碎石填芯鋼管樁加固抗液化特性的試驗(yàn)研究

黃　濤,牛琪瑛,湯黃俊

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原 030024)

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碎石填芯鋼管樁加固抗液化特性的試驗(yàn)研究

黃濤,牛琪瑛,湯黃俊

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院,太原 030024)

摘要:為了進(jìn)一步研究碎石填芯鋼管樁加固液化土地基的效果和機(jī)理,制備了鋼管樁、碎石樁及碎石填芯鋼管樁加固三種地基模型,模擬地震荷載,進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，碎石填芯鋼管樁不僅消散了孔隙水壓力,還可以增強(qiáng)土體強(qiáng)度及減小樁體位移,具有良好的加固液化土體的效果。

關(guān)鍵詞:復(fù)合樁加固;振動(dòng)臺(tái);孔隙水壓力;位移;液化土

近幾年來,我國地震頻發(fā),建筑物倒塌嚴(yán)重,造成了難以估量的經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失,其中地震作用下土體液化現(xiàn)象是造成建筑物破壞的主要原因之一[1],因此研究土體液化加固方法,在防震減災(zāi)減少經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失方面,具有十分重要的意義,也是巖土工程研究的重要課題。

為了提高地基的抗液化性能,許多學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究[2-3],目前已經(jīng)發(fā)展了多種可液化地基加固處理方法,如置換、夯實(shí)、擠密、排水、膠結(jié)、加筋和熱學(xué)等。其中分別用碎石樁和鋼管樁加固土體,防止砂土液化變形都取得了一定的成果。碎石樁排水降壓,有效消除孔隙水壓力[4-5],加固可液化砂土,其適用性和有效性已得到廣泛的認(rèn)同,并且碎石樁復(fù)合地基具有技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)、加固效果好、施工方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工程中。但是碎石樁復(fù)合地基的工作機(jī)理十分復(fù)雜,需要考慮碎石樁本身的加密、排水和減震效應(yīng)以及各種效應(yīng)的相互耦合作用。郭英[5]等通過碎石樁加固液化模型土振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究,揭示了加固與未加固液化土隨埋深變化的孔壓比與密實(shí)度的變化規(guī)律,闡明碎石樁加固液化土主要與密實(shí)和排水二因素有關(guān)的加固機(jī)理。張明[6]通過FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行碎石樁復(fù)合地基的數(shù)值模擬指出,碎石樁排水效果良好,抗液化效果明顯,從數(shù)值模擬方面印證了碎石樁復(fù)合地基的抗液化效果。鋼管樁剛性好,抗彎、抗剪能力強(qiáng),在處理地基[7-8]不均勻沉降,提高地基承載力方面的技術(shù)和理論也相當(dāng)成熟。孫會(huì)方[9]等通過工程實(shí)例論證了鋼管樁在復(fù)合地基中的可應(yīng)用性,并對(duì)鋼管樁在復(fù)合地基中的作用機(jī)理進(jìn)行了探討,還對(duì)鋼管樁復(fù)合地基的承載力計(jì)算進(jìn)行了研究。鄭俊杰[10]等通過開展鋼管樁與砂樁多元復(fù)合地基室內(nèi)靜載試驗(yàn),表明當(dāng)處理粉細(xì)砂類土?xí)r, 鋼管樁與砂樁多元復(fù)合地基明顯優(yōu)于砂樁復(fù)合地基。

綜上所述,現(xiàn)在的研究成果大多是基于碎石樁和鋼管樁的單一樁型的加固液化土體的試驗(yàn)研究,而采用一種兼顧碎石樁和鋼管樁優(yōu)點(diǎn)的樁體,即碎石填芯鋼管樁加固液化土體效果的研究[11]還很少,開展碎石填芯鋼管樁加固液化土的研究有很重大的意義。因此,本研究在借鑒已有研究成果的基礎(chǔ)上,研究碎石填芯鋼管樁加固液化土體效果,分析孔隙水壓力消散和地基位移變形等,探究其加固機(jī)理,為今后工程設(shè)計(jì)提供一些有益參考。

1試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)在太原理工大學(xué)力學(xué)試驗(yàn)室完成,采用的主要設(shè)備有振動(dòng)臺(tái)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與傳感器。試驗(yàn)所采用振動(dòng)系統(tǒng)是蘇州實(shí)驗(yàn)儀器總廠生產(chǎn)的DYS-1000-8-08電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為江蘇東華測(cè)試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DH5922,共有8個(gè)信號(hào)采集通道。兩種采集數(shù)據(jù)傳感器:孔隙水壓力計(jì)(型號(hào)為DYS-3)購買于丹東市三達(dá)儀器廠。位移計(jì)(型號(hào)為KMP-75 mm-R)是從深圳市邁恩傳感器科技有限公司購買。

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)所用模型箱為矩形的模型箱[12-14]。材料采用有機(jī)玻璃。模型箱壁厚為10 mm,外邊緣的長(zhǎng)、寬、高尺寸分別為550 mm，400 mm，750 mm .

