碎石填芯鋼管樁加固液化土的土壓力分析

牛琪瑛，王菁悅，湯黃俊

（1. 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室和黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)山西省重點實驗室 山西 太原 030006；2.太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

五十多年來，砂土、粉土液化及其加固已成為國內(nèi)外巖土工程界廣泛研究的課題.從 1936年Casagrande[1]最早用“臨界孔隙比”的概念試圖解釋砂土液化開始，到1971年Seed[2]和Idriss[3]提出液化判別的“簡化方法”，再到1975年Martin和Finn[4]提出振動孔隙水壓力模型，國外學(xué)者對其做了大量的研究工作.我國學(xué)者的研究始于上世紀(jì)60年代，汪文韶[5]給出了振動孔隙水壓力與砂土的性狀、排水條件等之間的關(guān)系，提出了初始剪應(yīng)力對液化的影響，開辟了我國砂土液化的研究領(lǐng)域.牛琪瑛等[6-7]進(jìn)行了樁體加固液化砂土振動臺試驗研究，證實了碎石樁孔隙水壓力消散明顯,而水泥土樁模型樁間土孔隙水壓力幾乎沒有變化,并且宏觀可見樁間土出現(xiàn)不同程度的液化現(xiàn)象,由此提出實際工程中采用水泥土樁加固液化土需慎重.國內(nèi)外學(xué)者從不同角度采用不同方法進(jìn)行了一些液化土的樁體分析工作，但大多數(shù)是在靜力條件進(jìn)行的，現(xiàn)行的樁基抗震設(shè)計在很大程度上依賴于靜力條件下的理論和經(jīng)驗，對地震下樁——液化土相互作用機(jī)制問題的理解還不夠，其方法本身缺乏理論根據(jù)，也存在很多不合理的地方.因此，通過模擬地震條件下樁基礎(chǔ)加固液化土層各種模型振動臺試驗，探討影響不同樁基礎(chǔ)加固液化土的一些關(guān)鍵因素具有重要的意義.

目前，碎石樁加固液化土方面已經(jīng)做了大量的研究工作，以碎石樁在砂土內(nèi)會形成良好的排水通道被認(rèn)為是加固液化土最有效的方法，鋼管樁加固土體具有提高復(fù)合地基承載力，增強(qiáng)地基水平抗剪強(qiáng)度等優(yōu)點在地基處理中大量應(yīng)用.通過振動臺試驗，分析不同加固模型在振動過程中超靜孔隙水壓力和土壓力的變化,對比其抗液化特性，研究新型樁體—碎石填芯鋼管樁，既要滿足消散孔隙水壓力又同時增加地基整體豎向承載力.驗證其在實際工程中用于加固液化土是完全可行.

1 試驗儀器

振動臺,主要由 SC-0808液體靜壓水平滑臺、SA2-8功率放大器和DY-1000振動臺體組成.振動臺加速度輸出值為0.51 g，頻率為8.74 Hz，振動臺設(shè)定振動時間為1 min.

土壓力盒，型號為DZ-I，由丹東市三達(dá)儀器廠生產(chǎn)，用于測量土壓力.

孔隙水壓力計，型號為DYS-3，由丹東市三達(dá)儀器廠生產(chǎn)，用于測量超靜孔隙水壓力.

試驗用材料為有機(jī)玻璃的矩形模型箱[11-10]，外邊緣尺寸為550 mm×400 mm×750 mm，壁厚1 cm，質(zhì)量密度1.21 g/cm3，用防水強(qiáng)力膠粘結(jié)各面有機(jī)玻璃并做套箍加固處理.為了滿足試驗振動和砂土固結(jié)排水過程中的排水條件，在兩側(cè)箱體長邊側(cè)壁上設(shè)置直徑3 mm、間隔50 mm的孔洞，孔洞用棉線穿過，使溢出的水能引流到指定位置.

通過幾種材料試驗，反復(fù)比較，在模型箱內(nèi)壁粘設(shè)柔性材料----泡沫塑料來吸收側(cè)向邊界的波以模擬土的邊界，防止在動力試驗中，邊界對土體變形的限制以及波的反射和散射都將對試驗結(jié)果造成影響，即“模型箱效應(yīng)”，本次試驗在振動方向垂直箱體兩側(cè)壁鋪墊一層厚度為12.5 mm海綿，減弱邊界反射波造成的信號干擾及減小邊界條件對試驗數(shù)據(jù)的不利影響.試驗箱底鋪設(shè)粗的土工布，防止土體隨箱體水平方向的位移.試驗箱在箱體四個側(cè)壁的橫縱方向上控制間隔5 cm均勻鉆孔，孔徑1 mm，滿足箱內(nèi)模型土體在自重作用下固結(jié)及振動過程中的排水條件.

