碎石長樁與水泥土短樁復合加固液化土的孔壓比變化規(guī)律探討

劉 峰，牛琪瑛，劉建君

（太原理工大學 建筑與土木工程學院，太原030024）

一直以來，砂土液化是工程界關注和研究的熱點，許多專家和學者對采用性質相同的擠密碎石樁加固地基，改善液化地基土，提高其抗液化能力作了較多的研究。目前實際工程中有采用水泥土樁加固液化土，但對加固機理的探討極少。筆者依托國家自然科學基金資助項目“樁體加固液化砂土作用機理的試驗研究”（項目號50578104），使用兩種性質不同的碎石長樁與水泥土短樁復合來加固液化土，研究其孔壓比、土壓力的變化規(guī)律，分析提高其抗液化能力的因素，為今后的實際工程應用提供依據(jù)。

1 振動臺模型試驗

1．1 試驗儀器組成

本次試驗采用了太原理工大學力學試驗室的DYS－1000－8－08電動振動試驗系統(tǒng)（蘇州試驗儀器總廠生產(chǎn)）。此試驗系統(tǒng)由DY－1000電動臺、SA2－8開關功率放大器、SC－0808水平振動滑臺以及振動控制儀等組成。振動臺采用電磁式的激振方式，輸出的波形為正弦波，額定位移為51mm，額定荷載為300kg，頻率在1～2 000Hz。

1．2 模型箱制作

本試驗所用的模型箱［1－2］箱壁 采用1cm 厚，質量密度為1．21g／cm3的有機玻璃制成，模型箱的箱體尺寸為540mm×400mm×750mm，用防水強力膠粘結后，做套箍加筋處理，以保證試驗振動中有足夠的強度。同時在箱體兩縱向側壁上沿底邊向上間隔50mm留直徑為3mm的孔洞，并用棉線穿過孔洞來確保滿足土體在固結排水及振動過程中排水的條件。

1．3 試驗材料

本次試驗選取細砂為試驗土體，該土是從太原市南中環(huán)橋橋西，汾河西岸邊的某住宅小區(qū)施工現(xiàn)場取得，所取土為基坑開挖液化場地土。根據(jù)《土工試驗規(guī)程》（GB／T 50123－1999）所規(guī)定內容［3］，經(jīng)過測定，土樣定名為細砂。

碎石樁的材料是從汾河柴村橋下干涸的河床取得，用孔徑為5mm土工篩和孔徑為1mm土工篩對取回土樣進行處理，并保留中間的留存部分。將篩選出的1～5mm碎石在清水中清洗，去除混雜的土粒、泥塊等，從而保證所制成的碎石樁有足夠的強度和密實度。水泥土樁的材料為水泥、水和砂土，水泥采用標號為C42．5R的普通硅酸鹽水泥，依照工程實踐［4］，水泥的使用量為被加固土重的7%～20%，根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79－2002）［5］，本試驗水灰比采用0．5。

2 試驗過程

2．1 宏觀表現(xiàn)

2．1．1 未加固的土體

按照干裝法制作地基模型［6］，土體裝箱時分8層填裝，除底層厚為5cm以外，其余各層均為6 cm，故每層需填裝18．55kg的砂土，填裝過程中每層土都必須夯實，以保證箱內土體均勻。另外，孔隙水壓力計的埋設要與樁體加固試驗的位置相對應。在土體填裝完成后，先用雙層土工布鋪墊，向模型箱內緩慢注水，直到土體不再吸水為止，將其靜置約48h，使土體緩慢達到飽和。

振動開始前，模型地基土體表面平整，土體雖濕但不光滑。振動開始后，土體出現(xiàn)橡皮泥和稀泥狀，可明顯看到液化現(xiàn)象。振動停止后，在箱內兩橫邊處鼓包現(xiàn)象明顯，并伴有大量帶有泥沙的水涌出，土體表面聚集了較多渾濁的水，如圖1所示。

圖1 未加固模型地基振動前后宏觀現(xiàn)象

2．1．2 加固的土體

碎石長樁與水泥土短樁復合加固的布樁采用三角型方式，模型中樁體數(shù)量為9根，其中碎石長樁5根，水泥土短樁4根，樁間距為3倍樁徑，長樁長為12倍樁徑，短樁長為6．9倍樁徑?？紫端畨毫τ嬔b在土體表面下12cm處，24cm處和36cm處。土體填裝完成后，開始裝碎石樁，最后向模型內加水，并靜置48h。

振動開始前，碎石樁樁頂與水泥土樁樁頂處于同一高度，地基土土體表面平整。振動開始后，碎石樁稍稍下降，并有大量渾濁的水冒出。振動停止后，仍有水從碎石樁處冒出，過一會兒，土體被這些水淹沒，如圖2所示。

