（岩土工程专业论文）碎石桩加固液化土地基的数值计算.pdf

北京交通人学硕【学位论文 碎石桩加固液化土地基的数值计算 摘要 本文通过数值计算方法研究了碎石桩复合地基加固液化土层的特性，包括复 合地基的地震响应特性、孔隙水压力的增长和由于地震孔压消散引起的沉降计 算。文章的主要内容如下： 1 、建立复合地基的计算模型及计算方法。将碎石桩复合地基简化为平面模 型，划分有限元单元；考虑土的材料非线性，采用d r u c k e r - p r a g e r 弹塑性本构模 型，碎石桩采用线弹性模型：采用粘弹性人工边界；桩土接触面设置面面接触 单元；地震波采用位移输入；用s n s y s 进行有限元计算。 2 、考虑碎石桩动弹性模量、间距、桩径和地震波类型等各种因素对复合地 基地震响应的影响，通过动力分析得出各加固模型的剪应力时程曲线，对比得出 复合地基地震响应与影响参数之间的关系。 3 、将得到的不均匀的地震剪应力响应变换为等效的均匀剪应力曲线，根据 孔隙水压力增长曲线得到各点地震引起的超孔隙水压力值，最后采用复合模量法 求出复合地基加固区出于地震孔压消散引起的沉降值。 通过本文的分析，得到如下的结论： 1 、碎石桩加固液化土地基后，地基土的地震剪应力响应值减小，从而减少 了地基土液化的可能性。 2 、碎石桩动弹性模量、间距和桩径均对剪应力响应有一定的影响，桩动弹 性模量大的、桩间距小的、桩径大的复合地基中土体的剪应力响应均较小；地震 波的类型对复合地基地震响应也有一些影响。 3 、根据孔隙水压力增长曲线可以得到地震引起的超孔隙水压力值，从而得 到复合地基加固区由于地震孔压消散引起的沉降值。 关键词：碎石桩，复合地基，1 地震响应，剪应力，孑l 隙水压力，沉降 i 北京交通大学硕士学位论文 n u m e r i c a la n a l y s i so fl i q u e f i a b l e s u b g r a d er e 叮f o r c e db ys t o n ec o l u m n s a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fl i q u e f i a b l e s u b g r a d er e i i l f o r c e db ys t o n e c o l u m n si ss t u d i e di nn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d t h er e s e a r c hi n c l u d e st h es e i s m i c r e s p o n s e s ，t h eb u i l d u po ft h ep o r ew a t e rp r e s s u r ea n dt h es e t t l e m e n tc a u s e db yt h e p o r ep r e s s u r ed i s s i p a t i o n t h ec o n t e n t si nt h i st h e s i sa r ei n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 、t h ec o m p u t a t i o nm o d e la n dc o m p u t i n gm e t h o do fc o m p o s i t ef o u n d a t i o na r e e s t a b l i s h e d t h ec o m p u t a t i o nm o d e li s s i m p l i f i e db yd i v i d i n gt h ec o m p o s i t e f o u n d a t i o ni n t of i n i t ee l e m e n t s b e c a u s eo ft h em a t e r i a ln o n l i n e a rh e h a v i o u ro fs o i l ， e l a s t i c - p l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e ld r u c k e r - p r a g e ri sa d o p t e di ns o i lw h i l el i n e a re l a s t i c m o d e la d o p t e di ns t o n ec o l u m n s a r t i f i c i a lb o u n d a r ye l e m e n ta n dc o n t a c te l e m e n ta r e u s e di nt h ef i n i t ee l e m e n t sm o d e l d i s p l a c e m e n ti i l p u ti sa d o p t e df o re a n h q u a k ew a v e t h en u m e r i c a la n a l y s i sa d o p t st