地震作用下抗液化碎石樁參數(shù)研究

金 鑫，黃鵬飛，陳必光，拓勇飛，肖 黎

(1. 武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072；2. 同濟大學土木工程學院，上海 200082；3. 中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，武漢 430056)

1 研究背景

當?shù)卣鸢l(fā)生時，飽和疏松砂土或粉砂土可能會因為排水不暢，孔隙水壓力在動荷載的作用下將急劇上升而不能馬上消散，導致土體抗剪強度降低甚至完全消失，進而發(fā)生液化現(xiàn)象[1, 2]。在近些年發(fā)生的地震中，如2008 年中國汶川地震、2010 年智利Maule 地震[3]、2018年日本北海道地震[4]等都存在大面積的液化現(xiàn)象，造成了大量地面以及地下建筑設(shè)施的破壞和人員傷亡，因此采取有效措施來防治液化現(xiàn)象的發(fā)生十分必要。碎石樁復合地基處理措施憑其顯著的抗液化效果在處理地基液化問題中被廣泛應(yīng)用，自我國于20世紀70年代最早使用碎石樁后，國內(nèi)很多學者對碎石樁復合地基和其抗液化效果進行了深入研究[5,6]。

蔡升華等[7]介紹了干振碎石樁處理液化土層的振密擠密作用和排水減壓作用，并從碎石樁的擠密作用角度對碎石樁的樁距和處理深度等參數(shù)給出設(shè)計方法。張艷美等[8]利用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，研究了樁型配比、樁徑、樁長、樁間距等參數(shù)對碎石樁與CFG(Cement Fly-ash Gravel)樁構(gòu)成的多樁型復合地基抗液化性能的影響。Meshkinghalam等[9]利用FLAC3D軟件，通過建立單樁地基模型和群樁地基模型，分別研究了碎石樁排水作用的影響范圍和樁間距與樁徑的比值對碎石樁抗液化效果的影響。潘永慶等[10]利用FLAC3D軟件對安徽某利用碎石樁加固的液化粉土高速公路路基進行了數(shù)值分析，研究了不同埋深距離樁中心不同距離處的超孔隙水壓力和超孔壓比的變化規(guī)律。

目前碎石樁處理液化場地的工程背景主要是公路等地面建設(shè)工程，以樁間土的加密效果作為碎石樁復合地基設(shè)計和評價的依據(jù)。而以地下建設(shè)工程為背景，將碎石樁作為地震發(fā)生時液化土層的排水通道的研究以及碎石樁參數(shù)對其抗液化效果影響規(guī)律的研究比較少見。

當對場地進行碎石樁復合地基處理時，成樁過程中將通過振動和擠密作用使樁間土密實，且樁體的滲透系數(shù)和模量遠大于土體的滲透系數(shù)和模量，因此可以起到減小土體剪縮效應(yīng)、改善排水條件以及減小土體振動反應(yīng)的作用。其抗液化作用總結(jié)起來包括加密作用、排水減壓作用、加筋作用、預震作用。本文依托孟加拉卡納普里河底隧道項目，利用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，研究了在地震作用下碎石樁的樁徑、樁距、樁體模量對場地土層抗液化效果的影響。

2 計算模型

孟加拉卡納普里河底隧道項目位于吉大港，連接卡納普里河東西兩岸，全長9 265.971 m，穿越大量飽和砂土地區(qū)，且呈現(xiàn)連續(xù)片狀分布，隧道項目場地地震設(shè)計烈度為8度。在本項目的實際設(shè)計方案中，碎石樁在左右線隧道之間以及外側(cè)各布置3列，共9列。本文選取位于河岸的TBH60鉆孔勘探所得地層地質(zhì)情況作為數(shù)值模型的原型。該鉆孔土層及其勘查所得相關(guān)數(shù)據(jù)見表1，其中Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2都是粉砂土。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)[11]，土層Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2在設(shè)計地震作用下可能發(fā)生液化，在進行隧道設(shè)計時必須進行相應(yīng)的處理。

表1 TBH60鉆孔土層參數(shù)Tab.1 Soil parameters of TBH60

2.1 場地模型設(shè)置

本節(jié)根據(jù)上述鉆孔土層參數(shù)以及碎石樁參數(shù)，利用FLAC3D軟件建立原場地模型以及碎石樁復合地基模型，通過記錄場地不同位置監(jiān)測點所得超孔壓比時程曲線統(tǒng)計超孔壓比震后值作為評價指標，進而研究碎石樁樁徑、樁距、樁體模量對碎石樁抗液化能力的影響。通過研究得出碎石樁樁徑、樁間距的合理范圍以及樁體模量的影響規(guī)律，證實本項目碎石樁方案的可行性。

土場地模型尺寸為10 m×10 m×15 m,Ⅰ、Ⅱ1以及Ⅱ2土層厚度分別設(shè)置為2.5、7.5以及5.0 m。原狀土參數(shù)根據(jù)鉆孔勘探數(shù)據(jù)計算得來，見表2(其中C1、C2是FLAC3D軟件Byrne孔壓上升模式中與模型單元有關(guān)的常數(shù)，計算公式見《FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例》[12])。根據(jù)孟加拉卡國吉大港卡納普里河隧道項目地震研究最終報告，工程場地100年內(nèi)超越概率10%的基巖峰值加速度為0.22 g。地震波施加在模型底部，且只考慮沿X軸方向的剪切波，采用通過SeismoSignal軟件進行30 Hz低通濾波和基線校準的El Centro地震波模擬實際地震影響。

