时，土体将不再随夯击能的增大继续沉降，呈不可压缩 状态，此时土体液化，强度较低。第三，渗透系数增大。当土体在夯击作用下液 化时，孔隙水应力上升，有效应力减小。但是在夯击的同时，巨大的夯击能和土 体产生的局部液化使得地面及土体间均产生大量裂隙，形成排水通道，土体的渗 透系数陡增。第四，触变的恢复。在强夯后，孔隙水应力消散，土的抗剪强度和 变形模量都大幅增长，这就是土的触变特性。 左名麒【3 8 1 通过夯击能的大小、其产生的振动波的传播特性以及土体对波的吸 收的角度解释了强夯法的加固机理，并给出了强夯法加固地基的有效半径。强大 的夯击能对土体产生剪切波和压缩波，但对于浅层土剪切波起较大作用，而作用 于较深土层的则主要是压缩波，对土体产生压密作用，这种作用随着深度的增加 在逐渐减弱。 曾庆军、龚晓南等【3 9 1 对强夯法的排水作用作了较为详细的分析，研究了落距、 砂砾级配、历史裂隙对新裂隙，排水通道出现的影响。 强夯法在实际工程应用中，对于地下水位较低的软土地基，应作一些特殊的 处理，一般在地表铺设一层o 5 m 2 5 m 厚的细砂或小粒径碎石，这样有利于孔 隙水的排出，初期利于施工机械的行走及夯击能量的吸收，夯击过程中在地表形 成排水通道，起到吸湿、排水的作用，防止“橡皮土 的出现。 强夯法【删的特点是施工工艺简单、快捷，还有就是实际工程中不得不考虑的 经济性，这点强夯法具有相当的优势，但是此方法使用时一般要离居民区一定的 距离以防扰民，而且其所能达到的处理深度有一定的限制，一般仅用于对距地面 1 0 m 深度范围内的地基进行处理。 强夯法在工程应用时配合其他地基处理方法使用，效果更佳，如强夯砂桩法 【4 1 1 ，作用机理就是先将砂土夯入地基，然后对桩间土进行强夯一并形成复合地基， 起到改善原地基的目的。强夯砂土桩加固易液化地基的机理主要是：一、砂桩的 打入相当于为桩间土提供了较好的排水通道，使得超孔隙水应力能够快速消散， 从而对土体产生压实、挤密、固结作用，有利于桩问土作用的发挥。二、砂桩的 存在使得夯击能能够更好的传入底层土中，有利于深层土的加固。 1 2 2 2 爆炸振密法 爆炸法处理地基主要有两种方法，一是爆破置换，另一种是爆炸振密法。前 6 河海大学硕士学位论文 者主要用于处理淤泥地基，后者主要应用砂土地基的处理。爆炸振密法实际是先 让土体液化，然后通过孔隙水排出，超孔隙水应力的消散使土体更加密樊4 2 1 。 爆炸振密法包括深层药包爆振法【4 3 】、水中悬吊药包爆炸法及裸露药包接触 爆炸法【4 4 1 。其中深层药包爆振法主要用于地基的深层压实，水中悬吊药包爆炸法 用于近海海岸建筑物地基的加固，接触爆炸法加固地基效果较差，一般工程中用 的较少。 爆炸振密法应用于土体时，实际是爆炸对土体产生一种冲击波，在冲击波的 作用下土体单元先是受压随后受拉，破坏了颗粒间的结合力，同时由于爆炸作用 使气泡膨胀引起土体产生大变形，产生超孔隙水应力，同时也对气泡周围土体产 生挤密作用，气体压力由土体传给孔隙水，从而引起孔隙水应力增加，土体剪切 强度大幅减小，导致土颗粒重排，从而更加密实。也就是说土体液化后，土颗粒 会重新排列，从而达到更加密实的状态。爆炸的方法一般只用于加固砂质软基， 是一种方便经济有效的动力加固技术。 而在加固软土地基时较常用的一种方法就是爆夯法。所谓爆夯法同前面的方 法一样，要利用爆炸产生的冲击能，只是这种方法使用时一般在土层或砂层上铺 设一层碎石，并利用爆炸产生的冲击能使碎石下沉、密实对软土地基加固。这种 方法具有施工工艺简单、工期短、经济、效果好等优点。但是此种方法与爆炸法 相比，加固深度较浅，所以工程上一般将爆炸法与爆夯法结合使用。 