試驗(yàn)用土細(xì)砂取自太原市南中環(huán)橋西邊,汾河西岸某個(gè)住宅小區(qū)的施工現(xiàn)場(chǎng)。土體取回后用2 mm的土工篩去除粗顆粒及雜質(zhì),剩余土體需要經(jīng)過多次的均勻攪拌和晾曬后方可作為實(shí)驗(yàn)土體。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(GB/T50123-1999)[15]規(guī)定,經(jīng)過篩選法分析后,土樣的定名為細(xì)砂，其顆粒組成如表1所示。

表1　試驗(yàn)砂土顆粒組成

2試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c樁的布置

試驗(yàn)制備鋼管樁、碎石樁、碎石填芯鋼管樁分別加固的3種土體模型。

鋼管在五金店購買,長(zhǎng)度為42 cm,外管徑為35 mm,內(nèi)管徑為29 mm,管壁厚度為1.5 mm,并以孔距為8 cm對(duì)穿打孔;碎石樁采用振沖法制作。9根樁呈正方形布置,樁間距110 mm,角樁距模型箱長(zhǎng)邊80 mm,角樁距短邊150 mm。

裝箱控制砂土的干密度為1.36 g/cm3,模型箱內(nèi)總高度47 cm,分8層填裝?？紫端畨毫τ?jì)埋設(shè)在土體表面以下埋深12,24,36 cm,方向平行于振動(dòng)方向。將雙層土工布鋪設(shè)在砂土表面后,向模型箱內(nèi)緩慢注水。土體靜置48 h[16],排氣飽和達(dá)到試驗(yàn)要求飽和度。之后把位移計(jì)固定在樁體上端，見圖1所示。

圖1　傳感器位置圖Fig.1　Sensor location schematic

三種土體模型分別制作完成后,輸入水平地震動(dòng)力,地震的卓越頻率約為1 Hz,地震時(shí)程最大幅值為0.12g,振動(dòng)臺(tái)加速度輸出值為0.51g,振動(dòng)頻率8.74 Hz，震動(dòng)時(shí)間為60 s[17].

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1不同加固模型的超靜孔隙水壓力的變化

圖2　不同加固方式下不同埋深處超靜孔隙水壓力時(shí)程曲線Fig.2　Excess pore water pressure time curve in improved soil by different ways in different depths

圖2為通過孔隙水壓力計(jì)測(cè)量得到的不同加固模型不同埋深處的超靜孔隙水壓力變化曲線。對(duì)比圖2-a，2-b，2-c可以看出：振動(dòng)開始后,鋼管樁加固地基模型超靜孔隙水壓力逐漸上升到峰值,保持不變,峰值在埋深12，24，36 cm處，分別為6.5，8，9 kPa;碎石樁加固和碎石填芯鋼管樁加固地基模型超靜孔隙水壓力快速上升到峰值,隨后減小,峰值在12，24，36 m處，分別為4.8，5.0，5.2，5.4，6.5，6.5 kPa,均小于鋼管樁加固地基模型。振動(dòng)結(jié)束時(shí),鋼管樁加固模型超靜孔隙水壓力接近峰值;碎石樁加固模型超靜孔隙水壓力在埋深12，24，36 cm處，分別下降到1.3，2.0，2.2 kPa,還有繼續(xù)下降的趨勢(shì);碎石填芯鋼管樁加固模型在相同埋深處的超靜孔隙水壓力分別下降到2.6，3.5，3.7 kPa,趨于穩(wěn)定。這充分說明碎石樁加固模型和碎石填芯鋼管樁加固模型可以有效地消散超靜孔隙水壓力。

3.2超靜孔隙水壓力沿埋深變化

圖3-a，3-b為不同加固模型不同埋深處的超靜孔隙水壓力峰值和60 s時(shí)超靜孔隙水壓力值?？梢悦黠@看出,兩圖中鋼管樁加固的峰值曲線和60 s時(shí)的數(shù)值曲線比較相似,超靜孔隙水壓力值比較接近;碎石樁加固模型和碎石填芯鋼管樁加固模型不同埋深處超靜孔隙水壓力的峰值和60 s時(shí)的值都比鋼管樁加固模型要小。這是因?yàn)?振動(dòng)荷載作用下,超靜孔隙水壓力消散,60 s時(shí)的值相對(duì)于峰值降低,其中碎石樁加固模型最小,低于1/2峰值。表明碎石樁加固模型和碎石填芯鋼管樁加固模型能有效地消散超靜孔隙水壓力。

a-超靜孔隙水壓力峰值對(duì)比曲線 a-Contrast curve of excess pore water pressure peak

b-60 s時(shí)超靜孔隙水壓力數(shù)值對(duì)比曲線b-Contrast curve of excess porewater pressure value in 60 s圖3　超靜孔隙水壓曲線Fig.3　Curve of excess pore water pressure

