（道路与铁道工程专业论文）碎石桩加固高速铁路液化土地基振动台试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 京沪高速铁路沿线分布有大面积粉土液化区域，且位于7 度、8 度或9 度地 震区，在地震作用下这些地区的地基均可能发生液化。而对于高速铁路，液化 土地基的液化、侧向流动及路堤破坏所引起的路堤沉降是高速铁路发生破坏的 最主要原因，为此，弄清饱和粉土地基地震液化的力学机理，定量评价地震液 化对高速铁路铁道构造物的影响，并确立经济合理的抗液化加固技术显得特别 的迫切和必要。 首先按照碎石桩桩网复合地基静力设计理论进行加固设计；然后在研制大 型堆叠式剪切模型箱的基础上，以京沪高速铁路饱和粉土地基加固为背景，开 展了模型比例为l ：1 0 的碎石桩桩网复合地基加固饱和粉土地基的大型振动台模 型试验研究。根据碎石桩桩网复合地基加固液化土地基振动台模型试验与原状 土地基模型试验结果的对比分析，主要有以下结论： ( 1 ) 地基桩间土在加载作用下液化时，碎石桩桩网复合地基可以有效地消 散和抑制超静孔隙水压力的升高和桩间土液化，从而提高了地基的抗液化能力。 ( 2 ) 碎石桩桩网复合地基模型沉降量较小，并且模型地基面、路基面的沉 降较为均匀，说明碎石桩桩网复合地基能够有效地减小地基、路基在地震荷载 条件下的沉降及不均匀沉降。 ( 3 ) 碎石桩桩网复合地基能有效地减小由地基液化引起的地基路基响应加 速度的放大作用。 ( 4 ) 碎石桩桩网复合地基有效地提高了地基的抗剪切变形能力，提高了地 基的抗震性能。 ( 5 ) 碎石桩桩网复合地基提高了地基和路基的整体抗震性能，在7 度抗震 设防下，满足京沪高速铁路抗震设计的要求。 关键词：碎石桩桩网复合地基；饱和粉土；液化；大型振动台模型试验；堆叠 式剪切模型箱 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 a b s t r a c t t h e r ei sl a r g e a r e as a t u r a t e ds i l t ys o i lg r o u n da l o n gt h eb e i j i n g - s h a n g h a lh i g h s p e e dr a i l w a y t h ea r e ai sl o c a t e di n7d e g r e eo r8d e g r e eo r9d e g r e ee a r t h q u a k e r e g i o n ，a n dt h e 毋o u n di sl i q u e f i a b l ew i t ht h ea c t i n go fe a r t h q u a k el o a d t h e l i q u e f a c t i o n , t h el a t e r a l f l o wo ft h e l i q u e f i a b l eg r o u n d , a n dt h ee m b a n k m e n t s e t t l e m e n tg e n e r a t e db ye m b a n k m e n td a m a g ea g et h em a i nr e a s o nf o rt h ed a m a g eo f h i g h s p e e dr a i l w a y s ow em u s tc l e a r l yk n o wt h ee a r t h q u a k el i q u e f a c t i o nm e c h a n i s m o fs a t u r a t e ds i l t ys o i l 掣0 u n d ；a n dw ec a nq u a n t i t a t i v ea s s e s s m e n tt h ei n f l u e n c eo f e a r t h q u a k el i q u e f a c t i o nf o rt h eh i g hs p e e dr a i l w a ys 饥l c t u r e a n db u i l d i n go n eo r m o r ee c o n o m i ca n da p p r o p r i a t ee a r t h q u a k e - r e s i s t a n c er e i n f o r c e m e n tm e t h o di sv e r y n e c e s s a r ya n du r g e n t f i r s t l y , t h er e i n f o r c e m e n td e s i g ni sc a r r i e do u tb yc o m p a l c ag r a v e lc o h n m - n e t c o m p o s i t ef o u n d a t i o ns t a t i cd e s i g nt h e o r y t h e nt h es h a k i n gt a b l em o d e lt e s tw a s c o