粉質(zhì)粘土壩基振沖碎石樁基礎(chǔ)動(dòng)力特性及液化研究

周本能，寧子龍，趙 松

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610000）

1 概述

振沖碎石樁法是以碎石或者卵石為主要填筑材料,通過(guò)振沖器產(chǎn)生振動(dòng)力和壓力水的作用在地基中造孔,向孔中填筑碎石并振密形成樁體,達(dá)到提高地基承載力和抗震液化能力、減少不均勻沉降的地基處理方法。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面,劉華等[1]通過(guò)振沖碎石樁試驗(yàn)方案的制定及實(shí)施,提出了在南水北調(diào)南陽(yáng)二標(biāo)段粉質(zhì)粘土中進(jìn)行振沖加固地基的施工工藝流程和技術(shù)參數(shù),分析了振沖碎石樁的效果。李向群等[2]針對(duì)振沖碎石樁處理軟土地基,根據(jù)超重型動(dòng)力觸探、重型動(dòng)力觸探的試驗(yàn)結(jié)果,論證了振沖碎石樁處理軟基后具有提高了復(fù)合地基地基承載力、變形模量和減少沉降的作用。在數(shù)值模擬方面,蔣濤等[3]針對(duì)新疆某電廠上部結(jié)構(gòu)地基承載力要求,提出碎石樁復(fù)合地基加固方案,基于數(shù)值仿真和現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)綜合確定了復(fù)合地基承載力特征值。劉玉恒等[4]使用FLAC有限差分軟件,采用摩爾-庫(kù)倫塑性模型,對(duì)振沖碎石樁的沉降量進(jìn)行分析,并且對(duì)比分析了計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。劉洋等[5]采用振動(dòng)荷載作用下超孔隙水壓力產(chǎn)生的能量模型,考慮耗散能量和孔徑擴(kuò)張的影響及相互作用,對(duì)復(fù)合振沖碎石樁施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,討論了排水井的存在對(duì)復(fù)合振沖碎石樁孔隙水壓力發(fā)展變化的影響,并對(duì)普通碎石樁和復(fù)合碎石樁的地基加固效果進(jìn)行對(duì)比分析。

本工程坐落在人工堆積素填土層及沖擊堆積物上,強(qiáng)度較低,存在地震液化的可能性,會(huì)大大降低地基整體承載力,影響結(jié)構(gòu)安全。本文以3#生態(tài)壩為研究對(duì)象,采用振沖碎石樁對(duì)地基進(jìn)行加固處理,對(duì)大壩結(jié)構(gòu)及壩基在動(dòng)荷載作用下的變形和應(yīng)力分布情況進(jìn)行計(jì)算分析。

2 工程概況

本工程為混凝土重力跌水壩,正常蓄水位815.00 m,最大壩高7.50 m,分為55 個(gè)溢流壩段。壩基處理挖除第一層低液限黏土,回填砂礫石料,碾壓密實(shí),采用振沖碎石樁加固,樁端深入持力層1.5 m,樁徑1.0 m,樁距2.0 m,樁長(zhǎng)12.4 m。

3 振沖碎石樁復(fù)合地基的三維動(dòng)力特性研究

3.1 計(jì)算模型

選取工程最不利斷面附近三個(gè)壩段建模,垂直方向Y向上為正；橫河向X向左為正；順?biāo)鞣较騔向下游為正。模型包含48428個(gè)單元,47387個(gè)節(jié)點(diǎn),見(jiàn)圖1。對(duì)模型整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和譜分析,采用單點(diǎn)響應(yīng)譜法模擬工程在鉛直向、順河向、橫河向和雙向地震作用下,模型的應(yīng)力、位移特性,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析；對(duì)模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析,采用模態(tài)疊加法模擬工程在正常運(yùn)行工況下受到地震作用,模型的應(yīng)力、位移特性,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

圖1 網(wǎng)格及材料劃分模型圖

3.2 材料參數(shù)

將巖土體材料視為理想的彈塑性介質(zhì),采用Drucker-Prager模型作為本構(gòu)模型。動(dòng)力計(jì)算混凝土動(dòng)彈性模量取靜彈性模量的1.5倍,其余參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

3.3 動(dòng)力計(jì)算工況

工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s,地震基本烈度為Ⅶ度。采用加速度峰值為0.15g,豎向地震加速度采用水平方向加速度的2/3。計(jì)算工況采用正常運(yùn)行工況加地震荷載。

