碎石樁加固風(fēng)積沙地基液化規(guī)律及頻響特征試驗(yàn)研究

周 垣，吳紅剛，朱兆榮，馬至剛，孫 浩，馮 康

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川綿陽 621010; 2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730070)

引言

隨著我國西部交通建設(shè)不斷發(fā)展,鐵路線路不可避免穿越風(fēng)積沙河谷地區(qū),例如,新建烏魯木齊—哈密—蘭州線、拉薩至林芝段(以下簡(jiǎn)稱“拉林鐵路”)與庫爾勒—格爾木線等線路的多段里程[1]。而西部地區(qū)地震活動(dòng)強(qiáng)烈,發(fā)生頻繁,特別是雅魯藏布江沿岸地下水豐富,且部分河岸的地表層是較厚的風(fēng)積沙,該區(qū)域的路基工程面臨著地基液化的危險(xiǎn)。液化會(huì)使地面大幅沉降,導(dǎo)致路堤受到拉裂破壞,而地震作用下超靜孔壓的累積上升會(huì)使土體有效應(yīng)力持續(xù)下降,引起砂土顆粒骨架失去自穩(wěn)能力,因此風(fēng)積沙地基的加固與抗震設(shè)計(jì)亟待優(yōu)化。碎石樁能有效抑制砂土液化,其加固風(fēng)積沙地基的抗液化效果與動(dòng)力響應(yīng)有必要進(jìn)行研究。

國內(nèi)外有關(guān)專家學(xué)者對(duì)風(fēng)積沙液化特性和碎石樁加固可液化地基的抗液化效果進(jìn)行了研究。崔雍[2]基于FLAC3D軟件對(duì)風(fēng)積沙液化特征以及其影響因素進(jìn)行數(shù)值計(jì)算;鄒佑學(xué)[3]采用砂土液化大變形模型模擬飽和砂土與等效非線性增量模型模擬碎石樁,得出碎石樁抗液化有效范圍是樁徑的2.5～3倍,且發(fā)現(xiàn)地震作用下樁周土體與樁體為非協(xié)調(diào)性變形,剪應(yīng)變比可達(dá)7～10;王晉寶[4]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相較于裸碎石樁,包裹碎石樁加固砂土地基抗液化效果與減少地基總沉降量性能更佳;李榮建[5]與LIU[6]基于有限元程序FEMEPDYN分別驗(yàn)證了兩側(cè)長樁、中部短樁或者長短相間布置碎石樁的砂土地基加固方式同樣抗液化效果顯著,且更具經(jīng)濟(jì)效益;趙永倫[7]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)了6個(gè)影響碎石樁處理液化粉土地基效果的因素;黃春霞[8]對(duì)前人研究做出總結(jié),得出碎石樁加固粉土地基的抗液化效果和砂土地基相似的結(jié)論;申玉生[9]采用數(shù)值模擬得出了增長碎石樁樁長加固飽和粉土地層能有效減小地鐵盾構(gòu)隧道的豎向與水平位移;伍琪琳[10]基于排水抗液化理論解析了碎石樁在某港口工程解決液化難題的成功運(yùn)用,并提出了用于抗液化的碎石樁質(zhì)量檢測(cè)的建議;邱夢(mèng)瑤[11]利用OpenSees計(jì)算平臺(tái)與模型試驗(yàn),提出并驗(yàn)證了適合評(píng)價(jià)加筋碎石樁復(fù)合飽和砂土地基抗液化性能評(píng)價(jià)方法;古泉[12]探究了碎石樁作為橋梁工程抗液化加固措施的效果;李藝林[13]利用FLAC 3D中的Finn模塊建立液化模型,得出碎石樁可以很好地改善結(jié)構(gòu)和土層的動(dòng)力響應(yīng);CHEN[14]研究并實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的碎石樁施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng);WANG[15]提出了一種可液化地基中樁的三維有限元建模方法;WANG[16]研究了碎石土在恒應(yīng)變幅循環(huán)荷載作用下的液化行為及細(xì)觀機(jī)理。