1 2 2 3 振冲法 振冲法又称振动水冲法，此方法是利用振动器和水冲的激振作用，使得砂土 先液化，丧失强度，然后土颗粒在自重作用下重新排列达到一种更为密实的状态。 在振冲过程中加入碎石的同时可以加入一些填料，也可不加。但是如果不加填料 一般需要在土体中打塑料排水板等竖向排水体【4 5 1 。振冲法的实质是对土体产生置 换和加密作用。 国内外的研究表明，振冲法一般适用于o 0 7 4 n m 以下的颗粒含量在1 0 以 下的土体，当其含量超过2 0 时，此方法的振动挤密效果则很小。美国的h b s e e d 和j r b o o k e r 【4 6 ，4 7 】提出，在可液化地基中设置排水桩满足a 厂b = o 2 5 ，( a ，b 分别 为排水桩径和孔距的1 2 ) 地基将不再液化。 振冲法加固砂土地基的作用主要有以下几点： 7 第一章绪论 a 密实效应。振冲法对地基产生的密实效应包括挤密效应和振密效应。振 密效应是在机械施工过程中由于振冲器的振动使得地基土变得更加密实。挤密效 应是由于成孔时的挤土作用，二者产生的密实效应均与施工机械激振能量的大 小、设计桩距、桩径和原始砂土的相对密实度有关，所以在进行碎石桩复合地基 设计时，要综合考虑这几点的影响，以便达到最好的效果。 b 排水效应。在用振冲法加固砂土液化地基时，在振冲孔中填入的反滤性 能优良的粗粒料为地基排水提供了通道，能够及时消散超孔隙水应力，降低液化 的可能性【4 8 1 。 c 预震效应。砂土的液化特性还与振动应变历史有关，s e e d 等人通过试验 研究证实在相同相对密度下经预震试样比未经预震试样抗液化效果要好，而采用 振冲法加固砂土液化地基时，振冲器的振动相当于对地基产生了一种预震作用， 从而对提高地基的抗液化能力【4 7 ，4 9 ，5 0 1 。 d 分担效应。由于振冲法加固的地基中密实碎石桩等粗粒料桩的存在，在 地基受剪时，密实的桩体承担了主要的剪应力，从而提高了地基的抗剪能力，对 抗液化是有利的 5 l 】。 e 加筋效应。由于振冲法加固后地基中粗粒料桩的存在，一方面桩体本身 的模量比较大，同时又由于挤土作用等增加了桩间土的模量，使得地基对侧向位 移的抑制作用增强，起到加筋作用，增强了地基的稳定性【5 2 1 。 ( 1 ) 振冲置换法 这种方法的代表就是振冲碎石桩法，振冲碎石桩法就是在振冲器和高压水冲 成的孔中加入级配较好的碎石，然后在振动作用下密实，形成碎石桩与原地基构 成复合地基。碎石桩一方面具有较高的承载能力，同时也为地基的排水提供了通 道，使得土体在动荷载下产生的超孔隙水应力能够及时消散，从而起到提高承载 力、抗液化的作用。此处碎石亦可采用其他材料，关键是要具备较好的排水性能。 ( 2 ) 振冲加密法 这类方法目前工程上应用较多的有挤密砂桩、干振挤密碎石桩法和c f g 桩 复合地基等。 挤密砂桩法( s c p ) 在7 0 年代就广泛用于松散砂性沉积物的抗液化加固。 这种方法是在不良地基中打设挤密砂土桩，对土体产生挤密作用，增加了地基的 河海大学硕士学位论文 密度和侧向有效应力，同时在打设砂桩时，大量气泡进入地基，降低了地基的饱 和度，这些对地基土的抗液化能力的增强均是有利的。 s h 耐cm a r t i n ，y o s h i m i ，i s h i h a r a ，t s u l 【锄o t o 等人的研究都证实了挤密砂 桩法的抗液化效果，y o s l l i m i c m 【5 3 】通过重塑砂样循环剪切试验研究了砂土饱和度 对抗液化性的影响，得到将中密度砂土的饱和度降低l o 可以使其抗液化能力提 高一倍的结论。