基于振动台试验对不同桩体加固的液化土横向动力特性试验研究方案

1、基于振动台试验对不同桩体加固的液化土横向动力特性试验研究方案1 试验目的砂土液化问题一直是国内外学者研究的热点，这一问题直接关系到我们生产生活的诸多领域，比如民用建筑，工业建筑，水利工程，道路工程，桥梁工程等等均涉及到可液化地基的处理。因此，进一步研究砂土液化机理，进而寻求更有效的处理方法一直是很多学者追求的目标。从目前的研究成果来看，碎石桩加固法仍然是处理可液化地基最有效的方法，由于其有效的排水效果与挤密作用，而且施工简单方便，造价低廉，被工程界所认可；但是碎石桩加固方式在提高地基承载力方面还有欠缺。水泥土桩多用于处理软土地基，由于其能够有效地提高地基承载力和减少地基不均匀沉降，实际工程中也

2、有用来加固液化土地基，但加固机理的研究比较少。基于碎石桩和水泥土桩各自具有的优点，考虑将这两种桩体结合，各自发挥其优势，以便更好地提高地基的抗液化能力。为进一步研究这两种桩体的加固机理，本文从液化土加固地基模型的横向动力响应方面入手，设置六组模型，分别对它们进行振动台试验，得出各组模型在振动过程中的孔隙水压力、土压力以及土层加速度时程曲线，分析它们的变化规律和内在联系，为实际工程的应用提供一定的指导。2 试验设备概述 本次运用振动台进行试验，设置六组模型，即未加固地基、单根碎石桩加固地基、单根水泥土桩加固地基、四根碎石桩加固地基、四根水泥土桩加固地基、碎石桩与水泥土桩复合加固地基，在试验过程中

3、分别记录其振动过程中的宏观现象并采集其试验数据，然后对试验数据进行统计、对比和分析，探讨液化土在不同加固方式下、不同埋深处的孔隙水压力、土压力以及土层加速度的变化规律，主要工作及研究内容包括：（1） 试验用砂的选用及处理；（2） 振动台设备与数据采集设备的操作学习，地震波的输入；（3） 试验方案及参数设计，包括试验时砂土的干密度，饱和度，桩体长度，桩间距等。（4） 模型箱的制作，注意边界条件的处理方法以及装土方法；（5） 传感器的选用及布置；（6） 水泥土桩的制作，包括模具制作，配合比设计，养护条件等；（7） 碎石桩的制作，包括颗粒级配，制作方法；（8） 试验所用六组加固地基模型的制作，分别为

4、未加固模型、单根碎石桩加固模型、单根水泥土桩加固模型、四根碎石桩加固模型、四根水泥土桩加固模型和碎石桩与水泥土桩复合加固模型；（9） 分别记录各组模型在振动过程中的宏观现象，并采集不同加固方式下、不同埋深处的孔隙水压力、土压力以及土层加速度的试验数据；（10） 通过对试验数据统计、整理及对比分析，探讨液化土地基在不同加固方式下、不同埋深处的孔隙水压力、土压力以及土层加速度的变化规律，进一步揭示其液化土不同加固模式的效果及加固机理。2.1 振动台试验模型与参数设计2.1.1未加固地基模型的近似相似关系的确定因受试验条件的限制，本次试验输入单向水平地震动力，此时可以考虑为近似的平面应变问题，在不考

5、虑阻尼的情况下，可以认为土体在做一维纯剪切运动，剪切运动方程如下：式中： 材料容重；G 剪切模量；u 位移；a 加速度；t 时间 假设原型与模型各变量之比为：式中：下标原型物理量；下标 m模型物理量。 则原型与模型的运动方程分别为：原型与模型变量的比值，用模型及其变量和比值将原型替换，得到如下公式：由于需满足原型与模型相似这一条件，可以得到如下关系式：如果要考虑弹性变形的话，那么，土体剪切模量与其上覆有效平均正应力应有如下关系：上式中 n1取值 1/2，则可得：因为现有试验条件受到了限制，无法找到与原有土体相同的模拟材料来进行，所以可取：最后，可得到模型与原型的频率关系，即：需要注意的是，上述