上述文獻(xiàn)對(duì)碎石樁的抗液化效果進(jìn)行研究時(shí),大多以具有一定黏粒的砂土及粉土為研究對(duì)象,缺乏對(duì)地基液化過程中加速度頻率響應(yīng)規(guī)律的探索。風(fēng)積沙屬于特細(xì)砂,顆粒粒徑較細(xì),黏聚力基本為零,地震作用下極易松散與流滑,其本身抗液化能力弱。因此,以拉林鐵路穿越的風(fēng)積沙河谷地區(qū)為研究對(duì)象,對(duì)既有碎石樁-風(fēng)積沙復(fù)合地基進(jìn)行縮尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),探究碎石樁加固風(fēng)積沙地層的液化規(guī)律和頻響特征,為相似地基的抗液化設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程概況

圖1為拉林鐵路穿越的某段風(fēng)積沙河谷區(qū),鐵路樁號(hào)A4K40,位于貢嘎鎮(zhèn)對(duì)岸,雅魯藏布江左岸,距河80～100 m有新月形沙丘,丘表完全裸露。該區(qū)域風(fēng)積沙地層厚度約12 m,風(fēng)積沙亮色帶分布較高而粒徑小,暗色帶分布偏低而粒徑粗,沙屬細(xì)沙,含水豐富,表面狀態(tài)稍濕。該區(qū)域地處藏中地震帶,超越概率10%的水平向地震動(dòng)峰值加速度為0.2g。地基加固方式為碎石樁復(fù)合地基,正三角形布樁,樁徑0.5 m,樁間距1.2 m,樁長10 m;路堤坡腳或基礎(chǔ)外緣擴(kuò)大1～2排樁,地表鋪設(shè)0.3～0.6 m厚碎石墊層。

圖1 拉林鐵路穿越某段風(fēng)積沙河谷區(qū)Fig.1 Aeolian sand valley area of a section of Lhasa-Nyingchi Railway

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)與制備

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與模型設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)在西南交通大學(xué)巖土試驗(yàn)大廳進(jìn)行,試驗(yàn)的液體靜壓式振動(dòng)臺(tái)設(shè)備由蘇州蘇試試驗(yàn)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn),型號(hào)SV-1212,其振動(dòng)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 振動(dòng)臺(tái)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Shaking table technical parameters

縮尺模型的相似比設(shè)計(jì)以Bockingham π原理為基礎(chǔ),結(jié)合前人總結(jié)的液化場(chǎng)地設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[17],以及振動(dòng)臺(tái)的尺寸與載重,確定的相似比參數(shù)見表2,受試驗(yàn)條件限制,采用重力失真模型與不完全相似彈性模量控制。

表2 模型相似比Tab.2 Model similarity ratio

換算后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)如圖2所示,通過模型兩邊有樁區(qū)與無樁區(qū)形成對(duì)比試驗(yàn),以探究碎石樁加固風(fēng)積沙地基的抗液化效果。不同埋深處(埋深分別為10,30,50 cm)布置有加速度計(jì)與孔壓計(jì)記錄試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭?dòng)力響應(yīng)情況,其中D0為臺(tái)面加速度計(jì)。

圖2 模型設(shè)計(jì)示意(單位:cm)Fig.2 Schematic of model design (unit: cm)

2.2 地震波選擇與加載工況

本次試驗(yàn)在X向加載地震波,波形選取國內(nèi)外地震研究領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者廣泛采用的地震波形—EL Centro波,該波是1940年在美國首次捕捉到的最大加速度超過300gal的地震波[18],其時(shí)程及頻譜曲線如圖3所示。此外,根據(jù)前人研究[19],未經(jīng)過相似比壓縮的地震動(dòng)持時(shí)對(duì)液化試驗(yàn)效果更好,反之有可能導(dǎo)致地基不發(fā)生液化現(xiàn)象,因此模型加載的動(dòng)力持時(shí)比采用1∶1。為保證液化現(xiàn)象的發(fā)生,本次試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)震級(jí)逐級(jí)增大的工況(GK1～GK5),各工況之間的時(shí)間間隔為40 min以上,確保地基中的超靜孔隙水壓充分消散,加載序列見圖4。

