碎石長樁與水泥土短樁復(fù)合加固液化土的孔壓比變化規(guī)律探討

劉 峰，牛琪瑛，劉建君

（太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，太原030024）

一直以來，砂土液化是工程界關(guān)注和研究的熱點(diǎn)，許多專家和學(xué)者對(duì)采用性質(zhì)相同的擠密碎石樁加固地基，改善液化地基土，提高其抗液化能力作了較多的研究。目前實(shí)際工程中有采用水泥土樁加固液化土，但對(duì)加固機(jī)理的探討極少。筆者依托國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“樁體加固液化砂土作用機(jī)理的試驗(yàn)研究”（項(xiàng)目號(hào)50578104），使用兩種性質(zhì)不同的碎石長樁與水泥土短樁復(fù)合來加固液化土，研究其孔壓比、土壓力的變化規(guī)律，分析提高其抗液化能力的因素，為今后的實(shí)際工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)

1．1 試驗(yàn)儀器組成

本次試驗(yàn)采用了太原理工大學(xué)力學(xué)試驗(yàn)室的DYS－1000－8－08電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)（蘇州試驗(yàn)儀器總廠生產(chǎn)）。此試驗(yàn)系統(tǒng)由DY－1000電動(dòng)臺(tái)、SA2－8開關(guān)功率放大器、SC－0808水平振動(dòng)滑臺(tái)以及振動(dòng)控制儀等組成。振動(dòng)臺(tái)采用電磁式的激振方式，輸出的波形為正弦波，額定位移為51mm，額定荷載為300kg，頻率在1～2 000Hz。

1．2 模型箱制作

本試驗(yàn)所用的模型箱［1－2］箱壁 采用1cm 厚，質(zhì)量密度為1．21g／cm3的有機(jī)玻璃制成，模型箱的箱體尺寸為540mm×400mm×750mm，用防水強(qiáng)力膠粘結(jié)后，做套箍加筋處理，以保證試驗(yàn)振動(dòng)中有足夠的強(qiáng)度。同時(shí)在箱體兩縱向側(cè)壁上沿底邊向上間隔50mm留直徑為3mm的孔洞，并用棉線穿過孔洞來確保滿足土體在固結(jié)排水及振動(dòng)過程中排水的條件。

1．3 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選取細(xì)砂為試驗(yàn)土體，該土是從太原市南中環(huán)橋橋西，汾河西岸邊的某住宅小區(qū)施工現(xiàn)場(chǎng)取得，所取土為基坑開挖液化場(chǎng)地土。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（GB／T 50123－1999）所規(guī)定內(nèi)容［3］，經(jīng)過測(cè)定，土樣定名為細(xì)砂。

碎石樁的材料是從汾河柴村橋下干涸的河床取得，用孔徑為5mm土工篩和孔徑為1mm土工篩對(duì)取回土樣進(jìn)行處理，并保留中間的留存部分。將篩選出的1～5mm碎石在清水中清洗，去除混雜的土粒、泥塊等，從而保證所制成的碎石樁有足夠的強(qiáng)度和密實(shí)度。水泥土樁的材料為水泥、水和砂土，水泥采用標(biāo)號(hào)為C42．5R的普通硅酸鹽水泥，依照工程實(shí)踐［4］，水泥的使用量為被加固土重的7%～20%，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79－2002）［5］，本試驗(yàn)水灰比采用0．5。

2 試驗(yàn)過程

2．1 宏觀表現(xiàn)

2．1．1 未加固的土體

按照干裝法制作地基模型［6］，土體裝箱時(shí)分8層填裝，除底層厚為5cm以外，其余各層均為6 cm，故每層需填裝18．55kg的砂土，填裝過程中每層土都必須夯實(shí)，以保證箱內(nèi)土體均勻。另外，孔隙水壓力計(jì)的埋設(shè)要與樁體加固試驗(yàn)的位置相對(duì)應(yīng)。在土體填裝完成后，先用雙層土工布鋪墊，向模型箱內(nèi)緩慢注水，直到土體不再吸水為止，將其靜置約48h，使土體緩慢達(dá)到飽和。

振動(dòng)開始前，模型地基土體表面平整，土體雖濕但不光滑。振動(dòng)開始后，土體出現(xiàn)橡皮泥和稀泥狀，可明顯看到液化現(xiàn)象。振動(dòng)停止后，在箱內(nèi)兩橫邊處鼓包現(xiàn)象明顯，并伴有大量帶有泥沙的水涌出，土體表面聚集了較多渾濁的水，如圖1所示。

圖1 未加固模型地基振動(dòng)前后宏觀現(xiàn)象

2．1．2 加固的土體

碎石長樁與水泥土短樁復(fù)合加固的布樁采用三角型方式，模型中樁體數(shù)量為9根，其中碎石長樁5根，水泥土短樁4根，樁間距為3倍樁徑，長樁長為12倍樁徑，短樁長為6．9倍樁徑。孔隙水壓力計(jì)裝在土體表面下12cm處，24cm處和36cm處。土體填裝完成后，開始裝碎石樁，最后向模型內(nèi)加水，并靜置48h。