6、推导过程没有考虑的因素是：土体的竖向运动，土体的竖向应力变化情况以及土体的非线性，因此本试验只能按照近似半定性的关系进行。2.1.2地震模拟信号的确定为了使模型试验能够与原型尽可能吻合，保证试验结果的精确性和可靠性，在确定地震模拟信号时一定要慎重；如果输入的地震模拟信号选取不合适，必然影响最终的试验结果，当与实际情况作比较时，有可能出现误差大的情况甚至可能会得到不正确的结论，以至于影响我们对试验结果的判断与分析，以及对实际情况产生不正确的认识。 确定地震模拟信号，首先要明确需要考虑的因素，比如当地的抗震设防烈度，场地类别以及地震加速度等。实际地震过程中，由于各地区环境条件、地质条件均复杂多变，

7、影响因素多而复杂，相应的地震时程曲线就很复杂，很难直接得到场地基岩的地震加速度时程曲线。但是，其时程曲线可以通过三个主要参数来表示，即主要周期、震动历时和最大加速度。另外，根据现有资料和经验公式，也可以对具有相似地质条件的场地基岩的加速度时程曲线进行适当的调整，进而推导出该场地的设计地震加速度时程曲线。本试验输入单向水平地震动力，采用具体参数取值为：地震动时程最大幅值取为0.12g，卓越频率取在1Hz左右。2.1.3试验模型参数计算本次试验用土取自太原市某工程场地液化砂土，由地下水位埋深确定是饱和砂土；模型箱设计的装土高度为480mm，用以模拟地表下 8.64m 内的砂土液化土层；试验用模型桩

8、的设计直径为 35mm，用以模拟实际桩径为 630mm 的桩体。取相似几何比 Kx=1:18，将其代入上述两式，可得：相似时间比：Kt=8.74；相似加速度比：Ka=14.24； 频率：m=8.74； 将原型的地震波加速度幅值除以其相似加速度比，得到振动台输出加速度幅值为0.5088g，设定为 0.51g；将原型的持续时间除以相应的相似比，得到振动持续时间为6.864s，根据振动台在工作时点击振动开始 8s 后振动台的加速度峰值才能达到设定的峰值 0.51g，将振动时间设定为 16s，由于振动时间比较短，无法更清晰地了解液化土在振动过程中的宏观现象以及各个参数的变化情况，再次将振动时间设定为

9、60s；上述已经计算得模型频率为 8.74Hz，故将振动台输出频率调整为 8.74Hz。如下表所示：参数原型值相似比调整输出值设定值加速度0.12g1：4.240.5088g0.51g持续时间60s8.746.864s16s频率1Hz8.748.74Hz8.74Hz2.2传感器本次试验所用三种类型传感器，即孔隙水压力计，土压力盒和加速度传感器。 孔隙水压力计。为保证试验数据的准确性和可靠性，同时也为了保护孔隙水压力计不受损害，延长其使用寿命，传感器在使用时要注意，砂土中的细小颗粒容易将传感器的孔隙水通道堵塞，以致出现测量偏差或损坏传感器，需要在使用前用单层纱布将传感器包裹起来，以保证其正常工作

10、。之后再将其放入清水中静置 24 小时，以赶出其中的气泡，使得测量数据更加准确可靠。 土压力盒。由于土压力盒防水性能不好，需要使用之前，在其表面均匀涂抹一层较薄的防水胶，涂抹至连接线 23cm 处，待晾干后再使用，确保试验过程中水分不易渗入传感器，影响试验的准确性。加速度传感器能直接连接记录与显示仪，简化了测试系统，提高了测试的精度，具有低阻抗输出、抗干扰、噪声小、性价比高等特点。3 试验材料与模型制备3.1 试验用砂3.1.1 模型试验装箱土体本次试验所用土体取自福州某工地施工现场，所取土为可液化土-细砂。取的土体含有较大的粗颗粒及杂质，需对其进行处理。首先将土体进行晾晒，然后用孔径为 2m