h ef m i t ee l e m e n ts o f i w a r ea n s y s 2 、t h ee f f e c t so f d y n a m i c m o d u l u so f e l a s t i c i t y , s p a c e ，d i a m e t e r o fs t o n e c o l u m n s a n dt h et y p eo ft h ee a r t h q u a k ew a v ea r es t u d i e d t h ep a r a m e t e ri sm o d i f i e da c c o r d i n g t oe a c hm o d e la n dt h es h e a rs t r e s s e so ft h ei m p o r t a n tp o s i t i o n so f e a c hm o d e la r e g a i n e db yd y n a m i ca n a l y s i s t h e nt h ea u t h o rc o m p a r e st h er e s u l t so fd i f f e r e n tm o d e l s a n df i n d st h er u l eb e t w e e nt h ep a r a m e t e ra n dt h es e i s m i cr e s p o n s e 3 、t h ea u t h o rt r a n s f o r m st h e a s y m m e t r i c a ls h e a r s t r e s s r e s p o n s eu n d e r e a r t h q u a k ei n t ot h ee q u i v a l e n tu n i f o r mc y c l i cs t r e s sc u r v ea n dw o r k so u tt h ep o r e w a t e rp r e s s u r eb yt h ec u r v eo f p o r ep r e s s u r eb u i l d u p t h e nt h es e t t l e m e n tc a u s e db y t h ep o r ep r e s s u r ed i s s i p a t i o no fr e i n f o r c e df i e l di sw o r k e do u tb yc o m p o s i t em o d u l u s m e t h o d 北京变通大学硕+ 学位沧文 a f t e ra n a l y s i s ，t h ea u t h o rd r a w st h ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w s 1 、t h es h e a rs t r e s su n d e re a r t h q u a k ed e s c e n d sw h e nf o u n d a t i o ni sr e i n f o r c e db y s t o n ec o l u i i n s 2 、t h es e i s m i cr e s p o n s e sa r ea f f e c t e db yt h ep a r a m e t e ro fd y n a m i cm o d u l u so f e l a s t i c i t y , s p a c e ，d i a m e t e ro fs t o n ec o l u m n sa n d t h et y p eo ft h ee a r t h q u a k ew a v e 3 、t h ep o r ew a t e rp r e s s u r ea n dt h es e t t l e m e n tc a u s e db yt h ep o r ep r e s s u r e d i s s i p a t i o ncanh ec a l c u l a t e d k e yw o r d s s t o n ec o l u m n s ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，s e i s m i cr e s p o n s e ，s h e a rs t r e s s ， p o r ew a t e rp r e s s u r e ，s e t t l e m e n t y 北京交通大学硕士研究生学位论文 7 4 1 4 8 1 碎石桩加固液化土地基的数值计算 国家自然科学基金( n o 5 0 2 7 8 0 0 3 ) 铁道部科技发展计划( 2 0 0 3 g 0 6 之五) 资助项目 研究生：程博华 导师：张鸿儒教授 专业：岩土工程 北京交通大学土木建筑工程学院 二零零五年三月 北京交通大学碗士学位论立 第一章绪论 1 1 研究课题的提出 客运快速化、高速化是近半个世纪以来世界铁路客运发展的一个重要趋势。 