圖3 加載波時(shí)程與頻譜曲線Fig.3 Loading wave time history plot and spectrogram

圖4 加載工況序列Fig.4 Load case sequence

2.3 試驗(yàn)材料

模型試驗(yàn)地基填筑采用研究工點(diǎn)原位沙,該沙顆粒細(xì)、保水性差、黏聚力為0,且具有較強(qiáng)水敏性與動(dòng)力易損性。經(jīng)過土工試驗(yàn),風(fēng)積沙顆粒粒徑主要分布在0.25～0.074 mm,不均勻系數(shù)Cu為2.5,屬于集配不良的細(xì)砂,且最大干密度為1.5 g/cm3,最大飽和密度為1.9 g/cm3。圖5給出了風(fēng)積沙的粒徑級(jí)配曲線,其中包括有Tsuchida提出的砂土液化界限,風(fēng)積沙在界限之內(nèi)。本次試驗(yàn)采用剛性玻璃模型箱,為降低邊界效應(yīng)[20],試驗(yàn)時(shí)在垂直于地震波加載方向的兩側(cè)面貼有15 cm聚乙烯泡沫[21]。模型地基表面鋪設(shè)有碎石墊層,粒徑為2～5 mm,路堤為紅色黏土,僅用于模擬地表荷載。

圖5 風(fēng)積沙粒徑分配曲線Fig.5 Particle size distribution curve of aeolian sand

2.4 模型制備

模型具體制備過程如下:(1)模型箱兩側(cè)貼聚乙烯泡沫;(2)地基分層填實(shí),通過錘擊使其密實(shí),整個(gè)過程中同時(shí)布設(shè)傳感器,當(dāng)?shù)鼗钪欢ㄉ疃群?布設(shè)PVC塑料管,位置由有限位孔的KT板定位;(3)地基達(dá)到目標(biāo)深度后,往PVC塑料管里緩慢填筑碎石,填滿之后用鉗子將塑料管緩慢往地基外夾出,過程中并用鐵棒沖搗PVC管里面的碎石,以擠密周圍的土體;(4)鋪設(shè)碎石墊層,通過水沉法使地基飽和,模型靜置固結(jié)2 d后,抽走多余存方水,可認(rèn)為模型地基已充分固結(jié)和飽和,最后修筑路堤完成試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鳌Ｋ槭瘶都庸痰鼗Ｐ途唧w填筑過程見圖6。

圖6 模型填筑過程Fig.6 Model filling process

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象

試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象如圖7所示,由圖可知:模型在GK1～GK3中未出現(xiàn)明顯變化,當(dāng)加載0.4gEL Centro波時(shí),未加固區(qū)地表出現(xiàn)了水洼,且發(fā)生沉降0.6 cm,而碎石樁加固區(qū)沒有明顯變化。隨后的0.6gEL Centro波加載加劇了未加固區(qū)的受災(zāi)特征:體現(xiàn)為地表沉降增加了0.4 cm,累計(jì)沉降量達(dá)到1 cm,同時(shí)強(qiáng)震致使該區(qū)域地表形成1 cm水位,更為顯著的是路堤往無樁區(qū)域傾斜震陷了1.5 cm;反觀加固區(qū)只留下地表受水?dāng)_動(dòng)的痕跡。結(jié)合地震加載過程中觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行描述:碎石樁加固區(qū)受強(qiáng)震激勵(lì)同樣形成了地表水位,但地震結(jié)束后,地表水通過碎石樁的滲水通道又快速流入地基。綜上所述,在地震作用下,碎石樁可有效抵抗風(fēng)積沙地基與路堤的沉降,并利于地表水消散。

圖7 試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象Fig.7 Test macro phenomenon diagram