試驗用土選擇細(xì)砂，采自太原市南中環(huán)橋西邊,汾河西岸某個住宅小區(qū)的施工現(xiàn)場，指標(biāo)見表1.

表1 試驗砂土顆粒組成Tab.1 Grain composition of sand sample

試驗制備四種土體模型分別為碎石樁加固、鋼管樁加固、碎石和鋼管樁復(fù)合加固、碎石填芯鋼管樁加固地基模型.

碎石填芯鋼管樁在鋼管樁身打孔，孔間距為8cm，對穿打孔，碎石填芯樁的制備與裝土同步進(jìn)行，需在樁體下部放置一塊厚紗布.碎石樁、鋼管樁、碎石填芯鋼管樁在地基模型中均布置9根樁，采用正方形布樁，，碎石和鋼管樁復(fù)合加固地基模型中鋼管樁共5根，正方形的中間布置1根，其余4根布置在4個角落；碎石樁共4根，布置在鋼管樁的中間，樁體布置如圖1所示.

圖1 樁和傳感器平面位置圖Fig.1 The pile and sensor location schematic plan

圖2 傳感器埋設(shè)剖面示意圖Fig.2 Sectional schematic of sensors buried

制備地基模型主要包括埋設(shè)傳感器和裝填試驗用砂兩方面工作.砂土分9層裝填，底層5 cm，其余8層均是6 cm.傳感器的埋設(shè)位置分別為12 cm、24 cm和36 cm，埋設(shè)與裝箱同時進(jìn)行，并且應(yīng)注意在埋設(shè)時，振動方向與孔隙水壓力計的埋設(shè)方向平行，振動方向與土壓力盒的面部垂直，傳感器的固定同時也應(yīng)該注意，其埋設(shè)位置如圖2所示.

2 試驗結(jié)果分析

制作完成四種土體模型后，注水到模型箱內(nèi)，使土體飽和度達(dá)到80 %以上，經(jīng)過48 h靜置后，水平地震動力單向輸入，也就是土體做一維方向上的純剪切運動.武漢地震研究所提供了地震動力波型，振動臺設(shè)定1 min的振動時間，可以更好的了解在振動過程中液化土的現(xiàn)象及內(nèi)部參數(shù)的變化情況.

2.1 不同模型加固的超靜孔隙水壓力變化

原始數(shù)據(jù)由孔隙水壓力計測得后，不同模型加固的不同埋深處的孔隙水壓力時程曲線可整理得到，如圖3.

由圖3可知，碎石樁不同埋深處的超靜孔隙水壓力在振動臺開始加載后都快速增大，隨后出現(xiàn)了快速回落；鋼管樁12 cm的孔隙水壓力曲線總體保持上升趨勢，但是在上升的速度不斷變化，24 cm的超靜孔隙水壓力曲線開始上升速度極快，而后曲線基本保持水平上下小幅度波動；而在很短的時間內(nèi)，碎石樁與鋼管樁復(fù)合加固地基模型不同埋深處超靜孔隙水壓力先上升到峰值，而后開始減小，3.8 kPa、5.8 kPa和5.5 kPa分別為埋深12 cm、24 cm、36 cm處的峰值，碎石填芯鋼管樁埋深12 cm、24 cm、36 cm處的超靜孔隙水壓力走勢大體與碎石樁與鋼管樁復(fù)合加固相似，都是在振動開始后迅速達(dá)到了最大值，緩慢的降低后基本保持不變.

2.2 超靜孔隙水壓力沿埋深變化

四種加固模型不同埋深處超靜孔隙水壓力峰值與振動荷載作用60 s時超靜孔隙水壓力值整理后可得對比曲線，見圖4和圖5.