1 9 6 4 年l o 月1 日，世界上第一条高速铁路开本东海道新干线建成通车，旅客列 车的最高运营速度达到2 1 0 公里小时，年运送旅客量1 3 亿人次，开始了铁路 高速化的进程。随后，法国、德国、西班牙和意大利竟相发展高速铁路，建成高 速铁路4 6 0 0 余公里。当今高速铁路最高商业运行速度已突破3 0 0 公里小时，并 将进一步提高到3 5 0 公旱小时。据统计，目前全世界已投入运行和正在修建的 高速铁路有4 0 多条，总长超过1 4 万公里。在我国，铁路高速化也已经逐步展 开。以京沪线为例，在京沪铁路沿线，分布着北京、天津、上海三大直辖市和河 北、山东、安徽、江苏四省，全长约1 3 0 8 公里。京沪线连接环渤海经济带和长 江三角洲经济带，对运输速度和运能的需求极大。经济的快速发展与客运量的快 速增长，使既有的京沪铁路旅客运输面临巨大的压力“3 。因此，京沪两地间修建 高速铁路能够极大地缓解客运压力。除了能提供高速客运能力的优点外，高速铁 路安全、准时、舒适、运输能力大、环境污染轻、节省能源和土地资源等特点也 使高速铁路成为2 1 世纪我国远程交通的利器。 但是，在高速铁路的建造和运营过程中，地震的影响不容忽视。地震作为一 种突发的自然灾害，随时危害着人类。在地震灾害中常常因饱和砂土或粉土液化 而引起建筑物地基的破坏，因此地震液化引起国内外工程界关注。砂土液化是地 震作用产生的主要灾害之一，其可诱发喷水冒砂、地面侧移、滑塌、地面沉降和 塌陷等危害，对地基和建筑造成各种破坏。1 9 9 5 年1 月1 7 日，日本阪神大地震 ( 兵库县南部地震) 中仅仅只有2 0 几秒的地面振动，却给神户市带来了毁灭性的 灾难，新干线、高速公路、高架铁路、地铁、桥梁等大量倒塌或倾斜。1 9 6 4 年 r 本新泻地震和美国阿拉斯加地震也曾引起了大规模的饱和砂土地基的液化和 失稳破坏。地震所造成的巨大破坏促使从事地震工程的研究人员和岩土工作者对 液化问题进行了大量的研究。通过这些研究和实验，研究人员发现碎石桩复合地 基的密实效用、排水效用和桩体效用能够使复合地基抗液化能力得以提高，从而 i ! 塞銮望查兰竺：! 堂竺丝兰 使用碎石桩处理可液化砂土地基成为目前加固液化土地基的主要方法之一”“1 。 高速列车的高速、安全、平稳运行，要求其轨面应具有较高的平顺性。因此， 高速铁路对支撑轨道基础的路基的稳定性和沉降变形控制提出了更高的要求，必 须具有足够的强度和刚度，并且纵向变化均匀，长久稳定，其中，重要的是严格 控制地基的沉降。因此，在地震作用下，防止地基砂土液化和控制地基沉降便成 为高速铁路设计的重要内容。 在我国进行高速铁路，特别是京沪高速铁路的设计过程中，液化土地基的抗 液化加固问题也是修建和运营这条高速铁路项目的要点和难点之一，加强这方面 的研究有着极为重要意义与要求。京沪高速铁路沿线区域很多都是破坏性地震较 多的地区，其沿线穿越了4 条较大的地震构造带，历史上发生的破坏性地震约有 2 0 次，其中，2 0 世纪以来的危险性地震竟达7 次“1 。此外，京沪线路沿途地区 的工程地质条件复杂。1 ，要穿越几种不同的地质条件地区，其中将遇到的可液化 土地层有天津、徐州、南京等地区的饱和粉、细砂和粉土。大多数液化土层埋深 在1 5 米以内( 局部深达2 0 米) ，其厚度以2 - 8 米居多，液化等级以中等和严重液 化为主，在地震作用下可能发生液化。砂土液化会造成两种破坏情况，一种是过 量的沉降会引起路基不均匀沉降或差异沉降；另一种则是容易造成地基液化流 滑，造成路基滑裂，不均匀沉降加大，轨道悬空或拉裂破坏等。由以上情况可知， 由于地震较多且地质条件复杂，研究京沪高速铁路的液化土地基的抗液化加固是 十分必要的。 1 2 液化土地基研究现状 1 2 1 地震液化分析方法 土体地震液化分析方法经历了从总应力法到把动力反应分析与土的液化机 理和软化等结合起来的不排水有效应力分析方法，以及考虑地震过程中孑l 隙水压 力扩散和消散的排水有效应力的分析方法；从线性分析到非线性分析以及弹塑性 分析；从只能分析地基的一维问题到能够分析土石坝、尾矿坝的二维和三维问题。 分析手段主要以有限单元法为主，其它还有如子结构法、有限差分法、边界元法 等”1 。本节将主要介绍常用的两种分析方法：总应力分析方法和有效应力分析方 法。 北京交通文学硕_ ：学位论文 ( 1 ) 总应力分析方法 s e e d 等“1 提出的剪应力对比法及其后得至o 进一步修改的简化法是现今仍在 广泛使用的总应力法。总应力法属于一维总应力法，它将地基视为一个具有水平 自由表面的均质土体，忽略地基表面建筑物引起的附加应力的作用，因而使得闽 题大大简化。根据s e e d 的简化法，当地震产生的等效平均剪应力。大于土体的 抗液化剪应力，时，即发生液化。与s e e d 的简化法类似，d o b r y 等( 1 9 8 0 ) 将地 震剪应变托与振动荷载作用下砂土发生液化的剪应变y 进行比较，以托y 作为 液化发生的条件，故称之为剪应变对比法。它以初始剪切流动作为判别依据，比 初始液化的概念有更明确的物理意义，参数测定也更为方便。 ( 2 ) 有效应力分析方法 地震作用下土中孔隙水压力的产生、发展及消散过程直接影响到土体的动力 特性及其液化过程。