n d u c t e dw i t hag e o m e t r i c a ls c a l eo fl ：1 0u s i n gal a r g e - s c a l el a m i n a rs h e a rb o xt o i n v e s t i g a t et h er e i n f o r c e m e n te f f e c t so fc o m p a c t e dg r a v e lc o l u m n - n e tc o m p o s i t e f o u n d a t i o no nt h es a t u r a t e ds i l t ys o i l g r o u n d a c c o r d i n gt oc o m p a r i s o na n a l y s i s b e t w e e nt h ec o m p a c t e dg r a v e lc o l u m n - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o nm o d e la n dt h e u n d i s t u r b e ds o i lm o d e l ，w ec a l lg e n e r a l i z es o m er e s u l t sa sf o l l o w i n g s ： ( 1 ) w h e nt h es o i lb e t w e e np i l e sl i q u e f i e dw i t ht h ea c t i n go ft h et e s tl o a d ，t h e i n c r e a s eo fe x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ec a nh er e s t r a i n e da n d d i s s i p a t e de f f e c t i v e l yb y t h e c o m p a c t e dg r a v e lc o l u n m - n c tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n st oi m p r o v et h e a n t i - l i q u e f a c t i o na b i l i t yo fg r o u n d ( 2 ) t h es e t t l e m e n to fc o m p a c t e dg r a v e lc o l u m n - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o nm o d e l i sv e r ys m a l l ，a n dt h es e t t l e m e n to fg r o u n ds u r f a c ea n de m b a n k m e n ts u r f a c ei s r e l a t i v e l yu n i f o r m t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es e t t l e m e n to ff o u n d a t i o na n d s u b g r a d ec a nh er e d u c e dg r e a t l yb yt h ec o m p a c t e dg r a v e lc o l u m n - n e tc o m p o s i t e f o u n d a t i o n ( 3 ) t h ea m p l i f y i n go fr e s p o n s ea c c e l e r a t i o ni n d u c e db yf o u n d a t i o nl i q u e f a c t i o n c a l lh er e d u c e d e f f e c t i v e l yb yt h ec o m p a c t e dg r a v e l c o l u m n - n e t c o m p o s i t e f o u n d a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 ( 4 ) t h es h e a rd i s p l a c e m e n to fg r o u n dc a nb er e d u c e dg r e a t l yb yt h ec o m p a c t c d g r a v e lc o l u m n - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o nt oi m p r o v et h ea n t i - s h e a rd i s p l a c e m e n t a b i l i t yo f g r o u n d ( 5 ) t h ea s e i s m a t i cp r o p