孟加拉吉大港盾構(gòu)隧道碎石樁液化處置效果評價

拓勇飛，陳必光，舒 恒，李秀娟，趙先宇，肖 黎

(1. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056；2. 武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072；3. 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

場地地震液化是造成地下管線結(jié)構(gòu)主要危害之一[1]。孟加拉卡納普里河底隧道項(xiàng)目是中國對外修建的第一座水下盾構(gòu)隧道，該地區(qū)地震活動強(qiáng)度較大，隧道沿線潛在地震液化問題。對可能發(fā)生地震液化的場地提出經(jīng)濟(jì)合理的抗液化措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

常見的抗液化措施有碎石樁、強(qiáng)夯、壓重、換填等[2,3]。其中，最有效最經(jīng)濟(jì)的措施之一是碎石樁法[4]。 Seed和 Booker[5]提出碎石樁半徑和樁距會影響其排水效應(yīng)，并通過試驗(yàn)證明了當(dāng)碎石樁半徑與一半樁距的比值為0.25時，砂土地基不會發(fā)生液化；徐志英[6]認(rèn)為在地震期間，碎石樁進(jìn)行徑向和豎向排水同時進(jìn)行，并提出了同時考慮兩個方向作用的地震期間碎石樁復(fù)合地基孔壓產(chǎn)生、積累和消散的控制方程。劉松玉等[7]、高彥斌[8]等研究了碎石樁的加密效應(yīng)。Baez[9]首先提出碎石樁復(fù)合地基的減震作用是由于剪應(yīng)力的重分布。地震剪應(yīng)力將集中在剛度較大的碎石樁上，使得樁間土承擔(dān)的地震剪應(yīng)力減小。鄭建國[10]通過測量在振動荷載作用下未加固和碎石樁加固地基的地面振動加速度值，證明了碎石樁的減震效應(yīng)。

數(shù)值分析是進(jìn)行地基液化處置效果評價的一種有效方法[11]。比較典型的是美國Seed等[5]，日本Sasaki[12]等對碎石樁加固地基的液化特性進(jìn)行的數(shù)值分析工作。盡管數(shù)值分析方法對液化處置后的復(fù)合地基進(jìn)行了一些假定和簡化[13]，但它可以考慮許多其他方法無法考慮的因素，從而得到更加精確的結(jié)論。

本文以孟加拉卡納普里河底隧道的可液化地基為對象，運(yùn)用FLAC3D程序研究碎石樁復(fù)合地基的抗液化效果，分別建立未加固及碎石樁加固后地基的三維模型進(jìn)行動力反應(yīng)分析，對比碎石樁加固前后地基的超孔壓比，超靜孔隙水壓力及結(jié)構(gòu)的抗浮特性等，分析碎石樁加固方法的有效性，對液化處置方案的效果進(jìn)行評價。

1 液化處置方案

孟加拉卡納普里河底隧道連接卡納普里河?xùn)|西兩岸，穿越卡納普里河段采用盾構(gòu)法施工。隧道總長3 315 m，盾構(gòu)段長2 450 m。由規(guī)范的液化判別結(jié)果，確定隧道東岸TBH60斷面附近為最不利位置，該斷面地層分布如表1所示。其中砂土層3-2，3-6為可能液化層，需要進(jìn)行液化處置。

表1 TBH60斷面地層分布表Tab.1 TBH60 section stratigraphic distribution table

碎石樁處理地震液化的機(jī)理主要有3個方面：①碎石樁有良好的排水效果，可以加速超靜孔隙水壓的消散；②提高碎石樁周圍土體的密實(shí)度；③碎石樁可以承擔(dān)一定的地震剪應(yīng)力，從而減小土體所受剪應(yīng)力。碎石樁處理地震液化的基本過程：首先在地基中成孔，然后將砂、碎石等滲透性好的材料壓密填入孔中，形成豎向密實(shí)樁體，以此防止地基液化。

采用的具體方案如圖1所示，利用碎石樁法處理盾構(gòu)穿越區(qū)及上方的液化層，采用樁直徑1 m，樁間距2 m的梅花樁布置。碎石樁成樁深度20.4 m，實(shí)際摻碎石樁長約18.0 m，進(jìn)入非液化層3.0 m。碎石樁材料參數(shù)見表2。

圖1 碎石樁液化處置示意圖Fig.1 Schematic diagram of liquefaction disposal of gravel pile

材料彈性模量/MPa泊松比滲透系數(shù)/(cm·s-1)孔隙率密度/(kg·m-3)黏聚力/kPa摩擦角碎石樁2050.350.30.42100135

2 數(shù)值模擬過程

利用FLAC 3D軟件分別建立未加固和碎石樁加固后的地基及隧道三維模型，首先進(jìn)行自重應(yīng)力平衡計(jì)算和水壓力平衡計(jì)算，并以此計(jì)算結(jié)果作為隧道地震動力響應(yīng)分析的初始平衡狀態(tài)；然后對地震波進(jìn)行濾波處理和基線校正后，輸入處理后的地震波進(jìn)行地震時程分析；最后分別輸出碎石樁加固前后地基土體的最大超孔壓比云圖、最大超靜孔隙水壓力云圖及結(jié)構(gòu)底部最大超靜孔隙水壓力折線圖進(jìn)行對比分析。

