閘基砂土地震液化及加固分析

邵麗盼·卡爾江，孜吾熱古麗·葉斯塔依

（1.新疆維吾爾自治區(qū)灌溉排水發(fā)展中心，烏魯木齊 830000；2.新疆維吾爾自治區(qū)水資源中心，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

本次研究的閘基位于新疆維吾爾自治區(qū)， 水閘混凝土底板厚2m。輸水廊道尺寸為2.50m×2.0m，廊道底高程為▽-1.0m。 閘室內(nèi)設(shè)有工作門槽一道，檢修門槽兩道，蓄水位差10m。經(jīng)現(xiàn)場初勘查明，鉆探深度范圍內(nèi)的土層根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測定的塑性指數(shù)可分為6個(gè)工程地質(zhì)層：①素填土：呈褐黃～灰黃色，可塑狀態(tài)為主，無層理，粉質(zhì)黏土、黏土質(zhì)土為主，局部夾粉土薄層，表層含植物根莖等，屬中壓縮性土為主，層厚6.9m；②淤泥質(zhì)土：深灰色，飽和，流塑，高壓縮性。有異味，搖震反應(yīng)慢，捻面較光滑，有光澤，干強(qiáng)度及韌性中等，成分主要為黏粉粒，層厚9.8m；③粉土層1：呈灰色，軟塑狀態(tài)為主，有層理，含貝殼，屬中壓縮性土。 局部夾淤泥質(zhì)土、黏土透鏡體，層厚12.1m；④粉土層2：呈灰色，軟塑狀態(tài)為主，有層理，屬中壓縮性土。 局部夾淤泥質(zhì)土、黏土透鏡體，層厚3.8m；⑤粉土層3：呈灰色，軟塑～流塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，屬高壓縮性土。 局部夾淤泥質(zhì)土、 黏土透鏡體， 層厚12.4m。根據(jù)本次勘察資料，本場地埋深45m以下有飽和砂土層分布。 按JTG C20—2011《公路工程地質(zhì)地質(zhì)勘察規(guī)范》對(duì)其液化情況進(jìn)行判定?？紤]地下水位變幅，液化判定時(shí)靜止水位按上浮1.00m計(jì)算。 結(jié)果表明，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為7度時(shí)，根據(jù)本次勘察資料綜合分析判定，本場地埋深45m以下砂土層屬液化土層，液化指數(shù)為1.17～5.25，對(duì)地基處理有一定影響。因此本研究選取的土體為砂土，表1為本次測試的砂土物理力學(xué)參數(shù)。

表1 砂土參數(shù)

2 試驗(yàn)裝置及傳感器

本文試驗(yàn)的裝置采用立方體模型， 其中土盒尺寸為400mm×400mm×400mm，而為了更好地模擬土體的液化性質(zhì)， 還在土體表面設(shè)計(jì)了立方體覆蓋層來模擬上覆土壓力， 其中測試所用的地震荷載和應(yīng)變傳感器也通過該裝置插入土體當(dāng)中。 由于液化現(xiàn)象產(chǎn)生的孔壓變化是土體發(fā)生液化最明顯的指標(biāo)，所以試驗(yàn)時(shí)沿震動(dòng)方向安裝了3個(gè)孔壓傳感器，距砂土底部高0.1，0.2，0.3m。 此外，為測試振動(dòng)臺(tái)底板位移，在底部還安裝了線性可變位移傳感器（LVDT）。

為了測量從振動(dòng)臺(tái)底部傳輸至土壤中的實(shí)際加速度， 防水加速計(jì)插入至距離土體底部0.1m的高度處，而測量土體應(yīng)變的應(yīng)變傳感器，插入至垂直于搖晃方向0.1m。 本文還設(shè)置了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，來研究短時(shí)間內(nèi)發(fā)生液化現(xiàn)象的土體。 由于研究需要足夠的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以50次/s的采樣頻率收集。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為八通道，其中3個(gè)孔隙壓力傳感器連接到前3個(gè)通道，加速度計(jì)連接到第5和第6個(gè)通道，LVDT和應(yīng)變計(jì)分別連接到第7和第8個(gè)通道。 本文試樣包含4種相對(duì)密度，分別為0.3，0.4，0.5，0.6，由松砂到密砂展開，總共進(jìn)行了8次試驗(yàn)，加速度分別為0.21g和0.45g。