我国学者黄文熙、汪闻韶0 1 首先进行了振动荷载作用下饱和 砂土孔隙水压力增长和扩散变化规律的研究。这一开创性的工作揭示了土的强度 和变形特性与有效应力的本质关系。之后，关于振动荷载作用下土体中i l 隙水压 力变化规律的研究日益深入和广泛，已发展了多种孔隙水压力的增长模式。7 0 年代，s e e d 、m a r t i n 和l y s m e r 4 1 根据振动三轴试验成果，提出了一个振动孔隙 水压力变化与振动次数间变化关系的孔压模式。目前，研究振动荷载作用下孔压 增长和消散过程时，一般是将不排水条件下动荷载作用的孔压发展模式与 t e r z a g h i 固结理论或者b l o t 固结理论加以耦合来定量求解孔隙水压力的演化过 程。利用t e r z a g h i 渗透固结方程，s e e d 等人发展了一个孔压增长和消散的一维 固结理论并羊0 用它来研究砂土液化问题”1 ，后来又将这一理论推广到三维的情况 并分析了设置圆柱形砾石排水系统来减小砂层液化的可能性。 1 2 2 饱和砂土液化的判别 液化现象是土体在动力荷载作用下最主要的震害之一，因此判别地基土体是 否发生液化具有十分重要的现实意义。土体发生液化是土性条件、起始应力条件、 动荷条件和排水条件等一系列因素共同作用的结果。目前，对饱和砂土进行确定 性分析与评价的方法主要有三类：经验或统计方法、简化分析方法和数值分析方 法。 ( 1 ) 经验或统计方法 北京交通大学坝十学位论文 经验或统计方法主要是将试验得到的标贯锤击数、静力触探的贯入阻力、剪 切波速与规范推荐的经验公式计算的可液化结果进行对比，该法依赖于原位试验 结果的准确性和经验公式的可靠性，而规范推荐的经验公式均是从自由场地的地 震液化资料得来的。它是以地震现场的液化调查资料为基础，给出了判别实际液 化与不液化的条件与界限，并且还可以判别液化程度。这些方法直观、简单，一 些影响饱和砂土液化的重要因素可以自动予以考虑，因此较容易被工程师接受。 ( 2 ) 简化分析方法 简化分析方法以试验和土体的反应计算分析为基础进行饱和砂土液化判别。 它之所以称为简化方法是因为它不能分析饱和砂土液化的整个发展过程和应力一 应变的变化过程，只能给出最后的判别结果。其中比较常用的有剪应力对比法和 s e e d 的简化法。 剪应力对比法首先由s e e d 和i d r i s s “”提出，现已得到工程界的广泛应用， 其基本内容包括以下几个方面： 确定地层中不同深度处地震引起的剪应力与时间的关系曲线，即剪应力 时程曲线，计算地层的平均地震剪应力。 在室内确定砂土在原位应力条件下土单元的抗液化强度。 将水平地震剪应力与抗液化强度进行比较，以此来判别砂土的液化可能 性。 由于以上方法在计算地基的地震剪应力时较为复杂，而且常常要进行大量的 振动液化试验，工程上应用并不方便。为此，s e e d 等人发展了估计地震剪应力 和土的液化特性的简化方法。s e e d 的简化法对诸多影响饱和砂土震动液化的因 素均给予适当的考虑，适用性较强，得到了广泛的应用。 ( 3 ) 数值分析方法“1 数值分析方法一般需要采用某种本构关系，并使用某一确定的数值分析方 法。例如有限元法、有限差分法等。该方法可以考虑土与结构的动力相互作用， 并能给出应力、应变、孔压、渗流以及变形发展的全过程。但该方法对本构模型 参数的质量要求较高。另外，因饱和砂土液化过程中变形的物理机制非常复杂， 尤其是在液化后的大变形阶段，目前仅采用某种简单的本构模型难以全面反映这 种复杂的变形过程，所得结果也难以准确反映实际情况。但这种方法在本构模型 参数的质量得到保证的情况下，其精度和准确性一般优于简化方法“，因而在一 些重要结构的设计中可采用这种方法。 4 北京交通大学硕士学位论文 1 2 3 液化土地基的处理方法 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。按照抗液化机理， 主要有以下三类加固措施“：加密：通过提高可液化土层的密实度达到抗液化 的目的，如振冲加密、振动加密、强夯加密和爆破加密等。复合地基：通过加 密、排水和减震三方面的作用来达到抗液化的目的，如砂桩、碎石桩复合地基等。 固化改性：通过加入固化剂改善砂土的抗液化性能。其中，碎石桩复合地基法 具有技术适用性强、加固效果好、施工方便、成本低廉等优点，近年来在工程中 得到了广泛应用，同时也积累了较丰富的经验”1 。 1 3 碎石桩复合地基抗艟研究 碎石桩又称为粗颗粒土桩，是指在地基中设置的由碎石( 或粗颗粒材料) 组 成的竖向增强体( 或称桩体) 。一般用振动加水冲或锤击沉管等方法在软弱地基 中成孔，然后将碎石挤压入土孔中形成的密实的碎石桩体，与周围土共同工作， 形成复合地基。有资料记载“，碎石桩最早始于1 8 3 5 年，法国人在b a y o n n e 海 湾沉积软土地基上建造兵工厂车间时采用了碎石桩，桩长2 米，桩径0 2 米，采 用碎石桩加固后，沉降只有未加固时的1 4 。b a y o n n e 的碎石桩未引起人们的重 视，直到1 9 3 6 年，由德国s s t e u e m a n 提出用振动水冲法( 简称振冲法) 挤密砂 土地基“”，形成振冲碎石桩法，碎石桩法才开始被人们广泛采用。随着时间的推 移，直到2 0 世纪6 0 年代人们才采用各种不同的施工工艺在地基中设置碎石桩。 