o k 锄u r a 和i s h i h a r a 掣5 4 1 针对挤密砂土桩抗液化效果受砂土饱和 度的影响很大这一特点，通过对六个不同场地采集到的原状土进行循环剪切试 验，得到了能有效降低地基土饱和度的土的种类、打设砂桩时进入地基内气泡寿 命随时间的变化规律以及砂土饱和度降低对抗液化能力提高的贡献。 干振挤密碎石桩在砂土地基中施工时，由于振冲器的振动力产生的震动波在 饱和砂土中传播，使得振冲器周围的砂土液化【5 5 1 。然后在自重上覆压力等作用下 重排，从而更加密实，提高了砂土的密实度，另外，由于碎石桩的存在，为地基 内部产生的孔隙水的排出提供了通道，使得超孔隙水应力能够及时的消散，从而 起到了抗液化的效果。同时，干振挤密碎石桩属于挤土桩，对桩间土有较好的挤 密作用。 c f g 桩复合地基是在碎石桩复合地基基础上发展起来的一种更好的地基处 理方法，跟碎石桩复合地基相比，c f g 桩刚性更好，不仅能很好的发挥桩侧摩 阻力，还能将端承力发挥的较好，更经济，在实际工程中得到广泛的应用【5 6 】。 k 0 r h a j la d a l i e 和趾l i i l e de l g 锄“5 7 】对碎石桩在减轻地基液化以及由地基液 化引起的变形方面的研究进行了系统全面的总结，指出碎石桩具有抗液化作用， 不仅仅因为碎石桩能为地基提供较好的排水通道，对地基强度的提高贡献也较 大。 徐志英5 8 1 给出了经碎石桩处理的地基中考虑竖向和径向同时排水的孔压发 展偏微分方程式，分析了地震时孔压的产生、扩散和消散。 方磊和许明军【5 9 】研究了碎石桩处理液化地基可达到的有效深度，指出目前碎 石桩加固液化地基时，一般碎石桩要穿透液化土层。同时考虑上部压重等的影响， 也可适当预留一定厚度的液化层，所以从经济、有效两方面考虑，可考虑将碎石 桩桩长间隔分布。 上述加密地基土的方法是目前最常用处理液化地基的方法，但对于处理后周 9 第一章绪论 围场地仍然存在含水松砂的情况，仅仅采用加密法还不足以起到很好的效果。 k a d a l i e r 和a w e l g a m a l 【6 0 ，6 1 】通过离心机模型试验，模拟了饱和松砂包围下紧 砂的动力响应。得到场地周围存在含水松砂时，在动力荷载下，松砂液化后产生 的孔隙水由于压力差进入加密区，从而降低了加密区的强度，同时由于周围饱和 松砂液化后的侧向流动相当于对加密区施加了侧向推力，导致加密区由于侧向变 形过大而破坏。，因此，除了对地基进行适当的加密外，还需要采用围束法来限 ；制侧向变形和防渗。 1 2 2围束法 对于砂土地基，在动力荷载作用下液化在竖向和侧向均产生较大变形，所以 采用围束是阻止软弱地基产生塑性流动、减小侧向变形的一种既有效又经济的措 施【6 i 6 2 1 。 常用的围束方法有钢板桩、深搅桩、碎石桩、地下连续墙等。采用板桩、砾 石桩、地下连续墙等措施将地基包围起来，一方面可以增强地基的承载能力，还 有就是对地基的侧向变形，液化大位移有很好的限制作用，可以避免由于液化大 变形导致的建筑物破坏【6 3 】。并且在使用围束法时，桩必须打到一定的深度，足以 穿越液化层，否则围束将起不到应有的效果。围束法对存在临空面的缓坡地区起 到更好的围束作用，起到限制其侧向位移的目的。一般围束法在使用时都配合其 他方法一起使用，例如在地基中打设碎石桩、砾石桩等为地基液化产生的孔隙水 的排出提供了通道，有利于超孔隙水应力的及时消散，达到更好的抗液化效果。 1 2 3 增压法 增压法实质是通过改变应力条件来达到抗液化目的的，通过在液化层上覆盖 一定厚度的非液化土达到增加液化层有效应力的目的【删。