地震作用下組合樁單樁的抗液化研究

文/陳艷敏 徐安全 岳建偉 劉曉通 河南大學 土木建筑學院 開封 475000

引言

地震作用下砂土液化會造成建筑物沉降失穩或結構破壞[1]，傳統處理地基液化的措施，仍有各自的局限性,比如靜壓樁難以達到設計壓入深度、CFG樁存在縮頸及引起周邊地表下沉等一系列施工缺陷，而組合樁作為一種較新的樁基形式結合了水泥土和鋼筋混凝土兩種材料的優勢，利用鋼筋混凝土內芯來承擔主要的上部荷載，借助外側水泥土攪拌樁與土體大的接觸面提供較高的側摩阻力，形成荷載從混凝土芯樁→外側水泥土→地基土的二次擴散模式[2]，具有施工方便、承載力高的優點，在處理軟粘土、淤泥質土和含有較厚砂層的地基具有相當大的優勢。本文借助于Flac3d模擬孔隙水壓力的模塊，將地震波加載到經組合樁處理的地基中，通過監測設置在樁周附近各監測點的超孔隙水壓力和超孔壓比的時程變化，探討組合樁單樁在地震作用下的抗液化特性。

1 模型介紹

1.1 模型參數

組合樁整體尺寸為0.6m×0.6m×10m，取芯樁為0.3m×0.3m×10m，場地土模型長、寬、高尺寸為40m×20m×12m，采用立方體網格進行網格劃分。組合樁內芯為C30預制鋼筋混凝土，根據《混凝土設計規范》[3]和相關文獻[4]可以得到組合樁參數，見表1：

根據《巖土工程勘察報告》選取開封某小區三組具有代表性的土層，其力學參數見表2

初始應力平衡后，將樁設置為露出土面部分和下部部分，組合樁模型剖面見圖1。文中分析采用Flac3d中“移來移去”方法進行接觸面設置，加載采用分級加載。

圖1.組合樁模型剖面圖

圖2.7度地震波波形圖

1.2 地震波的選取

根據《建筑抗震設計規范》[5]和《巖土工程勘察報告》選取符合開封場地類別的地震波，7度設防的罕遇地震加速度最大值取為220cm/s2，同時考慮其地震影響系數曲線與統計值相接近的原則[6]，經調整后地震波形見圖2。

1.3 邊界條件

本文采用Flac3d中提供的自由邊界進行模擬，模型邊界見圖3.

圖3.Flac3d模型邊界

圖4.地震20s不同位置的孔隙水壓力對比

2 動力模擬分析結果

地震波持續時間為20s時，在水平X方向取1.44m、2.58m、3.72m、4.86m、6m， 豎向取-1m、-2m、-4m、-6m、-8m處的孔隙水壓力與靜力作用下的孔隙水壓力對比見圖4，圖中1為靜力作用下孔隙水壓力沿深度方向的分布。從圖4中可以看出，通過加載地震作用，同一深度處，孔隙水壓力變化明顯，且沿深度方向上孔隙水壓力與靜力作用下相比，差距變大。

為監測距離樁不同位置的孔隙水壓力時程變化，在同一深度即地下-5.5m處，設置不同的監測點（見表3），各監測點孔隙水壓力的時程變化見圖5、圖6。

圖5.監測點641和645孔隙水壓力時程

圖6.監測點653和665超孔壓比時程

從圖5和圖6中可以看出，距樁芯位置相對較遠處的孔隙水壓力較大，且其時程變化峰值滯后于距離較近的點。隨著距樁芯距離的加大，孔隙水壓力變化幅度隨地震加速度峰值的變化并不明顯，是因為距樁芯較遠處，不存在孔隙水壓力消散的通道，即使地震作用下，孔隙水壓力也不能及時消散。

當超孔壓比為1時，有效應力被抵消為零，土顆粒將處于懸浮狀態，場地土將達到液化狀態。為了明確地震作用下地基土的液化狀態，監測超孔壓比的時程變化，在地下-5.5m處，設置不同的監測點（見表4），各監測點超孔壓比的時程變化見圖7、圖8、圖9和圖10。

圖7.監測點639超孔壓比時程

圖8.監測點643超孔壓比時程

圖9.監測點651超孔壓比時程

圖10.監測點663超孔壓比時程

從中可以看出，距離樁芯位置相對較近的超孔壓比隨著地震荷載的變化振幅均變化明顯，是因為排水通道易沿樁身附近形成，從而導致超孔壓比的變化幅度較大。但二者相比，距離較遠處的超孔壓比在2s附近并沒有出現一段平穩段，而是直接達到0.9左右，是因為隨著距離樁的位置加大，排水通道形成不良，孔隙水壓力的集聚效果明顯。

從圖9可以看出，由于距離樁周位置遠，監測點651超孔壓比的時程變化與監測點639和643相比，波動幅度減小，部分時段出現超孔壓比等于1即出現液化狀態。從圖10可以看出監測點663孔隙水壓力很難消除，超孔壓比從地震2s開始穩定在1.0左右。由時程曲線可知，該處地基土基本上處于液化狀態。

表1.組合樁參數選取

表2.土層參數選取

表3.孔隙水壓力監測點編號設置

表4.超孔壓比監測點編號設置

3 結論

1.地震作用下，組合樁樁周附近的孔隙水壓力變化明顯：樁端附近處孔隙水壓力明顯出現增大趨勢，樁頂附近孔隙水壓力呈漏斗狀分布的情形。

2.距離樁身位置近的土層，孔隙水壓力波動明顯，隨著距樁身距離加大，孔隙水壓力波動幅度變小。地震作用下，距離樁身較遠的土層孔隙水壓力在短時間內迅速達到最大并保持相對穩定，從超孔壓比的數值判斷，該范圍內土層在地震發生的某些時刻已達到液化狀態。

[1]Bazier,Dobry R.Residual strength and large-deformation potential of loose silty sands [J].Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 1995.(6): 896-906.

[2]岳建偉,凌光容,姜忻良.勁芯攪拌樁的試驗研究[J].中國港灣建設，2006,141（1）：38-42.

[3]GB 50010-2010 混凝土結構設計規范[S],北京，中國建筑工業出版社，2010

[4]董平，秦然，陳征宙.混凝土芯水泥土攪拌樁的有限元研究[J].巖土力學，2003，24(3)：344-348.

[5]GB50011-2010建筑抗震設計規范[S],北京，中國建筑工業出版社，2010

[6]曹 資,薛素鐸,王雪生等.空間結構抗震分析中的地震波選取與阻尼比取值[J].空間結構，2008,14（3）：3-8