表2 加固前后土層模型參數(shù)Tab.2 Soil parameters before and after reinforcement

2.2 監(jiān)測項目

本文以超孔壓比γu作為場地液化程度的評價指標，超孔壓比按下式定義：

(1)

3 單樁地基模型結(jié)果分析

3.1 碎石樁模型參數(shù)

分別建立邊長為0.8、1.0、1.2、1.4 m的正方形截面的碎石樁，記為Z1、Z2、Z3、Z4，碎石樁的相關(guān)參數(shù)見表3，同時建立原狀土地基模型進行對比分析。

表3 碎石樁參數(shù)Tab.3 Parameters of gravel pile

3.2 監(jiān)測點設(shè)置

為分析不同直徑碎石樁的抗液化效果以及其抗液化效果隨空間位置的變化規(guī)律，在單樁模型不同埋深，距離碎石樁樁心不同距離設(shè)置監(jiān)測點來監(jiān)測相應(yīng)位置的超孔壓比在地震過程中的時程曲線，本文由于篇幅僅列出Z1樁分析時超孔壓比監(jiān)測點位置以及相應(yīng)編號分別見圖1以及表4。

圖1 Z1單樁地基模型中超孔壓比監(jiān)測點在模型中的位置及編號Fig.1 Location and serial number of the excess pore pressure ratio-monitoring point in Z1 single pile foundation model

表4 Z1樁單樁地基模型中超孔壓比監(jiān)測點位置及編號Tab.4 Location and serial number of the excess pore pressure ratio-monitoring point in Z1 single pile foundation model

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 單樁抗液化分析

通過模型計算得到Z1至Z4樁單樁地基模型的不同埋深、距離碎石樁樁心不同距離的超孔壓比變化時程曲線，Z1樁埋深4.5 m處距離樁中心不同距離的超孔壓比時程曲線見圖2。對于埋深相同的測點，距離碎石樁樁心越遠其在地震過程中的超孔壓比峰值越高，且到達峰值所經(jīng)歷的時間越長。

圖2 Z1單樁地基模型中與樁中心不同距離監(jiān)測點超孔壓比時程曲線Fig.2 Time history curve of excess pore water pressure ratio of monitoring points at different distances from the center of the pile in Z1 single pile foundation model

圖3表示Z1樁加固前和加固后地基埋深4.5 m處超孔壓比震后值隨與樁中心不同距離的變化曲線，其余埋深的曲線與之變化規(guī)律相似，由于篇幅不再列出。從圖3可以看出，單樁加固后測點的超孔壓比震后值有了大幅度的下降，且距離樁心越近下降幅度越大。碎石樁影響半徑約為2.25 m，當距離樁心超過上述碎石樁影響半徑時，其超孔壓比維持在某一穩(wěn)定范圍，但仍比單樁加固前地基的超孔壓比有一定程度的下降，因為在建立碎石樁單樁加固地基模型時考慮了整片場地土的加密。

圖3 Z1單樁加固前后埋深4.5 m處超孔壓比震后值Fig.3 Excess pore water pressure ratio after earthquake of monitoring points at a depth of 4.5 m in the models before and after Z1 single pile's reinforcement

3.3.2 樁徑對液化效果的影響

要選取最佳碎石樁樁徑，應(yīng)先將Z1至Z4樁所得超孔壓比隨與樁心距離變化曲線按照碎石樁單位截面面積處理的液化土層范圍不變的原則變換到樁截面邊長為1 m時的曲線。變換公式如下式：

(2)

式中：r1為等效為截面邊長為1 m的樁時測點與樁心距離；r0為實際測點與樁心距離；d為實際樁截面邊長。

通過等效變換之后得到Z1樁至Z4樁單樁變換成截面邊長為1 m時的單樁加固后埋深4.5 m處超孔壓比震后值對比如圖4所示。在碎石樁影響范圍內(nèi)，隨著碎石樁截面邊長的增大，當測點與樁心等效距離相等時，其超孔壓比也呈現(xiàn)增大趨勢，說明截面邊長越大的碎石樁，其單位截面積處理的砂土范圍越小。因此，在進行液化場地碎石樁設(shè)計時，為經(jīng)濟考慮，應(yīng)在《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)[13]給定的范圍內(nèi)選擇較小樁徑。

圖4 等效變換后單樁加固后埋深4.5 m處超孔壓比Fig.4 Equivalent transformed excess pore water pressure ratio of monitoring points at a depth of 4.5 m in single pile model