c h s e i nj u 肌g 和s u s 锄 h u i 培等【6 5 】分析了台湾集集地震资料，通过一些现场和实验室试验，对不同 位置土层液化情况进行了分析，发现液化层上具有非液化土覆盖层的地方较不存 在非液化土覆盖层的地方液化的可能性小，砂沸、地表大位移等液化现象均较少 见，也就证实了对液化层上进行上覆压重对抗液化上有利的。顾卫华等惭】利用二 维有限元程序模拟了地面压重厚度变化时砾石排水桩对砂土液化地基的处理效 果，分析得到当上覆层为透水层时，则上覆压重仅对浅层孔压的增长有抑制作用， 1 0 河海大学硕士学位论文 并且并非上覆压重越厚越好，上覆层过厚，土体中将产生较大初始剪应力，对抗 液化是不利的。汪闻韶1 9 1 研究指出，液化地基中存在过大初始剪应力容易触发流 滑。 目前采用较多的增压抗液化措施有地面堆载、超载法，并且常常联合砂井、 砂石桩、塑料排水板等竖向排水设施来增强抗液化效果。 1 2 4 排水法 通过降低砂土地基的饱和度或者限制土体内的超孔隙水应力的累积均可降 低液化的可能性。如果液化层处于不透水层之间，则需要打设一些砂井、碎石桩 等粗粒料为孔隙水的排出提供通道，以便超孔隙水应力的迅速消散，达到抗液化 的目的。在实际工程中，排水法一般不会作为抗液化措施单独使用，要结合其他 抗液化措施一并使用【6 刀。 b r e n n m 和m a d a b h 哪h i 【6 8 1 通过离心机试验模拟了碎石桩或砂井处理含有低 渗透性土易液化地基的效果。当易液化地基中含有低渗透性土层时，在地基排水 的过程中会在不透水层面上产生一层水膜，阻碍了孔隙水的进一步排出，超孔隙 水应力不断累加，有效应力降低，地基容易液化，当碎石桩打穿液化层时，即使 地基中存在渗透性较低的土层，碎石桩也能为地基的排水提供通道，避免超孔隙 水应力的累加，因此，为了保证抗液化的效果，碎石桩等粗粒料桩必须打穿易液 化层和地面之间的所有渗透性差的土层，以保证排水通道的畅通。 1 2 5灌浆法 灌浆法是利用液压、气压和电化学原理，通过注入地层中的浆液如水泥浆、 水泥砂浆、化学浆材等以填充或挤密的方式将颗粒中的水气挤出，将松散土粒或 裂隙胶结成强度高、渗透性低的块体，来抵抗液化产生的破坏。当采用压力灌浆 时，最好与围束法联合使用，将边缘封闭以取得较好的加固效果的，7 0 】。 1 2 6拌和法 拌和法通过填充作用形成复合地基来提高地基的强度、承载力以及抗液化能 力。拌和法主要有高压喷射注浆法和深层搅拌法。 ( 1 ) 高压喷射注浆法 第一章绪论 高压喷射注浆法中最常用的是旋喷注浆法，通过以高压喷射管向预钻导孔中 喷射高能射流，在喷射管喷射的过程中，喷射流将土体切碎，使浆液与土体拌和 硬结成旋喷桩。高压喷射注浆法不仅可以形成强度较高的旋喷桩，而且桩体周围 也因为挤密和固结作用强度有所提高，提高了地基的抗液化能力【7 1 1 。t 毗锄o t o 和i s l l i h a r a 等【7 2 】在干砂和饱和砂中灌注了硅酸盐类浆液，并进行了三轴试验，发 现灌浆后砂样的循环剪切强度有了很大的提高，证明了注浆法对抗液化是有效 的。 ( 2 ) 深层搅拌法 深层搅拌法是一种利用专门的施工机械将加固区的地基土与水泥、石灰、粉 煤灰等具有水硬性的胶凝材料原位搅拌，硬结来加固地基的方法。深层搅拌法是 在实际工程中广泛应用的一种地基处理方法，深搅桩常应用于公路路堤和中等高 度楼房基础的加固，或者用于基坑的防渗和挡土【7 3 1 。目前深层搅拌法在日本和北 欧的一些国家应用较广，理论也相对较成熟，但是相应的文献却较少【7 4 1 。b e r g a d o 和l o r e n z o 等人通过对水泥土深搅桩加固后堤坝沉降量的监测，并与理论以及 有限元计算得到的沉降值对比，证实了水泥土深搅桩对减小地基的沉降量是很有 效的。