碎石桩复合地基抗液化探讨

碎石桩复合地基抗液化探讨【摘要】饱和砂土及粉土地震液化问题是岩土地震工程中一个重要的研究课题。在多种可行的防治液化措施中，最普遍的方法是采用碎石桩复合地基。结合碎石桩复合地基对碎石桩的密实、排水减压和减震作用做评述。【关键词】碎石桩复合地基；液化；砂土；孔隙水压力1.引言我国是一个多地震国家，在以往的多次强烈地震中，因饱和砂土及粉土液化而引起工程结构的破坏占有相当大的比例。工程结构在地震灾害中破坏的显著原因之一是结构物之下或周围的土体发生了液化。虽不排除其他土层发生液化的的可能性，但液化现象常常与饱和砂土及粉土联系在一起。饱和砂土在地震荷载作用下会发生液化，其根本原因在于：一是饱和砂土及粉土的密实度不足，在动荷载作用下孔隙水压力上升，有效应力降低，颗粒处于悬浮状态，使地基承载力不足，变形增大。二是地震作用下产生的孔隙水压力不能及时消散，造成地基的喷砂冒水或砂土的流动，针对饱和砂土发生液化的原因，出现了多种可液化土层的处理方法，如换土、加密、采用桩基、加入固化剂、设置地下围护墙和碎石桩等。其中，碎石桩由于具有施工方便，成本低廉、不用三材、加固效果好等优点，近年来在工程中得到了广泛应用。碎石桩又称为粗颗粒土桩，是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔，再将碎石压入已成的孔中，形成密实的碎石桩体，与周围土体共同工作，形成复合地基。随着碎石桩在工程界的广泛应用，其研究理论也取得了引人注目的进展。在静力作用下采用碎石桩加固软弱地基的理论研究较早，有关碎石桩复合地基的加固机理、设计、质量检验等前人做了大量探索，已经有了被普遍接受且较为完整的理论体系。研究的主要内容有碎石桩复合地基的抗液化机理、影响因素、设计方法、液化检验和判别等。现有研究已经表明，碎石桩复合地基抗液化的作用主要表现在以下3个方面：（1）增加桩周围砂土的密实度。（2）通过桩体的排水来限制砂土中超静孔隙水压力的增长。（3）桩体分担地震水平剪应力作用（桩体减振作用）。但目前我国在进行碎石桩复合地基抗液化设计和检验中时依然只考虑加密作用，而将其他两种作用作为安全储备。本文主要评述和总结碎石桩复合地基抗液化课题的研究成果。对有关抗液化性能的基本问题进行分析讨论，以便我们今后的研究工作能够博采众长，得到进一步的深化。2.碎石桩密实作用采用振动技术来加密松砂的概念易于理解，这里仅从抗液化的角度来总结和分析。按照施工方法的不同，振动碎石桩又可分为振冲碎石桩和干振碎石桩两种，由现场试验资料可知，两种方法形成的复合地基密实度都得到了提高。振冲碎石桩在成孔和挤密碎石的过程中，一方面桩周土体在水平振动力作用下产生径向位移，使桩间土密度提高。另一方面，振冲器的振动力在饱和砂土中传播振动和加速度，在振冲器周围一定范围内的砂土受到反复的振动和剪切循环荷载作用而产生振动液化，液化后的土颗粒在重力、上覆土压力以及填料挤压力的作用下重新排列，孔隙比减小，体积收缩，趋于密实，从而形成密实的碎石桩复合地基。黄茂松等结合实际工程，在振冲碎石桩复合地基施工时通过对各个过程的振动孔压进行较为全面的前已述及，在地震荷载作用下饱和松砂发生液化的原因之一是密实度不够。由于饱和松砂土粒骨架疏松且多为不稳定结构，因此在强震作用下土体趋向密实，体积减小。但因短时间内充满土孔隙中的水难以及时排出，土孔隙无法减小，体积不能发生变化，土粒间的有效应力逐渐转变为超孔隙水压力。随着震动的持续作用，土中超孔隙水压力不断地聚集、提高、当其值达到相应的固结压力，粒间应力（即有效力）为零，土粒之间没有了接触也就出现了液化现象。而饱和松砂在碎石桩施工过程中得到振密和挤密，将原来易产生液化的疏松土体加固成密实的土体。在以后的地震作用下，不致产生或很少产生振密引起的超孔隙水压力，消除或大大减小其液化势。因此可以通过增加砂土的密实度来防治液化的发生。3.