振沖密實加固珊瑚砂地基地震響應(yīng)振動臺模型試驗研究

段志剛 王建平 趙津橋 丁選明

（1.海軍研究院，北京 102202；2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

珊瑚砂是一種具有特殊性質(zhì)的海洋土[1-2]，廣泛分布于我國熱帶海域。珊瑚砂具有獨(dú)特的成分和構(gòu)造，體現(xiàn)在內(nèi)孔隙、易破碎、形狀不規(guī)則等[3-4]。因此珊瑚砂相較于一般石英砂在工程特性上具有較大差異，需對其進(jìn)行特別關(guān)注。隨著島礁建設(shè)的大力發(fā)展，沿海區(qū)域的部分珊瑚砂地基具有含水量高、密實度小、地基承載能力不足等問題[5]。因此，對島礁珊瑚砂地基的密實加固處理尤為重要。

振沖法是一種可有效提升地基承載力、穩(wěn)定性和抗液化能力的地基處理方法[6-7]。振沖法可通過所施加的循環(huán)激振力擠密松散砂體地基并在高壓射水的輔助下使砂土發(fā)生液化，起到對砂土的擠實作用和預(yù)振作用[8]。邱偉健等[9]在現(xiàn)場進(jìn)行了對吹填珊瑚砂地基的振沖密實加固試驗，并通過CPT 結(jié)果檢驗得知振沖可以有效提升珊瑚砂地基的抗液化能力。

振動臺試驗是研究地震作用下動力響應(yīng)的一種有效手段[10-12]，丁選明等[13]通過振動臺對比分析了珊瑚砂和石英砂在不同震級下的地震動力響應(yīng)，并得到在級配相似條件下珊瑚砂比石英砂更難達(dá)到液化；吳 琪等[14]通過振動臺研究了不同地震強(qiáng)度下珊瑚砂地基中樁-土-結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)；張鑫磊等[15]通過振動臺對比了經(jīng)微生物灌漿加固可液化鈣質(zhì)砂地基和未經(jīng)微生物加固的松散地基在不同震級的動力響應(yīng)。然而，針對珊瑚砂的振沖抗震研究尚不多見。

本文利用振動臺模型試驗，對比分析了0.1g正弦波激勵下經(jīng)過振沖加固和未經(jīng)振沖加固的松散珊瑚砂地基的動力響應(yīng)結(jié)果，比較研究了振沖加固前后的珊瑚砂場地孔隙水壓力和加速度的變化規(guī)律，論證了振沖加固對于珊瑚砂抗液化能力提升的影響。研究成果可為島礁工程地基處理設(shè)計提供一定參考。

1 試驗介紹

試驗采用振沖器的主要參數(shù)為：長度600 mm，直徑60 mm，工作頻率25 Hz。振動臺主要參數(shù)為：臺面尺寸1.2 m×1.2 m，頻率范圍0～50 Hz，最大載重1 t，最大加速度2.0g，可支持同時水平和垂直雙向振動。所用模型箱為疊梁式模型箱，其主要參數(shù)為：長950 mm、寬850 mm、高750 mm。

本次所用珊瑚砂的基本物理參數(shù)為：顆粒相對密度Gs為2.81，不均勻系數(shù)Cu為2.02，特征粒徑d50為0.454 mm，最大干密度ρd,max為1.582 g/cm3，最小干密度ρd,min為1.279 g/cm3。試驗所用的珊瑚砂的顆粒級配曲線如圖1 所示，所用珊瑚砂顆粒直徑大于等于0.25 mm 的顆粒含量大于總質(zhì)量的50%，屬于中粗珊瑚砂。本次試驗采用砂雨法對珊瑚砂模型地基進(jìn)行制備。為得到類似未經(jīng)加固珊瑚砂地基的均勻松散狀態(tài)，在制備過程中隨時保持將砂雨器與砂體表面貼近。得到未經(jīng)加固的松散珊瑚砂地基的初始相對密實度為0.289。將制備完成后的模型地基加水直至液面超出砂體表面，靜置24 h，可認(rèn)為模型地基處于飽和狀態(tài)。

圖1 珊瑚砂顆粒級配

經(jīng)過振沖加固后的振動臺模型布置如圖2 所示，未經(jīng)振沖加固的振動臺模型布置如圖3 所示。陳越鋒等[16]通過現(xiàn)場試驗得出一般現(xiàn)場振沖器的加固范圍為1.5～4.8 倍振沖器直徑。本試驗中，模擬振沖器中心點(diǎn)距離邊界的最小距離為振沖器直徑的3.75 倍，邊界對主要測試點(diǎn)無振動反射影響。振動臺階段，徐光明和章為民[17]認(rèn)為當(dāng)模型樁與箱壁的距離與模型尺寸之比大于3.0 時，不會產(chǎn)生邊界效應(yīng)。

圖2 振沖加固振動臺模型布置示意圖（單位：mm）

圖3 未經(jīng)振沖加固振動臺模型布置示意圖（單位：mm）

傳感器均布置在場地沿振動方向的中心線上，其中P 為孔隙水壓力傳感器，A 為加速度傳感器。其中A5 放置于振動臺上用于記錄實際激勵加速度大小。振沖方式采用雙點(diǎn)振沖，并分為前后兩次雙點(diǎn)振沖，先后進(jìn)行。其中深色兩點(diǎn)位置為第一次雙點(diǎn)振沖位置，淺色為第二次（見圖2）。每一處點(diǎn)位的振沖流程為：①兩臺振沖器以1 cm/s 的速度同步勻速下降70 cm；②留振120 s；③兩臺振沖器以1 cm/s 的速度同步勻速上升至振沖器離開液面；④5～10 s 后，重復(fù)①-③并將下降深度改為50 cm；⑤5～10 s 后，重復(fù)①-③并將下降深度改為30 cm；⑥該點(diǎn)位振沖結(jié)束。