2．2 孔隙水壓力

2．2．1 未加固的土體

根據(jù)儀器檢測，未加固的土體在12cm處，24 cm處和36cm處的孔隙水壓力如圖3所示。

2．2．2 加固的土體

根據(jù)儀器檢測，加固的土體在12cm處，24cm處和36cm處的孔隙水壓力如圖4所示。

孔壓比是指超靜孔隙水壓力與初始有效應力之比（初始有效應力即由公式P0＝γz計算），根據(jù)孔隙水壓力數(shù)據(jù)可計算出孔壓比數(shù)值［7］。

圖2 碎石長樁與水泥土短樁復合加固地基振動中及振動前后宏觀現(xiàn)象

圖3 未加固不同埋深超靜孔隙水壓力時程圖

圖4 碎石長樁與水泥土短樁復合加固不同埋深超靜孔隙水壓力時程圖

3 試驗結果分析

3．1 模型中加固地基與未加固地基的孔壓比變化

從圖5中可以看出，12cm處未加固與加固的地基孔壓比的變化，未加固和加固的地基的孔壓比在峰值處十分接近。在振動加載結束后，未加固和加固的地基都有下降的趨勢，未加固的地基的孔壓比都在1以上，而加固的地基孔壓比下降到1以下。

從圖6中可以看出，24cm處未加固與加固的地基孔壓比的變化，加載開始后，孔壓比都迅速上升，但未加固的地基比加固的地基孔壓比大。在振動結束后，未加固的地基孔壓比有小幅度的下降，之后基本不變。而加固的地基的孔壓比不斷下降。

圖5 12cm處的孔壓比時程曲線

圖6 24cm處的孔壓比時程曲線

從圖7中可知，36cm處未加固地基與加固地基的孔壓比有差別。在振動開始后，未加固地基的孔壓比迅速上升，并達到峰值1．2左右，而加固地基的孔壓比峰值在0．8～0．9。振動結束后，未加固的地基孔壓比在繼續(xù)振動中有稍微的減小，加固地基的孔壓比在20s后的時程曲線呈下滑趨勢。

圖7 36cm處的孔壓比時程曲線

3．2 模型中加固地基與未加固地基的土壓力

根據(jù)試驗中測得的數(shù)據(jù)可以繪制出砂土在振動過程中的土壓力圖。

由圖8可知，在埋深12cm處，未加固地基的土壓力峰值為85，復合加固地基的土壓力峰值為105；在埋深為24cm處，未加固地基的土壓力峰值為150，而加固地基的土壓力最大值為210；在埋深為36cm處，只有未加固地基的土壓力，而用碎石長樁與水泥土短樁復合加固的地基的土壓力無法測得。在不同深度的地基中，加固地基的土壓力最大值比未加固地基的土壓力最大值要大，說明用碎石長樁與水泥土短樁復合加固后能提高土地的強度，增強地基的承載力。

圖8 土壓力峰值圖

4 結論

通過上述的幾組試驗數(shù)據(jù)和加固與未加固的地基孔壓比時程曲線變化分析，可以得出以下結論。

1）無論在淺層還是在深層，未加固地基的孔壓比都大于1，且比用碎石長樁與水泥土短樁復合加固的地基孔壓比大，由此可以看出土體發(fā)生了整體液化。

2）碎石長樁與水泥土短樁復合能夠明顯增加土體對樁的約束力，減小樁的沉降，從整體上提高土體的強度，從而提高地基的承載力，起到加固地基的作用。

3）無論在淺層還是在深層，碎石長樁與水泥土短樁復合加固地基都能夠很好地消散孔隙水，從而使得孔壓比隨著振動不斷下降，能夠起到很好地抑制土體液化發(fā)生和消減液化的作用。

［1］ 楊慶陶．樁體加固液化砂土的振動臺試驗研究［D］．太原：太原理工大學，2008．

［2］ 閆衛(wèi)澤．散體材料砂樁加固液化砂土的振動臺試驗研究［D］．太原：太原理工大學，2007．

［3］ GB／T 50123－1999．土工試驗方法標準［S］．北京：中國計劃出版社，1999．

［4］ 龔曉南．地基處理手冊（第三版）［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008．

［5］ JGJ79－2002．建筑地基處理技術規(guī)范［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003．

［6］ 閆衛(wèi)澤，牛琪瑛，楊慶陶．復合地基抗液化振動臺試驗中模型的制備［J］．山西建筑，2007，33（4）：89－90．

［7］ 劉建君．多元復合樁加固液化土模型的振動臺試驗研究［D］．太原：太原理工大學，2012．