水泥土樁復(fù)合地基的抗液化研究

楊慶陶

飽和松散砂土在地震力作用下，將發(fā)生體積的收縮而趨于密實(shí)，導(dǎo)致孔隙水壓力來不及消散而急劇上升，地基的有效應(yīng)力降低，當(dāng)有效應(yīng)力降低為零時(shí)地基完全液化，喪失承載力。我國的邢臺(tái)、海城和唐山地震，美國的阿拉斯加和日本的新瀉地震都引起了液化現(xiàn)象，給建筑物造成極大的破壞。碎石樁是目前工程界普遍采用的抗液化地基加固方法。水泥土樁是一種應(yīng)用廣泛的加固軟土的處理措施，用水泥土樁加固液化砂土，目前被一些實(shí)際工程所采用，但設(shè)計(jì)、施工及液化判別還未得到普遍認(rèn)同，而且對(duì)水泥土樁加固可液化砂土的研究很少。本文通過振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)對(duì)未加固地基和水泥土樁加固地基進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究［1，2］。

1 水泥土樁復(fù)合地基的抗液化機(jī)理

現(xiàn)有的研究表明，水泥土樁加固可液化地基的作用主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:1)擠密作用;2)改變樁周土強(qiáng)度作用;3)樁體的減震作用［3-6］。

1)擠密作用。水泥土攪拌樁在噴粉(漿)、攪拌成樁過程中，水泥、水和土經(jīng)過一系列的物理化學(xué)作用而固結(jié)體積膨脹，對(duì)樁間土有一定程度擠密，施工機(jī)械振動(dòng)時(shí)對(duì)土有一定的擠密作用。但水泥土攪拌樁的擠密作用遠(yuǎn)小于碎石樁等傳統(tǒng)擠密樁的擠密效應(yīng)。2)改變樁周土強(qiáng)度作用。水泥土樁施工時(shí)在樁周土中產(chǎn)生超靜孔壓，隨著超靜孔壓的消散，土體固結(jié)，樁周土強(qiáng)度提高;其次，由于高壓噴粉(漿)和攪拌頭作用，在樁周土中產(chǎn)生劈裂效應(yīng)，部分水泥粉(漿)會(huì)沿著裂隙滲入樁周土，水泥、水和土發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，樁間土膠結(jié)固化，從而在一定程度上增加局部樁周土的強(qiáng)度。3)樁體的減震作用。由于水泥土樁復(fù)合地基中樁體的剛度遠(yuǎn)大于樁間天然土體，因此在樁體上產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，大部分地震荷載將由樁體承擔(dān)，樁間土應(yīng)力相對(duì)減少。同時(shí)樁體的存在對(duì)樁間土起著側(cè)向限制、約束作用，阻止樁間土的側(cè)向變形并提高其強(qiáng)度。這就改變了液化地基中的應(yīng)力—應(yīng)變條件，提高了地基土體的抗剪強(qiáng)度。

2 振動(dòng)臺(tái)模型箱試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2． 1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)使用蘇州實(shí)驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的ZS-20D超低頻電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，振動(dòng)臺(tái)水平承重能力50 kg，臺(tái)面尺寸為45 mm×60 mm。本次試驗(yàn)箱體采用有機(jī)玻璃制作，質(zhì)量密度1．21 g/cm3。模型箱壁厚1 cm，各面板用三氯甲烷牢固粘結(jié)，并作加筋處理。箱體內(nèi)部尺寸為25 cm×20 cm×40 cm(長×寬×高)。另外，在箱體四個(gè)側(cè)壁的橫縱方向上控制間隔5 cm均勻鉆孔，孔徑1 mm，滿足箱內(nèi)模型土體在自重作用下固結(jié)及振動(dòng)過程中的排水條件，箱體用螺絲固定在振動(dòng)臺(tái)上。

2． 2 模型參數(shù)的確定

試驗(yàn)采用均質(zhì)飽和砂土，模型箱裝土高度35 cm，模擬地表下7 m內(nèi)砂土層的液化性能，模型樁直徑D=25 mm，模擬實(shí)際樁徑500 mm，根據(jù)未加固地基土應(yīng)滿足的近似相似關(guān)系，選用的相似律為(所有比值均為模型的值與原型對(duì)應(yīng)值的比):

