樁體加固液化土機(jī)理研究文獻(xiàn)綜述

趙 瑞 秀

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引言

一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多巖土工程學(xué)者都很重視砂土液化的研究問題。近年來(lái)，在世界各國(guó)均不同程度地發(fā)生地震，這種不可抗力使人類的生命和財(cái)產(chǎn)蒙受重大損失。就目前世界上的地震預(yù)測(cè)系統(tǒng)而言，其發(fā)展還比較落后，那么，這就要求我們的建設(shè)項(xiàng)目對(duì)地震作用的抵抗能力要不斷加強(qiáng)，而對(duì)于巖土工程領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，在飽和砂土抗液化機(jī)理的研究方面不斷探索尋求突破也就成為重中之重。

我國(guó)巖土工程領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)者及科研機(jī)構(gòu)在砂土液化機(jī)理的研究方面以及抗液化措施研究方面都付出了不懈的努力，取得了豐碩的研究成果，尤其是在不同樁體加固液化土地基的試驗(yàn)研究方面取得了很大的進(jìn)步，對(duì)這些研究成果進(jìn)行匯總、整理、歸納、分析及研究，將會(huì)對(duì)飽和砂土抗液化機(jī)理的研究和發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1 砂土液化研究現(xiàn)狀

在巖土工程界，砂土液化問題一直都是重大研究課題之一。關(guān)于在振動(dòng)荷載作用下飽和砂土液化機(jī)理這一課題的研究，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者均作出了大量的探索，總體來(lái)說(shuō)，以兩種典型觀點(diǎn)為主：一種是以美國(guó)西部H.B.Seed，I.M.Idriss等學(xué)者為代表，他們經(jīng)過(guò)探索和研究，所得到的理論側(cè)重于應(yīng)力方面；另一種是以美國(guó)東部A.Casagrande，G.Castro和R.Dobry等學(xué)者為代表，所取得的研究成果強(qiáng)調(diào)位移變形。H.B.Seed[1]，W.D.L.Finn等[2]于20世紀(jì)60年代初通過(guò)一系列試驗(yàn)研究，提出了Seed簡(jiǎn)化判別法，其主導(dǎo)思想是通過(guò)對(duì)振動(dòng)作用下砂土中產(chǎn)生的剪應(yīng)力與砂土發(fā)生液化所要達(dá)到的剪應(yīng)力進(jìn)行比較，進(jìn)而判別砂土是否會(huì)發(fā)生液化現(xiàn)象，這種判別方法影響非常深遠(yuǎn)，至今在歐美地區(qū)依然能夠得到廣泛的應(yīng)用。1965年，M.A.Biot[3]通過(guò)系統(tǒng)地研究，發(fā)現(xiàn)了波在固液兩相介質(zhì)中傳播時(shí)的控制方程，在研究波在固液兩相介質(zhì)中的傳播問題方面進(jìn)一步作出了完善，同時(shí)，也在飽和砂土液化問題的研究方面提供了一些參考。在70年代，有些學(xué)者考慮應(yīng)用有效應(yīng)力動(dòng)力分析的方法來(lái)分析問題，其中W.D.L.Finn等[4,5]就通過(guò)這種方法分析了一維垂向傳播的剪切問題，經(jīng)過(guò)討論，發(fā)現(xiàn)了該條件下的液化發(fā)展過(guò)程。我國(guó)學(xué)者沈珠江[6]在砂土動(dòng)力液化變形研究上，經(jīng)過(guò)不斷探索，將這種方法推廣應(yīng)用在三維模型的研究上。在許多學(xué)者不斷地探索和分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用有效應(yīng)力原理來(lái)對(duì)砂土發(fā)生液化這一發(fā)展歷程進(jìn)行分析和詮釋，但是，在孔隙水壓力為何呈現(xiàn)波動(dòng)上升這一現(xiàn)象的解釋上還需要進(jìn)一步研究。