e r t yo ff o u n d a t i o na n ds u b g r a d ew a si m p r o v e db yt h e c o m p a c t e dg r a v e lc o l u m n - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n u n d e rt h ec o n d i t i o no f 7d e g r e e s e i s m i cf o r t i f i c a t i o n s t h e d e s i g n n k b t s e a r t h q u a k e - r e s i s t a n tr e q u i r e m e n t s o f b e u i n g - s h a n g l l a ih i g hs p e e dr a i l w a y k e y w o r d s ：c o m p a c t e dg r a v e lc o l u m n - n e tc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；s a t u r a t e ds i l t ys o i l ； l i q u e f a c t i o n ；l a r g e s c a l es h a k i n gt a b l em o d e lt e s t ；l a m i n a rs h e a rb o x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1引言 第1 章绪论 铁路的快速、便捷和舒适化是一个国家发达与否的重要标志之一，世界发 达国家都拥有自己的高速铁路网。为适应我国社会经济发展的需要，必须抓紧 研究规划和修建适合我国路情的高速铁路网。在我国，高速客运专线、高速客 货混运线的研究才刚刚起步。京沪通道是维系我国国民经济发展的大动脉，是 链接京津，长江三角渊两大经济区的枢纽，京沪地区g d p 占全国总量的4 0 ，沿 线人口占全国人口1 4 以上。建设京沪高速铁路对缓解既有京沪铁路运力长期 严重紧张局面、形成我国铁路客运专线网、促进我国经济社会发展具有重要意 义。以设计时速3 0 0 k m 以上的京沪高速铁路立项修建为里程碑，我国即将步入 高速铁路兴建的高潮。 从京沪高速铁路经过的砂质土液化区域来看，主要为海河流域、黄河冲淤 积区、老黄河故道、长江台地区及其他河流冲淤积区，而且位于7 度、8 度或9 度地震区，在地震作用下这些地区均可能发生液化。而液化造成灾害的严重性 很早就得到了人们的关注，世界上多次破坏性地震曾发生，如1 9 0 6 年美国旧金 山大地震、1 9 2 3 年日本关东大地震、1 9 6 0 年智利南部地震、1 9 6 4 年阿拉斯加大 地震、1 9 6 8 年日本十胜冲大地震、1 9 7 6 年中国唐山大地震、1 9 8 9 年美国洛马普 里埃塔地震、1 9 4 4 年美国诺斯雷奇地震、1 9 9 5 年日本阪神大地震等。2 0 世纪 6 0 年代以来，世界范围内地震活动频繁，特别是1 9 6 4 年日本新泻地震、美国阿 拉斯加地震引起的饱和砂土液化和地基失效，造成结构大规模破坏。因此，砂 质土地基的地震液化问题在国内外很早就得到了十分的重视和广泛的研究。在 日本等抗震研究先进国家，砂质地基的震动液化研究在基础研究领域范围内已 持续进行了近三十多年，并取得了一定的成果。而在我国，至今为止，研究的 重点主要集中在震动液化的产生条件、力学机理和影响因素，而高速铁路液化 土地基抗震加固研究开展的并不多“- ，。为此，弄清砂质地基地震液化的力学机 理，定量评价地震液化对铁道构造物的影响，并确立经济合理的处理对策显得 十分必要。 1 2 地震液化研究现状 最早的地震液化研究出自c a s a g r a n d e 的经典工作。其后，我国的黄文熙教 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 授在1 9 5 9 年讨论了这一问题。但地震液化问题引起人们的广泛重视是在1 9 6 4 年美国阿拉斯加地震和日本新泻地震之后。s e e d 等人提出的基于室内试验的液 化简化分析方法，其研究结果得到很高的赞誉，开创了液化分析的一个新阶段。 1 2 1 砂土液化概念的演进 砂土的液化特性研究一直是土动力学领域中的一项重要内容，液化现象一 般是指饱和砂土在振动荷载下其抗剪强度丧失而失去稳定的现象“”。早在1 9 3 6 年c a s a g r a d e 根据无粘性土在剪切变形中体积变化特性( 剪胀和剪缩) 提出用临 界孔隙比概念来解释砂土液化现象，后来m o s l o v ( 1 9 5 4 ) 在巴尔坎砂土振动密 实实验结果基础上提出临界加速度口。，概念，并建立一套“饱和砂土稳定性动力 破坏渗透理论”。黄文熙( 1 9 5 9 1 9 6 2 ) 利用动三轴试验指出m o s l o v 理论液化 试验条件不符合实际应力状态。 6 0 7 0 年代，日本新泻地震以及美国f e m a n d a 地震等造成了大量坝体滑坡 和其他建筑物的破坏。促使液化概念发展进入了一个高潮时期。