碎石桩排水减压作用在饱和松砂层中碎石桩（或砾石排水桩）的排水减压效用，并从多角度进行了研究。振动液化试验得出，当均质砂基同样在2.5ms2的振动加速度（相应于ⅷ度地震烈度）下，原状砂的相对密度必须超过0.66才不发生液化，而设置了砾石排水桩（置换率为17%）后，桩间砂土的临界相对密度可降为0.46，亦即为没有排水桩时相对密度临界值的70%，我国现场进行了联合试验与测定。结果表明，设置碎石桩后，复合地基比天然地基的动孔隙水压力降低了2/3左右。现场测得天然地基距振冲中心约2.0m以外随着距离增加基本上按指数关系递减，而采用碎石桩形成复合地基后，超静孔隙水压力比开然地基降低了66%。现场采用打桩机作为震源量测了距震源2.0m处天然地基和经碎石桩加固后桩间土的超静孔隙水压力，在同样激振情况下，加固后桩间土的超静孔隙水压力仅为天然地基的47%。由于目前在现场还没有很好的办法来模拟地震荷载，只能采用打桩机等方式加动力荷载，从模型试验和理论分析碎石桩的排水效应。4.碎石桩的减震作用竖向静力荷载作用下碎石桩的荷载分担作用已经得到了广泛而深入的研究，取得了明显的进展。而在动荷载作用下，桩体效用的发挥及其对复合地基抗液化贡献的研究还很少。近几年开始进行动剪应力作用下碎石桩复合地基桩土应力重分布的研究。已民用工业的研究表明碎石桩不仅可以分担上部垂直荷载的作用，而且还可以分担振动剪应力来抵抗砂土液化，即碎石桩的减震作用。碎石桩复合地基中桩土分别的震剪应力重分布的概念由baez和martin提出。由于碎石桩复合地基中桩体的刚度远大于桩间天然土体，地震荷载将因地基地初始应力状态和刚度发生了变化而产生应力的重新分布。因此，当碎石桩和周围的土体一起变形时，地震剪应力的分布应该是桩土各自刚度和面积的函数。在相对刚度较大的碎石桩上会产生地震剪应力的集中，因此减小了作用在桩间土上的剪应力水平。在现场对碎石桩加固前后地面加速度的测量和剪切波的量测，可定性地反映桩体分别剪应力的情况。通过对振冲加固前后的地面振动加速度的量测发现，加固后地基的垂直、水平切向和水平径向的加速度均较加固前分别减少了28.2%、12.5%和19.0%。可见桩体分担水平剪切应力的作用也很明显。采用振动打桩机作为激振源，在加固区桩间土上和未加固区天然地基上分别测出了地面振动加速度值。测量结果表明，地基经碎石桩处理后，其桩间土地面振动加速度仅为未加固地基地面加速度的30%左右，也就是地面加速度降低了70%，从这个意义上来说，碎石桩对桩间土地震反应产生了减震效应。这是由于复合地基抵抗地震剪应力时是由碎石桩和桩间土共同承担的，因为桩与土的刚度不同，剪应力在桩上体现了集中。虽然由于具体的情况不同，但是都表明了碎石桩可以分担较大的水平剪应力，使得桩间土上作用的剪应力减少来抵抗地震液化。室内振动台砂箱也表明，排水桩不仅通过改变地基的渗透性提高其排水作用，而且通过改变地基土的复合刚度限制土体变形的作用，收到减少超孔隙水压力的增长，提高土体抗液化的效果。5.结语从20世纪70年代到现在，碎石桩复合地基用于抗液化已经有30多年的历史。碎石桩复合地基的抗液化特性的研究已日益深入和广泛，取得了令人瞩目的成果。但由于地震液化机理及影响因素的复杂性和地震发生的不可预测性，与之相关的研究缺乏现场数据，因此对碎石桩复合地基抗液化特性的认识还远远不够，仍是岩土工程界亟待解决的一研究课题。碎石桩防止砂土地震液化有3种作，即密实作用，排水作用和桩体减震作用已经得到人们的重视，国内外专家进行了这方面的研究，但多数采用有限元方法进行分析，没有得到室内或现场试验的证明。前述的几个试验也只是针对某一个单一作用进行研究，没有考虑这3种作用的综合效应，还需要进一步研究。现在我国的设计理论也只是考虑碎石桩的加密作用，根据已有的研究结果可以得到，在保证一定密实度的前提下，碎石桩的排水和减震作用也不容忽视，如果在进行碎石桩的抗液化设计时能综合考虑到这三种效应，可以降低工程的造价。