國(guó)內(nèi)學(xué)者黃文熙教授[7]首次提出在對(duì)砂土液化問題進(jìn)行研究時(shí)，可以采用動(dòng)三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)研究。汪聞韶[8]則將黃文熙教授提出的這一觀點(diǎn)付諸于實(shí)踐，利用動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了應(yīng)力狀態(tài)變化如何影響飽和砂土在振動(dòng)液化作用下孔隙水壓力的變化，還研究了顆粒排列形式如何影響砂土骨架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)穩(wěn)定性，此外，還研究了在振動(dòng)作用下飽和砂土中孔隙水壓力的產(chǎn)生、消散和擴(kuò)散機(jī)理。謝定義[9]對(duì)國(guó)內(nèi)外在砂土液化問題上進(jìn)行的一系列探索及成果進(jìn)行了分析，針對(duì)液化的一些基本問題諸如機(jī)理分析、研究途徑、試驗(yàn)方法以及估算分析等問題進(jìn)行了若干討論。徐志英等[10,11]通過(guò)利用有限單元分析法，將地震時(shí)的孔隙水壓力與土壩和地基的變形與固結(jié)進(jìn)行結(jié)合，發(fā)現(xiàn)了一種適用于土壩和地基動(dòng)力分析的非線性二維有效應(yīng)力分析方法，并進(jìn)一步應(yīng)用非線性三維有效應(yīng)力分析法計(jì)算液化的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程。王鍾琦[12]主要著手于液化的宏觀現(xiàn)象的研究，試圖更深刻地揭示砂土液化的產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)程，以此來(lái)發(fā)現(xiàn)適用于實(shí)踐工程的評(píng)價(jià)方法。還有諸多學(xué)者在國(guó)內(nèi)砂土液化理論及抗液化措施的研究和發(fā)展方面取得了豐碩的研究成果，為我國(guó)砂土液化課題的研究與發(fā)展作出了諸多貢獻(xiàn)。

2 樁體加固液化土地基研究綜述

2.1 碎石樁加固液化土研究

碎石樁是一種散體的復(fù)合地基加固樁，主要以碎石為原料制作而成。根據(jù)樁的制作工藝，可將碎石樁分為兩大類：一類是振沖(濕法)碎石樁，振沖碎石樁主要是通過(guò)振動(dòng)加水沖的方式制作而成，因此也稱為濕法碎石樁，這種方法最初是由德國(guó)凱勒公司設(shè)計(jì)制造出的，其施工機(jī)具是現(xiàn)代振沖器的雛形，在加固地基方面應(yīng)用并取得了成功，因而得以廣泛應(yīng)用；另一類是干法碎石樁，干法碎石樁則主要利用各種無(wú)水沖施工工藝制作而成，主要包括干振、振擠、錘擊以及強(qiáng)夯置換等方法。大量的工程實(shí)踐表明，將碎石樁應(yīng)用于液化土地基的加固，在消散孔隙水壓力方面效果顯著，同時(shí)對(duì)樁周土體具有一定的擠密作用，且施工簡(jiǎn)單、方便、快捷，在工程實(shí)踐中被廣泛地應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者在碎石樁加固液化土機(jī)理研究這一課題上作出了很多探索，在此過(guò)程中，也取得了豐碩的研究成果。許明軍等[13]就國(guó)內(nèi)外在碎石樁加固液化土地基的抗液化機(jī)理及液化判別等方面所作的一系列研究工作進(jìn)行了分析和探討，發(fā)現(xiàn)：在加固機(jī)理研究方面，用碎石加固砂土?xí)r，碎石主要起到擠密、振密、排水減壓、預(yù)震和加筋作用。趙如意等[14]以京滬高速鐵路碎石樁樁網(wǎng)加固液化土地基為原型，利用振動(dòng)臺(tái)做了一系列模型試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)利用碎石樁加固液化土，不僅能提高地基的抗液化能力，還能大幅度地減小地基路堤沉降。牛琪瑛等[15-21]對(duì)碎石樁加固液化土地基模型進(jìn)行了大量的系統(tǒng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，提出了砂土在振動(dòng)作用過(guò)程中孔隙水壓力、孔壓比、土壓力、土層加速度、沉降量的時(shí)程曲線，在此基礎(chǔ)上將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，找到了碎石樁加固液化土地基模型中孔隙水壓力、土壓力及沉降量隨埋深、密實(shí)度的變化規(guī)律，以及土層加速度隨埋深的變化規(guī)律，并進(jìn)一步對(duì)這些參數(shù)相互間的聯(lián)系進(jìn)行量化分析，并用數(shù)學(xué)關(guān)系式揭示了該地基模型中各個(gè)參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系，此外，還對(duì)樁體加固液化土地基模型進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析以及數(shù)值模擬分析，進(jìn)一步完善了碎石樁加固液化土機(jī)理的研究。