以s e e d 、l e e 为代表的学者采用动三轴试验来模拟饱和砂层在地震波水平循环剪切应力作用 下砂土液化定量分析，提出了被广泛应用的“初始液化”概念和相应的液化标 准。之后，关于砂土地震液化及与液化相关的振动孔隙水压力变化规律研究得 到广泛发展。同一期间，c a s a g r a d e 和他学生c a s t r o 在“临界孔隙比”基础上开 创性提出了“流动结构”及“稳态抗剪强度”的“实际液化”概念，并用“死 荷增量”试验说明这一特性。 8 0 年代后期，在饱和砂土液化问题上主要形成了s e e d 派和c a s a g r a d e 派两 种明显不同的观点。1 9 9 2 年 l b s e e d 和c a s t r o “”发表一篇关于对s a nf e m a n d o 土坝滑坡重新估计的文章标志着两种观念在相互渗透和融合。 目前，关于液化的概念主要沿用1 9 7 8 年美国土木工程师协会岩土工程分都 土动力学委员会对液化一词的定义：“液化任何物质物化为液体的行为和 过程，就无粘性土而言，这种由固体状态变为液化状态的转化是孔隙水压力增 加和有效应力减小的结果”。不过，在具体对不同砂土液化的研究中，因观念和 应用目的不同还存在不同的解释。汪文韶“q 9 9 7 年提出工程上液化的概念：因 土体液化或液化有关的所可能产生或引发的灾难性破坏。实际上，变形和稳定 才是衡量工程的标准，液化的概念在工程上应该理解为在地震作用下砂土因孔 压上升和强度降低引起达到工程变形容许值或临界稳定的状态。 1 2 2 砂土液化机理的研究现状 砂土的液化机理及其影响因素一直是液化研究中的一个重点和难点，它是 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 伴随着液化概念的发展而发展的。目前，饱和砂土的液化机理大致可归纳为循 环活动性( c y c l i cm o b i l i t y ) 、流滑( f l o ws l i d e ) 和砂沸( s a n db o i i ) 三种类型“”。 ( 1 ) 循环活动性：循环活动性是指在循环剪切过程中，由于土的剪胀和剪 缩的交替作用而引起的孔隙水压力反复升降而造成的间歇性液化和有限制流动 现象，主要发生在中密和较密饱和无粘性土固结不排水循环三轴或循环单剪或 扭剪试验中。s e e d 等人n ”( 1 9 6 6 ) 在早期所进行饱和密砂固结不排水三轴试验 中证明了这一现象。研究还表明对于较密实饱和砂土，在适当条件下也会出现 “初始液化”，并出现有限度流动。 s e e d 在研究中还给出了初始液化时循环剪应力比与循环次数相互关系，后 来被广泛应用于饱和砂土振动液化的判别中，并与相对密度、标准贯入试验、 静力触探试验及地震震级建立了较多的经验关系。需要指出的是循环活动性不 会出现在饱和松砂中。 ( 2 ) 流滑；流滑是单向或循环剪切作用下，土体积持续剪缩，孔隙水压力 不断上升，从而导致抗剪强度剧降，形成无限制流动大变形。主要发生在疏松 而排水不畅的饱和砂土中。对于饱和松砂而言，不论有无初始剪应力，在单程 和循环应力作用下都发生流滑。c a s a g r a d e 提出的临界孔隙比概念及“流动结构” 源于这一思想。 ( 3 ) 砂沸：砂沸是土中孔隙水压力超过临界水头而引起的喷砂冒水现象。 它一般在静力条件下就会发生。 上述液化机理虽然有所区别，但又相互联系，在液化研究中应全面考虑。 最近的研究表明：土体液化破坏往往是渐进发生的，即当土体内部局部区域发 生液化时，抗剪强度迅速下降，因而应力发生重分布，随后附近区域也发生液 化，最终导致建筑物破坏。 1 2 3 地震液化影响因素 砂质土液化是一种相当复杂的现象，它的产生需要一定的区域地震条件、 场地条件和地基土质条件。地震动强度和历时是产生液化的一个必要条件。在 一定条件下，地震强度越大，震动历时越长，砂质土越容易液化。据宏观经验， 液化一般出现在地震烈度大于6 度的地区，较严重的液化出现在7 度以上的地 区。砂质土液化分布较多的地貌单元分别为河漫滩、l 级阶地、冲积平原区及古 河道。这些地方的特点是第四纪沉积层厚度大、砂质土土层厚、分布广且埋藏 浅，地下水位埋藏浅，粘性土覆盖层厚度一般不超过3 m 。在一定的地震作用和 地质地貌条件下，能否发生液化与地基土质条件也有密切关系，这包括砂质土 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的类别、颗粒级配、粉粒及粘粒含量、相对密度、土的结构性及渗透性、饱和 度等。一般说来地震时容易液化的土类为粘粒( 粒径小于0 0 0 5 m m 的颗粒) 含 量小于1 0 ，主要包括粘粒含量小于3 的饱和砂土和粘粒含量为3 l o 的 饱和粉土。7 度地震区不发生液化的砂质土相对密度需大于5 5 ；而在8 度地 震区，不发生液化的砂质土相对密度需超过7 0 n ”。胡定和张利明“1 较全面地总 结了土体液化的影响因素，如图1 - l 所示。 图1 1 液化影响因素 1 2 4 地震液化分析方法的研究现状 液化现象是土体在动力荷载作用下最主要的震害之一，因此，分析和判断 地基液化具有十分重要的意义。土体发生液化是土性条件、起始应力条件、动 荷条件和排水条件等一系列因素共同作用结果。