11、m 的土工筛筛除其中的粗颗粒及杂质，再将土体反复搅拌，保证试验所用土体的均匀性，从而保证试验的科学性和可靠性。3.1.2 碎石桩体材料碎石桩桩体材料取自太原市汾河柴村桥附近的河漫滩。为保证试验的准确度和可靠度，首先将取得的碎石进行杂质处理，即将碎石中的树叶、枯草、垃圾等捡出来；然后用清水对碎石清洗，将其中的泥土清洗干净；最后用土工筛对其进行筛选，具体做法是用孔径为 5mm 与 1mm 的土工筛筛选出孔径 1mm 至 5mm 之间的碎石，并将其妥善保存起来，留待制作碎石桩时使用。3.2 模型箱制作3.2.1 模型箱类型天然地基是没有边界限制的，这是模型试验所无法模拟的。为了尽可能使模型与原型相似

12、，对模型箱的制作提出了几个关键性的要求：首先，模型箱要有足够的强度和刚度，保证模型箱在振动过程中以及在土体侧向压力的作用下不至于发生剪切破坏；其次，模型箱与土体在振动过程中可能发生共振现象，应该避免这种情况的发生，以免模型箱发生破坏，同时也避免影响试验结果；此外，在试验过程中，模型箱中的土体会受到箱壁的约束，其变形受到限制，同时，波的反射和散射都会对试验产生一定的影响，这就是“模型箱效应”，在制作过程中要最大限度地减小这种效应的影响；另外，要正确模拟土的剪切变形。3.2.2 模型箱制作本次试验采用的模型箱属刚性模型土箱，由刘建君师兄制作。该模型箱的断面形状为矩形，材料选用有机玻璃，箱体外边缘尺

13、寸为 540mm×400mm×750mm，有机玻璃壁厚 1cm，质量密度为 1.21g/cm3，制作时先将有机玻璃用防水强力胶粘结起来，为了保证模型箱在振动过程中有足够的强度和刚度，在模型箱箱体周围做套箍加筋处理。同时，考虑到箱内土体静置排水与土体饱和以及在振动过程中的排水条件，故在箱体两个纵向侧壁上沿着底边向上每隔 50mm 钻直径为3mm 的孔洞，并用一根棉线穿过孔洞用以引导水流，并在模型箱下部两侧各设置一个引流槽，防止水流到振动台。另外，为避免棉线顺水脱落，须将在箱内的棉线部分打结，另一端自然垂于引水槽上。模型箱制作好之后，将土工布粘贴在模型箱底部来增大土体与模型箱底

14、面的摩擦，防止振动过程中底板与土体发生相对滑移。最后用螺丝将模型箱固定在水平滑台上。3.2.3 模型箱边界处理刚性模型箱由于其边界刚度比较大，不仅对入射波的反射较强，也对试验结果的影响较大。为了减小刚性模型箱在试验过程产生的振动过程中由刚性边界产生的反射波。同时，需要注意的是，柔性材料的粘贴数量要合适，如果柔性材料粘贴过多，则导致模型箱边界过于柔软，模型箱内土体可能会发生弯曲变形，如果柔性材料粘贴过少，则达不到消除“模型箱效应”的目的。本次试验拟采用泡沫垫层作为柔性材料来消减“模型箱效应”，具体在粘贴时注意将其折叠为两层并粘贴在模型箱振动方向的两个内壁上。3.3 试验用桩制备本次试验加固液化土