振動(dòng)開始前，碎石樁樁頂與水泥土樁樁頂處于同一高度，地基土土體表面平整。振動(dòng)開始后，碎石樁稍稍下降，并有大量渾濁的水冒出。振動(dòng)停止后，仍有水從碎石樁處冒出，過一會(huì)兒，土體被這些水淹沒，如圖2所示。

2．2 孔隙水壓力

2．2．1 未加固的土體

根據(jù)儀器檢測(cè)，未加固的土體在12cm處，24 cm處和36cm處的孔隙水壓力如圖3所示。

2．2．2 加固的土體

根據(jù)儀器檢測(cè)，加固的土體在12cm處，24cm處和36cm處的孔隙水壓力如圖4所示。

孔壓比是指超靜孔隙水壓力與初始有效應(yīng)力之比（初始有效應(yīng)力即由公式P0＝γz計(jì)算），根據(jù)孔隙水壓力數(shù)據(jù)可計(jì)算出孔壓比數(shù)值［7］。

圖2 碎石長樁與水泥土短樁復(fù)合加固地基振動(dòng)中及振動(dòng)前后宏觀現(xiàn)象

圖3 未加固不同埋深超靜孔隙水壓力時(shí)程圖

圖4 碎石長樁與水泥土短樁復(fù)合加固不同埋深超靜孔隙水壓力時(shí)程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3．1 模型中加固地基與未加固地基的孔壓比變化

從圖5中可以看出，12cm處未加固與加固的地基孔壓比的變化，未加固和加固的地基的孔壓比在峰值處十分接近。在振動(dòng)加載結(jié)束后，未加固和加固的地基都有下降的趨勢(shì)，未加固的地基的孔壓比都在1以上，而加固的地基孔壓比下降到1以下。

從圖6中可以看出，24cm處未加固與加固的地基孔壓比的變化，加載開始后，孔壓比都迅速上升，但未加固的地基比加固的地基孔壓比大。在振動(dòng)結(jié)束后，未加固的地基孔壓比有小幅度的下降，之后基本不變。而加固的地基的孔壓比不斷下降。

圖5 12cm處的孔壓比時(shí)程曲線

圖6 24cm處的孔壓比時(shí)程曲線

從圖7中可知，36cm處未加固地基與加固地基的孔壓比有差別。在振動(dòng)開始后，未加固地基的孔壓比迅速上升，并達(dá)到峰值1．2左右，而加固地基的孔壓比峰值在0．8～0．9。振動(dòng)結(jié)束后，未加固的地基孔壓比在繼續(xù)振動(dòng)中有稍微的減小，加固地基的孔壓比在20s后的時(shí)程曲線呈下滑趨勢(shì)。

圖7 36cm處的孔壓比時(shí)程曲線

3．2 模型中加固地基與未加固地基的土壓力

根據(jù)試驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)可以繪制出砂土在振動(dòng)過程中的土壓力圖。

由圖8可知，在埋深12cm處，未加固地基的土壓力峰值為85，復(fù)合加固地基的土壓力峰值為105；在埋深為24cm處，未加固地基的土壓力峰值為150，而加固地基的土壓力最大值為210；在埋深為36cm處，只有未加固地基的土壓力，而用碎石長樁與水泥土短樁復(fù)合加固的地基的土壓力無法測(cè)得。在不同深度的地基中，加固地基的土壓力最大值比未加固地基的土壓力最大值要大，說明用碎石長樁與水泥土短樁復(fù)合加固后能提高土地的強(qiáng)度，增強(qiáng)地基的承載力。

圖8 土壓力峰值圖

4 結(jié)論

通過上述的幾組試驗(yàn)數(shù)據(jù)和加固與未加固的地基孔壓比時(shí)程曲線變化分析，可以得出以下結(jié)論。

1）無論在淺層還是在深層，未加固地基的孔壓比都大于1，且比用碎石長樁與水泥土短樁復(fù)合加固的地基孔壓比大，由此可以看出土體發(fā)生了整體液化。

2）碎石長樁與水泥土短樁復(fù)合能夠明顯增加土體對(duì)樁的約束力，減小樁的沉降，從整體上提高土體的強(qiáng)度，從而提高地基的承載力，起到加固地基的作用。

3）無論在淺層還是在深層，碎石長樁與水泥土短樁復(fù)合加固地基都能夠很好地消散孔隙水，從而使得孔壓比隨著振動(dòng)不斷下降，能夠起到很好地抑制土體液化發(fā)生和消減液化的作用。

［1］ 楊慶陶．樁體加固液化砂土的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［D］．太原：太原理工大學(xué)，2008．

［2］ 閆衛(wèi)澤．散體材料砂樁加固液化砂土的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［D］．太原：太原理工大學(xué)，2007．

［3］ GB／T 50123－1999．土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京：中國計(jì)劃出版社，1999．

［4］ 龔曉南．地基處理手冊(cè)（第三版）［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008．

［5］ JGJ79－2002．建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003．

［6］ 閆衛(wèi)澤，牛琪瑛，楊慶陶．復(fù)合地基抗液化振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中模型的制備［J］．山西建筑，2007，33（4）：89－90．

［7］ 劉建君．多元復(fù)合樁加固液化土模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［D］．太原：太原理工大學(xué)，2012．