深层搅拌法既具有注浆法的特点，也具有围束法的优点，所以深层搅拌桩 在处理液化地基时兼有注浆法和围束法的特点。s e e d 等【7 6 】人在提到深搅桩时认 为从经济的角度考虑，并没有必要打设过深过密。 影响深搅桩加固强度的因素有很多，胶结材料的种类、土的性质、施工方式、 施工质量、养护条件等对深搅桩的加固效果有一定的影响【7 4 】。对于深搅桩加固法 的质量评价体系发展较慢，主要是因为深搅桩处理的地基存在地质成层问题，还 有就是竖向桩体造成的水平差异性使得地基的动力特性较为复杂，难于考虑。潘 晓东、徐长节等【7 刀在b i o t 固结方程的基础上，研究了水泥搅拌桩处理的砂土液 化地基在动力荷载作用下的动力响应。并利用考虑阻尼、耦合应力、位移及孔压 的b i o t 固结方程计算了地基在地震期间孔压、应力等动力特性的发展过程，并 探讨了上覆压力、桩长、置换率对地基动力特性的影响。当地基存在上覆压力时 对抗液化是有利的，但是并非桩长越长、置换率越大对抗液化越有利，从效果和 经济性两方面考虑，采用水泥土搅拌桩加固砂土液化地基时，水泥土搅拌桩不宜 过长过密。 1 2 河海大学硕士学位论文 1 2 7加筋法 加筋加固是在土中加入筋带、钢筋、纤维、网状材料、土工隔栅等有一定抗 拉强度的筋材而形成土与强筋材料的复合地基，来增加地基的稳定性【7 8 1 。 黄仙枝、白晓红【7 9 】通过大型三轴固结排水剪切试验得到加筋后土体的破坏强 度、破坏应变较加筋前均有所提高，主要是提高了土体的粘聚力，从而证实了通 过加筋来增加地基的稳定性是有效的。 土工合成材料水平加筋体对加固软土地基的贡献主要有两点【8 0 】：一是增加了 土体的侧向约束，主要是由于加筋材料与软土之间的摩擦作用，增强了地基抵抗 侧向变形的能力，提高了软体地基的抗剪强度；二是网兜效应。这种效应使地基 应力分布较均匀，可以限制地基的不均匀沉降，增强地基的稳定性。 土工格栅是一种常用的加筋处理地基的方法。在地基加荷初期，地基处于压 密阶段，相对运动时，土与格栅产生作用力，土工格栅承受一定拉力，减小了地 基的应力集中现象。随着荷载的增加，格栅抗拉强度得以发挥，可以承受一定的 竖向荷载，使得地基的竖向承载力较原地基有所提高。在荷载增至极限荷载时， 在土体应力达到破坏应力时，土体的剪切面会不断延展，但是由于格栅的模量较 大，对地基的竖向及水平向位移均有一定的限制作用，缩小了破裂面的范围，除 此之外，格栅与土体之间的摩擦作用，增强了地基的抗剪强度，对抗液化是有利 的。 唐洪祥、王海清【8 l 】通过填土高度对加筋垫层路堤的影响进行了研究，分析了 土与土工织物的相互作用机理，得到土工织物在由填土高度增加造成加筋垫层路 堤与地基进入极限平衡状态时，土工织物会表现出抗剪、抗拔和抗拉三种相互交 叉的抗滑补强作用。 彭芳乐【8 2 】通过室内平面应变压缩破坏试验，分析了土工格栅配置形状、刚性 变化对砂土地基加固效果的影响，得到土工格栅与砂土的接触面积、土工格栅的 用量、土工格栅的刚度等对砂土地基的加固效果均有影响，但是土工格栅与砂土 的接触面积大小对加固效果影响较大，增加土工格栅与砂土的接触面积带来的加 固效果最理想。彭芳乐【8 3 。8 5 1 不仅通过试验还采用有限元方法对加筋法对砂土地基 加固效果进行了研究，较为全面的分析了在砂土地基中设多层加筋的效果，得到 了加筋层数、深度对地基承载力及变形的影响。 1 3 第一章绪论 李驰和王建华通过室内模型试验，较为详细的研究了风积砂土的加筋补强 作用，得到了不同加筋方式对加筋风积砂土地基承载力的影响，并通过不同情况 下加固后地基所能承受的极限荷载分析了地基的变形及应力情况。