基于樁體加固密實度不同液化土變形特性分析

崔志平，牛琪瑛，趙軍永

(太原理工大學建筑與土木工程學院， 山西太原030024)

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基于樁體加固密實度不同液化土變形特性分析

崔志平，牛琪瑛，趙軍永

(太原理工大學建筑與土木工程學院， 山西太原030024)

摘要：為了進一步研究水泥土樁和碎石樁加固不同密實度液化土的機理，通過振動臺模擬地震荷載，對水泥土樁、碎石樁加固不同密實度液化土進行一系列試驗，得到密實度分別為1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3不同埋深處的超靜孔隙水壓力與沉降的時程曲線，分析水泥土樁和碎石樁加固液化土超靜孔隙水壓力、沉降量與埋深、密實度之間的變化規律。結果表明：隨著振動荷載作用，不同埋深處超靜孔隙水壓力均急劇上升到峰值，隨后碎石樁加固模型的孔隙水壓力隨著時間緩慢遞減，表明土中水的排出，孔隙水壓力得到充分消散，而水泥土樁加固模型以孔隙水壓力峰值保持到試驗結束，孔隙水壓力幾乎沒有消散；孔隙水壓力與密實度、埋深呈正相關，碎石柱加固模型相同埋深、相同密實度的孔隙水壓力均小于水泥土樁加固模型的；沉降量與埋深、密實度呈負相關，相同密實度、相同埋深處碎石樁加固模型的沉降量峰值比水泥土樁加固模型的小，但隨著振動荷載作用，碎石樁由下向上排水，使孔隙水壓力消散，而水泥土樁剛性樁樁周摩阻力在振動過程中顯現，樁體分割土體的格柵作用，使其土體沉降速率小于碎石樁柔性樁沉降速率；孔隙水壓力、沉降量與埋深、干密度之間的關系式分別為U=U0+aZ-bγ，C=C0+mγ+nZ。

關鍵詞：振動臺試驗；水泥土樁；碎石樁；密實度；孔隙水壓力；沉降量

Characteristics analysis of liquefied soilwith different densities reinforced by pile

CUI Zhi-ping, NIU Qi-ying, ZHAO Jun-yong

(College of Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024,China)

Abstract:In order to study reinforcement effect of gravel pile or cement-soil pileon liquefied soil, seismic load was simulated with a vibration table, and a series of tests were carried out on liquefied soil models reinforced by gravel pile or cement-soil pile. There were three dry densities of the models,1.5 g/cm3, 1.6 g/cm3and 1.7 g/cm3. For each model, the water pressure of the settlement in different buried depth and the peak curve were analyzed. The relationship between water pressure and buried depth and the relationship between the settlement and buried depth were obtained.Conclusions are as follows.Under continuing vibration loadssuper static pore water pressure of the models with different buried depth sharply rises to the peak, and then the pore water pressure of the modelreinforced by gravel pile slowly declines, which shows the discharge of water in soil and the dissipation of pore water pressure. For the model reinforced by cement soil pilethe pore water pressure rises to the peak and keeps the value to test end, i.e., the pore water pressure almost no dissipates.The pore water pressure are related to density and buried depth. For the same buried depth and density, the pore water pressure of the model reinforced by gravel pile is less than that of the model reinforced by cement soil pile. The settlement is negatively related to the buried depth and density. For the same density and buried depth,the settlement of the model reinforce by gravel pile isless than that of the model reinforce by cement soil pile.But, under continuing vibration loads, thegravel pile makes pore water pressure dissipate, and the friction resistance of cement soil pile appears, which makes the settlement rate less than that of gravel pile. The relationships of pore water pressure, settlement volume, buried deepand dry density areU=U0+aZ-bγ，C=C0+mγ+nZ.