3.4 地基處理后的動(dòng)力特性

（1）鉛直位移計(jì)算結(jié)果分析

正常蓄水位下遇鉛直向地震作用的鉛直向位移分布見(jiàn)圖2；在順河向地震作用下鉛直向位移見(jiàn)圖3,不同地震作用下大壩鉛直向最大位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同地震作用下大壩鉛直向最大位移計(jì)算結(jié)果

圖2 鉛直向地震工況鉛直向位移云圖

圖3 順河向地震工況鉛直向位移云圖

在鉛直向地震作用下,鉛直向位移最大值發(fā)生在砼鋪蓋中段。在順河向地震作用下,鉛直向位移最大值發(fā)生在砼鋪蓋與大壩交界處。在鉛直向地震作用下大壩左右岸的鉛直向位移分布較順河向地震工況變化平緩,可見(jiàn)順河向地震作用對(duì)鉛直向位移變化分布較鉛直向地震作用產(chǎn)生較大的影響。在鉛直向地震和順河向地震作用下大壩鉛直向最大位移較正常運(yùn)行工況分別增加-42.63 mm、-48.24 mm,即增加7.32%、21.44%。

（2）順河向位移計(jì)算結(jié)果分析

正常蓄水位下,鉛直向地震作用順河向位移分布見(jiàn)圖4,順河向地震作用下順河向位移見(jiàn)圖5,不同地震作用下大壩順河向最大位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同地震作用下大壩順河向最大位移計(jì)算結(jié)果

圖4 鉛直向地震順河向位移云圖

圖5 順河向地震順河向位移云圖

在正常運(yùn)行工況下順河向位移最大值出現(xiàn)在大壩下游側(cè)建基面下兩層地基中,在鉛直向地震作用下,順河向位移最大值出現(xiàn)在大壩下游側(cè)持力層地基中。加固區(qū)地基整體性有所提高,加固區(qū)下游側(cè)持力層地基在地震作用下發(fā)生較大的順河向位移。在順河向地震作用下,順河向位移均發(fā)生顯著變化,正常運(yùn)行工況下順河向位移最大值為12.65 mm,順河向地震作用下該位移值為42.34 mm,增加了234.72%,地基的順河向位移最大值出現(xiàn)在大壩壩軸線附近。不同地震工況下大壩順河向位移最大值均出現(xiàn)在大壩壩趾處。大壩壩高較小,地基土體強(qiáng)度較差,在受到地震作用地基發(fā)生的順河向位移大于壩頂順河向位移。加固方案在正常運(yùn)行工況、鉛直向地震工況和順河向地震工況下的大壩順河向最大位移分別為9.19 mm、11.96 mm和39.98 mm。

（3）地基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

地基在正常蓄水位下鉛直向地震作用的豎向應(yīng)力分布見(jiàn)圖6；在順河向地震作用下地基豎向應(yīng)力分布見(jiàn)圖7,碎石樁在不同地震工況下豎向應(yīng)力分布見(jiàn)圖8～圖9。

圖6 鉛直向地震地基豎向應(yīng)力

圖7 順河向地震工況豎向應(yīng)力

圖8 鉛直向地震工況樁體豎向應(yīng)力

圖9 順河向地震工況樁體豎向應(yīng)力

地震工況下地基豎向應(yīng)力最大值較正常運(yùn)行工況均有所增加,順河向地震工況下地基豎向應(yīng)力增量比鉛直向地震工況地基豎向應(yīng)力增量稍大,表明順河向地震加速度對(duì)地基豎向應(yīng)力的影響比鉛直向地震加速度對(duì)該值的影響稍大。樁體豎向應(yīng)力呈現(xiàn)出上游側(cè)大于下游側(cè),表明在水壓作用下上游側(cè)樁體承擔(dān)較大一部分荷載；樁體右岸下游側(cè)樁頂豎向應(yīng)力明顯小于左岸上游側(cè)豎向應(yīng)力,該分布規(guī)律與大壩左岸上游側(cè)鉛直向位移大于右岸下游側(cè)鉛直向位移規(guī)律一致。在鉛直向地震和順河向地震工況下壩基最大豎向應(yīng)力為85.65 kPa和89.47 kPa,根據(jù)初設(shè)報(bào)告,地基允許承載力為90 kPa,因此在地震工況下,該加固方案能滿足地基承載力要求。在鉛直向地震和順河向地震工況下,振沖碎石樁的豎向應(yīng)力為568.61 kPa和589.03 kPa,均小于碎石樁體620 kPa的承載力特征值。