振沖處理后的珊瑚砂整體相對密實度由0.289提升至0.591，得到了較大提升。

試驗工況布置如表1 所示。其中工況1 為經(jīng)過振沖加固后的珊瑚砂地基，工況2 為未經(jīng)振沖加固的松散珊瑚砂地基。

表1 試驗工況布置

2 結(jié)果分析

2.1 超孔壓比結(jié)果分析

珊瑚砂模型地基在振沖前后的0.1g模擬地震作用下的超孔壓比時程曲線如圖4 所示。由圖4 可見，工況2（未經(jīng)振沖加固的珊瑚砂模型地基）的超孔壓比在不同高度均遠(yuǎn)大于工況1（經(jīng)振沖加固后的珊瑚砂模型地基）。以達(dá)到液化狀態(tài)的超孔壓比0.8 為標(biāo)準(zhǔn)，相比工況1，工況2 在淺層P1 位置處均出現(xiàn)明顯液化。由圖4（b）-圖4（d）可見，工況2 的超孔壓比在地震激勵施加初期的上升速度明顯快過工況1，并且工況2 在地震激勵施加后的3～4 s 內(nèi)迅速增加并達(dá)到穩(wěn)定。相反，工況1 的超孔壓比在地震施加過程中一直持續(xù)緩慢增長，直至地震激勵在第10 s結(jié)束。

圖4 珊瑚砂超孔壓比時程曲線

圖5 是0.1g地震激勵施加作用下的距底層不同高度超孔壓比峰值對比。相比工況2，工況1 中超孔壓比發(fā)生明顯減小，從模型底層至砂土表面依次減少了37.2%、54.8%、50.4%和67.3%。有效證明了振沖法對于珊瑚砂地基的加固作用。在距離表面50 mm 處，工況2 發(fā)生液化，相反工況1 的超孔壓比峰值僅為0.5202。證明在0.1g地震作用下的無附加荷載地基上，振沖可有效避免珊瑚砂地基發(fā)生液化現(xiàn)象。

圖5 距底層不同高度超孔壓比峰值對比

2.2 加速度結(jié)果分析

圖6 為工況1 中珊瑚砂場地地基加速度響應(yīng)時程圖，其中A5 固定于振動臺臺面，用于記錄激勵加速度。珊瑚砂場地加速度先經(jīng)歷1 s 左右的迅速增長，而后保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)上直到振動結(jié)束。由圖6（d）可知，位于珊瑚砂模型地基深層的A4 與輸入激勵加速度A5 幾乎重合，無放大效應(yīng)。由圖6（c）可知，A3與A5，隨著距離的上升，加速度出現(xiàn)小幅度的放大，但放大效果不明顯。由圖6（a）和圖6（b）可知，隨著距離的不斷上升，珊瑚砂模型地基出現(xiàn)較大程度的放大。由此可知，加速度的放大效應(yīng)隨高度增加逐漸增大。

圖6 振沖加固振動臺加速度時程曲線

圖7 為工況1 和工況2 中珊瑚砂模型地基在0.1g地震作用下距底層不同高度加速度峰值放大系數(shù)。除工況1 中距底層100 mm 處的放大系數(shù)為0.99 外，其余加速度放大系數(shù)均大于1。由圖7 可見，在無上部荷載作用下，未經(jīng)振沖加固的珊瑚砂模型地基加速度放大系數(shù)與經(jīng)振沖加固后的放大系數(shù)隨高度的變化規(guī)律相似。但同時，工況1 的加速度放大系數(shù)均小于工況2，為工況2 的78.1%～91.1%。

圖7 距底層不同高度加速度峰值對比

3 結(jié)論

本文通過振動臺模型試驗，對比分析了0.1g正弦波激勵下經(jīng)過振沖加固和未經(jīng)振沖加固的松散珊瑚砂地基的動力響應(yīng)結(jié)果，比較研究了振沖加固前后的珊瑚砂場地孔隙水壓力和加速度的變化規(guī)律，論證了振沖加固對于珊瑚砂抗液化能力提升的影響，得到以下結(jié)論：

（1）經(jīng)振沖加固后的珊瑚砂地基在經(jīng)歷0.1g地震時超孔壓處于持續(xù)緩慢增長直至激勵結(jié)束，未經(jīng)振沖加固的珊瑚砂地基在激勵輸入的3～4 s 內(nèi)迅速增加并達(dá)到穩(wěn)定。整個地震模擬過程中加固地基超孔壓始終小于未加固地基。

（2）振沖可有效降低地震輸入時珊瑚砂地基的超孔壓發(fā)展，振沖加固后的珊瑚砂地基在0.1g地震作用下超孔壓比較未加固的松散狀態(tài)下降了46.3%～72%。

（3）經(jīng)振沖加固后的珊瑚砂地基可有效減少加速度的放大效應(yīng)。振沖加固后的放大系數(shù)為未加固地基的78.1%～91.1%。