7 0 年代，碎石桩技术开始应用于加固可液化土层“”，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”。 1 3 1 碎石桩复合地基抗液化机理 饱和砂土在地震荷载作用下会发生液化，其根本原因在于“：一是地基的密 实度不足，在动荷作用下孔压上升，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 5 韭塞奎垄尘堂婴二! 堂丝堡兰 地基的喷砂冒水或砂土的流动。饱和松砂土颗粒骨架疏松且多为不稳定结构，当 其遭受强烈振动时，土体趋向密实、体积减小。如果充满土孔隙中的水难以及时 排出，土孔隙无法减小，体积就不能发生改变，土骨架呈松弛状态，土粒问的有 效应力就逐渐地转移到孔隙水上，形成了超静孔隙水压力( 即超出相应静孔隙水 压力的值，简称超孔隙水压力) 。随着振动的持续作用，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( 即有效应力) 为零，土粒 之间没有了接触也就出现了液化现象。因此，砂土要产生液化必须具备三个条件， 即疏松饱和、排水不及时和强烈振动。 碎石桩复合地基f 是直接改善导致砂土液化的这三个不利因素。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“”：增加砂 土的密实度；通过桩体的排水来限制砂土中超静孔隙水压力的增长；桩体 分担地震水平剪应力作用( 桩体减振作用) 。可液化的地基土经碎石桩处理后，该 疏松、结构不甚稳定的可液化土体被振挤密实，减小其后地震震密性及其相应的 震动孔隙水压力，降低其液化势：碎石桩为良好的排水通道，可加速土中振动孔 隙水压力的消散，使其难以聚集高达产生土液化的量级；复合地基中的桩、土是 协调共同承担地震荷载，由于碎石桩的刚度、强度均远大于桩间土，桩体承受的 地震应力亦远大于桩间土体，从而减小作用于土体震密的驱动力：又加以地基土 于碎石桩处理过程中，经受了一定的预震作用，其抗液化能力又有所提高“1 。故 实践充分表明碎石桩复合地基抗液化的性能远优于同样性态土的天然地基。 1 3 2 加固地基效果评价 ( 1 ) 加密作用 当可液化的砂土地基用碎石桩法加固处理以后，基土的密实度提高，产生所 谓的密实效用。这种密实效用既包括振冲对砂土地基的振密，又包括成桩使桩位 的砂土被挤入桩问砂土的挤密。由于振密和挤实两种效应对桩间砂土密实效用的 作用不同，而且与施工机械的激振能量的大小、设计的桩距、桩径和原始砂土的 相对密度有关，有时挤密效应随着桩径的扩大和桩距的减小而增大，而振密效应 却在其它条件相同时随着桩距的减小而减小。因此，在进行复合地基设计时，应 综合考虑挤密效果和振密效果对密实效用的贡献，合理确定复合地基的设计参 数。 j ! 塞銮望查兰! 竖：! 兰垡堡苎 按照施工方法的不同，我国振动碎石桩可分为振冲碎石桩和干振碎石桩两 种。振冲碎石桩是利用能产生水平向振动的振冲器，在高压水流作用下边振边冲， 在软弱地基中成孔，再向孔内填入经筛选的碎石，振冲器上拔形成桩体，最终使 碎石桩体与原状土体构成复合地基。而于振碎石桩是在振冲桩基础上发展起来 的，通过电动振动打桩机，利用振动荷载将桩管沉入可液化土层，通过桩管灌入 碎石，在振、挤、压作用下形成较大密度的碎石桩，与周围土体一起构成复合地 基哺1 。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不同程度 的提高乜6 - 3 。 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激振力作用 下产生径向位移，使桩间土密度提高。另一方面，振冲器产生的振动能量向外辐 射传播，使其附近的饱和砂土地基产生振动孔隙水压力，导致部分土体液化，土 颗粒重新排列，趋向密实而达到振密作用。黄茂松等人”蚓结合实际工程，以振 冲器作为振源，在振冲碎石桩施工时对各个过程的振动孔压进行较为全面的测试 与分析，得出在碎石桩成孔和成桩阶段对地基土有加密作用，肯定了振冲碎石桩 的加固效果。 干振碎石桩在往液化土层中下沉桩管和逐步拨出桩管成桩时，对周围土层产 生挤密作用，使周围土层孔隙比减小，密度增大，从而提高了土层的抗液化性能。 支u 松玉等人胁“。认为干振碎石桩对桩问土的密实作用可分为：振密作用：在 成桩过程中，激振器产生的振动通过导管传递给土层，使其附近的饱和土地基产 生振动孔隙水压力，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。挤密作用：下沉桩管时桩管对周围砂层产生很大的横向压力，将士体 中等于桩管体积的土挤向周围土体使之密实，灌注碎石后振动、反插也使周围土 体受到挤密，从而提高了地基的抗剪强度和抗液化性能。邵俐等人。2 1 在试验过程 中观测了成桩时孔隙水压力和水平位移的变化情况，成桩结束后进行标准贯入试 验和瞬态瑞利波测试，分析了干振碎石桩对土层的挤密效果。分析结果表明，干 振碎石桩主要依靠振动和挤密作用加固地基，挤密作用是决定干振碎石桩加固地 基效果的主要因素。 在强烈振动下密实砂土中的超静孔压增长要比松砂慢得多，因此可以通过增 加砂土的密实度来防治液化的发生。