15、的两种类型桩为水泥土桩与碎石桩，下面具体介绍桩体的制备方法。3.3.1 水泥土桩制备 水泥土桩的制作工艺比较复杂，为保证试验的顺利进行，需提前做好试验用水泥土桩。模型桩制作时用到的模具比较多，PVC管材是最常用到的模具。考虑到水泥土的强度不是很大，在拆模的过程中很容易发生折断现象，而且 PVC 管材与水泥土桩易粘结造成拆模比较困难，参考刘建君制作水泥土桩的经验，预先在牛皮纸上粘贴一层玻璃贴纸，再将其卷成直筒，这样一来，水泥土桩在拆模时就比较方便，玻璃贴纸起到了防水、不破漏的作用。同时，为避免发生鼓胀、“大肚子”现象，外套用 PVC 管材。水泥土桩主要材料水泥、砂土和水。水泥的类型选用普通硅酸盐

16、水泥，标号为42.5R。砂土选用试验用砂。参考实际工程，制作水泥土桩的水泥掺入量为 15%时效果较好，故本次试验选用15%的水泥掺入量。根据建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002），当用水泥浆作固化剂时，水灰比宜为 0.450.55，本次试验取水灰比为 0.5。具体的制作过程如下： （1）选用比设计桩径较大规格的 PVC 管材，用游标卡尺测得 PVC 管材的内径，管材内径与桩体设计直径之间的差值可以用牛皮纸筒的厚度来补充，并根据这一差值确定所需牛皮纸的层数（注：牛皮纸要事先粘贴一层玻璃贴纸）；（2）按照桩的设计长度（桩长为 420mm）将 PVC 管材切割成一段段的圆管，然后沿着管材的直径

17、方向将其一侧全部切开，另一侧只需切割管材的两个端部，保留管材中间的部分。这种做法是为了使拆模方便，避免桩体在拆模时发生断裂现象；（3）将牛皮纸制成直筒状，为保证水泥土桩桩径的大小，可将其缠绕在外径为35mm 的钢管上，并缠绕两圈，这样双层牛皮纸直筒模具就制作完成，制作好的模具（注意牛皮纸直筒长度要略微大于 PVC 管材的长度，避免水泥砂浆在灌注溢出管外）； （4）将制作好的牛皮纸直筒套入 PVC 管材，并用胶带沿 PVC 管材外侧紧紧缠绕，避免模具在灌浆后被浆体撑开； （5）按照上述确定的水灰比、水泥掺入量确定单批次各材料用量，即水泥 3000g，水 1500g，砂土 450g。然后分批次配比

18、、拌合水泥土浆（注意灌浆时间不能过长，否则会造成水分的流失和水灰比的变化）； （6）将拌合好的水泥土浆灌入模具中，每次灌入少许，边灌注边振捣，将浆体中的气泡赶出，保证桩体的密实度； （7）注浆完成后，将其洒水养护 7d，养护期间每隔 12h 喷水一次； （8）将桩体养护 7d 后可以进行拆模。拆模时，沿着 PVC 管材的切割缝隙用刀片割开胶带，然后用手小心将管材向两侧掰开，将桩体轻轻推出即可； （9）取出的模型桩需在标准条件下养护至28d。养护期间，牛皮纸和玻璃贴纸因在水中养护能自然脱落或轻易被撕掉并保证不会对桩体造成损害。3.3.2 碎石桩制备碎石桩是散体桩，不能提前制作，应在模型箱装土时同

19、时进行。本次试验模拟振冲法来制作碎石桩。碎石桩加固模型制备方法如下：（1）将处理好的碎石桩材料取出，将其晾晒以后再进行使用；（2）本次试验模拟实际工程振冲法制作碎石桩，但用钢管桩预埋在碎石桩的位置达到预留孔洞的目的。为避免装土过程中砂土进入钢管桩内部，影响所制作的碎石桩的质量，要对钢管桩端部做必要的处理，即在钢管桩预埋之前用胶带将钢管桩的上端封闭，待砂土装箱完成后，将胶带撕掉即可。（注：钢管桩桩长 42cm，外径35mm，壁厚3mm，内径为 29mm。） （3）采用分层的方法对砂土进行装箱，先在模型箱内装入 50mm 厚的砂土，然后将其铺平、压实以及表面刷毛，为避免砂土从钢管桩底部进入到桩体内

