樁體加固液化土機理研究文獻綜述

趙 瑞 秀

(山西工程技術學院，山西 陽泉 045000)

0 引言

一直以來，國內外許多巖土工程學者都很重視砂土液化的研究問題。近年來，在世界各國均不同程度地發生地震，這種不可抗力使人類的生命和財產蒙受重大損失。就目前世界上的地震預測系統而言，其發展還比較落后，那么，這就要求我們的建設項目對地震作用的抵抗能力要不斷加強，而對于巖土工程領域來說，在飽和砂土抗液化機理的研究方面不斷探索尋求突破也就成為重中之重。

我國巖土工程領域的相關學者及科研機構在砂土液化機理的研究方面以及抗液化措施研究方面都付出了不懈的努力，取得了豐碩的研究成果，尤其是在不同樁體加固液化土地基的試驗研究方面取得了很大的進步，對這些研究成果進行匯總、整理、歸納、分析及研究，將會對飽和砂土抗液化機理的研究和發展奠定堅實的理論基礎。

1 砂土液化研究現狀

在巖土工程界，砂土液化問題一直都是重大研究課題之一。關于在振動荷載作用下飽和砂土液化機理這一課題的研究，國內外諸多學者均作出了大量的探索，總體來說，以兩種典型觀點為主：一種是以美國西部H.B.Seed，I.M.Idriss等學者為代表，他們經過探索和研究，所得到的理論側重于應力方面；另一種是以美國東部A.Casagrande，G.Castro和R.Dobry等學者為代表，所取得的研究成果強調位移變形。H.B.Seed[1]，W.D.L.Finn等[2]于20世紀60年代初通過一系列試驗研究，提出了Seed簡化判別法，其主導思想是通過對振動作用下砂土中產生的剪應力與砂土發生液化所要達到的剪應力進行比較，進而判別砂土是否會發生液化現象，這種判別方法影響非常深遠，至今在歐美地區依然能夠得到廣泛的應用。1965年，M.A.Biot[3]通過系統地研究，發現了波在固液兩相介質中傳播時的控制方程，在研究波在固液兩相介質中的傳播問題方面進一步作出了完善，同時，也在飽和砂土液化問題的研究方面提供了一些參考。在70年代，有些學者考慮應用有效應力動力分析的方法來分析問題，其中W.D.L.Finn等[4,5]就通過這種方法分析了一維垂向傳播的剪切問題，經過討論，發現了該條件下的液化發展過程。我國學者沈珠江[6]在砂土動力液化變形研究上，經過不斷探索，將這種方法推廣應用在三維模型的研究上。在許多學者不斷地探索和分析過程中，發現可以應用有效應力原理來對砂土發生液化這一發展歷程進行分析和詮釋，但是，在孔隙水壓力為何呈現波動上升這一現象的解釋上還需要進一步研究。

國內學者黃文熙教授[7]首次提出在對砂土液化問題進行研究時，可以采用動三軸儀進行試驗研究。汪聞韶[8]則將黃文熙教授提出的這一觀點付諸于實踐，利用動三軸試驗，研究了應力狀態變化如何影響飽和砂土在振動液化作用下孔隙水壓力的變化，還研究了顆粒排列形式如何影響砂土骨架結構的振動穩定性，此外，還研究了在振動作用下飽和砂土中孔隙水壓力的產生、消散和擴散機理。謝定義[9]對國內外在砂土液化問題上進行的一系列探索及成果進行了分析，針對液化的一些基本問題諸如機理分析、研究途徑、試驗方法以及估算分析等問題進行了若干討論。徐志英等[10,11]通過利用有限單元分析法，將地震時的孔隙水壓力與土壩和地基的變形與固結進行結合，發現了一種適用于土壩和地基動力分析的非線性二維有效應力分析方法，并進一步應用非線性三維有效應力分析法計算液化的發生和發展過程。王鍾琦[12]主要著手于液化的宏觀現象的研究，試圖更深刻地揭示砂土液化的產生與發展過程，以此來發現適用于實踐工程的評價方法。還有諸多學者在國內砂土液化理論及抗液化措施的研究和發展方面取得了豐碩的研究成果，為我國砂土液化課題的研究與發展作出了諸多貢獻。

2 樁體加固液化土地基研究綜述

2.1 碎石樁加固液化土研究

碎石樁是一種散體的復合地基加固樁，主要以碎石為原料制作而成。根據樁的制作工藝，可將碎石樁分為兩大類：一類是振沖(濕法)碎石樁，振沖碎石樁主要是通過振動加水沖的方式制作而成，因此也稱為濕法碎石樁，這種方法最初是由德國凱勒公司設計制造出的，其施工機具是現代振沖器的雛形，在加固地基方面應用并取得了成功，因而得以廣泛應用；另一類是干法碎石樁，干法碎石樁則主要利用各種無水沖施工工藝制作而成，主要包括干振、振擠、錘擊以及強夯置換等方法。大量的工程實踐表明，將碎石樁應用于液化土地基的加固，在消散孔隙水壓力方面效果顯著，同時對樁周土體具有一定的擠密作用，且施工簡單、方便、快捷，在工程實踐中被廣泛地應用。