根据我国对地震区的广泛调查和室内试验， 当地震烈度为7 、8 、9 度时，如果砂土的相对密度分别达到5 5 、7 0 和8 0 以上 时，砂土不会发生液化“1 。 7 些皇塞望_ 丈堂堡主堂垡丝兰 ( 2 ) 排水作用 复合地基中的碎石桩可以在土层中形成良好的排水通道，缩短土中地下水渗 流途径，加速了超孔隙水压力的消散，增强了土体抗剪强度。碎石桩体的排水效 用，抑制了动荷载作用下桩间砂土内孔压的上升。因此在反复的地震力作用下， 孔隙水压力不易积累增长，土层亦就不易发生液化。 饱和松砂层中设置碎石桩排水减压作用已由多人进行过研究。日本柳堀义彦 ( 1 9 7 5 ) 等o ”的振动液化试验得出，当给定的振动加速度为2 5 m s 2 ( 相瘦子3 度 地震烈度) 时，原状砂的抗液化临界相对密度为6 6 ，而设置了砾石排水桩( 置换 率为1 7 ) 的复合地基抗液化临界相对密度仅需4 6 ，仅为未设置排水桩时砂层液 化临界相对密度的7 0 。我国化工部、冶金部、水电部、建筑研究院等十个单位 曾在大兴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；细砂地基位于8 度地震区，在现场测 得天然地基距振冲中心约2 0 米范围内振动孔压剧增，造成土的液化，2 0 米以 外随距离增加基本上按指数关系递减，为防止地震液化，采用桩距为2 0 米的振 冲碎石桩形成复合地基后，超静孔隙水压力比天然地基降低了6 6 。王余庆。1 也 曾对粉土地基的加固现场进行了孔压实测，结果表明在距桩0 9 2 米处实测的孔 压对于天然地基孔压比为1 0 ，即天然地基已发生了液化，而采用1 4 0 米桩距 加固的碎石桩复合地基桩间土中最大孔压比仅为0 3 4 ，采用1 6 0 米桩距的桩间 土中最大孔压比接近0 4 0 。郑建国“”在现场采用打桩机作为震源量测了距震源 2 0 米处天然地基和经碎石桩加固后桩问土的超静孔隙水压力，在同样激振情况 下，加固后桩问土的超静孔隙水压力仅为天然地基的4 7 。 日本的t o k i m a t s u 和y o s h i m i ( 1 9 8 0 ) 。”对建筑物下采用砾石排水桩加固可液 化砂土地基进行了模型试验，研究了砾石桩的排水效果。s a s a k i 和 t a t i i g u c h i ( 1 9 8 2 ) ”1 将装有饱和砂土的大尺寸矩形砂箱固定于振动台上来研究砾 石排水桩和周围砂土的孔压增长和消散效应，发现在激振过程中靠近砾石排水桩 的超静孔压增加值减小，振动结束后砾石排水桩使得超静孔压快速消散。王士风 ( 1 9 8 4 ) 啪1 也进行了振动台砂箱试验来研究碎石桩加固可液化地基的效果。研究结 果表明，即使是浅层桩也能改善地基的抗液化能力。i a i ( 1 9 8 8 ) 等”利用振动台 上圆形堆叠式砂箱进行的模型试验也表明了碎石桩可以迅速降低超静孔压，抑制 砂土液化的作用。 ( 3 ) 加强作用( 剪应力分担) 些塞奎垄查兰塑：! 兰篁堡苎 竖向静力荷载作用下碎石桩的荷载分担作用已经有广泛而深入的研究“。“1 。 在静荷作用下，随着上部荷载的增大，应力逐渐向桩上集中，桩体对荷载的分担 作用增大，桩一土应力比大于1 0 ，出现桩体效用。但在动力荷载作用下，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。如在动荷作用下桩体能分 担剪切应力对土体的作用，则复合地基的抗液化能力必将提高。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。已有的研究表明碎石桩 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n “。 碎石桩复合地基中桩土分担地震剪应力重分靠的概念由b a e z 和m a r t i n 提出 “。由于碎石桩复合地基中桩体的刚度远大于桩问天然土体，地震荷载将因地基 的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问土上 的剪应力水平。 在现场对加固前后地面加速度的测量和剪切波的测量，可定性地反映桩体分 担剪应力的情况。郝增志等通过对振冲加固前后的地面振动加速度的测量发现， 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2 8 2 、 1 2 5 和1 9 o 。可见桩体分担水平剪切应力的作用也很明显。郑建国o ”以振动 加速度为参数研究了碎石桩的减震作用，分别在加固区桩间上层和未加固区土层 上布置了拾振器，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 然地基上分别测出地面振动加速度值。试验结果表明，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3 0 左右，也就是地面加速 度降低了7 0 。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。 虽然由于具体情况不同，现场试验所测得的加速度可能会有较大的不同，但是表 明了碎石桩复合地基可以通过桩体分担较大的水平剪应力，使桩间土上作用的剪 应力减小来抵抗地震液化。