3 試驗(yàn)測試步驟

為獲得具有特定均勻密度的均勻砂土樣，采用水沉淀法進(jìn)行制備，以確保完全飽和。 此外通過人工降雨技術(shù)從特定高度灌入砂土，將土壤模型分成六層，以達(dá)到所需的密度。 振動(dòng)臺(tái)上的振幅借助于槽軸進(jìn)行設(shè)置，控制面板上的頻率根據(jù)填充模型前所需的最大加速度進(jìn)行設(shè)置， 隨后將LVDT和孔隙壓力傳感器連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 在封裝土樣時(shí)，先將應(yīng)變傳感器和加速計(jì)插入指定位置，所有儀器都需要連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。 然后，將立方體覆蓋層放置在土層的表面上，然后用干凈的砂土填充，使其壓力達(dá)2.5kPa。 圖1為加速度為0.21g時(shí)振動(dòng)臺(tái)震動(dòng)曲線，選擇的頻率分別為2 Hz和3 Hz，振幅為15 mm。試驗(yàn)開始時(shí)以預(yù)先設(shè)定的加速度震動(dòng)， 在振動(dòng)開始的瞬間打開孔隙壓力傳感器， 至孔隙壓力降低或出現(xiàn)達(dá)到峰值后的恒定值時(shí)，可判定土體開始發(fā)生液化，最后繼續(xù)試驗(yàn)，直至孔隙水壓力完全消散。

圖1 振動(dòng)臺(tái)加速度曲線

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 超孔隙壓力隨時(shí)間變化規(guī)律

圖2給出了加速度在0.21g（圖2a） 和0.45g（圖2b）下，相對(duì)密度為0.3的土樣頂部、中部和底部水平的超孔隙壓力隨時(shí)間的變化。從圖中可以看出，與中間和頂部水平面相比， 底部水平面產(chǎn)生的孔隙壓力更高，三者呈遞進(jìn)變化趨勢，底部孔隙水壓力＞中部孔隙水壓力＞頂孔隙水壓力。 當(dāng)加速度a=0.21g時(shí)，三者均在震動(dòng)40s之后，孔隙水壓力達(dá)到平穩(wěn)，其中頂部孔壓維持在1.25kPa，中部孔壓維持在2.25kPa，而底部孔壓維持在3.3kPa。 當(dāng)加速度a=0.45g時(shí)，三者孔隙水壓力均在震動(dòng)10s左右就已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，其中頂部孔壓維持在6kPa，中部孔壓維持在8kPa，而底部孔壓維持在10.1kPa左右。因此可以得出地震加速度越大，土的孔壓越快達(dá)到穩(wěn)定， 且最終孔壓值要大于地震加速度較小時(shí)的孔壓值。 對(duì)于Dr=0.4、0.5和0.6的試樣（篇幅原因未列出），兩種地震加速度下，孔隙水壓力首先在土樣頂部形成，然后進(jìn)入中間，最終到達(dá)底部。因此，實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)設(shè)備的液化過程是向下進(jìn)行的，這與前人的研究結(jié)果一致。