Key word: shaking table test; cement pile; gravel pile; dry density; excess pore water pressure ;settlement

地震作用下，飽和砂土在循環荷載作用下發生液化而誘發地面噴砂冒水及地基不均勻沉降等。由于震害資料的局限性和土體的復雜性，液化土加固一直為巖土工程領域的前沿課題[1-2]，對不同液化土加固機理的研究也迫在眉睫。目前，水泥土樁加固軟土提高地基承載力和減小不均勻沉降的研究理論相對成熟[3-4]，碎石樁因較好的排水效果而成為加固液化土最有效的方法[5-7]，但是以往均是在同一密實度的情況下進行研究，對不同密實度液化土的加固機理的研究[8]甚少。為此，本文以水泥土樁和碎石樁加固不同干密度液化土為對象，從孔隙水壓力、沉降量分析其加固機理，研究各個參數的內在聯系，完善水泥土樁和碎石樁加固液化土機理，為實際工程提供參考。

1試驗儀器及試驗方案

1.1試驗儀器

本次振動臺試驗在太原理工大學結構實驗室中心進行，主要儀器有振動臺、數據采集儀、傳感器等[9-11]。電動振動試驗系統(圖1)由蘇州試驗儀器總廠生產，型號為DYS-1000-8-08； 振動臺輸入地震波原型由武漢地震研究所提供[13]，地震動時程最大幅值為 0.12 g，頻率在 1 Hz 左右[12-13]；數據采集系統由江蘇東華測試技術有限公司生產，型號為DH5922，具有8個數據采集通道；位移傳感器(圖2)為深圳市邁恩傳感器科技有限公司制造，型號為KMP-75mm-R；孔隙水壓力計(圖3)由丹東市三達儀器廠生產，型號為DYS-3。

圖1振動臺

Fig.1Shaking table

圖3孔隙水壓力計

Fig.3soil pressure gauge

1.2試驗方案

試驗模型箱采用矩形有機玻璃箱，由運動微分方程計算相似比，取相似幾何比Kx=1∶18， 相似時間比Kt=8.74；相似加速度比Ka=1∶4.24；頻率ωm=8.74，確定輸出頻率為8.74 Hz,加速度幅值為0.51 g,振動時間為60 s；箱體外邊緣尺寸550 mm×400 mm×750 mm(長度×寬度×高度)，箱體壁厚1 cm，質量密度為1.21 g/cm3。為保證模型箱振動期間有足夠的強度，對箱體周圍進行套箍加筋處理；在模型箱體的兩個縱向側壁上沿著底邊向上每隔50 mm鉆直徑為3 mm的孔，每個孔洞用1根棉線穿過以引導水流入指定位置，進而滿足排水條件。模型箱采用內壁粘“duxseal”的柔性填料來解決“模型箱效應”問題[14-15]。

試驗用土取自太原市南中環橋西汾河西岸的某個施工現場，為可液化土-細砂。制備裝填砂土最優含水率為15%左右，總高度為47 cm，采用8層壓實裝填，底層高度5 cm，以上均為6 cm，每層表面用毛刷刷毛，保證上下相鄰土層接觸面結合良好，防止在地震荷載作用下水平剪切滑動。

樁體制備及置入：碎石樁是由散體顆粒組成的樁體，原料取自干涸的河床，經標準篩過濾、清洗、除雜曬干，與裝箱同步制作，將鋼管樁預埋在碎石樁的位置，然后向鋼管中分層裝入碎石，邊提管邊振搗，將碎石向樁周土體內擠壓，從而實現對周圍土體的擠密作用。水泥土樁材料為水泥、砂土和水，水灰比為0.5，提前預制。樁長42 cm，樁徑35 mm，樁間距140 mm。采用正方形布置。

傳感器的埋設深度依次為12 cm、24 cm、36 cm。土體和傳感器填裝完成后，模型箱表面緩緩注水，使其土體飽和度達80%～90%，然后進行振動臺試驗。

制備水泥土樁、碎石樁分別加固不同干密度(1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3)液化土模型共6組。