王士风。1 进行的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。 正是上述砂土一碎石桩复合地基工作的密实效用、排水效用和桩体效用使复 合地基抗液化能力得以提高，使碎石桩处理可液化砂土地基成为主要的方法之 一，而且得到了实际地震的检验。1 9 6 4 年日本新泻地震时有两个2 万立方米和 9 j ! 塞奎望查兰堡堂垡丝兰 一个3 万立方米的油罐建在振冲碎石桩加固的复合地基上，尽管附近未加固地基 上的油罐有显著下沉和倾斜，但建在加固地基上的2 力立方米的油罐仅下沉2 3 厘米，3 力 立方米的油罐沉降稍大，但这2 个油罐都可继续使用。又如日本十 胜冲造纸厂地基为2 0 米深的细砂层，地下水位于地表下1 5 米，设计时对三个 建筑物分别采用了1 3 5 米间距振冲加打桩，1 5 5 米间距振冲，以及不加处理三 种方法，在1 9 6 8 年5 月1 6 曰十胜冲地震时，未进行地基加固处理的建筑物破坏 严重，地基只采用振冲加固的建筑物轻微破坏，而地基采用振冲加打桩的建筑物 无明显破坏“。 应该认识到，砂土一碎石桩复合地基的密实效用、排水效用和桩体效用是相 互联系并耦合作用的。在地震动荷载作用下，尽管动孔压的上升，使得砂土有效 应力降低，会减弱砂土对桩体的侧限约束作用。使桩体效用的发挥受到限制，然 而实际上砂土一碎石桩复合地基的几种效用是相互联系并耦合作用的，桩间砂土 的密实效用和碎石桩的排水效用使得在动荷作用下的孔压上升受到限制，并及时 得到扩散和消散，使桩体的动刚度仍大于桩间砂土的动刚度，剪应力集中于桩体， 从而分担地震剪切应力，因此，在同样地震烈度下桩问土所承受的剪应力由于桩 的应力集中而得到衰减，从而提高了复合地基的抗液化能力。 l 。3 3 孔骧水压力分析方法 砂基内设置碎石桩地震期孔隙水压力的消散与扩散问题已由多人进行过研 究。为了探索排水桩的分析计算方法，s e e d 等人“”假定：布桩面积较大， 将排水桩视作三维轴对称问题。考虑到砂层的水平渗透系数高于竖向渗透系 数，而且在天然砂层中常夹有薄的粘性土层妨碍竖向渗透，故仅考虑径向排水。 孔隙水的流动服从达西定律，渗透系数和压缩系数为常数；碎石桩体的渗透 系数为极大以致在振动过程中的超孔压为零。 从而由三维流动的连续方程式可以得到动静荷载耦合作用下的三维固结微 分方程式： 未( 薏割- i - 专隆考 + 未( 惫警 = 豫( 詈一刳 m ， 式中“为超静孔隙水压力；k ，七。k ，分别为x ，y ，z 三个方向的渗透 系数；为水的重度；以为体积压缩系数、u ，为振动孔隙水压力。 1 0 北京交通大学硕士学位论文 假设渗透系数t ，k ，k z 为常数，体积压缩系数为常数， 件下，式( 卜1 ) 可以写成柱坐标形式： 击黟剖+ m k va 萨2 u = 軎一等 在轴对称条 ( 1 - 2 ) 式中，k v 分别为砂层的水平向和竖直向渗透系数。 对于仅考虑单一方向的径向排水时，式( 1 - 2 ) 可简化为： 击降+ 剖= 詈一等 m s ， 动力荷载作用下孔隙水压力的发展变化对砂土液化与土体抗震稳定性具有 显著的作用。因此，动孔隙水压力的发生、发展及消散的研究已成为人们十分 关注的问题之一。迄今为止，已经发展了多种考虑不同因素的孔压计算模型， 包括应力模型、应变模型、能量模型、内时模型、有效应力路径模型和瞬态模 型等。这里采用孔压的应力模型，把“。表示为动荷载作用次数n 的函数关系 “。= ，( ) ，则式( 卜3 ) 可以表示为 玉f 妻+ 三塑1 ：塑一生塑( 1 圳 圪帆l a r r 甜j 斫 a m 、 为了求解方程( 1 - 4 ) ，必须先求出熹和詈。 斋的值可用不排水试验求得，和n 之间的关系可用孔压的应力模型表 示。掣可采用孔压模型掣：等来计算，式中，。为地震时的等效循环数，= d td t r o 为地震持续时间。 实际上在地震时砂基不仅向碎石桩排水，而且也有竖向排水，尤其是上部砂 层，因此在有些情况下竖向排水起着较大作用，合理的计算应当同时考虑竖向和 径向排水的效应。对此，徐志英“5 1 删进行了研究，得到如下方程式： 詈= c t v c 虿0 2 u + g 【( 矿0 2 u + 三r 塑o r ) 1 + 熹警 ( 1 _ s ) 式中c = t 圪m 为垂直向固结系数；g = 圪，为水平向固结系数。 北京交通大学硕士学位论文 1 3 4 复合地基加固效用的数值分析方法 上面分析了碎石桩复合地基工作机理，讨论了现用复合地基加固效果的评价 方法，可以看出，砂土一碎石桩复合地基的密实效用、排水效用和桩体效用是相 互联系并耦合作用的。数值计算方法可反映复合地基的各种加固效用及其相互耦 合作用，可模拟各种实际情况，分析也得到了一些室内试验的肯定“删，表明它 是一种行之有效的途径。国内外一些学者致力于采用数值分析方法来研究碎石桩 复合地基的抗液化性能。 顾卫华、王余庆”7 3 用等价非线性有效应力动力分析的二维有限元方法，分析 了水平饱和砂层的液化过程和特点，单根碎石桩的抗液化效果，地面透水压重与 不透水压重的抗液化效果，以及有基础静载作用时饱和砂土的液化特点和碎石桩 与地面压重的抗液化效果。林本海“”等给出了三维情况下的有限元分析方法。 