4 群樁地基模型結(jié)果分析

4.1 復合地基碎石樁參數(shù)及測點位置

4.1.1 樁 徑

由《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)，振沖碎石樁徑通常為0.8～1.2 m，考慮到本模型中碎石樁樁長15 m，因此選用75 kW振沖器進行施工，樁徑選0.9或1.0 m。本文中以1.0 m為例進行計算，等效成矩形樁截面邊長為0.836 m，為方便建模，且偏于安全考慮，建模時取為截面邊長為0.8 m正方形的矩形樁。

4.1.2 碎石樁布置

碎石樁為正方形布置，一根樁處理地基面積的等效直徑de與樁間距s關(guān)系如下式：

de=1.13s

(3)

根據(jù)圖3，對于邊長0.8 m的矩形碎石樁，當測點距離樁中心小于1.8 m時，其超孔壓比震后值相較于原地基相同高度處測點的超孔壓比震后值降低較大水平，因此碎石樁單樁處理地基面積的等效直徑de應(yīng)小于3.6 m，按照式(3)得樁間距應(yīng)小于3.2 m。本文以樁間距3.2 m進行計算，碎石樁布置見圖5。

圖5 復合地基模型碎石樁布置圖Fig.5 Gravel pile layout of composite foundation model

4.1.3 碎石樁參數(shù)

本文建模時將建立不同模量的碎石樁，碎石樁泊松比為0.26，樁體動彈性模量分別為240、480、360、640、720 MPa，為并分別記為Za、Zb、Zc、Zd、Ze，其余參數(shù)見表3。

4.1.4 測點布置

測點在平面上的位置布置在樁間土區(qū)域的中心，在立面上埋深分別為4.5、7.0、9.5、12.0、14.5 m，測點編號見表5。

表5 測點位置及編號Tab.5 Location and serial number of monitoring point

4.2 群樁地基模型結(jié)果分析

4.2.1 群樁抗液化分析

本文僅給出Za樁加固后的各埋深超孔壓比在地震作用下的時程曲線，見圖6。Za～Ze樁加固后各埋深超孔壓比峰值及震后值統(tǒng)計見表6。

表6 原地基與碎石樁復合各埋深處地基超孔壓比震后值Tab.6 Excess pore water pressure ratio of monitoring points at each depth in original model and composite foundation model

從圖6可以看出，碎石樁群樁加固后的復合地基模型在地震動作用下，各測點的超孔壓比呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，體現(xiàn)了液化場地在地震作用下孔隙水壓力的積累和碎石樁的排水減壓作用。另外，超孔壓比在達到峰值之后的迅速下降，表明碎石樁具有顯著的抗液化效果。

圖6 Za樁復合地基模型中超孔壓比在地震作用下時程曲線Fig.6 Time history curve of excess pore water pressure ratio in Za pile composite foundation model during earthquake

4.2.2 樁體模量對群樁抗液化效果影響

從表6可以看出，地震結(jié)束之后碎石樁復合地基的超孔壓比震后值相較于原地基相同高度測點處的超孔壓比震后值顯著降低，且其值與碎石樁模量的關(guān)系不大。因為在地震作用下，碎石樁復合地基的超孔壓比從峰值到震后值的過程中，碎石樁的排水減壓效果起主要的抗液化作用，而碎石樁模量的影響相對而言較小。因此樁體模量對碎石樁的抗液化效果沒有明顯影響，在實際施工中，不需要刻意加大碎石樁的樁體模量，只需滿足其基本的強度和穩(wěn)定性即可。

5 結(jié) 論

通過FLAC3D軟件對孟加拉卡納普里河底隧道項目施工場地的碎石樁加固前原地基、單樁地基模型以及群樁加固復合地基建立模型并進行數(shù)值分析，得到如下結(jié)論：

(1)對于單樁地基模型中，同一埋深與碎石樁樁心不同距離的測點，當測點距離碎石樁樁心越近，其超孔壓比震后值越小，當測點與碎石樁樁心距離超過一定范圍時，超孔壓比震后值逐漸穩(wěn)定，表示超出了碎石樁影響半徑。

(2)對于不同樁徑的單樁地基模型分析中，隨著樁截面邊長的增大，樁的影響半徑總體上呈增大趨勢，但達到相同處理效果時其單位截面面積處理的砂土范圍逐漸減小，經(jīng)濟實用性降低。因此在設(shè)計碎石樁時應(yīng)在保證施工質(zhì)量的前提下盡量選取樁徑較小的碎石樁，建議碎石樁樁徑0.9～1.0 m。

(3)在群樁地基模型分析中，超孔壓比在達到峰值之后迅速下降，得知碎石樁的排水減壓作用在地震中有良好的抗液化效果。

(4)在不同模量的群樁地基模型分析中，復合地基的超孔壓比峰值和震后值與碎石樁的模量關(guān)系不大，因此在本工程項目中，樁體模量對碎石樁的抗液化效果沒有明顯影響，因此在實際施工中，不需要通過措施加大碎石樁的樁體模量。

(5)通過碎石樁的施工，埋深為4.5、7.0、9.5、12.0以及14.5 m處的超孔壓比震后值分別由0.74、0.72、0.66、0.52、0.44減小到了0.12、0.07、0.04、0.02、0.01，場地的液化程度顯著降低，體現(xiàn)了碎石樁顯著的抗液化效果。