2實驗結果與分析

2.1不同加固形式超靜孔隙水壓力時程曲線

利用孔隙水壓力計測得原始數據，經整理得到碎石樁加固、水泥土樁加固不同密實度液化土模型的不同埋深處孔隙水壓力時程曲線如圖4～圖6所示。

(a) 碎石樁加固模型(b) 水泥土樁加固模型

圖4密實度為1.5 g/cm3的孔隙水壓力時程曲線

Fig.4Excess pore water pressure time curve under the density of 1.5 g/cm3

(a) 碎石樁加固模型(b) 水泥土樁加固模型

圖5密實度為1.6 g/cm3的孔隙水壓力時程曲線

Fig.5Excess pore water pressure time curve under the density of 1.6 g/cm3

(a) 碎石樁加固模型(b) 水泥土樁加固模型

圖6密實度為1.7 g/cm3的孔隙水壓力時程曲線

Fig.6Excess pore water pressure time curve under the density of 1.7 g/cm3

由圖4～圖6可知：隨著振動荷載的作用，不同埋深處超靜孔隙水壓力均急劇上升到峰值，隨后，碎石樁加固模型隨著時間緩慢遞減，表明土中水的排出，孔隙水壓力得到了消散，而水泥土樁加固模型以孔隙水壓力峰值保持到試驗結束，幾乎沒有消散；同一密實度下，隨埋深的增加，孔隙水壓力不斷增大；同一埋深處，隨著密實度的增大，超靜孔隙水壓力減小，說明埋深愈深、密實度愈大，土體抗液化強度愈大；同一密實度下，隨著埋深的增加，達到峰值時間推遲，揭示了液化從上層開始發展到中層延續至底層的順序；相同密實度、同一埋深處水泥土樁加固模型的孔隙水壓力值大于碎石樁加固模型的，表明水泥土樁加固模型抗液化效果弱于碎石樁加固模型。

2.2孔隙水壓力與埋深、密實度的關系

根據不同密實度、不同埋深處的孔隙水壓力峰值經統計分析得到的擬合曲面如圖7所示。由圖7可明顯看出，孔隙水壓力與密實度、埋深呈正相關，碎石樁加固模型的孔隙水壓力最大值出現在埋深36 cm處，為5.4 kP，水泥土樁加固模型則出現在36 cm處，孔隙水壓力最大值為6.8 kP。相同埋深密實度1.5 g/cm3的孔隙水壓力最大，1.6 g/cm3次之，1.7 g/cm3最小。通過線性回歸分析建立超靜孔隙水壓力(U)與埋深(Z)、密實度(γ)三者的關系為：

U=U0+aZ-bγ，

(1)

式中，U0、a、b為常數，與樁的性質有關；碎石樁加固模型中，U0=6.77，a=0.128，b=4; 水泥土樁加固模型中，U0=9.66，a=0.1，b=5.7。

由式(1)可計算出隨埋深變化時不同密實度的碎石樁、水泥土樁加固模型液化土的孔隙水壓力峰值，可隨時分析土體不同埋深處的液化情況。

(a) 碎石樁加固模型

(b) 水泥土樁加固模型

圖7不同密實度、不同埋深處的孔隙水壓力

Fig.7Exeess pore water pressure under different density and depths

2.3沉降量與埋深、密實度的關系

由位移傳感器記錄得到的水泥土樁、碎石樁加固模型不同埋深處的沉降量峰值，經統計、整理、繪制出曲線如圖8所示。由圖8可知：同一密實度下，土體表面沉降量最大，隨著埋深的增加,沉降量峰值逐漸減小，隨著密實度的增大,沉降量也在逐漸減??；相同密實度、相同埋深處碎石樁加固模型的沉降量峰值比水泥土樁加固模型的小。

(a) 碎石樁加固模型(b) 水泥土樁加固模型

圖8沉降量與埋深關系曲線

Fig.8Curves of settlement amount and depth

通過回歸分析，沉降量峰值與密實度、埋深三者關系擬合曲面如圖9所示。

(a) 碎石樁加固模型

(b) 水泥土樁加固模型

圖9不同密實度、不同埋深處的沉降量

Fig.9Settlement amount under different density and depths

圖9直觀反映出沉降量隨干密度、埋深的變化。同一埋深處，密實度為1.5 g/cm3時的沉降量最大，1.6 g/cm3次之，1.7 g/cm3最小。沉降量與密實度成負相關。

建立沉降量(C)、密實度(γ)、埋深(Z)三者的關系式為：

C=C0+mγ+nZ,

(2)

式中,C0、m、n為常數,與樁的性質有關；碎石樁加固模型中，C0=26.84，m=-11.06,n=0.24；水泥土樁加固模型中，C0=29.49，m=-12.04,n=0.21。

