張國(guó)亮，牛琪瑛，張振炯

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原030024)

隨著城市高層建筑的興起，砂土液化加固一直是各類工程重點(diǎn)解決的問(wèn)題。尤其近年來(lái)，地震頻繁發(fā)生，土體液化不僅發(fā)生在未加固土體，加固后的液化土也頻頻出現(xiàn)問(wèn)題，造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失，因此對(duì)砂土液化加固的研究就顯得尤為重要［1-2］;碎石樁加固液化土可以消除液化人們已經(jīng)形成共識(shí)，鋼管樁加固土體的目的是為了提高地基承載力，已有大量的研究［3-4］。但鋼管樁與碎石樁復(fù)合加固液化土方面，尤其施加荷載后鋼管樁與碎石樁復(fù)合加固的特性研究還很少，需要做大量的研究。本文利用振動(dòng)臺(tái)模擬地震荷載［5-7］，探討豎向荷載作用下鋼管—碎石樁復(fù)合加固液化土的特性以及樁體沉降規(guī)律，為復(fù)合樁加固液化土在工程應(yīng)用中提供一定的參考。

1 振動(dòng)臺(tái)模型箱試驗(yàn)

1.1 振動(dòng)臺(tái)

試驗(yàn)采用的振動(dòng)臺(tái)型號(hào)為ZS-20D 超低頻電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，由蘇州儀器廠生產(chǎn)［8-10］。振動(dòng)臺(tái)平面尺寸為60×45 cm2，輸出頻率為0.01 ～1 000 Hz，振動(dòng)最大加速度為20 g，最大振幅是5 cm。水平和豎直方向的最大負(fù)荷分別為50 kg 和500 kg;試驗(yàn)中，設(shè)定振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)方向?yàn)樗?，加速度輸出方向?yàn)樗健８鶕?jù)模型地基的相似比關(guān)系為1:18，太原當(dāng)?shù)氐牡卣鹪O(shè)防烈度為8 度，確定振動(dòng)臺(tái)輸出加速度0.51 g，輸出頻率為8.74 Hz。

1.2 模型箱

模型箱體采用厚為10 mm 有機(jī)玻璃板制作，板之間用粘結(jié)劑粘接牢固，四周再做加筋處理。箱體內(nèi)部尺寸的長(zhǎng)、寬、高分別為54 cm、40 cm、75 cm。為了滿足箱內(nèi)飽和土體在自重作用下的固結(jié)及振動(dòng)過(guò)程中無(wú)限地基四周的排水條件，在箱體四周壁水平和豎直方向上每隔50 mm 鉆直徑3 mm 的孔，孔洞并用綿線引出。在模型箱采用在內(nèi)壁粘貼柔性材料來(lái)吸收側(cè)向邊界的波，以減小“模型箱效應(yīng)”［11-12］，如圖1 所示。

1.3 傳感器

孔隙水壓力傳感器采用丹東三達(dá)儀器廠生產(chǎn)的型號(hào)為DYS-3 型［13］，位移傳感器由深圳市邁恩傳感器科技有限公司制造的KMP-75mm-R 型，如圖2 所示。

圖1 模型箱Fig.1 Soil box

圖2 位移傳感器Fig.2 Displacement sensor

1.4 試驗(yàn)土的選取與制備

試驗(yàn)選用易液化的細(xì)砂土，取自太原市南中環(huán)橋汾河西岸邊的一處建筑工地。室內(nèi)對(duì)取回的土體進(jìn)一步處理，太陽(yáng)下晾干后用直徑2 mm 的土工篩過(guò)濾，去除土體中所含的雜質(zhì)和粗顆粒，留下比較均勻的細(xì)沙。試驗(yàn)完成后將土妥善保管，以備試驗(yàn)時(shí)取用。

依照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(GB/T 50123-1999)，用篩分法對(duì)取得土樣進(jìn)行顆粒分析，根據(jù)分析結(jié)果，確定土樣名稱為細(xì)砂，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)砂土顆粒組成Tab.1 Test of sandy soil particle composition

裝填砂土的流程按照干裝法進(jìn)行［14］，根據(jù)模型箱的尺寸，試驗(yàn)土的干密度的控制值為1.36 g/cm3，裝入土體的總高度為47 cm，總質(zhì)量為138.1 kg。為達(dá)到土的密實(shí)度要求，把土分層裝入，每層裝好后用擊實(shí)器將土體均勻搗實(shí)，最終要使每層土的密實(shí)度都相同。裝土?xí)r，先在底層裝入5 cm 厚的砂土，以后各層每次裝6 cm。前一批次的土層裝填完成后，將其表面犁毛后再裝入下一批次的土，這樣可以使箱內(nèi)的土體形成一個(gè)整體，避免振動(dòng)時(shí)土體發(fā)生層與層之間的相對(duì)滑動(dòng)。

