19世纪60年代以来, 世界范围内地震活动频繁发生, 而造成各类建筑物的严重破坏极大地推动了人们对砂土液化特性的深入研究。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可能性, 但液化现象常常与饱和砂土联系在一起。在以往的多次强烈地震中, 因饱和砂土液化而引起工程结构的破坏占有相当大的比例。
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、压密、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、加固效果好等优点, 近年来在工程中得到了广泛应用, 并逐渐发展成为一种应用广泛的抗震防液化加固手段, 而且这种加固技术的有效性已经得到实际地震的证实。
碎石桩对液化土地基的加固主要表现为如下几个方面。
(1) 挤密作用:对挤密碎石桩, 由于在成桩过程中桩管对周围砂层产生很大的横向挤压力, 桩管体积的砂挤向桩管周围的砂层, 使桩管周围的砂层孔隙比减小, 密实度增大;在灌注碎石后的振动、反插也使周围土体受到挤密, 并且很多碎石骨料也被挤入土中。这种强制性的挤密使得砂土的相对密实度显著增加, 孔隙率降低, 干密度和内摩擦角增大, 土的物理力学性能改善, 使地基承载力和抗液化能力大幅度提高。
(2) 预振作用:美国Seed等人研究表明, 砂土液化特性除了与土的相对密度有关外, 还与其振动历史有关。砂土预先振动而不产生液化后, 结构中的不稳定的颗粒滑落形成较为稳定的结构, 抗液化能力得到提高。碎石桩在施工时振动作用在土层挤密的同时还获得预振, 这对增强地基的抗液化能力极为有利。
(3) 振密作用:在成桩过程中, 激振器产生的振动通过导管传给土层使得其附近饱和土地基产生的孔隙水压力, 导致部分土体液化, 土颗粒重新排列趋向密实, 从而起到振密作用。
(4) 排水减压作用:对砂土液化机理研究表明, 当饱和松砂受到剪切循环荷载作用时, 将发生体积的收缩并趋于密实。在砂土无排水条件时, 体积的快速收缩将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升, 当砂土液化被触发后, 地基抗剪强度急剧下降, 形成完全液化。碎石桩加固砂土时, 桩孔内充填碎石为粗颗粒料, 在地基中形成渗透性良好的人工竖向排水减压通道, 可以有效地消散和防止超孔隙水压力的增高和砂土液化, 并加固地基排水固结。
(5) 置换作用:在下覆层设置碎石桩, 由于碎石桩的模量大于桩间土模量, 因此起到竖向增强体作用。在坡角外一定范围内设置碎石桩, 使得复合地基的内摩擦角增大, 抗剪强度提高, 有效地抑制地基的侧向位移:在地震荷载作用下, 坡角范围内的碎石桩在起排水作用的同时, 置换作用增强土体稳定性也明显体现出来。
某工程地震液化地层主要为表层第四系全新统粉细砂层, 厚度一般为3m~9m, 有的地方分布较厚, 为11m~13m。全段液化土地基地下水位埋约0.5m~1.0m, 地下水的类型主要为孔隙潜水, 该段根据《中国地震参数区划图》 (GBl8306-2001) 。地震动峰值加速度为0.1g, 地震动反应谱特征周期为0.43s (相当于原地震烈度7度区) 。
根据水文勘测地质显示, 该地区地表水丰富, 大气降水及地表水是地下水的补给源。地下水随季节变化而变化, 地下水埋深2月至8月约为0~0.5m;8月至次年2月约为0.6m~1.3m。
碎石桩处理液化地基桩距的确定, 必须满足抗液化设计的要求, 同时使单位面积造价最低。高速公路进行大面积的液化地基加固目的是消除液化, 减小附加变形。综合以上情况, 最终确定出碎石桩加固布置方案, 桩按梅花形布置, 桩径500mm, 桩间距1.6m, 碎石采用1cm~3cm自然级配, 每根桩的碎石灌注量按充盈系数1.1考虑, 桩长以穿透可液化土层为准。
对液化土地基加固前后的土性物理力学指标进行了测定, 如表1所示。
从表1中可以看出, 加固后土的密度略有增大, 土的孔隙比明显减小, 说明土层得到了密实;加固后较加固前土的粘聚力与内摩擦角均有所增大, 导致加固后土的抗剪强度明显增大。
在碎石桩加固砂土地基中埋设了多组孔隙水压力计, 实测资料分析说明:
(1) 碎石桩施工产生的孔隙水压力消散很快, 在成桩过程中即有消散, 成桩后除施工迭加因素外, 一般在1.5h内基本消散完;
(2) 桩底部孔隙水压力消散最快, 桩身中心处孔压消散较慢, 这可能与排水距离长短有关。在桩中心处, 排水距离最远, 因此导致了消散较慢;
(3) 碎石桩复合地基能加速土层固结, 对振动孔隙水压力具有明显的排水减压作用。
对砂土地基在加固前后都进行了标准贯入试验, 结果如图1所示。
从图1可认识到:碎石桩处理后地基土标贯击数N63.5大幅提高。在4m以上时, N63.5一般均大于8击;在4~7m标贯击数比处理前提高2~3倍, 表明地面水4m~7m范围内加固效果最好;大于7m时标贯击数也有一定程度提高, 但不明显。
以上结合具体工程实践, 对碎石桩加固定液化砂土地基进行了现场试验研究, 得到如下结论。
(1) 采用碎石桩加固粉细砂土地基, 能有效地消散和防止超孔隙水压力的增高和砂土产生液化, 提高地基的抗液化能力。
(2) 经碎石桩加固后的地基, 含水率与孔隙比有所减小, 而密度、粘聚力、内摩擦角增大明显, 且加固后的地基抗剪强度有较大幅度的提高。
摘要：本文结合工程实践, 介绍了砂土液化机理和碎石桩加固机理, 并对碎石桩加固砂土液化地基的效果进行评价, 从而为工程设计提供参考依据, 为科学研究积累大量数据, 供同行参考。
关键词：砂土地基,碎石桩加固,试验分析