20、部，影响碎石桩的制作质量，须在碎石桩的位置上各放一块比桩截面面积大两倍的砂布。 （4）砂土装箱时随时注意传感器的埋设位置，及时将传感器埋入设计位置，并注意各类传感器的埋设方向。（5）当砂土装箱完成后，即可制作碎石桩。为使碎石能顺利注入钢管桩内部，用矿泉水瓶制作成一个简易漏斗将其导入。（6）为保证碎石桩的密实度并起到挤密土体的作用，在将碎石灌入钢管桩内部的同时，要用工具对已灌入碎石进行振捣。3.4 试验模型本次试验模型拟做 6 组。组数试验组名所用传感器第一组未加固土压力盒、孔隙水压力计、加速度传感器第二组单根碎石桩加固土压力盒、孔隙水压力计、加速度传感器第三组单根水泥土桩加固土压力盒、孔隙水压

21、力计、加速度传感器第四组四根碎石桩加固土压力盒、孔隙水压力计、加速度传感器第五组四根水泥土桩加固土压力盒、孔隙水压力计、加速度传感器第六组水泥土桩与碎石桩复合加固土压力盒、孔隙水压力计、加速度传感器3.5 试验模型制备本次试验所用的土体经过清洗、晾晒、筛选处理后，已成为扰动土，在模型制备时要注意：试验土样尽量充分饱和；试验土样内部基本均匀；控制土样干密度。3.5.1 未加固地基模型制备 未加固地基模型的制备工作主要从两方面入手，即试验用砂的填注和传感器的埋设。本次试验采用干装法制备试验用模型土体。砂土装箱采用分层填注、分层压实的方法，试验土体设计装填高度为 47cm，分 8 层进行填注，底层装

22、填高度为5cm，以上土体装填高度均为 6cm，分 7 层填注。装填土体的干密度控制在 1.4g/cm3，干砂总质量为130.02kg（由模型箱尺寸及装土设计高度求得），则每层需填装 16.598kg 的砂土。注意，每层土体经压实后要将其表面刷毛，再进行下一层土体的填装，保证相邻土层在接触面处能够结合良好，防止相邻土层在振动过程中发生相对滑动，影响试验结果。传感器埋设主要是孔隙水压力计、土压力盒及加速度传感器的埋设，埋设深度分别为 12cm，24cm，36cm。孔隙水压力计埋设时要注意埋设方向要平行于振动方向，土压力盒埋设时要注意其受压力面要与土体表面垂直且与振动方向垂直，加速度传感器在埋设时要

23、平行于振动方向。传感器在埋设时为避免发生移位现象，可先在传感器埋设位置刨一个小坑将其埋入，再用砂土覆盖固定。传感器导线应尽量以最短距离且沿着模型箱内壁接到箱外，以免因导线使土体内部形成架空现象，影响试验的可靠性。由于孔隙水压力计与土压力盒输出的是电荷信号，在与数据采集仪连接时要先连接桥式电路将信号进行转换；加速度传感器内部已经有转换信号的装置，可将其直接与数据采集仪连接即可。 填装土完成后，静置饱和处理，先在土体表面铺垫双层土工布，避免表面土体被水流冲刷破坏，然后向模型箱内缓慢注水，并直到最底层排水孔有少许水沿着棉线流出，不间断的洒水，模型静置 48 小时，直到土体饱和度达到 80%-90%，再进行振动台试验。传感器的埋设对应关系表传感器通道编号埋设深度孔隙水压力计1187#36cm2183#24cm3198#12cm土压力盒42#36cm54#24cm加速度传感器6a#12cm7b#24cm8c#36cm 3.5.2 单根碎石桩加固地基模型制备砂