土體全部裝入模型箱后向箱內(nèi)注水，為使土體飽和度達(dá)到80%以上，靜置48 h，為了使土體在水平方向上做一維純剪切運(yùn)動(dòng)［15］，輸入由武漢地震研究所提供水平地震動(dòng)力波。振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)時(shí)間設(shè)定為60 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)計(jì)六組模型，分別為施加0 kg、0.5 kg、1.0 kg、1.5 kg、2.0 kg 和2.5 kg 荷載作用于鋼管—碎石樁加固液化土地基，通過(guò)整理振動(dòng)過(guò)程中的超靜孔隙水壓力與沉降等數(shù)據(jù)，繪制不同荷載作用下超靜孔隙水壓力、樁體沉降量的時(shí)程曲線。

①孔隙水壓力

根據(jù)試驗(yàn)所得超靜孔隙水壓力數(shù)據(jù)，整理1.5 kg 和2.5 kg 荷載下埋深12 cm、24 cm 和36 cm 處超靜孔隙水壓力的時(shí)程曲線分析，如圖3 所示。

圖3 超靜孔隙水壓力的時(shí)程曲線Fig.3 Excess pore water pressure time curve

由圖3 可知:鋼管—碎石樁加固模型隨振動(dòng)超靜孔隙水壓力快速達(dá)到峰值，施加1.5 kg 荷載在埋深12 cm、24 cm、36 cm 處的峰值分別為5.6 kPa、5.5 kPa 和6.8 kPa，峰值之后由于碎石樁的排水，孔隙水壓力逐漸消散，到60 s 后分別減少到2.2 kPa、2.8 kPa 和4.8kPa;施加2.5 kg 荷載下超靜孔隙水壓力峰值在埋深12 cm、24 cm、36 cm 分別為5.3 kPa、5.8 kPa 和7.0 kPa，到60 s 后分別減少到1.9 kPa、2.7 kPa和3.3 kPa。對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明:①同一豎向荷載下埋深越大孔隙水壓力越大，隨著振動(dòng)荷載作用孔隙水壓力的消散從淺層開(kāi)始，逐漸向下方24 cm 和36 cm 處發(fā)展;②不同豎向荷載下不僅隨著荷載增大超靜孔隙水壓力峰值變大，并且超靜孔隙水壓力隨荷載增大消散明顯加快，說(shuō)明豎向荷載作用加速了碎石樁排水功能。

②樁體沉降分析

根據(jù)試驗(yàn)記錄所得樁體沉降數(shù)據(jù)，繪制出不同荷載作用下樁體沉降隨時(shí)間變化的時(shí)程曲線，如圖4所示。

圖4 沉降量時(shí)程曲線與曲線方程Fig.4 The pile settlement time curve and curve equation

從圖4(a)可以看出:振動(dòng)初期0 ～3 s 時(shí)樁的沉降速率最快，施加0.5 kg 到2.5 kg 荷載的沉降速率分別為0.13 cm/s、0.25 cm/s、0.50 cm/s、0.72 cm/s 和0.83 cm/s;在3 ～6 s 時(shí)沉降速率分別為0.07 cm/s、0.13 cm/s、0.27 cm/s、0.37 cm/s 和0.47 cm/s;在6 ～9 s 時(shí)沉降速率分別為0.05 cm/s、0.05 cm/s、0.13 cm/s、0.12 cm/s 和0.23 cm/s;9 s 后所有模型的沉降都趨于平穩(wěn)。對(duì)比曲線族:基本分成兩組0 ～1 kg曲線平緩，1.5 ～2.5 kg 曲線變陡。以1.0 kg 為臨界點(diǎn)，豎向荷載1.0 kg 作用于樁體的復(fù)合地基沉降速率平緩，大于1.0 kg 荷載作用下樁體的復(fù)合地基沉降速率加快。說(shuō)明液化土中上部荷載增加到一定值，加速了樁的下沉，并在地震振動(dòng)的共同作用下加快了復(fù)合地基的破壞。

圖4(b)取1.0 kg、1.5 kg 荷載下9 s 前的沉降隨時(shí)間變化的曲線進(jìn)行擬合，曲線近似方程分別為y = -0.016x2+0.293x+0.005、y = -0.030x2+0.571x+0.015。由圖5 的曲線族可以看出，1.5 kg荷載下土體已經(jīng)發(fā)生明顯的塑性變形，按地基承載力極限設(shè)計(jì)方法，實(shí)際情況下沉降量時(shí)程曲為1.0 kg荷載作用下的曲線。對(duì)1.0 kg 荷載作用下的曲線導(dǎo)數(shù)得:y'=-0.032x+0.293，是一條斜率逐漸減小的一次函數(shù)，說(shuō)明在荷載作用下復(fù)合樁加固液化土的沉降曲線為一條變化率逐漸放緩的二次拋物線。

