群樁加固液化地基的數(shù)值模擬研究

于成勇，曹志剛，王師，梁培新

（1.國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼028000；2.南京工程學(xué)院建工學(xué)院，江蘇 南京211167）

0 引言

高烈度地震作用下飽和粉土地基會(huì)發(fā)生液化，從而導(dǎo)致建筑物的破壞。 根據(jù)相關(guān)地震研究資料，飽和粉土地層液化引起的地基大變形是導(dǎo)致高烈度地區(qū)各種基礎(chǔ)設(shè)施和生命線工程震害的主要原因。 目前對(duì)于單樁加固液化地基的研究成果較多，但是工程實(shí)際中廣泛采用群樁來(lái)進(jìn)行液化地基的加固，因此在單樁研究的基礎(chǔ)上采用有限差分軟件FLAC3D[1]對(duì)剛性排水樁和碎石樁群樁分別進(jìn)行加固液化地基數(shù)值模擬，分析樁徑、樁間距和地震作用對(duì)群樁的抗液化效果及性能的影響，為現(xiàn)實(shí)工程中液化場(chǎng)地的處理提供理論支撐。

1 工程概況

為了滿足高郵地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)電力增長(zhǎng)的不斷需求，改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高供電能力及可靠性，擬建設(shè)高郵220 kV 變電站工程。 站址位于抗震不利地段，而且存在可液化土層，液化等級(jí)嚴(yán)重，依據(jù)GB50011—2010 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 相關(guān)條款，應(yīng)采取必要的抗液化措施。

2 計(jì)算模型

2.1 模型尺寸及計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型的土層分布： 在模型的X 和Y 方向范圍均為20 m。 Z 方向上共四層土，第一、三、四層為非液化土層，厚度分別為3.5 m、4 m、3 m，第二層為液化土層，厚度為4.5 m。模型體系的工程計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

考慮剛性排水樁和碎石樁在動(dòng)力作用下的響應(yīng)。 碎石樁采用樁徑為0.9 m 的圓樁，為了便于有限元網(wǎng)格劃分，用方樁來(lái)代替圓樁。根據(jù)圓樁截面面積選擇方樁樁徑[2]為0.79 m，根據(jù)圓樁截面周長(zhǎng)選擇方樁樁徑為0.71 m， 模型中綜合面積和周長(zhǎng)選擇方樁樁徑為0.75 m。為了便于對(duì)比，剛性排水樁的樁徑也設(shè)置為0.75 m，樁長(zhǎng)15 m，樁頂重物高3 m，用來(lái)模擬路基上面的墊層、路堤等的壓重作用，與單樁布置方式不同，布置四根樁，其中地基頂層中心坐標(biāo)為（0，0，0），如圖1，2 所示。

表1 工程計(jì)算參數(shù)

圖1 模型樁截面示意

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 模型基本假定

在進(jìn)行模型計(jì)算過(guò)程中，須滿足以下四個(gè)基本假定[3]：①土體是完全飽和粉土，且土體中流體的滲透服從達(dá)西定律；②假定土體的壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)皆為常數(shù)，且各向滲透系數(shù)相等；③土體的顆粒、孔隙水具有不可壓縮性；④剛性排水樁和碎石樁的材料屬性選用線彈性。

2.3 邊界條件

動(dòng)力計(jì)算過(guò)程中，為了解決地震加載過(guò)程中波在邊界上的反射問(wèn)題[4]，自由場(chǎng)邊界需要設(shè)置在FLAC3D軟件建立的模型中，然后自由場(chǎng)網(wǎng)格會(huì)在數(shù)值模型的四個(gè)側(cè)面產(chǎn)生，自由場(chǎng)的地震加載情況可以通過(guò)阻尼器與自由場(chǎng)網(wǎng)格在主體網(wǎng)格的側(cè)邊界進(jìn)行耦合來(lái)近似模擬。 自由場(chǎng)邊界如圖3 所示。

圖3 自由場(chǎng)邊界示意

2.4 動(dòng)力輸入

選用頻率為5 Hz、振幅為0.3 g 的正弦波[5]在模型底部輸入， 加速度在2 s 時(shí)達(dá)到最大值0.3 g，持續(xù)到15 s，15～17 s 降至0，輸入總時(shí)間20 s，圖4是底部輸入的加速度時(shí)程。

圖4 輸入加速度時(shí)程

2.5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及對(duì)比分析

為了對(duì)比兩種群樁計(jì)算結(jié)果， 在數(shù)值模型中設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)， 如表2 所示。 監(jiān)測(cè)點(diǎn)用來(lái)監(jiān)測(cè)超孔壓比。 超孔壓比為超靜孔隙水壓力與初始有效應(yīng)力之比，根據(jù)劉茜等[6]將粉砂土超孔壓比0.87 作為液化破壞開(kāi)始的標(biāo)志，孔壓比達(dá)到1 為完全液化的標(biāo)志。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 不同樁徑下群樁模型的超孔壓比