3.2 模型地基動(dòng)孔壓發(fā)展規(guī)律

3.2.1 孔壓比響應(yīng)特性

地震作用下,孔壓計(jì)采集的初始信號(hào)受噪聲影響較大,數(shù)據(jù)存在波動(dòng),為便于分析,應(yīng)用廣泛的Savitzky-Golay數(shù)據(jù)流平滑法,在時(shí)域內(nèi)基于局域多項(xiàng)式最小二乘法擬合,對(duì)原始孔壓數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。平滑后的曲線能夠有效保持原始信號(hào)的變化信息,如圖8所示,由圖可知,平滑結(jié)果較好,因此以下利用平滑后的孔壓曲線探究風(fēng)積沙地基液化規(guī)律。

圖8 Savitzky-Golay數(shù)據(jù)平滑F(xiàn)ig.8 Savitzky-Golay data smoothing

為探究碎石樁加固風(fēng)積沙地層的液化規(guī)律,繪制了孔壓比時(shí)程曲線(圖9)。孔壓比定義為動(dòng)力作用下超靜孔隙水壓力與初始有效應(yīng)力的比值,當(dāng)孔壓比大于1時(shí),砂土發(fā)生液化,初始有效應(yīng)力根據(jù)太沙基有效應(yīng)力原理得到。

圖9 不同工況孔壓比時(shí)程曲線Fig.9 Time-history curve of pore-pressure ratio under different working conditions

從圖9中可以發(fā)現(xiàn),同一水平高程的測(cè)點(diǎn)在不同工況下表現(xiàn)出相同的規(guī)律,即加固區(qū)的孔壓比峰值小于未加固區(qū)。將L1、L2、L3表達(dá)為模型地基深層、中部與淺層,對(duì)于孔壓比沿深度的分布規(guī)律是:在不同烈度地震下,加固區(qū)淺層的孔壓比峰值始終高于中部,而深層土體的土柱質(zhì)量大,有效應(yīng)力高,故孔壓比峰值最低;而未加固區(qū)液化特征存在差異,即中部的孔壓比峰值最高,淺層次之,深層最不容易液化,但隨著地震震級(jí)的加大,淺層與中部孔壓比峰值開始接近,液化從淺層擴(kuò)展到中部。以上說明,碎石樁加固風(fēng)積沙地基抗液化效果顯著,且將液化易發(fā)部位從中部轉(zhuǎn)移到淺層,有利于對(duì)液化場(chǎng)地采取加固措施。

GK4、GK5中,振動(dòng)荷載較大造成土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,風(fēng)積沙顆粒之間出現(xiàn)壓密趨勢(shì),宏觀上表現(xiàn)為未加固區(qū)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的體積壓縮和變形,微觀上表現(xiàn)為地基局部區(qū)域孔壓比超過1,液化現(xiàn)象發(fā)生;而碎石樁對(duì)樁間砂土具有擠密作用,提高了風(fēng)積沙顆粒之間的相互作用強(qiáng)度,進(jìn)而風(fēng)積沙地基抗剪強(qiáng)度與承載力得到提高,此外,樁體本身充當(dāng)優(yōu)良的排水路徑,利于超靜孔壓的消散,因此能大幅度提高地基的抗液化能力。

值得關(guān)注的是,孔壓比時(shí)程曲線的增長過程中不斷有凹槽出現(xiàn),未加固區(qū)表現(xiàn)得尤為明顯。這是由于地震作用下,地基的超靜孔壓(EPWP)積累與釋放循環(huán)發(fā)生,EPWP的釋放是孔壓持續(xù)積累造成顆粒之間孔隙開合的結(jié)果,對(duì)風(fēng)積沙顆粒骨架結(jié)構(gòu)有一定的擾動(dòng)影響。也可以描述為地基液化具有剪脹剪縮循環(huán)活動(dòng)性,而碎石樁可以減輕這種不良增長狀態(tài),使孔壓增長保持穩(wěn)態(tài)性。

3.2.2 碎石樁抗液化效果評(píng)價(jià)

此次試驗(yàn)屬于同時(shí)間尺度的對(duì)比試驗(yàn),為直觀反映碎石樁加固風(fēng)積沙地基的抗液化能力,基于加固區(qū)與無樁區(qū)同一埋深的孔壓比峰值,定義抗液化提升比δ為