圖5 鋼管樁的最終沉降量曲線與沉降差Fig.5 Final settlement curve under different load and settlement difference

圖5(a)為施加不同荷載下鋼管樁最終沉降量變化趨勢(shì)，從圖5 中看出:①未施加荷載時(shí)鋼管樁的沉降量不是0 而是0.25 cm，是復(fù)合地基在振動(dòng)作用的下沉，施加0.5 ～2.5 kg 荷載后，在振動(dòng)荷載作用下所測(cè)的最終沉降量分別為0.75 cm、1.30 cm、2.80 cm、3.60 cm、4.60 cm;②豎向荷載0 ～1.0 kg 區(qū)間，樁體沉降量緩慢增曲線的斜率k=1.1;1.0 ～1.5 kg 區(qū)間，沉降量突然增加曲線斜率變陡增至k=3.0;在1.5 ～2.5 kg 荷載區(qū)間曲線稍有變緩斜率為k=1.8。由此可見(jiàn)，豎向加荷1.0 kg 是突變點(diǎn)，荷載增至2.0 kg 沉降曲線又變得平緩，說(shuō)明最終下沉趨于平穩(wěn)。

③沉降差分析

沉降差為當(dāng)前施加荷載的樁體最終沉降量與前一組試驗(yàn)樁體的最終沉降量之間差值。由各組計(jì)算沉降，如圖5(b)所示。

孔隙水壓力與沉降曲線綜合分析:振動(dòng)初期超靜孔隙水壓力曲線沒(méi)有達(dá)到峰值前，樁和土之間的相互約束較強(qiáng)，初期沉降變化平緩，隨著荷載增加與振動(dòng)不斷作用，孔隙水壓力達(dá)到峰值，土體變形，樁體發(fā)生突然下沉。隨著碎石樁的排水，孔隙水壓力逐漸消散，土體變密，超靜孔隙水壓力減小，沉降趨緩，液化土強(qiáng)度增強(qiáng)，樁周土體對(duì)樁約束力增強(qiáng)，樁體的沉降量減小。

工程實(shí)際中，用碎石樁加固液化土的做法已經(jīng)非常普遍，一是碎石樁可以起到加固地基土，可以有效的抵抗地基土的液化;二是當(dāng)?shù)卣饋?lái)臨時(shí)碎石樁可以起到良好的排水作用，可以有效的降低地下水的孔隙水壓力。本次試驗(yàn)分析了不同荷載作用下的孔隙水壓力與地基沉降之間的關(guān)系，得出了在荷載作用下地震來(lái)臨時(shí)的孔隙水壓力與沉降之間的關(guān)系。表明豎向荷載作用下，孔隙水壓力的消散明顯加快，荷載作用加強(qiáng)了碎石樁排水功能，從而也提高了地基的承載力。說(shuō)明地震來(lái)臨時(shí)荷載作用下的碎石樁可以更快的降低孔隙水壓力，從而可以顯著的提高地基承載力，因此碎石樁與鋼管樁復(fù)合加固液化土可以在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)比不同荷載作用下不同埋深處超靜孔隙水壓力及樁體沉降曲線，得出如下結(jié)論:

①不同荷載下鋼管—碎石樁加固復(fù)合地基不同埋深處，超靜孔隙水壓力先急速上升到達(dá)峰值，隨著碎石樁的排水，孔隙水壓力逐漸消散;不同荷載下不僅隨著荷載增加超靜孔隙水壓力峰值變大，并且超靜孔隙水壓力隨荷載增大消散明顯加快，說(shuō)明豎向荷載作用加速了碎石樁排水功能。

②施加不同荷載，樁體沉降曲線均隨振動(dòng)時(shí)間先緩慢增加又急速增大最后趨于平緩，豎向加荷1 kg成為重要的突變點(diǎn)，荷載越大最終沉降量也愈大，樁的沉降—時(shí)間曲線呈二次拋物線的形式，達(dá)到指導(dǎo)實(shí)際工程的目的;沉降差變化隨上部荷載增大先增大后減小最后逐漸趨穩(wěn)，說(shuō)明液化土對(duì)樁的約束由大到小再過(guò)渡到平穩(wěn)。

③初期超靜孔隙水壓力未達(dá)到峰值，樁和土之間的相互約束較強(qiáng)，沉降變化平緩;隨著荷載增加與振動(dòng)不斷作用孔隙水壓力達(dá)到峰值，土體變形，樁體下沉加速;隨著碎石樁的排水，孔隙水壓力逐漸消散，土體變密，超靜孔隙水壓力減小，沉降趨緩。

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