目前分析和判断砂土液化的方 法主要有下面几种： ( 1 ) 经验法：它根据过去地震时砂层的反应将其资料推广到新的情况下进 行的判别方法。主要有s p t 、c p t 、v s 等，其中s p t 应用较广。美国2 0 0 1 年 n c c e r 召集全国专家对经验法进行了重新评估和修汀m ，；我国2 0 0 1 年对建筑 抗震规范也进行了修汀，基本上与国际接轨一。 ( 2 ) 总应力分析方法：总应力法直接根据室内试验所取得的割线剪切摸量 与等效阻尼随应变幅值非线形变化曲线，通过多次迭代而求得的近似解。以 s e e d 、i d i s s 为代表的部分学者对总应力法作出了重大的贡献。具体有以下几种 方法：a 动剪应力对比法；b s e e d i d i s s ( 一维总应力法) ；c 二维、三维总应力 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 法( 1 9 8 1 ) 。总应力法的缺点是无法确定孔压的发展，不能揭示砂土液化的本质， 目前应用己经较少。 ( 3 ) 有效应力方法：有效应力法是同时考虑土体的软化和孔压变化相互作 用的分析方法，它克服了总应力法的缺点，揭示砂土液化的本质，因此其应用 的关键问题是如何正确测算不同条件下土中孔隙水压力的产生、增长、扩散、 和消散规律。不过，在饱和砂土的振动过程中，孔压的发展不仅具有平均量的 增长性，而且具有瞬态波动性，目前大多数计算方法只考虑单调部分，因此探 讨波动部分更具有广泛意义。另外，在液化评价的标准选择上也因孔压模式的 选择不同而有所不同，常用的判别标准：a 应力标准：b 应变标准；c 有效路径 等等。具体的计算模式有以下几种：a 孔压应力计算模型；b 孔压应变计算模型； c 孔压能量计算模型；d 孔压瞬态计算模型。 ( 4 ) 弹塑性动力分析方法：随着土的动力本构关系的深入研究，弹塑性动 力分析理论己成为地震液化研究的一个重要发展方向。例如，p r e v o s t 的屈服面 模型，m r o z 、n o r r i s 与z i e n k i e w i c z 的双曲面模型等属于各向异性塑性理论模型， 能较好地解释土壤在循环荷载下的一些现象，还有d a f a l i a s 等的限界面塑性模 型、c a r t e r 等的临界状态模型等，但还不是很成熟。直接应用土的塑性理论本构 关系于液化分析中迄今尚较少，s a t o 、s h i b a t a 与k o s a k a 曾做过一些很好的工作， 但是忽略了惯性力，并假定垂直总应力不变。 1 2 5 液化判别方法分类 对自由场地的砂土液化预测，经过三十多年的研究，己经有了很多方法， 大体上可分为以下几种： ( 1 ) s e e d 简化分析法； ( 2 ) 经验分析法； ( 3 ) 概率与统计分析法： ( 4 ) 室内试验的方法； ( 5 ) 土层反应分析法； 下面分别进行介绍。 ( 1 ) s e e d 简化分析法m - s e e d 简化分析法是最早( 1 9 7 6 年) 提出来的自由场地的液化判别法，也是 目前普遍接受的方法之一。其判别的主要步骤为： 计算在给定的地面加速度下饱和砂土单元承受的地震剪应力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 f 一：0 6 5 a , m ? b y a ( 1 - 1 ) 一 g 式中：儿折减系数； y 容重； g 重力加速度； 口m 。地面最大加速度； h 土层厚度。 试验确定饱和砂土单元发生液化所需要的剪应力。 比较上面两个剪应力的大小，从而判别砂土是否发生液化。对不规则的 随机循环剪应力，可将之转化为等价的规则循环剪应力，然后进行比较。 s e e d 分析法简单明了，使用广泛，但确定比较粗略且不考虑孔隙水压 力的发展水平：另一方面判别结果的正确与否依赖于试验结果的准确性。 ( 2 ) 经验分析法 总结震害经验是研究砂土液化最直接的途径。在分析、统计世界各地广泛 的地震液化震害调查的基础之上，可以建立一些经验准则和公式，如以标贯锤 击数、静力触探的贯入阻力、剪切波速等为参量的经验公式m ，。对于相似的场地、 土壤和环境条件( 如场地饱和度、密度( 相对密度) 、颗粒组成、大小、形状和 应力状态等相似的不同场地) ，可以参考过去地震灾害的震害调查资料进行对比 分析，再进行判别。 经验法主要考虑不同的地震作用、饱和砂土的埋藏条件、抗液化能力、地 层的地质条件与历史固结程度和粘粒含量等因素。如谢君斐等推荐的为建筑 抗震规范采用的标贯判别方法。各种方法考虑的因素都比较单一，而且由于 受地层条件、设备和操作方法等因素的影响，判别结果往往并不稳定。 ( 3 ) 概率统计分析法 河海大学的刘汉龙等人引入概率法，运用累积疲劳规律表示剪应力循环的 累积效应对自由平坦场地的液化势进行判别，避免了在确定性分析时选择不同 的地震波时得出不同的地震反应结果的缺陷，进一步还可以进行动力反应分析。 概率法目前还处于发展阶段，工程应用此法进行预测的实例还不多。 经验法和概率法都是基于震害调查资料，对地震后曾液化和未曾液化的土 层进行大量的研究和统计工作，确定影响液化的主要因素，有很好的参考价值。 缺点是孤立的考虑单个或多个指标对液化的影响，没有详细深入考虑各种条件、 因素的影响，各种不确定性很难定准，而且对同一土层采取不同指标的判别结 果有时互相矛盾。