于成勇，曹志剛，王師，梁培新

（1.國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司通遼供電公司，內(nèi)蒙古 通遼028000；2.南京工程學(xué)院建工學(xué)院，江蘇 南京211167）

0 引言

高烈度地震作用下飽和粉土地基會發(fā)生液化，從而導(dǎo)致建筑物的破壞。 根據(jù)相關(guān)地震研究資料，飽和粉土地層液化引起的地基大變形是導(dǎo)致高烈度地區(qū)各種基礎(chǔ)設(shè)施和生命線工程震害的主要原因。 目前對于單樁加固液化地基的研究成果較多，但是工程實(shí)際中廣泛采用群樁來進(jìn)行液化地基的加固，因此在單樁研究的基礎(chǔ)上采用有限差分軟件FLAC3D[1]對剛性排水樁和碎石樁群樁分別進(jìn)行加固液化地基數(shù)值模擬，分析樁徑、樁間距和地震作用對群樁的抗液化效果及性能的影響，為現(xiàn)實(shí)工程中液化場地的處理提供理論支撐。

1 工程概況

為了滿足高郵地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對電力增長的不斷需求，改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高供電能力及可靠性，擬建設(shè)高郵220 kV 變電站工程。 站址位于抗震不利地段，而且存在可液化土層，液化等級嚴(yán)重，依據(jù)GB50011—2010 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 相關(guān)條款，應(yīng)采取必要的抗液化措施。

2 計(jì)算模型

2.1 模型尺寸及計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型的土層分布： 在模型的X 和Y 方向范圍均為20 m。 Z 方向上共四層土，第一、三、四層為非液化土層，厚度分別為3.5 m、4 m、3 m，第二層為液化土層，厚度為4.5 m。模型體系的工程計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

考慮剛性排水樁和碎石樁在動力作用下的響應(yīng)。 碎石樁采用樁徑為0.9 m 的圓樁，為了便于有限元網(wǎng)格劃分，用方樁來代替圓樁。根據(jù)圓樁截面面積選擇方樁樁徑[2]為0.79 m，根據(jù)圓樁截面周長選擇方樁樁徑為0.71 m， 模型中綜合面積和周長選擇方樁樁徑為0.75 m。為了便于對比，剛性排水樁的樁徑也設(shè)置為0.75 m，樁長15 m，樁頂重物高3 m，用來模擬路基上面的墊層、路堤等的壓重作用，與單樁布置方式不同，布置四根樁，其中地基頂層中心坐標(biāo)為（0，0，0），如圖1，2 所示。

表1 工程計(jì)算參數(shù)

圖1 模型樁截面示意

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

2.2 模型基本假定

在進(jìn)行模型計(jì)算過程中，須滿足以下四個(gè)基本假定[3]：①土體是完全飽和粉土，且土體中流體的滲透服從達(dá)西定律；②假定土體的壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)皆為常數(shù)，且各向滲透系數(shù)相等；③土體的顆粒、孔隙水具有不可壓縮性；④剛性排水樁和碎石樁的材料屬性選用線彈性。

2.3 邊界條件

動力計(jì)算過程中，為了解決地震加載過程中波在邊界上的反射問題[4]，自由場邊界需要設(shè)置在FLAC3D軟件建立的模型中，然后自由場網(wǎng)格會在數(shù)值模型的四個(gè)側(cè)面產(chǎn)生，自由場的地震加載情況可以通過阻尼器與自由場網(wǎng)格在主體網(wǎng)格的側(cè)邊界進(jìn)行耦合來近似模擬。 自由場邊界如圖3 所示。

圖3 自由場邊界示意

2.4 動力輸入

選用頻率為5 Hz、振幅為0.3 g 的正弦波[5]在模型底部輸入， 加速度在2 s 時(shí)達(dá)到最大值0.3 g，持續(xù)到15 s，15～17 s 降至0，輸入總時(shí)間20 s，圖4是底部輸入的加速度時(shí)程。

圖4 輸入加速度時(shí)程

2.5 監(jiān)測點(diǎn)布置及對比分析

為了對比兩種群樁計(jì)算結(jié)果， 在數(shù)值模型中設(shè)置了監(jiān)測點(diǎn)， 如表2 所示。 監(jiān)測點(diǎn)用來監(jiān)測超孔壓比。 超孔壓比為超靜孔隙水壓力與初始有效應(yīng)力之比，根據(jù)劉茜等[6]將粉砂土超孔壓比0.87 作為液化破壞開始的標(biāo)志，孔壓比達(dá)到1 為完全液化的標(biāo)志。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 不同樁徑下群樁模型的超孔壓比