(1)

式中,μ0為無樁區(qū)孔壓比峰值;μ′為同一埋深的加固區(qū)孔壓比峰值。圖10為碎石樁對(duì)風(fēng)積沙地基不同深度的抗液化提升比,從圖中可以看出,碎石樁的抗液化效果具有隨著地震烈度增大而提高的趨勢(shì),且對(duì)風(fēng)積沙地基中部的抗液化增益效果最顯著,δ值都在30%以上,因此自由場(chǎng)風(fēng)積沙地基的液化易發(fā)部位在碎石樁加固后由中部轉(zhuǎn)移到了淺層。

圖10 碎石樁抗液化提升比Fig.10 Anti-liquefaction lifting ratio of crushed stone pile

3.2.3 孔壓增長相關(guān)性規(guī)律

由圖9可知,不同埋深測(cè)點(diǎn)的孔壓增長趨勢(shì)存在一定相關(guān)性與差異性。為進(jìn)一步定量化表征碎石樁加固區(qū)的這種特性,基于統(tǒng)計(jì)學(xué)概率的散點(diǎn)矩陣運(yùn)算,對(duì)同一工況不同埋深測(cè)點(diǎn)的超靜孔壓時(shí)程曲線在dt內(nèi)等間距取n個(gè)特征點(diǎn)得到Pearson系數(shù)R進(jìn)行相關(guān)性分析,樣本取值見圖11,其相關(guān)系數(shù)表達(dá)式如下

圖11 樣本點(diǎn)提取Fig.11 Sample point extraction

(2)

通過使用IBM公司的專業(yè)數(shù)據(jù)分析工具SPSS快速進(jìn)行相關(guān)值計(jì)算,得到矩陣散點(diǎn)圖,以此判斷超靜孔壓增長的相關(guān)性。如圖12(a)所示,加載0.3gEL地震波時(shí),碎石樁加固風(fēng)積沙模型地基后,L1、L2與L3測(cè)點(diǎn)的孔壓增長存在正相關(guān)性。其中L1與L2之間的相關(guān)系數(shù)R值為0.933 6,L1與L3之間的R值為0.927 2,而L2與L3之間的R值為0.999 3,可見加固區(qū)在高程上表現(xiàn)為相鄰區(qū)域的孔壓增長關(guān)聯(lián)性顯著,且中部L2的孔壓增長高度影響著淺層L3的孔壓上升,這是因?yàn)橹胁康目紫端荒芟虻乇頋B流,對(duì)路徑上的孔壓有一定影響。

注:圖中橢圓區(qū)域測(cè)點(diǎn)表示超靜孔壓曲線樣本散點(diǎn)分布,紅線表示擬合曲線,橢圓置信度閾值設(shè)定為95%;橢圓的寬窄度反映變量的相關(guān)度;若橢圓較圓,不沿著對(duì)角方向延伸,則變量之間不相關(guān);若橢圓較窄,沿著對(duì)角方向延伸,則變量之間相關(guān)[22]。圖12 加固區(qū)孔壓響應(yīng)特征矩陣散點(diǎn)圖Fig.12 Scatter plot of pore pressure response characteristic matrix in reinforcement area

通過圖12(b)來看,隨著地震震級(jí)增大,在0.4gEL地震波作用下,L2、L3的孔壓增長分別與L1的孔壓響應(yīng)相關(guān)性減弱,兩者的R值下降到0.9以下,可能是因?yàn)樗槭瘶堵窂皆趶?qiáng)震下的排水功效得到充分利用,樁間土滲流路徑對(duì)深層L1孔隙水的傳遞作用相對(duì)減弱。