國內諸多學者在碎石樁加固液化土機理研究這一課題上作出了很多探索，在此過程中，也取得了豐碩的研究成果。許明軍等[13]就國內外在碎石樁加固液化土地基的抗液化機理及液化判別等方面所作的一系列研究工作進行了分析和探討，發現：在加固機理研究方面，用碎石加固砂土時，碎石主要起到擠密、振密、排水減壓、預震和加筋作用。趙如意等[14]以京滬高速鐵路碎石樁樁網加固液化土地基為原型，利用振動臺做了一系列模型試驗，研究發現利用碎石樁加固液化土，不僅能提高地基的抗液化能力，還能大幅度地減小地基路堤沉降。牛琪瑛等[15-21]對碎石樁加固液化土地基模型進行了大量的系統的振動臺試驗研究，提出了砂土在振動作用過程中孔隙水壓力、孔壓比、土壓力、土層加速度、沉降量的時程曲線，在此基礎上將試驗數據進行整理與分析，找到了碎石樁加固液化土地基模型中孔隙水壓力、土壓力及沉降量隨埋深、密實度的變化規律，以及土層加速度隨埋深的變化規律，并進一步對這些參數相互間的聯系進行量化分析，并用數學關系式揭示了該地基模型中各個參數間的內在聯系，此外，還對樁體加固液化土地基模型進行微觀結構分析以及數值模擬分析，進一步完善了碎石樁加固液化土機理的研究。

2.2 水泥土樁加固液化土研究

水泥土樁主要用在軟土地基處理中，這種方法主要是利用水泥作為固化劑，通過特質攪拌機械將軟土與固化劑攪拌，發生一系列物理化學反應，使軟土硬結形成具有整體性、水穩定性和一定強度的優質地基。根據其成樁工藝，可分為兩大類：漿液攪拌法(簡稱濕法)，是在強制攪拌過程中，噴射水泥漿與土混合形成樁體，這種方法最早是在美國研制成功的，我國則于1978年研制出了第一臺濕法的施工機具；粉體噴攪法(簡稱干法)，是在強制攪拌時噴射水泥粉與土混合成樁，這種方法最早是由瑞典人Kjeld Paus在1967年提出的，并在1971年研制出第一臺粉噴攪拌機。1983年，我國鐵道部門研制出第一臺粉體噴射攪拌機。利用水泥土樁加固地基，在提高地基承載力和增大變形模量上有著明顯的優勢。

牛琪瑛等[15-21]利用室內振動臺模型試驗，對水泥土樁加固液化土地基模型進行了大量的系統的試驗研究，發現水泥土樁抗液化土效果并不明顯，但在抑制土體沉降、增強土體剛度、提高地基承載力、抵抗水平荷載方面效果顯著，同時，在試驗中得到了在振動荷載下水泥土樁加固地基模型的超靜孔隙水壓力、土壓力、土層加速度、沉降量的時程曲線及其隨埋深的變化規律，并通過對試驗數據進行整理與分析，得到了水泥土樁加固模型中孔隙水壓力、土壓力、沉降量與埋深、密實度之間的變化規律，土壓力、土層加速度、沉降量與孔隙水壓力、埋深之間的變化關系，進一步探索了這些參數相互間的數學關系，為樁體加固液化土機理的研究和發展作出了貢獻。

2.3 復合樁加固液化土研究

通過研究碎石樁、水泥土樁加固液化土地基的機理，考慮將這兩種樁體以不同的形式進行組合來加固液化土，期望它們能發揮各自的優勢，在處理液化土方面能起到良好的加固作用。牛琪瑛等[15-21]針對復合樁加固液化土模型做了大量的振動臺試驗研究和數值模擬研究，將試驗中的碎石樁加固模型、水泥土樁加固模型及復合樁加固模型的試驗數據進行整理、對比與研究，得到了各參數的變化規律及參數之間的內在聯系，完善了樁體加固液化土機理的研究，為復合樁在實際工程上用于加固液化土提供了一定的指導依據。

3 結語

通過對砂土液化機理的研究現狀以及樁體加固液化土機理的研究成果進行匯總與分析，可以看到在液化土機理研究方面已經在不斷完善，并取得了豐碩的研究成果，但也存在一些問題：1)在研究過程中，還有很多試驗研究缺乏數值模擬的分析對比，因此還可以從數值模擬方面入手來進一步完善其理論基礎；2)在工程實踐中，由于各地區的工程地質條件復雜多變，地震發生時情況也不盡相同，因而其場地土體對地震波的反應情況會比較復雜，不確定因素也會涉及很多，而研究工作大多局限于室內小模型試驗，顯然，這種模型試驗遠遠不能夠真實地模擬地震作用發生時土體的實際反應狀況，這就必然要求大量的可靠性試驗研究來進一步揭示砂土液化機理及其加固機理。