圖4 超靜孔隙水壓力峰值對比曲線Fig.4 Contrast curve ofpore water pressure peak

圖5 60 s時超靜孔隙水壓力對比曲線Fig.5 Contrast curve of excess pore water pressure value in 60 s

將圖4與圖5對比分析，碎石樁加固地基中孔隙水壓力消散最為明顯，60 s時孔隙水壓力比孔隙水壓力峰值減小了約4 kPa.碎石填芯樁的孔隙水壓力在整個過程中大約減小了2 kPa，隨著碎石的排水通道作用，有效的降低土體中孔隙水壓力，也明顯有效地抑制了土體的液化.而鋼管樁加固地基模型的孔隙水壓力峰值和60 s時孔隙水壓力值沒有太大變化.說明鋼管樁不能消散土體的孔隙水壓力，抑制土體液化的作用并不明顯.鋼管樁與碎石樁復(fù)合加固地基模型因為有碎石樁的參與，超靜孔隙水壓力消散明顯，而碎石樁在振動后成為了排水通道，有效的降低了土體中孔隙水壓力..試驗中土體產(chǎn)生了剪切應(yīng)變，隨著水的排出，土體液化，土的振動造成孔隙水壓力的變化.

2.3 碎石填芯鋼管樁加固模型的土壓力變化

土體在振動過程中的應(yīng)變通過土壓力盒測量到，土壓力值經(jīng)過計算機(jī)換算得到.不同埋深處土壓力時程曲線見圖6.

圖6 碎石填芯鋼管樁加固方式下埋深處土壓力時程曲線Fig.6 Earth pressure time curve in improved soil by gravel filling the core steel tube pilein different depth

由圖6可知，碎石填芯鋼管樁淺層12 cm的土壓力振動后出現(xiàn)了兩次小幅度的波動，隨后土壓力一直在85 kPa上下波動，24 cm的孔隙水壓力峰值過后土壓力值出現(xiàn)回落但是幅度較小，隨后土壓力慢慢的波動增大，36 cm的土壓力曲線在振動結(jié)束時，土壓力一直在80 kPa上下波動.說明碎石填芯鋼管樁能夠?qū)⑼馏w一部分水排出，但是效果沒有碎石樁明顯.土壓力是加固后土體振動變化的，是土的變形造成土壓力的變化.

2.4 土壓力沿埋深變化

四種地基模型不同埋深處除土壓力峰值及60 s時土壓力值對比曲線可由土壓力時程曲線整理得出，見圖7和圖8.

圖7 土壓力峰值對比曲線Fig.7 Contrast curve ofearth pressure peak

圖8 60 s時土壓力對比曲線Fig.8 Contrast curve of earth pressure value in 60 s

從圖7總體來看，碎石樁加固土壓力大于碎石填芯鋼管樁，其次是鋼管樁加固地基，土壓力最小的是碎石與鋼管樁復(fù)合加固地基.由圖8可見，不同埋深處，碎石樁加固地基的土壓力仍然是四條曲線中最大的.碎石樁與碎石填芯鋼管樁加固的土壓力峰值和60 s土壓力值沒有太大的變化.碎石與鋼管樁復(fù)合加固地基的60 s土壓力與其他三種加固方式相比，明顯減小.表明振動過程中，剛性樁體并沒有增大或者減小土壓力的值.而碎石參與的樁體加固模型在振動中隨著孔隙水排出，使得土體變密，強(qiáng)度增強(qiáng).

3 結(jié)論

對四種不同加固模型,整理超靜孔隙水壓力及土壓力曲線，對比得出如下結(jié)論：

（1）鋼管樁加固地基并不能有效的消散土體的孔隙水壓力.鋼管樁與碎石樁復(fù)合加固液化土?？紫端畨毫σ驗橛兴槭瘶兜膮⑴c，超靜孔隙水壓力消散明顯，抑制土體液化趨勢.碎石的排水作用，使得碎石填芯樁具有了碎石樁的抗液化效果.

（2）由每組土壓力時程曲線圖可見，淺層和深層的土壓力較小，中層最大.但碎石樁有時在地震水平荷載作用中，中層發(fā)生錯動，影響碎石排水.碎石填芯樁外部的鋼管避免了此情況，提高了樁體的水平抗剪性能，保證了內(nèi)部碎石穩(wěn)定.

（3）在同一埋深土壓力由小到大排列分別是：鋼管樁與碎石樁復(fù)合加固、鋼管樁加固、碎石填芯樁加固、碎石樁加固.說明碎石在排水的同時，也使得土體強(qiáng)度增大.

（4）在試驗過程中，碎石填芯樁顯現(xiàn)出降低孔隙水壓力，提高土體強(qiáng)度等特點.說明碎石填芯鋼管樁不僅提高地基整體的豎向承載力，也增加地基水平抗剪性能，更能有效的抑制土體的液化.因此實際工程可選擇其加固方式.

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