在国外，s e e d 和b o o k e r ( 1 9 7 7 ) ”“删提出了设计碎石或砾石排水井的基本原 理，最先采用有限元法研究了单纯径向排水的孔隙水压力计算，并编制了计算程 序，给出了一套供设计用的曲线。日本s a s a k i 和t a n i g u c h i ( 1 9 8 2 ) 。1 提出了一 个修正s e e d 和b o o k e r 模型，使其适用于二维流体。他们先在1 2 米1 2 米的大 型振动台上做碎石桩复合地基的振动液化试验，其模型尺寸达到了1 2 米( 长) 3 米( 深) 2 米( 宽) ，为了使实测结果能够与具二维有限元分析结果相对比，模型 中采用了碎石墙。试验分别在无桩( 墙) 、单桩( 墙) 和双桩( 墙) 三种方案下进行。 输入振动的加速度为2 m s 2 ，频率为5 h z ，持续时间为l m i n 水平作用的正弦波 型。试验得到了与前述王余庆分析一致的规律。当对试验结果与数值分析结果对 比时，发现动本构模型如采用h a r d i n 的等效非线性弹性模型，孔压模型采用 i s h i h a r a 的有效应力路径孔压模型和s e e d 的均等固结应力孔压模型的计算所得 的孔压发展定性规律均能与实测结果基本一致。但i s h i h a r a 的孔压模型的计算 在达到最大孔压以前与实测结果较为一致，孔压最大值却小于实测值，误差在 2 5 左右。s e e d 的孔压模型的计算得到了与实测值相当一致的孔压发展最大值， 但孔压发展过程比实测加快，使实际经5 s 后发生的液化提前到1 s 。其它如反应 加速度曲线等仍与实测结果符合较好。 1 9 9 3 年a k i y o s h i ”等对挤密砂桩处理的砂土地基进行了平面问题的数值分 析，并用振动台试验验证了计算结果。计算中采用了能考虑剪胀和主应力旋转的 应变空间弹塑性模型，反应加速度和孔压发展过程与实测值基本一致。 ! ! 塞奎望查兰! 苎：! 堂堡堡兰 从上面几个有代表性的数值分析结果可以看出，尽管目前的研究成果对复合 地基系统进行了一些简化和假定，但从计算分析过程来看，数值方法可以考虑别 的方法中许多无法考虑的因素，从而得到其他方法无法得到的规律。在用数值方 法分析中，只要模型选用合适，参数采用适当，数值方法分析砂土一碎石桩复合 地基能够与试验结果相吻合。因此它应该成为复合地基的抗液化效果分析评价的 一种比较有效的途径。 1 4 本文的研究内容及方法 本文主要研究碎石桩加固液化土地基的数值计算，建立碎石桩复合地基在不 同设计参数时的有限元模型，实现数值计算分析方法，并直接为实际工程服务。 通过本文的研究可以建立液化土地基碎石桩加固效果的数值计算方法，从而为京 沪高速铁路液化土地基的碎石桩加固技术提供参考依据。 1 4 1 研究的内容 1 ，建立液化土地基碎石桩加固效果的数值计算方法 本文主要内容是要进行碎石桩加固液化土地基的数值计算。建立碎石桩复合 地基的有限元模型，根据实际情况选取合适的分析方法，设置边界和接触面，输 入地震波进行动力时程反应分析。 2 确定加固参数对地基加固效果的影响关系 主要通过对比不同加固参数( 桩动弹性模量、桩距、桩径和地震波类型等) 下地基的剪应力响应来评价其加固效果，建立加固参数对复合地基加固效果的影 响关系。 3 建立液化土地基加固区由于地震孔压消散引起的沉降的计算方法 地震液化对路基的主要危害是由此造成的地基沉降，因此，地基加固的主要 目的就是减小由于地震液化引起的沉降。本文根据孔隙水压力增长曲线得到各点 地震引起的超孔隙水压力值，采用复合模量法建立液化土地基路堤加固后由于地 震孔压消散引起的加固区沉降的计算方法。 北京交通大学硕士学位论文 1 4 2 研究的方法 本文侧重于理论方面的研究，采用数值计算的方法进行分析，主要是利用程 序计算碎石桩复合地基在地震作用时的地震响应，即各深度关键点的剪应力时 程。通过计算结果找出复合地基各加固模型在地震作用下的响应，比较加固前后 和各不同参数模型的计算结果。提出针对液化土地基加固的抗震设计方法，同时 进行路堤沉降分析。 研究步骤具体分为五个部分进行：计算方案与有限单元的划分、动力分析及 土性参数、地震波的输入、计算结果的分析处理和复合地基沉降计算。 ( 1 ) 计算方案与有限单元的划分 充分利用已有的研究基础，收集和利用国内外有关地基抗液化方面的理论分 析资料，进行综合整理，对碎石桩复合地基抗震现状及重要性有系统的认识，从 而确定本文的计算方案。本文拟定的计算方案为二维计算，虽然研究的实际问题 是一个三维问题，但是由于高速铁路路基纵向较长，所以可以简化为二维的平面 应变问题进行计算。 对碎石桩复合地基进行有限元单元划分时，采用二维四节点等参固体单元 p l a n e 4 2 来离散。将复合地基离散成等参单元时，有限元网格的划分应与实际相 符，在碎石桩附近的土体应划分得密些。先按碎石桩的长度在桩长范围内分成合 适的n 层，在每层中将桩单独划分，桩问土按实际情况划分出合适的单元数，边 桩外的土按逐渐加大的单元宽度的方式划分单元。 用有限元法进行动力分析时，必须把实际上近于无限的计算域进行边界截 断，虚拟边界会产生反射波，会给分析结果带来影响，因此，为了减小由此产生 的误差，边界采用弹簧加阻尼器的人工边界。 ( 2 ) 动力分析及土性参数 建立了复合地基的二维模型以后，用a