由式(2)可計算出不同埋深的碎石樁、水泥土樁加固模型不同密實度液化土的沉降量，可及時反映出加固液化土方法不同、埋深不同的沉降量變化。

2.4孔隙水壓力、沉降量、埋深三者間的關系

通過整理孔隙水壓力(U)、沉降量(C)與埋深(Z)的關系，對密實度為1.5 g/cm3的碎石樁、水泥土樁加固模型進行回歸模擬，模擬曲面如圖10所示。

由圖10直觀看出：孔隙水壓力與埋深呈正相關，沉降量與埋深呈負相關，即孔隙水壓力隨著埋深的增加而增大，沉降量隨著埋深的增加而減小，隨埋深加深,孔隙水壓力與沉降量成反比；碎石樁孔隙水壓力的變化斜率小于水泥土樁模型的，而沉降量變化斜率大于水泥土樁模型的。說明隨著振動荷載作用，碎石樁由下向上排水，使孔隙水壓力消散，土體不斷下沉；而水泥土樁隨著振動荷載作用，格柵作用顯現，分割了樁間液化土的鏈接，抑制土體的沉降速率。

通過回歸分析得到孔隙水壓力(U)、沉降量(C)與埋深(Z)關系式為：

U=U0-pC+qZ,

( 3 )

式中,U0、p、q為常數,與樁的性質有關，碎石樁加固模型中，U0=8.83,p=0.83,q=0.043；水泥土樁加固模型中，U0=7.89，p=0.71,q=-0.055。

由式(3)可計算出兩種不同加固模型任何埋深處的孔隙水壓力與沉降量。

(a) 碎石樁加固模型

(b) 水泥土樁加固模型

圖10孔隙水壓力與沉降量、埋深的關系

Fig.10Ralation of excess pore water pressure and sttlement, depth

3結論

通過碎石樁、水泥土樁兩種不同加固模型的振動臺試驗，整理分析不同密實度、埋深、孔隙水壓力、沉降量之間的相互關系，得出如下結論。

隨著振動荷載作用，不同埋深處超靜孔隙水壓力均急劇上升到峰值，隨后碎石樁加固模型的孔隙水壓力隨著時間緩慢遞減，表明土中水的排出，孔隙水壓力得到充分消散；而水泥土樁加固模型以孔隙水壓力峰值保持到試驗結束，孔隙水壓力幾乎沒有消散。

孔隙水壓力與密實度、埋深呈正相關，相同埋深情況下，密實度1.5 g/cm3的孔隙水壓力最大，1.6 g/cm3次之，1.7 g/cm3最小。由于碎石樁提供很好的排水通道，相同埋深、相同密實度的孔隙水壓力均小于水泥土樁加固模型的。

沉降量與密實度呈負相關，同一密實度時，土體表面沉降量最大，隨著埋深的增加，沉降量峰值逐漸減小，隨著密實度的增大，沉降量也在逐漸減小。相同密實度、相同埋深處碎石樁加固模型沉降量峰值比水泥土樁加固模型的小。

孔隙水壓力、沉降量與埋深、干密度之間的關系式分別為U=U0+aZ-bγ和C=C0+mγ+nZ。由關系式可以分別計算兩種不同加固模型任何埋深處的孔隙水壓力與沉降量。碎石樁孔隙水壓力的變化斜率小于水泥土樁模型的，而沉降量變化斜率則大于水泥土樁模型的。說明隨著振動荷載作用，碎石樁由下向上排水，使孔隙水壓力消散，而水泥土樁剛性樁樁周摩阻力在振動過程中顯現，樁體分割土體的格柵作用，使其土體沉降速率小于碎石樁柔性樁沉降速率。

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(責任編輯唐漢民裴潤梅)

中圖分類號：TU473.1

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)01-0156-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0156

通訊作者：牛琪瑛(1957—)，女，山西太原人，太原理工大學教授； E-mail:niu.qiying@163.com。

基金項目：國家青年自然科學基金資助項目(51408393)；山西省交通科學研究院開放基金資助項目(KLTLR-Y13-3)

收稿日期：2015-09-10；

修訂日期：2015-12-07

引文格式：崔志平，牛琪瑛.趙軍永.基于樁體加固密實度不同液化土變形特性分析[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(1)：156-162.