因此适于描述过去多数事件的统计规律，不适于预测将来单 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 个事件的行为。 ( 4 ) 室内试验分析法 它通过随机加载的三轴试验、振动台试验、离心机试验来模拟在地震时土 的应力状态。但此法有两个主要缺陷：一是所要求的试样应为原状土样，取原 状土样相当困难，土体的抗液化强度试验结果受到土样扰动；不同方法制备的 试样或是不同的方法，对液化结果影响很大。 ( 5 ) 土层反应分析法 此法综合了数学、力学和计算机的知识。尤其在数学和力学分析上较为严 格。不仅可以考虑地震动特性、地形地质条件、荷载作用及边界条件等多种因 素的影响，还可以研究地震过程中和地震发生后地基土液化区的发生和发展过 程。土层反应法考虑的因素可以很多，计算较严密，但关键是材料参数和荷载 参数要选择适当、合理，这也有一定的难度。 1 ，3 碎石桩桩网复合地基的抗液化加固机理 2 0 世纪7 0 年代，碎石桩技术开始应用于加固可液化土层，并逐渐发展成为 一种应用广泛的抗震防液化加固手段，而且这种加固技术的有效性已经得到实 际地震的证实。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 理论和试验研究。研究的主要内容有碎石桩桩网复合地基的抗液化机理、影响 因素、设计方法、液化检验和判别等。现有研究已经表明，碎石桩桩网复合地 基的抗液化加固机理主要有以下几个方面： ( 1 ) 挤密作用：对挤密碎石桩，由于在成桩过程中桩管对周围砂层产生很 大的横向挤压力，桩管体积的砂挤向桩管周围的砂层，使桩管周围的砂层孔隙 比减小，密实度增大；在灌注碎石后的振动、反插也使周围土体受到挤密，并 且很多碎石骨料也被挤入土中。这种强制性的挤密使得砂质土的相对密实度显 著增加，孔隙率降低，干密度和内摩擦角增大，土的物理力学性能改善，使地 基承载力和抗液化能力大幅度提高。 ( 2 ) 振密作用：在成桩过程中，激振器产生的振动通过导管传给土层使得 其附近饱和土地基产生的孔隙水压力，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。 ( 3 ) 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， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 地基抗剪强度急剧下降，形成完全液化。碎石桩加固砂土时，桩孔内充填碎石 为租颗粒料，在地基中形成渗透性良好的人工坚向排水减压通道，可以有效地 消散和防止超孔隙水压力的增高和砂土液化，并加固地基排水固结。 ( 4 ) 预震作用：美国s e e d 等人研究表明，砂土液化特性除了与土的相对 密度有关外，还与其振动历史有关。砂土预先振动而不产生液化后，结构中的 不稳定的颗粒滑落形成较为稳定的结构，抗液化能力得到提高。碎石桩在施工 时振动作用在土层挤密的同时还获得预振，这对增强地基的抗液化能力极为有 利。 ( 5 ) 加筋作用：在下覆层设置碎石桩，由于碎石桩的模量大于桩间土模量， 因此起到加筋作用。在坡角外一定范围内设置碎石桩，使得复合地基的内摩擦 角增大，抗剪强度提高，有效地抑制地基的侧向位移：在地震荷载作用下，坡 角范围内的碎石桩在起排水作用的同时，加筋作用增强土体稳定性也明显体现 出来。 1 4 振动台模型试验的研究现状 地震模拟振动台是由振动台台面及基础、加载系统、模拟信号输出系统、 数据采集和数据处理系统组成的一个完整系统。 用于振动试验的振动台系统从激振方式上可分为三类：机械式振动台、电 液式振动台和电磁式振动台。从振动台的激振方向，即工作台面的运动轨迹来 分，可分为单向( 单自由度) 和多向( 多自由度) 振动系统。从振动台的功能 来分，可分为单一的正弦振动试验台和可完成正弦、随机、正弦加随机等振动 试验和冲击试验的振动台系统。 振动台试验是2 0 世纪7 0 年代发展起来的，最初为应用于研究土层液化性 状的大型室内动力试验。它可以模拟现场疋条件的大型均匀试样，也可以模拟 地层受剪切波作用的现场动应力条件，并可测量出液化时砂土中实际孔隙水压 力的分布和地震残余位移，而且在振动时能用肉眼观察试样，不存在离心机试 验中的所谓科利奥利效应问题，可以在较短的时间内进行为数较多的模型试验 以消除一些随机因素的影响，可以研究边界条件的变化对模型动力响应的约束， 以及可以进行二维、三维振动的模拟。依靠振动台试验国内外已经取得了许多 研究成果。基于振动台试验的诸多优点，国际上常利用振动台模拟试验来进行 液化地基的液化特性与抗液化加固效果的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 5 选题背景及意义 1 5 1 选题背景 根据京沪高速铁路勘察资料，其沿线分布有大面积粉土液化区域，这些区 域主要为海河流域、黄河冲淤积区、老黄河故道、长江台地区及其他河流冲淤 积区，而且位于7 度、8 度或9 度地震区，在地震作用下这些地区均可能发生液 化，那么高速铁路液化土地基加固技术的研究显得特别的迫切和必要。 