圖2 不同加速度下Dr=0.3土樣超孔隙壓力隨時(shí)間變化

4.2 孔隙壓力比與剪切應(yīng)變的變化

為了確定臨界剪切應(yīng)變（γt）和液化開始時(shí)的剪切應(yīng)變（γL），表2給出了每種相對(duì)密度（Dr在30%到60%之間變化）和兩個(gè)加速度水平（a=0.21g和0.45g）下土樣剪切應(yīng)變的試驗(yàn)結(jié)果。由表可知看出，所有試驗(yàn)的臨界剪切應(yīng)變均在10-4%至10-3%范圍內(nèi)，若不考慮加速度和相對(duì)密度； 在剪切應(yīng)變約為10-2%時(shí)，孔隙壓力比已達(dá)到峰值（這是液化開始的標(biāo)志）。 當(dāng)加速度a=0.21g時(shí)， 相對(duì)密度Dr=0.3和Dr=0.6時(shí)的臨界剪切應(yīng)變最大，為10-4%；當(dāng)相對(duì)密度Dr=0.5時(shí)，剪切應(yīng)變最大，為0.0026%。 當(dāng)加速度a=0.45g時(shí)，相對(duì)密度Dr=0.3時(shí)的臨界剪切應(yīng)變最大，達(dá)到0.005%，而當(dāng)相對(duì)密度Dr=0.5 時(shí)的臨界剪切應(yīng)變最小， 僅為0.0013%。 對(duì)于發(fā)生液化時(shí)土體的初始剪切應(yīng)變，當(dāng)加速度a=0.21g時(shí)， 相對(duì)密度Dr=0.4時(shí)最大， 達(dá)到0.0206%；當(dāng)加速度a=0.45g時(shí)，相對(duì)密度Dr=0.3時(shí)最大，達(dá)0.0245%。 圖3給出了相對(duì)密度為0.4和0.6時(shí)孔隙壓力比與剪切應(yīng)變的變化規(guī)律。 其中孔隙壓力比表示超孔隙水壓力與垂直有效應(yīng)力之間的比值。 從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)當(dāng)孔隙壓力比小于1時(shí)，在較低的加速度水平（即0.21g）下就可以觀察到液化的開始，而對(duì)于較高的加速度水平（即0.45g），當(dāng)孔隙壓力比超過1時(shí)，液化才會(huì)啟動(dòng)。

表2 土樣剪切應(yīng)變的試驗(yàn)結(jié)果

圖3 Dr=0.4和0.6時(shí)孔隙壓力比與剪切應(yīng)變的變化規(guī)律

5 閘基液化加固措施

在進(jìn)行液化地基加固時(shí)，必須要根據(jù)地基條件和周邊情況選擇適當(dāng)?shù)氖┕し椒ā．a(chǎn)生液化的場地往往比同一震中距范圍內(nèi)未發(fā)生液化場地的宏觀烈度要低些。理論上，地震剪切波在液化土層中受阻（流體不能傳遞剪力），使傳至地面上的地震波相應(yīng)地衰減，從水工建筑物振動(dòng)破壞的角度看， 這對(duì)建筑耐震有利。但更廣泛的液化震害表明，地基土液化失效對(duì)水工建筑的破壞更嚴(yán)重， 因此不能因?yàn)橐夯链嬖谒^的“減震”作用而認(rèn)為液化對(duì)建筑抗震有利。液化場地應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行地基處理，使建筑及周邊一定范圍內(nèi)的土體密實(shí)。目前加固處理技術(shù)包括振沖法、擠密碎石樁法、強(qiáng)夯法、板樁圍封法，也可采用換填壓實(shí)土與增加非液化覆土重量的方法。本文根據(jù)閘基的工程地質(zhì)條件建議采用第一種方法，施工工藝為在振沖孔內(nèi)加填碎石（或卵石等）回填料，制成密實(shí)的振沖樁，而樁間土則受到不同程度的擠密和振密，同時(shí)回填料形成礫石滲井，可使砂層振密且迅速將水排走，以消散砂層中發(fā)展的孔隙水壓力， 從而更利于消除土層的液化，對(duì)地基起到加固且防止液化的作用。

6 結(jié)語

通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了不同地震荷載下，不同相對(duì)密度砂土的液化性能，得到了砂土超孔隙壓力隨時(shí)間變化規(guī)律， 探討孔隙壓力比與剪切應(yīng)變的變化特征，結(jié)果表明與中間和頂部水平面相比，底部水平面產(chǎn)生的孔隙壓力更高，三者呈遞進(jìn)變化趨勢，及底部孔隙水壓力＞中部孔隙水壓力＞頂孔隙水壓力；對(duì)當(dāng)孔隙壓力比小于1時(shí)，在較低的加速度水平（即0.21g）下就可以觀察到液化的開始，而對(duì)于較高的加速度水平（即0.45g），當(dāng)孔隙壓力比超過1時(shí)，液化才會(huì)啟動(dòng)。