2.1 計(jì)算模型

模型寬度取200 m，深度為100 m，縱向拉伸3 m。土體使用Finn模型，隧道結(jié)構(gòu)采用彈性模型模擬，碎石樁采用Mohr-Coulomb模型模擬。未加固地基及隧道有限差分模型如圖2所示，碎石樁加固后地基及隧道有限差分模型如圖3所示。x軸沿隧道橫向，y軸沿隧道縱向，z軸向上。地震波峰值加速度為0.22g，在x、z兩個方向按x方向∶z方向=1∶0.65同時施加。

圖2 未加固地基及隧道有限差分模型Fig.2 Unfixed foundation and tunnel finite difference model

圖3 碎石樁加固后地基及隧道有限差分模型Fig.3 Finite difference model of foundation and tunnel after gravel pile reinforcement

2.2 最大超孔壓比云圖

超孔壓比的定義為[14]：

(1)

當(dāng)超孔壓比ru=1時，土體完全液化，當(dāng)粉土超孔壓比達(dá)0.68，粉砂土孔壓比達(dá)0.87時，土體開始液化[11, 15]。超孔壓比越大，土體越趨向于液化。因此，可以通過對碎石樁加固前后土體在地震過程中的最大超孔壓比的對比分析，來評價碎石樁的抗液化效果。

土體在地震波施加過程中的最大孔壓比云圖如圖4所示，圖4(a)為液化處置前，圖4(b)為液化處置后。由結(jié)果可知，在液化處置前，土層3-2、3-6發(fā)生液化；在液化處置后，結(jié)構(gòu)周圍及其上方土層最大超孔壓比減小，且砂土層最大超孔壓比均小于1，土體不再液化，液化處置效果良好。土體液化區(qū)指示圖如圖5所示，圖5(a)為液化處置前，圖5(b)為液化處置后。

圖4 最大孔壓比云圖Fig.4 Maximum pore pressure ratio contour

圖5 液化區(qū)指示圖Fig.5 Indicator map of liquefaction zone

2.3 最大超靜孔隙水壓力云圖

土體液化的特征之一是超靜孔隙水壓力的上升，因此，可以通過對碎石樁加固前后土體在地震過程中的最大超靜孔隙水壓力的對比分析，來評價碎石樁的抗液化效果。

土體在地震波施加過程中的最大超靜孔隙水壓力云圖如圖6所示，圖6(a)為液化處置前，圖6(b)為液化處置后。

圖6 最大超靜孔隙水壓力云圖Fig.6 Maximum excess pore water pressure contour

從結(jié)果可知，在液化處置后，結(jié)構(gòu)周圍及其上方土層最大超靜孔隙水壓力減小，液化處置效果良好。

2.4 抗浮特性

通過比較結(jié)構(gòu)底部(如圖1中紅色虛線所示)在動荷載作用時的最大超靜孔隙水壓力，可以分析結(jié)構(gòu)抗浮特性的變化。若最大超靜孔隙水壓力減小，則結(jié)構(gòu)抗浮能力增強(qiáng)。

經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)底部最大超靜孔隙水壓力折線圖如圖7所示，圖7(a)為液化處置前，圖7(b)為液化處置后。液化處置前(最大值：200 kPa；最小值：130 kPa)，液化處置后(最大值：90 kPa；最小值：42 kPa)。

圖7 結(jié)構(gòu)底部最大超靜孔隙水壓力折線圖Fig.7 Maximum excess pore water pressure line chart at the bottom of the structure

液化樁處置后，結(jié)構(gòu)底部最大超靜孔隙水壓力明顯減小，抗浮效果明顯增強(qiáng)。

3 處置效果評價

通過數(shù)值分析對比液化處置前后的土體的超孔壓比分布、超靜孔隙水壓力分布以及隧道結(jié)構(gòu)的抗浮特性，有以下結(jié)論。

(1)碎石樁加固地基前，土層3-2、3-6發(fā)生液化；在液化處置后，結(jié)構(gòu)周圍及其上方土層最大超孔壓比減小，且砂土層最大超孔壓比均小于1，土體不再液化，液化處置效果良好。

(2)碎石樁加固地基后，結(jié)構(gòu)周圍及其上方土層最大超靜孔隙水壓力減小，碎石樁排水效果顯著；

(3)結(jié)構(gòu)抗浮特性提升。碎石樁液化處置前，地震時結(jié)構(gòu)底部最大超靜孔隙水壓力為200 kPa；碎石樁液化處置后，結(jié)構(gòu)底部最大超靜孔隙水壓力為90 kPa。處置前后最大超靜孔隙水壓力下降55%，抗浮特性明顯增強(qiáng)。碎石樁液化處置效果明顯，碎石樁加固地基后，土體不再液化，各方面抗震特性均有效提升。