加載0.6gEL地震波時(shí),由孔壓比時(shí)程曲線(圖9(d))可得,幾乎整個(gè)模型地基發(fā)生了液化,結(jié)合圖12(c)可以發(fā)現(xiàn):引起地基液化的高烈度地震將碎石樁的排水功效幾乎發(fā)揮到了極限,樁間土中由深層向地表的孔隙水動(dòng)態(tài)遷移被迫加劇,所以L2、L3分別與L1的孔壓增長相關(guān)性系數(shù)R都提高到0.97以上。以上說明,碎石樁對(duì)地基深層的排水效果較為顯著,中部受到深層孔壓增長影響降低,間接提高了風(fēng)積沙地基中部的抗液化能力。

3.3 模型地基頻響特征

3.3.1 頻譜分布特征

為研究碎石樁加固風(fēng)積沙地基在地震作用下不同液化狀態(tài)的頻率分布特征,將采集的加速度進(jìn)行快速傅里葉變換,得到不同工況的加固區(qū)測(cè)點(diǎn)頻譜圖,如圖13所示。由圖13可知,不同測(cè)點(diǎn)在同一頻域內(nèi)的響應(yīng)存在差異,表現(xiàn)在低頻段(0～10 Hz)的響應(yīng)一致,且更為集中、幅值最大,中頻段(10～25 Hz)有微弱的“高程放大效應(yīng)”,而高頻段(25～35 Hz)的高程放大效應(yīng)顯著,且在29 Hz附近尤為突出。此外可以發(fā)現(xiàn),隨著加載震級(jí)增大,風(fēng)積沙地基密實(shí)度得到提高,場(chǎng)地剛度增加,不同埋深測(cè)點(diǎn)在中頻段的響應(yīng)趨于一致,差異頻率由29.71 Hz增加到29.76 Hz;當(dāng)加載0.6gEI地震波時(shí),模型地基發(fā)生液化,場(chǎng)地剛度退化,不同埋深測(cè)點(diǎn)在中頻段的響應(yīng)再次出現(xiàn)高程放大效應(yīng),且差異頻率衰減到28.85 Hz。

圖13 不同工況加固區(qū)頻譜曲線Fig.13 Spectrogram of reinforcement area

由于不同測(cè)點(diǎn)在高頻段(25～35 Hz)存在響應(yīng)差異,為定量表征這一特征,建立頻響放大系數(shù)PGA為

(3)

式中,A1、A0分別為測(cè)點(diǎn)和臺(tái)面在高頻段(25～35 Hz)振幅峰值。如圖14所示,在碎石樁復(fù)合地基未發(fā)生液化前(GK2、GK3、GK4),同一埋深測(cè)點(diǎn)PGA相似,且樁土系統(tǒng)高程放大效果顯著,其中深層(埋深50 cm)頻響放大系數(shù)在1左右,中部(30 cm)在2.4附近,淺層(10 cm)高達(dá)4倍放大效果;在GK5中,地基液化導(dǎo)致PGA出現(xiàn)縮減現(xiàn)象,說明地震波從模型底部向地表傳播過程中,液化的砂土?xí)趸鼗竟逃械哪芰總鬟f效果。

圖14 加固區(qū)頻響放大系數(shù)PGAFig.14 Frequency response amplification factor PGA

3.3.2 時(shí)頻演化規(guī)律

為研究碎石樁加固風(fēng)積沙地基液化的時(shí)頻演化規(guī)律,將采集的加速度信號(hào)進(jìn)行希爾伯特-黃變換(HHT)。HHT是一種廣泛應(yīng)用的處理非平穩(wěn)非線性信號(hào)的分析方法,第一步進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD),從任一復(fù)雜隨機(jī)時(shí)間序列中分離出頻率由高到低分布的若干階本征模態(tài)函數(shù)(IMF),第二步對(duì)這些IMF分量進(jìn)行Hilbert變換得到每個(gè)IMF分量的瞬時(shí)頻譜,綜合所有IMF分量的時(shí)頻譜就可得到地震信號(hào)在時(shí)頻域上分布特征,即Hilbert譜的形式,即

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式中,ai(t)為瞬時(shí)幅值;ω為瞬時(shí)頻率;Re為取復(fù)數(shù)的實(shí)部。