3.5 砂層液化分析

采用動(dòng)剪應(yīng)力比作為液化判別,可以有效將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,能較好地對(duì)場(chǎng)地液化性能進(jìn)行分析。在各地震工況下振沖碎石樁加固方案壩基覆蓋層液化分析成果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。重點(diǎn)關(guān)注松散粉土質(zhì)礫和低液限粉土的液化情況,兩地層均為粉土、粉砂層,工程性狀差,且埋深較淺。將計(jì)算得到的地震動(dòng)剪應(yīng)力比值與材料試驗(yàn)得出的抗液化剪應(yīng)力比值相互比較可以看出,各方案低液限黏土層在不同地震荷載下均表現(xiàn)為局部液化,根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),發(fā)生液化部位在海漫末端下部的低液限黏土層,距離大壩段較遠(yuǎn)且大壩下部低液限黏土層已經(jīng)進(jìn)行挖除換填,故該層存在局部砂土液化不會(huì)影響大壩的穩(wěn)定和安全。在鉛直向地震作用下,不同方案壩基地層能夠滿足安全要求,不存在液化現(xiàn)象；順河向地震作用下,松散粉土質(zhì)礫和低液限粉土層剪應(yīng)力均有所增大,振沖碎石樁加固方案兩層地基計(jì)算動(dòng)剪應(yīng)力比分別為0.029～0.147和0.022～0.110,均小于抗液化應(yīng)力比,不會(huì)發(fā)生液化現(xiàn)象。

表4 振沖碎石樁加固方案壩基液化分析成果表

4 結(jié)論

以數(shù)值模擬方法建立該工程三維有限元模型,對(duì)振沖碎石樁加固地基處理方案結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,地震工況下,該加固方案的結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力均滿足要求。

（1）在鉛直向地震作用下大壩左右岸的鉛直向位移分布較順河向地震工況變化較為平緩,順河向地震作用對(duì)鉛直向位移變化分布較鉛直向地震作用產(chǎn)生較大的影響。在鉛直向地震和順河向地震作用下大壩鉛直向位移較正常運(yùn)行工況分別增加7.32%、21.44%。

（2）在順河向地震作用下,結(jié)構(gòu)的順河向位移明顯增加,順河向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的順河向位移影響顯著,在順河向地震作用下該位移值比在正常運(yùn)行工況下順河向位移最大值增加了234.72%。

（3）在兩種地震作用下,結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力區(qū)域較小,主要分布在右岸大壩頂部、砼鋪蓋上游端部以及下游消力池區(qū)域。鉛直向地震作用下,大壩最大拉應(yīng)力較正常工況增長(zhǎng)73.72%；順河向地震作用下,大壩最大拉應(yīng)力較正常工況增長(zhǎng)59.12%。在不同工況下拉應(yīng)力最大值分別為1.19 MPa和1.09 MPa；大壩壓應(yīng)力最大值分別為-1.23 MPa和-1.26 MPa。C25砼的抗拉強(qiáng)度允許值1.27 MPa,抗壓強(qiáng)度允許值11.9 MPa。該加固方案能滿足大壩應(yīng)力結(jié)構(gòu)安全。

（4）地震工況下地基豎向應(yīng)力最大值較正常運(yùn)行工況均有所增加,順河向地震工況下地基豎向應(yīng)力增量比鉛直向地震工況地基豎向應(yīng)力增量要稍大。在鉛直向地震和順河向地震工況下壩基最大豎向應(yīng)力約為85.65 kPa和89.47 kPa,壩基的松散粉土質(zhì)礫允許承載力為90 kPa,因此在地震工況下,該加固方案能滿足地基土體的承載力要求。在鉛直向地震和順河向地震工況下,振沖碎石樁的豎向應(yīng)力約為568.61 kPa和589.03 kPa,均小于碎石樁體620 kPa的承載力特征值。

（5）各方案低液限黏土層在不同地震荷載下均表現(xiàn)為局部液化,發(fā)生液化部位在海漫末端下部的低液限黏土層,不會(huì)影響大壩的穩(wěn)定和安全。鉛直向地震作用下,不同方案壩基地層不存在液化現(xiàn)象；順河向地震作用下,該加固方案地基不會(huì)發(fā)生液化現(xiàn)象。