拓勇飛，陳必光，舒 恒，李秀娟，趙先宇，肖 黎

(1. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056；2. 武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072；3. 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

場(chǎng)地地震液化是造成地下管線結(jié)構(gòu)主要危害之一[1]。孟加拉卡納普里河底隧道項(xiàng)目是中國(guó)對(duì)外修建的第一座水下盾構(gòu)隧道，該地區(qū)地震活動(dòng)強(qiáng)度較大，隧道沿線潛在地震液化問(wèn)題。對(duì)可能發(fā)生地震液化的場(chǎng)地提出經(jīng)濟(jì)合理的抗液化措施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

常見(jiàn)的抗液化措施有碎石樁、強(qiáng)夯、壓重、換填等[2,3]。其中，最有效最經(jīng)濟(jì)的措施之一是碎石樁法[4]。 Seed和 Booker[5]提出碎石樁半徑和樁距會(huì)影響其排水效應(yīng)，并通過(guò)試驗(yàn)證明了當(dāng)碎石樁半徑與一半樁距的比值為0.25時(shí)，砂土地基不會(huì)發(fā)生液化；徐志英[6]認(rèn)為在地震期間，碎石樁進(jìn)行徑向和豎向排水同時(shí)進(jìn)行，并提出了同時(shí)考慮兩個(gè)方向作用的地震期間碎石樁復(fù)合地基孔壓產(chǎn)生、積累和消散的控制方程。劉松玉等[7]、高彥斌[8]等研究了碎石樁的加密效應(yīng)。Baez[9]首先提出碎石樁復(fù)合地基的減震作用是由于剪應(yīng)力的重分布。地震剪應(yīng)力將集中在剛度較大的碎石樁上，使得樁間土承擔(dān)的地震剪應(yīng)力減小。鄭建國(guó)[10]通過(guò)測(cè)量在振動(dòng)荷載作用下未加固和碎石樁加固地基的地面振動(dòng)加速度值，證明了碎石樁的減震效應(yīng)。

數(shù)值分析是進(jìn)行地基液化處置效果評(píng)價(jià)的一種有效方法[11]。比較典型的是美國(guó)Seed等[5]，日本Sasaki[12]等對(duì)碎石樁加固地基的液化特性進(jìn)行的數(shù)值分析工作。盡管數(shù)值分析方法對(duì)液化處置后的復(fù)合地基進(jìn)行了一些假定和簡(jiǎn)化[13]，但它可以考慮許多其他方法無(wú)法考慮的因素，從而得到更加精確的結(jié)論。

本文以孟加拉卡納普里河底隧道的可液化地基為對(duì)象，運(yùn)用FLAC3D程序研究碎石樁復(fù)合地基的抗液化效果，分別建立未加固及碎石樁加固后地基的三維模型進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)分析，對(duì)比碎石樁加固前后地基的超孔壓比，超靜孔隙水壓力及結(jié)構(gòu)的抗浮特性等，分析碎石樁加固方法的有效性，對(duì)液化處置方案的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 液化處置方案

孟加拉卡納普里河底隧道連接卡納普里河?xùn)|西兩岸，穿越卡納普里河段采用盾構(gòu)法施工。隧道總長(zhǎng)3 315 m，盾構(gòu)段長(zhǎng)2 450 m。由規(guī)范的液化判別結(jié)果，確定隧道東岸TBH60斷面附近為最不利位置，該斷面地層分布如表1所示。其中砂土層3-2，3-6為可能液化層，需要進(jìn)行液化處置。

表1 TBH60斷面地層分布表Tab.1 TBH60 section stratigraphic distribution table

碎石樁處理地震液化的機(jī)理主要有3個(gè)方面：①碎石樁有良好的排水效果，可以加速超靜孔隙水壓的消散；②提高碎石樁周?chē)馏w的密實(shí)度；③碎石樁可以承擔(dān)一定的地震剪應(yīng)力，從而減小土體所受剪應(yīng)力。碎石樁處理地震液化的基本過(guò)程：首先在地基中成孔，然后將砂、碎石等滲透性好的材料壓密填入孔中，形成豎向密實(shí)樁體，以此防止地基液化。

采用的具體方案如圖1所示，利用碎石樁法處理盾構(gòu)穿越區(qū)及上方的液化層，采用樁直徑1 m，樁間距2 m的梅花樁布置。碎石樁成樁深度20.4 m，實(shí)際摻碎石樁長(zhǎng)約18.0 m，進(jìn)入非液化層3.0 m。碎石樁材料參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 碎石樁液化處置示意圖Fig.1 Schematic diagram of liquefaction disposal of gravel pile

材料彈性模量/MPa泊松比滲透系數(shù)/(cm·s-1)孔隙率密度/(kg·m-3)黏聚力/kPa摩擦角碎石樁2050.350.30.42100135

2 數(shù)值模擬過(guò)程

利用FLAC 3D軟件分別建立未加固和碎石樁加固后的地基及隧道三維模型，首先進(jìn)行自重應(yīng)力平衡計(jì)算和水壓力平衡計(jì)算，并以此計(jì)算結(jié)果作為隧道地震動(dòng)力響應(yīng)分析的初始平衡狀態(tài)；然后對(duì)地震波進(jìn)行濾波處理和基線校正后，輸入處理后的地震波進(jìn)行地震時(shí)程分析；最后分別輸出碎石樁加固前后地基土體的最大超孔壓比云圖、最大超靜孔隙水壓力云圖及結(jié)構(gòu)底部最大超靜孔隙水壓力折線圖進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 計(jì)算模型