圖15為GK2與GK5工況下加固區(qū)的Hilbert譜,清晰地描述了地基內(nèi)部不同埋深測(cè)點(diǎn)在時(shí)域上的地震能量傳播特征。在GK2—0.2gEL Centro波作用下,碎石樁復(fù)合地基并未發(fā)生液化,但能量在頻域上主要分布在5～30 Hz,在時(shí)域上則主要集中在15～18 s。

圖15 GK2與GK5工況下加固區(qū)的Hilbert譜Fig.15 Hilbert spectrum of reinforcement area

隨著地震波從下往上傳播,不同埋深的Hilbert譜峰值沿高程上有明顯的“放大效應(yīng)”,且伴隨著主頻段(f1～f2Hz)向高頻擴(kuò)展與遷移,具體表現(xiàn)為深層D1的主頻段為6～22 Hz,地震波往中部傳播過程中,D2主頻段遷移到8～22 Hz,到達(dá)淺層D3則擴(kuò)展到8～28 Hz。GK5—0.6gEL Centro波激勵(lì)下,強(qiáng)震引起的超高超靜孔壓促使整個(gè)地基發(fā)生了液化,導(dǎo)致時(shí)頻規(guī)律發(fā)生了演化。如圖15(b)所示,處在液化狀態(tài)中的地基能量依然主要集中在15～18 s,但響應(yīng)頻段擴(kuò)大到了2～40 Hz,其中主頻段(f1～f2Hz)只出現(xiàn)了微弱的向高低頻發(fā)散的現(xiàn)象,具體而言,D1的主頻段低限縮小到5 Hz,沿高程可觀察到,D2、D3的主頻段相同,上限擴(kuò)展到29 Hz。

為清晰地闡述液化狀態(tài)下Hilbert譜在時(shí)間尺度上的變化規(guī)律,將加載的EL地震波劃分為前震(10～20 s)與余震(20～50 s),如圖16所示,可見相較于GK2,GK5在前震時(shí)間段內(nèi)時(shí)域分布差異較小,但在余震時(shí)間段的地基各個(gè)部位時(shí)域特征有所不同,其中D1在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)皆出現(xiàn)了新的能量尖峰,而D2的能量尖峰有減少跡象,地震波到達(dá)淺層D3后,能量響應(yīng)遷移到低頻域,這是由于余震的烈度相比前震較小,地基液化造成的高頻過濾作用得以凸顯。

圖16 EI Centro波前震與余震劃分Fig.16 Division of EI Centro wave foreshocks and aftershocks

4 結(jié)論

本文通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),研究了碎石樁加固風(fēng)積沙地基的抗液化規(guī)律和頻響特征,得出如下主要結(jié)論。

(1)碎石樁加固風(fēng)積沙地基能有效抵抗地表沉降,大幅度增強(qiáng)其抗液化能力,尤其是地基中部(3/5樁長),并且能將液化易發(fā)部位從中部轉(zhuǎn)移到淺層,有利于對(duì)液化場(chǎng)地采取加固措施。

(2)碎石樁充當(dāng)優(yōu)良的排水路徑,能弱化樁間土的剪脹剪縮循環(huán)活動(dòng)性,使孔壓增長保持穩(wěn)態(tài)性。

(3)不同埋深測(cè)點(diǎn)孔壓增長存在正相關(guān)性,且地震烈度過高時(shí),碎石樁的排水效果會(huì)達(dá)到極限,地基深處的部分孔隙水將從樁間土滲流至地表,導(dǎo)致路徑上的孔壓增長相關(guān)性顯著增強(qiáng)。

(4)EL Centro波作用下,碎石樁加固區(qū)在低頻段(0～10 Hz)的響應(yīng)集中且最為強(qiáng)烈,在高頻域(25～30 Hz)的響應(yīng)具有高程放大效應(yīng),液化時(shí)會(huì)弱化地基原有的能量傳遞效果。

(5)通過希爾波特譜可知,隨著EI Centro地震波從下往上傳播,碎石樁地基的響應(yīng)主頻段會(huì)向高頻(≥22 Hz)擴(kuò)展與遷移,而發(fā)生液化的土層具有高頻過濾作用。