本文是在铁道部科技研究开发计划项目“高速铁路液化土地基加固技术的 试验研究( 合同编号：2 0 0 3 g 0 6 ) ”支持下的研究成果。 1 5 2 选题意义 高速铁路液化土地基路堤，在地震时产生破坏的原因主要由以下四个方面 所弓l 起t * m ： ( 1 ) 液化土地基液化引起的沉降； ( 2 ) 液化土地基侧向流动引起的沉降； ( 3 ) 路堤破坏引起的永久变形； ( 4 ) 路堤震实和路堤液化引起的永久变形。 对于高速铁路，液化土地基的液化、侧向流动及路堤破坏所引起的路堤沉 降是高速铁路发生破坏的最主要原因，而路堤震实和路堤液化所引起的永久变 形一般可不予考虑”“。液化土地基的地震液化问题在国内外得到了十分的重视 和广泛的研究。在我国，至今为止，研究的重点主要集中在震动液化产生的条 件、力学机理和影响因素等方面，同时也进行了一些液化可能性的评估，以及 确定抗液化强度等方面的研究。从土工构造物的抗震安全性角度来看，土动力 学及加固工法的研究核心不应该只是强度问题，还应该包括变形问题。日本对 明治以后地震的震害调查结果也验证了这一观点。所以，高速铁路路基结构抗 震安全性的最终目的，应该是从高速铁路路基全体系( 含路基上部结构的电化 桩及轨道等) 的变形问题着手，而不是仅仅限于提高液化土地基的抗液化强度。 本文主要开展了碎石桩桩网复合地基加固液化土地基的大型振动台模型试 验研究，以对碎石桩桩网复合地基抗液化加固机理与效果以及路堤永久变形的 影响机理进行分析研究。通过本项目的研究，将为京沪高速铁路液化土地基的 加固技术提供试验依据。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 6 主要研究内容 本文是铁道部科技研究开发计划项目“高速铁路液化土地基加固技术的试 验研究( 合同编号：2 0 0 3 g 0 6 ) ”的一部分。在该课题的资助及导师的指导下， 主要开展了以下工作： ( 1 ) 地震液化、抗液化加固方法、振动台模型试验的研究现状调研； ( 2 ) 大型堆叠式剪切模型箱的研制； ( 3 ) 大型振动台模型试验的设计与实现； ( 4 ) 试验结果整理与分析： ( 5 ) 抗液化加固效果评价。 具体内容安排如下： 第一章：绪论，重点介绍了砂质土地震液化、碎石桩桩网复合地基的抗液 化加固机理及振动台模型试验的研究现状；另外介绍了本论文的选题背景及意 义。 第二章：对京沪高速铁路进行了碎石桩桩网复合地基设计，确定其设计参 数。 第三章：振动台模型试验的设计与实现。 第四章：振动台模型试验的结果与分析。 第五章；碎石桩加固液化土地基的抗液化效果评价。 第六章：结论与展望，归纳了本论文的主要研究成果，并对以后的研究工 作进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 第2 章京沪高速铁路碎石桩桩网复合地基设计 2 1引言 京沪高速铁路d k 7 1 9 + 5 2 5 d k 7 2 0 + 0 5 7 段地基，粉土最大厚度约8 m ，粉 土层下部分布有厚约0 5 1 5 m 的软弱黏性土。所夹薄层软黏性土多呈透镜状 分布于粉土层中，厚度一般小于o 5 m 。根据铁路工程抗震设计规范 ( g b j l l l - 8 7 ) 、建筑抗震设计规范( g b s 0 0 1 1 - 2 0 0 1 ) 及现场标贯试验结果判 别，该段地基粉土为在7 度抗震设防下的液化土层。 由于在粉土层中夹有软弱黏性土层、粉土层下部分布软弱黏性土，因此该 试验工程同时为松软土路基。抗液化加固采用沉管挤密碎石桩桩网复合地基， 在加固设计时，以沉降控制为核心，首先利用碎石桩桩网复合地基的静力设计 理论进行设计，在此基础上考虑液化的影响，最终确定其设计参数。 2 2 碎石桩桩网复合地基设计 t 布桩原则 碎石桩的布桩原则是有利于施工，同时加固后的地面不发生隆起或下沉， 打入的碎石桩能起到1 0 0 的挤密效果，被加固的土体没有流失。 2 布桩方式 此设计的目的是加固京沪高速铁路地基，消除其液化。鉴于所加固的是条 形地基，采用正方形方式布桩，而且此方式布桩有利于施工。 3 桩径的确定 桩径应根据工程地质条件和成桩设备等因素选择，采用沉管法施工时，碎 石桩的桩径一般为0 3 o 8 m 。根据现有的工程地质资料、成桩设备及沉管法施 工工艺等因素综合考虑，碎石桩的桩径选为0 5 m 。 4 桩长的确定 桩长的确定主要取决于需要加固土层的厚度，一般视构造物的设计要求和 工程地质条件而定，应满足强度和变形要求。而此设计应满足全部消除液化的 要求，打穿粉土层至硬塑黏土层1 5 m ，可取桩长为9 5 m 。 5 加固范围 每边放宽2 排桩，即每边放宽1 2 x 2 = 2 。4 m 。 6 填料 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 桩体材料可以就地取材，一般使用中、粗混合砂、碎石、卵石、砂砾石等， 含泥量不大于5 。碎石桩桩体材料的容许最大粒径与振冲器的外径和功率有 关，一般不大于8 c m ，对碎石，常用的粒径为2 5 c m 。 填料要求具有一定的颗粒级配，颗粒级配好，则桩体的密实性高，振密速 度快。可以采用“适宜数”判别填料级配的合适程度。 