3.3不同加固模型的樁體水平位移變化

圖4為通過位移計(jì)測(cè)量得到的土體在振動(dòng)過程中的碎石填芯鋼管樁樁頂位移的時(shí)程曲線,3種不同加固模型的位移時(shí)程曲線的大致形狀相同,都是呈現(xiàn)上下正負(fù)位移波動(dòng),隨著振動(dòng)時(shí)間持續(xù),樁頂水平位移也慢慢增大,并且位移時(shí)程曲線也出現(xiàn)了整體的偏移現(xiàn)象。

圖4　不同加固方式下樁體位移時(shí)程曲線圖Fig.4　Displacement curve of pile by different ways

圖5　樁體位移曲線圖Fig.5　Displacement curve of piles

圖5為不同加固形式下樁體的位移峰值柱狀圖,可見,振動(dòng)60 s后,碎石樁、鋼管樁及碎石填芯鋼管樁加固3種不同地基模型的樁體位移呈現(xiàn)依次遞減的現(xiàn)象,碎石樁加固地基模型的土體偏移最大,達(dá)到30 mm;鋼管樁加固地基模型的樁體位移減小到16 mm,而碎石填芯鋼管樁加固地基模型的樁體位移最小,只有10 mm .這是因?yàn)?碎石樁加固模型中液化土體對(duì)樁體的束縛力極低,隨著水的排出,樁體與土體一起變形,水平位移最大;鋼管樁加固分割土體,增大樁土之間的摩擦力,抑制一定變形;碎石填芯鋼管樁中通過碎石排水,使得土體變密,鋼管樁約束,對(duì)土體起到隔柵作用,樁體與土體之間摩擦抑制變形,解釋了碎石填芯鋼管樁位移最小的機(jī)理。

4結(jié)論

1) 碎石樁加固地基和碎石填芯樁加固地基的孔隙水壓力達(dá)到峰值后都出現(xiàn)了減小,鋼管樁加固地基保持不變,說明碎石樁與碎石填芯樁具有排水的作用,而鋼管樁加固地基不能有效消散孔隙水壓力。同一埋深處,孔隙水壓力由小到大排列分別是:碎石樁加固、碎石填芯樁加固、鋼管樁加固。

2) 三種加固模型的孔隙水壓力達(dá)到峰值時(shí),鋼管樁加固地基和碎石填芯樁加固地基曲線相似;孔隙水壓力趨于穩(wěn)定時(shí),碎石樁加固地基和碎石填芯樁加固地基曲線相似。說明碎石填芯樁加固地基在孔隙水壓力達(dá)到峰值時(shí)鋼管起主要作用,在孔隙水壓力趨于穩(wěn)定時(shí)碎石起主要作用。

3) 碎石樁加固地基的水平位移最大,其次是鋼管樁加固地基,最后是碎石填芯樁加固地基。說明碎石樁雖然能有效消散孔隙水壓力,但是不能限制樁體位移。鋼管樁因?yàn)槭莿傂詷扼w,能夠約束樁間土體的變形,并減小樁體的位移,碎石填芯樁的抗液化效果是由鋼管樁和樁內(nèi)碎石共同作用的結(jié)果,碎石排水起到一定的作用。

4) 碎石填芯鋼管樁加固土體,不僅能夠有效地抑制土體的液化降低孔隙水壓力,還能減小位移,提高土體整體強(qiáng)度,增加地基水平抗剪性能。說明碎石填芯鋼管樁使碎石樁與鋼管樁的特點(diǎn)互補(bǔ),是一種加固液化土地基效果較好的新型樁。參考文獻(xiàn)：

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(編輯：賈麗紅)

Study on Anti-liquefaction Characteristics of Gravel-filled-steel Tube Pile in Reinforcement Experiment

HUANG Tao,NIU Qiying,TANG Huangjun

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

Abstract:To make further study on the effect and mechanism of the gravel-filled-steel tubular pile in liquefied soil foundation reinforcement，three models, including steel pipe pile composite reinforcement,gravel pile composite reinforcement and gravel-filled-steel tubular pile composite reinforcement,were prepared to conduct shaking table test. The results show that the gravel-filled-steel tubular pile dissipated pore-water pressure,increased soil strength and reduced pile displacement. It turns out to be that gravel-filled-steel tubular pile produces good results in reinforcing liquefying of soil.

Key words:composite pile reinforcement;shaking table;pore water pressure;displacement;liquescent sand

中圖分類號(hào):TU473.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.01.007

作者簡(jiǎn)介：黃濤(1989-)，男，山西太原人，碩士生，主要從事土的工程性質(zhì)與地基處理方面的研究，(E-mail)834228117@qq.com通訊作者：牛琪瑛，女，教授，(E-mail)niu.qiying@163.com

基金項(xiàng)目：國家青年自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：地震波作用下非飽和土中PHC管樁水平振動(dòng)機(jī)理研究(51408393)；山西省交通科學(xué)研究院開放基金項(xiàng)目(KLTLR-Y13-3)

收稿日期：2015-03-10

文章編號(hào):1007-9432(2016)01-0032-04