高度比(幾何比):kx=1/20;時(shí)間比:kt=1/9．46。

加速度比:ka=4．47;頻率比:ωm=9．46。

考慮8度抗震設(shè)防烈度的要求，模擬加速度0．12g，振動(dòng)時(shí)間為1 min左右。按上述相似律，振動(dòng)臺(tái)輸出加速度幅值為0．6g，持續(xù)時(shí)間壓縮為6．3 s(取7 s)，振動(dòng)臺(tái)輸出頻率為9．46 Hz，由正弦波加速度公式a=4π2f2A，求得振幅A=1．49 mm?？紤]振動(dòng)臺(tái)手動(dòng)調(diào)幅，無法在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所要求值，需要5 s才能達(dá)到0．6g加速度，所以總振動(dòng)時(shí)間為12 s。

2． 3 模型試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)控制加固前模型土干密度1．45 g/cm3，試驗(yàn)分組原則:1)先進(jìn)行一組未加固模型土試驗(yàn)，為加固土模型試驗(yàn)提供對(duì)比資料;2)采用水泥土樁加固的模型地基試驗(yàn)，研究水泥土樁的抗液化特性。箱內(nèi)采用正方形布樁，樁距取2．5倍樁徑，樁長取12倍樁徑?？紤]模型箱尺寸的限制均采用6根樁加固模型地基，具體布樁見圖1。

圖1 樁體位置與布樁方式

2． 4 孔隙水壓力傳感器的布置

試驗(yàn)所用孔隙水壓力傳感器為丹東市三達(dá)儀器廠生產(chǎn)的DYS-1型電阻應(yīng)變式傳感器。為了測(cè)量距砂土地基的孔隙水壓力，選擇把孔壓計(jì)鑲嵌固定到箱壁上，這樣既避免了孔壓計(jì)線的影響，也避免了孔壓計(jì)位置的移動(dòng)，孔壓計(jì)距箱沿的高度分別為15 cm，25 cm和35 cm，分別測(cè)量距砂土表面10 cm，20 cm和30 cm處的孔隙水壓力。

3 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)語

圖2 未加固地基孔壓比時(shí)程曲線

圖3 水泥土樁加固地基孔壓比時(shí)程曲線

從圖2和圖3中我們可以看出:10 cm處未加固地基的孔壓比為1．4，水泥土樁加固地基的孔壓比為0．73，20 cm處未加固地基的孔壓比為1．4，水泥土樁加固地基的孔壓比為0．82，30 cm處未加固地基的孔壓比為1．32，水泥土樁加固地基的孔壓比為1．02。

與未加固地基相比，水泥土樁加固后的地基淺中深層液化程度都有一定的降低，尤其是地基淺中層的砂土液化程度大幅降低，深層雖有一些降低但是已經(jīng)完全液化了，孔壓比值為1．02。說明水泥土樁抗液化能力主要體現(xiàn)在中淺層。碎石樁復(fù)合地基作為抗液化的加固措施也被工程界普遍論證，水泥土樁和碎石樁聯(lián)合應(yīng)用的復(fù)合地基抗液化效果是下階段我們研究的重點(diǎn)。

［1］ 閻明禮．地基處理技術(shù)［M］．北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，1996．

［2］ 楊慶陶，魏劍偉，牛琪瑛．碎石樁復(fù)合地基的抗液化研究［A］．第16屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］．2007:368-372．

［3］ 高貴才，申京濤．粉噴樁對(duì)樁間土性狀的影響［J］．巖土力學(xué)，1996，17(2):70-75．

［4］ Shui-long Shen．Behavior of deep mixing columns in soft clay ground［D］．Saga University(in Japanese)，1998．

［5］ 程禮來，郜云峰，苗先文，等．水泥粉體深層噴射攪拌樁復(fù)合地基處理及其效果［J］．河南地質(zhì)，1998，16(1):45-52．

［6］ 章定文，劉松玉．水泥土樁復(fù)合地基動(dòng)力效應(yīng)研究進(jìn)展［J］．地震工程與工程振動(dòng)，2006，26(2):149-155．