同一位置處不同樁徑群樁超孔壓比時(shí)程曲線如圖5 所示。

表2 監(jiān)測點(diǎn)位置

圖5 同一位置處不同樁徑群樁超孔壓比時(shí)程曲線

從圖5（a）可以看出，剛性排水樁在同一位置處樁徑為0.55 m、0.65 m 和0.75 m 的最大超孔壓比均在0.7 左右，且時(shí)程曲線非常相似，在2 s 時(shí)孔壓比達(dá)到最大值，2 s 后逐漸降低，說明了碎石樁的排水效應(yīng)與樁徑變化關(guān)系不大。

從圖5（b）可以看出，碎石樁在同一位置處樁徑為0.55 m、0.65 m 和0.75 m 的最大超孔壓比均在0.4 左右，說明了樁徑的改變對剛性排水樁的影響不大。

從圖5（a）、（b）可以看出同一位置處碎石樁的最大超孔壓比相較于剛性排水樁偏小，從而說明了在同一位置處碎石樁比剛性排水樁具有更好的抗液化效果。

3.2 不同樁間距下群樁模型的超孔壓比

同一位置處不同樁間距群樁超孔壓比時(shí)程曲線如圖6 所示。

圖6 同一位置處不同樁間距群樁超孔壓比時(shí)程曲線

從圖6（a）可以看出，剛性排水樁樁徑為0.75 m時(shí)，樁間距1D、2D、3D 和4D 處超孔壓比最大值分別為0.35、0.65、0.9 和0.95，這說明樁間距為1D 和2D 時(shí)不液化，在3D 和4D 時(shí)發(fā)生液化，樁間距增加的過程中，其超孔壓比也不斷增大，抗液化效果逐漸減弱。因此，剛性排水樁抗液化有效范圍為2D樁徑。

從圖6 （b） 可以看出， 碎石樁樁徑為0.75 m時(shí)，樁間距1D、2D、3D 和4D 處超孔壓比最大值分別為0.35、0.4、0.65 和0.9，這說明樁間距為1D、2D和3D 時(shí)不液化，達(dá)到4D 時(shí)發(fā)生液化。 因此，碎石樁抗液化有效范圍為3D 樁徑。

3.3 不同地震作用下群樁模型的超孔壓比

同一抗震設(shè)防制度不同地震作用下群樁超孔壓比時(shí)程曲線如圖7 所示。

圖7 同一抗震設(shè)防烈度不同地震作用下群樁超孔壓比時(shí)程曲線

從圖7（a）可以看出，在多遇地震作用下，剛性排水樁最大超孔壓比為0.6， 碎石樁最大超孔壓比為0.4， 可見在多遇地震時(shí)碎石樁的超孔壓比小于剛性排水樁，說明在多遇地震時(shí)碎石樁的抗液化效果較剛性排水樁顯著。

從圖7（b）可以看出，在設(shè)防地震作用下，剛性排水樁最大超孔壓比為0.7， 碎石樁最大超孔壓比為0.5， 可見在設(shè)防地震時(shí)碎石樁的超孔壓比小于剛性排水樁，說明在設(shè)防地震時(shí)碎石樁的抗液化效果較剛性排水樁顯著。

從圖7（c）可以看出，在罕遇地震作用下，剛性排水樁的最大超孔壓比與碎石樁的超孔壓比相差很小，均在0.7 左右，說明在罕遇地震時(shí)兩種群樁的抗液化效果接近。

從圖7（a）、（b）、（c）可以看出，同一抗震設(shè)防烈度多遇地震和設(shè)防地震作用下碎石樁的抗液化效果剛性排水樁顯著，在罕遇地震作用下兩種群樁的抗液化效果接近。

4 結(jié)論

（1）剛性排水樁和碎石樁都有良好的抗液化性能。通過對兩種群樁在1D、2D、3D 和4D 樁間距下數(shù)值模擬得出剛性排水樁抗液化有效樁間距范圍是2 倍樁徑，碎石樁抗液化有效樁間距范圍是3 倍樁徑。

（2）通過數(shù)值模擬兩種群樁在0.55 m、0.65 m 和0.75 m 這三種樁徑條件下進(jìn)行抗液化效果對比，表明剛性排水樁和碎石樁在三種樁徑條件下超孔壓比變化不大，從而得出樁徑的改變對剛性排水樁和碎石樁的排水效應(yīng)影響不大。

（3） 采用群樁處理液化地基的數(shù)值模擬顯示：在多遇地震和設(shè)防地震作用下碎石樁的抗液化效果比剛性排水樁效果好，在罕遇地震作用下兩者抗液化效果相當(dāng)。