在前面已经对 碎石桩的抗液化效果进行了总结，得知碎石桩一般不作为抗液化措施单独使用， 一般都要结合其他方法一并使用，当地基土体较软土质较差时，碎石桩的抗液化 效果就不是那么理想了，地基液化后可能产生较大的竖向及侧向位移，导致地基 破坏严重，所以为了避免这种情况的出现，可以在地基中设置一些土工织物等加 筋材料【8 7 】。 1 2 8桩基础 除了上述方法外，还有一些在工程中常用的，虽说跟其他方法相比价格较高， 但十分有效的方法，那就是桩基础，这里指的桩基础均是指深桩，同前面所讲的， 当采用桩基时，基桩应穿过液化土层，并有足够的长度打入稳定的土层，实际震 害资料表明，穿透液化层的桩基础是一种有效的抗震措施。但是也有一些由于地 基液化导致桩基失效的情况，在桥台、码头等地方这种情况会经常出现，主要是 因为地基液化后地基失效，此时地基中的作用力几乎全由桩基承担，因此桩基承 受较大侧向推力，使得桩基和承台产生较大相对位移，从而导致破坏。同时有些 是因为桩长不够，造成锥尖失去承载力，随地基下沉或造成基础上浮等破坏，所 以桩长一定要保证【8 8 1 。液化导致的破坏对于深基础来说是极其严重的【8 9 】，在这 种情况下，要求地基土液化后桩基础仍应具有一定的承载力及强度，以保证深基 础上高楼、桥梁等建筑物不致于产生过大变形，造成破坏。在进行桩基设计时， 一般将桩体作为梁考虑，将液化后地基水平向荷载变形关系( p y 曲线) 简化 为类似弹簧的模型。r o l l i 璐，g e r b e r 等【删人做了一些足尺试验研究群桩与单桩在 液化地基中的水平向承载力，试验过程中，采用爆破产生的冲击波来代替地震波 使土体液化，研究了液化地基中群桩和单桩的水平承载力，以及地基中荷载与变 形的关系，并将群桩中的单桩承载力与单桩在液化地基中的水平承载力进行了对 比，发现群桩中的单桩水平承载力并没有比单桩在液化地基中的水平承载力高， 并得出在液化地基中群桩效应不明显的结论。l i y a n a p a 眦r a m a 和p o u l o s 【9 1 】得到了 适用于实际设计计算的拟静力提出了传统采用的土体的线弹性模型对地基中桩 的模拟符合的不是很好，并通过进一步的研究得到了考虑土体非线性的桩的计算 1 4 河海大学硕士学位论文 模型【9 2 1 。所得的结果与离心机试验结果符合的较好。 桩以及桩基础是实际工程中常用的地基处理方法，桩基础在动力荷载下的动 力反应是目前桩基研究的难点。而在考虑上部结构与地基的相互作用时，桩基的 支承作用以及桩土相互作用则是研究的关键。在研究的过程中，有限元被广泛用 于桩基在液化地基中动力响应研究，但是模拟的过程中桩土接触模型的选取则尤 为重要，这样可以更好的模拟地基中桩间土中超孔隙水应力的发展，以便对桩基 在液化地基中动力特性进行研究，得到桩基的加固机理。 1 2 9注浆布袋桩法 注浆布袋法是将浆液分层注入预埋于地基中的土工织物袋中，硬化形成圆柱 状或葫芦状桩体对地基进行加固【9 3 1 。 注浆布袋桩加固液化地基的机理主要有以下几点：一是挤密作用，增加了桩 间土的密实度；二是排水作用，地基中饱和砂土中的孔隙由于受到挤压作用，产 生裂隙，从而为孔隙水的排出提供了通道，使得超孔隙水应力不能够长时间累积； 三是加筋作用，与土工织物对土体产生的加筋作用机理相同，前面已经讲到，这 里不再赘述。 上面对抗液化措施的研究现状进行了归纳总结，虽然处理砂土液化地基的方 法很多，但是处理手段主要有动力、材料、辅助系统，动力包括振动力、爆炸振 冲波、强夯产生的冲击波等；材料主要有碎石桩、砂桩、c f g 桩、塑料排水板、 砂井、砂袋、土工织物等；辅助系统包括围束深搅措施等。但是通过以上的总结 可以看到每种处理措施都有它的适用范围、优势和不足，一般都要将两种或多种 处理方法联合使用，发挥各自的优势，这样效果最佳。 