地基孔隙比e 与地基相对密度皿关系 旁， d ：哆 c 薹 豸乡 多， e f ； 二；，一 多 夕 r 鼻一，多巧 翌黪钐 多 形 5 0 螽4 0 讴 蜊3 0 一 1 8 3 7 1 k n 式中：e 桩间土不排水抗剪强度； j 滑动面与水平面的夹角： 仃桩周土表面荷载 绋桩体材料内摩擦角，睇= 4 5 。+ o 5 绑，作为松散材料桩桩 体材料的内摩擦角，取3 8 。 f dl ，、 ：= 鞋床底层基床袁层i穹 乙一 硝梃。砰 写路堤加筋一7 f 士：兰 ： 。n 。j 舞着 ； ! i ；i ：； 糖 | 目 垫层il o o m 缀矗噼石+ 土工格橱+ 3 0 印绍 雏 j j ；j ； ： ： ： t ： _ _ j _ _ t ： t t _ ： -_ - ： ：t ： j ji j j 蓓 虢# 。：f 。：7 ：7 ：? ：? ：? ： 碎石e ( 桩径5 0 、桩长9 5 0 桩间j目1 2 0 ) 图2 - 2 碎石桩承载力检算简图 3 ) 碎石桩桩网复合地基承载力计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 碎石桩桩网复合地基承载力计算可用下面的公式进行估算： 岛硼毒+ 蒯一神以 或，0 = d + 聊( 一一1 ) i “玩 式中：厶j 碎石桩桩网复合地基承载力标准值( k p a ) ； 疋天然地基承载力标准值( k p a ) ； 聊面积置换率； 刀桩土应力比： z 单桩截面面积( m 2 ) ； r 单桩承载力标准值( k n ) 。 承载力标准值，：= 2 6 0 k p a 丘。= 【1 + m ( 月一1 ) l 厂。= 【l + o 1 3 6 ( 3 - - 1 ) 2 6 0 = 3 3 0 7 2 k p a 所以碎石桩桩网复合地基承载力满足要求。 2 4 碎石桩桩网复合地基沉降检算 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 碎石桩桩网复合地基的变形分为三部分；路基本体的压缩量、加固区的压 缩量及下卧层的沉降量。 ( 1 ) 路基本体的压缩量 路基本体的压缩量约为路堤高度的1 o ：6 1 1 0 0 0 = 6 n l n l ( 2 ) 地基加固区的压缩量 群桩体的压缩变形s 1 可按下式计算： s ：垫生! 圭 ( 2 7 ) 2 e 口 碎石桩桩体压缩模量2 4 m p a ，挤密粉土地基压缩模量e = 8 1 m p a ，粘土地 基压缩模量为7 2 i p a ，则粉土层q = 1 0 2 6 m p a ，粘土层e ，= 9 4 8 m p m p 。= 7 5 7 7 + 2 0 x 6 = 1 2 7 5 7 7k n m 2 ；粉土层与粘土层交界面p 。= 1 1 9 5 8 8 k n r a 2 ；加固区底部p ：= 1 1 3 7 7 9 k n m 2 。计算结果见表2 - 2 。 表2 2 加固区压缩量计算 土层 厚度( m )底部附加应力k n 秆 e p ( m p a ) 压缩量( m m ) 粉土81 1 9 5 8 8l o 2 69 6 3 4 3 粘土 1 51 1 3 7 7 9 9 4 81 8 4 5 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 ( 3 ) 下卧层的沉降量计算 下卧层的沉降量计算如图2 - 3 所示。下卧层附加应力的计算方法：从群桩 体底部提升l 3 ( l 为桩长) ，然后按照3 0 度角向下扩散。根据分层总和法计算 下卧层的沉降量如表2 - ：3 所示： 图2 - 3 下卧层沉降量计算示意图 表2 - 3 下卧层沉降计算 计算十的天 附加自重 自重 平均 深度然容重应力应力 附加 附加 压缩沉降总沉降 z ( m )k n 一k p ak p a 应力 模量 量n l l l l量m i l l 01 9 7 1 1 4 4 9 41 8 5 s 5 1 6 2 l1 9 71 1 0 9 0 32 0 5 2 51 8 51 1 2 6 9 87 21 5 6 5 3 21 9 71 0 7 5 3 02 2 4 9 52 0 91 0 9 2 1 6 7 21 5 1 6 93 0 8 2 1 31 9 71 0 4 3 5 62 4 4 6 52 3 41 0 5 9 4 37 21 4 7 】44 55 3 6 41 9 7 1 0 1 3 6 4 2 6 4 3 52 6 11 0 2 8 6 07 21 4 2 8 65 9 8 2 2 51 9 79 8 5 3 92 8 4 0 52 8 89 9 9 5 l7 21 3 8 8 27 3 7 0 4 61 9 79 5 8 6 73 0 3 7 53 1 79 7 2 0 37 21 3 5 0 08 7 2 0 4 71 9 79 3 3 3 63 2 3 4 53 4 79 4 6 0 l7 21 3 1 3 91 0 0 3 4 3 81 9 79 0 9 3 53 4 3 1 5 3 7 7 9 2 1 3 6 7 2 1 2 7 9 71 1 3 1 4 0 91 9 78 8 6 5 53 6 2 8 54 0 98 9 7 9 57 21 2 4 7 21 2 5 6 1 2 1 0 1 9 78 6 4 8 63 8 2 5 54 4 28 7 5 7 l 7 2 1 2 1 6 31