模型寬度取200 m，深度為100 m，縱向拉伸3 m。土體使用Finn模型，隧道結(jié)構(gòu)采用彈性模型模擬，碎石樁采用Mohr-Coulomb模型模擬。未加固地基及隧道有限差分模型如圖2所示，碎石樁加固后地基及隧道有限差分模型如圖3所示。x軸沿隧道橫向，y軸沿隧道縱向，z軸向上。地震波峰值加速度為0.22g，在x、z兩個(gè)方向按x方向∶z方向=1∶0.65同時(shí)施加。

圖2 未加固地基及隧道有限差分模型Fig.2 Unfixed foundation and tunnel finite difference model

圖3 碎石樁加固后地基及隧道有限差分模型Fig.3 Finite difference model of foundation and tunnel after gravel pile reinforcement

2.2 最大超孔壓比云圖

超孔壓比的定義為[14]：

(1)

當(dāng)超孔壓比ru=1時(shí)，土體完全液化，當(dāng)粉土超孔壓比達(dá)0.68，粉砂土孔壓比達(dá)0.87時(shí)，土體開(kāi)始液化[11, 15]。超孔壓比越大，土體越趨向于液化。因此，可以通過(guò)對(duì)碎石樁加固前后土體在地震過(guò)程中的最大超孔壓比的對(duì)比分析，來(lái)評(píng)價(jià)碎石樁的抗液化效果。

土體在地震波施加過(guò)程中的最大孔壓比云圖如圖4所示，圖4(a)為液化處置前，圖4(b)為液化處置后。由結(jié)果可知，在液化處置前，土層3-2、3-6發(fā)生液化；在液化處置后，結(jié)構(gòu)周?chē)捌渖戏酵翆幼畲蟪讐罕葴p小，且砂土層最大超孔壓比均小于1，土體不再液化，液化處置效果良好。土體液化區(qū)指示圖如圖5所示，圖5(a)為液化處置前，圖5(b)為液化處置后。

圖4 最大孔壓比云圖Fig.4 Maximum pore pressure ratio contour

圖5 液化區(qū)指示圖Fig.5 Indicator map of liquefaction zone

2.3 最大超靜孔隙水壓力云圖

土體液化的特征之一是超靜孔隙水壓力的上升，因此，可以通過(guò)對(duì)碎石樁加固前后土體在地震過(guò)程中的最大超靜孔隙水壓力的對(duì)比分析，來(lái)評(píng)價(jià)碎石樁的抗液化效果。

土體在地震波施加過(guò)程中的最大超靜孔隙水壓力云圖如圖6所示，圖6(a)為液化處置前，圖6(b)為液化處置后。

圖6 最大超靜孔隙水壓力云圖Fig.6 Maximum excess pore water pressure contour

從結(jié)果可知，在液化處置后，結(jié)構(gòu)周?chē)捌渖戏酵翆幼畲蟪o孔隙水壓力減小，液化處置效果良好。

2.4 抗浮特性

通過(guò)比較結(jié)構(gòu)底部(如圖1中紅色虛線所示)在動(dòng)荷載作用時(shí)的最大超靜孔隙水壓力，可以分析結(jié)構(gòu)抗浮特性的變化。若最大超靜孔隙水壓力減小，則結(jié)構(gòu)抗浮能力增強(qiáng)。

經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)底部最大超靜孔隙水壓力折線圖如圖7所示，圖7(a)為液化處置前，圖7(b)為液化處置后。液化處置前(最大值：200 kPa；最小值：130 kPa)，液化處置后(最大值：90 kPa；最小值：42 kPa)。

圖7 結(jié)構(gòu)底部最大超靜孔隙水壓力折線圖Fig.7 Maximum excess pore water pressure line chart at the bottom of the structure

液化樁處置后，結(jié)構(gòu)底部最大超靜孔隙水壓力明顯減小，抗浮效果明顯增強(qiáng)。

3 處置效果評(píng)價(jià)

通過(guò)數(shù)值分析對(duì)比液化處置前后的土體的超孔壓比分布、超靜孔隙水壓力分布以及隧道結(jié)構(gòu)的抗浮特性，有以下結(jié)論。

(1)碎石樁加固地基前，土層3-2、3-6發(fā)生液化；在液化處置后，結(jié)構(gòu)周?chē)捌渖戏酵翆幼畲蟪讐罕葴p小，且砂土層最大超孔壓比均小于1，土體不再液化，液化處置效果良好。

(2)碎石樁加固地基后，結(jié)構(gòu)周?chē)捌渖戏酵翆幼畲蟪o孔隙水壓力減小，碎石樁排水效果顯著；

(3)結(jié)構(gòu)抗浮特性提升。碎石樁液化處置前，地震時(shí)結(jié)構(gòu)底部最大超靜孔隙水壓力為200 kPa；碎石樁液化處置后，結(jié)構(gòu)底部最大超靜孔隙水壓力為90 kPa。處置前后最大超靜孔隙水壓力下降55%，抗浮特性明顯增強(qiáng)。碎石樁液化處置效果明顯，碎石樁加固地基后，土體不再液化，各方面抗震特性均有效提升。