2.2 水泥土樁加固液化土研究

水泥土樁主要用在軟土地基處理中，這種方法主要是利用水泥作為固化劑，通過(guò)特質(zhì)攪拌機(jī)械將軟土與固化劑攪拌，發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)形成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)地基。根據(jù)其成樁工藝，可分為兩大類：漿液攪拌法(簡(jiǎn)稱濕法)，是在強(qiáng)制攪拌過(guò)程中，噴射水泥漿與土混合形成樁體，這種方法最早是在美國(guó)研制成功的，我國(guó)則于1978年研制出了第一臺(tái)濕法的施工機(jī)具；粉體噴攪法(簡(jiǎn)稱干法)，是在強(qiáng)制攪拌時(shí)噴射水泥粉與土混合成樁，這種方法最早是由瑞典人Kjeld Paus在1967年提出的，并在1971年研制出第一臺(tái)粉噴攪拌機(jī)。1983年，我國(guó)鐵道部門研制出第一臺(tái)粉體噴射攪拌機(jī)。利用水泥土樁加固地基，在提高地基承載力和增大變形模量上有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

牛琪瑛等[15-21]利用室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，對(duì)水泥土樁加固液化土地基模型進(jìn)行了大量的系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)水泥土樁抗液化土效果并不明顯，但在抑制土體沉降、增強(qiáng)土體剛度、提高地基承載力、抵抗水平荷載方面效果顯著，同時(shí)，在試驗(yàn)中得到了在振動(dòng)荷載下水泥土樁加固地基模型的超靜孔隙水壓力、土壓力、土層加速度、沉降量的時(shí)程曲線及其隨埋深的變化規(guī)律，并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，得到了水泥土樁加固模型中孔隙水壓力、土壓力、沉降量與埋深、密實(shí)度之間的變化規(guī)律，土壓力、土層加速度、沉降量與孔隙水壓力、埋深之間的變化關(guān)系，進(jìn)一步探索了這些參數(shù)相互間的數(shù)學(xué)關(guān)系，為樁體加固液化土機(jī)理的研究和發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

2.3 復(fù)合樁加固液化土研究

通過(guò)研究碎石樁、水泥土樁加固液化土地基的機(jī)理，考慮將這兩種樁體以不同的形式進(jìn)行組合來(lái)加固液化土，期望它們能發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，在處理液化土方面能起到良好的加固作用。牛琪瑛等[15-21]針對(duì)復(fù)合樁加固液化土模型做了大量的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究，將試驗(yàn)中的碎石樁加固模型、水泥土樁加固模型及復(fù)合樁加固模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、對(duì)比與研究，得到了各參數(shù)的變化規(guī)律及參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，完善了樁體加固液化土機(jī)理的研究，為復(fù)合樁在實(shí)際工程上用于加固液化土提供了一定的指導(dǎo)依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)砂土液化機(jī)理的研究現(xiàn)狀以及樁體加固液化土機(jī)理的研究成果進(jìn)行匯總與分析，可以看到在液化土機(jī)理研究方面已經(jīng)在不斷完善，并取得了豐碩的研究成果，但也存在一些問題：1)在研究過(guò)程中，還有很多試驗(yàn)研究缺乏數(shù)值模擬的分析對(duì)比，因此還可以從數(shù)值模擬方面入手來(lái)進(jìn)一步完善其理論基礎(chǔ)；2)在工程實(shí)踐中，由于各地區(qū)的工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，地震發(fā)生時(shí)情況也不盡相同，因而其場(chǎng)地土體對(duì)地震波的反應(yīng)情況會(huì)比較復(fù)雜，不確定因素也會(huì)涉及很多，而研究工作大多局限于室內(nèi)小模型試驗(yàn)，顯然，這種模型試驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠真實(shí)地模擬地震作用發(fā)生時(shí)土體的實(shí)際反應(yīng)狀況，這就必然要求大量的可靠性試驗(yàn)研究來(lái)進(jìn)一步揭示砂土液化機(jī)理及其加固機(jī)理。