1 3本文主要工作 地震带来的破坏是惨重的，并且由于地基砂土液化导致的破坏是大量存在， 因此，为了减轻地震中由于砂土液化导致的破坏，对抗液化方法的研究是由必要 的。目前，工程中采用的抗液化方法有很多，水泥土围束法作为种地基处理方 法，具有抗液化效果好，相对钢板桩围束法、地下连续墙围束法成本较低的优点， 但目前针对水泥土围束法抗液化方面的研究相对较少，不利于水泥土围束法在实 际工程中的应用及推广，针对这种情况，本文将在前人研究的基础上进行以下几 第一章绪论 个方面的工作： 1 采用数值计算的方法，研究水泥土围束法抗液化效果。 a 通过将7 度、8 度、9 度不同地震下砂土液化地基经水泥土围束法加固前 后，地表峰值超静孔压比沿长度、宽度方向、峰值超静孔压比沿砂层深度方向的 变化曲线进行对比，研究水泥土围束法对不同地震下砂土液化地基产生的抗液化 效果以及抗液化机理。 b 通过将厚度不同的3 种砂土液化地基经水泥土围束法加固前后，地表峰 值超静孔压比沿长度、宽度方向、峰值超静孔压比沿砂层深度方向的变化曲线进 行对比，研究水泥土围束法对不同厚度砂土液化地基产生的抗液化效果以及抗液 化机理。 2 采用数值计算的方法，研究水泥土围束尺寸、地震烈度对其抗液化效果 的影响。 a 采用围束间隔不同的4 种围束方式分别对厚度不同的3 种砂土液化地基 进行加固，分别得到3 种地基在不同围束方式下地表峰值超静孔压比沿不同方向 的变化对比图，来研究水泥土围束尺寸对抗液化效果的影响。 b 由3 种地基不同围束方式对应的水泥土最小围束面积与地基峰值超静孔 压比最大值的关系曲线，研究水泥土最小围束面积对水泥土围束法抗液化效果的 影响，并由此得到抗液化效果好又经济的最优水泥土最小围束面积。 c 通过将不同地震下，同一种水泥土围束方式砂层峰值超静孔压比沿深度 方向变化曲线进行对比，研究地震烈度对水泥土围束法抗液化效果的影响。 1 6 河海大学硕士学位论文 第二章动力问题的基本理论 2 1动力问题的数值分析方法 在进行数值计算时，选择适当的数值方法是相当重要的，否则可能导致分析 不可进行、分析费用太高或求解过程不稳定等问题，特别是对动力问题，求解过 程的稳定性是相当重要的舛1 。 对于工程问题，能采用解析法直接求解的情况极少，一般只能采用数值方法 来近似模拟。数值解法一般分为区域型和边界型两种【9 5 1 ，区域型数值解法主要包 括有限元法和有限差分法。边界型数值解法主要指边界元法。差分法是将区域划 分成网格，用差分来近似微分，通过数学上的近似将微分方程变换成差分方程； 有限元是根据变分原理将微分方程变换成变分方程，通过物理上的近似进行求解 的；而边界元法是根据积分定理将区域内的微分方程变换为边界上的积分方程， 然后通过对边界的划分将积分方程离散成代数方程进行求解。但目前处理动力问 题时，一般有限元法和有限差分法用的较多，理论也相对成熟。下面主要介绍一 下处理动力问题的有限元和有限差分法【9 5 1 。 2 1 1 有限元法 “有限元这一术语是c l o u 曲1 9 6 0 年在其论文“平面应力分析的有限元法 中最早提到的，并随后得到迅速推广，并在二十世纪七十年代应用于解决三维问 题，几何及材料非线性问题，与时间有关的动力问题等，涉及结构、流体流动、 热传导和磁场分析等领域的问题，应用范围较广【舛1 。现代有限元方法主要包括静 态有限元法和瞬态有限元法以及支持有限元分析的前后处理方法，静态有限元法 是基础，瞬态有限元法是前者的延伸，在前者的基础上增加了处理离散化方程的 功能，而支持有限元分析的前后处理方法对于现代有限元方法的应用是至关重要 的【9 6 1 。 瞬态问题【9 5 】跟静态问题相