同一位置處不同樁徑群樁超孔壓比時(shí)程曲線如圖5 所示。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

圖5 同一位置處不同樁徑群樁超孔壓比時(shí)程曲線

從圖5（a）可以看出，剛性排水樁在同一位置處樁徑為0.55 m、0.65 m 和0.75 m 的最大超孔壓比均在0.7 左右，且時(shí)程曲線非常相似，在2 s 時(shí)孔壓比達(dá)到最大值，2 s 后逐漸降低，說(shuō)明了碎石樁的排水效應(yīng)與樁徑變化關(guān)系不大。

從圖5（b）可以看出，碎石樁在同一位置處樁徑為0.55 m、0.65 m 和0.75 m 的最大超孔壓比均在0.4 左右，說(shuō)明了樁徑的改變對(duì)剛性排水樁的影響不大。

從圖5（a）、（b）可以看出同一位置處碎石樁的最大超孔壓比相較于剛性排水樁偏小，從而說(shuō)明了在同一位置處碎石樁比剛性排水樁具有更好的抗液化效果。

3.2 不同樁間距下群樁模型的超孔壓比

同一位置處不同樁間距群樁超孔壓比時(shí)程曲線如圖6 所示。

圖6 同一位置處不同樁間距群樁超孔壓比時(shí)程曲線

從圖6（a）可以看出，剛性排水樁樁徑為0.75 m時(shí)，樁間距1D、2D、3D 和4D 處超孔壓比最大值分別為0.35、0.65、0.9 和0.95，這說(shuō)明樁間距為1D 和2D 時(shí)不液化，在3D 和4D 時(shí)發(fā)生液化，樁間距增加的過(guò)程中，其超孔壓比也不斷增大，抗液化效果逐漸減弱。因此，剛性排水樁抗液化有效范圍為2D樁徑。

從圖6 （b） 可以看出， 碎石樁樁徑為0.75 m時(shí)，樁間距1D、2D、3D 和4D 處超孔壓比最大值分別為0.35、0.4、0.65 和0.9，這說(shuō)明樁間距為1D、2D和3D 時(shí)不液化，達(dá)到4D 時(shí)發(fā)生液化。 因此，碎石樁抗液化有效范圍為3D 樁徑。

3.3 不同地震作用下群樁模型的超孔壓比

同一抗震設(shè)防制度不同地震作用下群樁超孔壓比時(shí)程曲線如圖7 所示。

圖7 同一抗震設(shè)防烈度不同地震作用下群樁超孔壓比時(shí)程曲線

從圖7（a）可以看出，在多遇地震作用下，剛性排水樁最大超孔壓比為0.6， 碎石樁最大超孔壓比為0.4， 可見(jiàn)在多遇地震時(shí)碎石樁的超孔壓比小于剛性排水樁，說(shuō)明在多遇地震時(shí)碎石樁的抗液化效果較剛性排水樁顯著。

從圖7（b）可以看出，在設(shè)防地震作用下，剛性排水樁最大超孔壓比為0.7， 碎石樁最大超孔壓比為0.5， 可見(jiàn)在設(shè)防地震時(shí)碎石樁的超孔壓比小于剛性排水樁，說(shuō)明在設(shè)防地震時(shí)碎石樁的抗液化效果較剛性排水樁顯著。

從圖7（c）可以看出，在罕遇地震作用下，剛性排水樁的最大超孔壓比與碎石樁的超孔壓比相差很小，均在0.7 左右，說(shuō)明在罕遇地震時(shí)兩種群樁的抗液化效果接近。

從圖7（a）、（b）、（c）可以看出，同一抗震設(shè)防烈度多遇地震和設(shè)防地震作用下碎石樁的抗液化效果剛性排水樁顯著，在罕遇地震作用下兩種群樁的抗液化效果接近。

4 結(jié)論

（1）剛性排水樁和碎石樁都有良好的抗液化性能。通過(guò)對(duì)兩種群樁在1D、2D、3D 和4D 樁間距下數(shù)值模擬得出剛性排水樁抗液化有效樁間距范圍是2 倍樁徑，碎石樁抗液化有效樁間距范圍是3 倍樁徑。

（2）通過(guò)數(shù)值模擬兩種群樁在0.55 m、0.65 m 和0.75 m 這三種樁徑條件下進(jìn)行抗液化效果對(duì)比，表明剛性排水樁和碎石樁在三種樁徑條件下超孔壓比變化不大，從而得出樁徑的改變對(duì)剛性排水樁和碎石樁的排水效應(yīng)影響不大。

（3） 采用群樁處理液化地基的數(shù)值模擬顯示：在多遇地震和設(shè)防地震作用下碎石樁的抗液化效果比剛性排水樁效果好，在罕遇地震作用下兩者抗液化效果相當(dāng)。