（岩土工程专业论文）高速公路碎石桩处理液化地基的优化设计研究.pdf

高速公路碎石桩处理液化地基的优化设计研究 摘要 作者在总结砂土液化和碎石桩处理液化地基研究现状的基础上，主要针对高速公路阐述 了碎石桩处理液化地基设计存在的问题。 本文在考虑碎石桩的排水作用、应力集中作用以及上部荷载影响的基础上，通过比较相 同结构和密度下的自由场砂土和路堤荷载下碎石桩复合地基桩间土在地震时孔压，把自由场 的s e e d 液化简化判别法经过排水作用系数、桩体应力集中作用系数以及路基静力和动力影 响系数等的修正变为了高速公路下碎石桩处理液化地基的液化临界标贯判别法。 在碎石桩加固液化地基范围方面，作者通过对地震时地基不同范围内砂土的孔压应力 应特性以及不同范围的相互影响进行分析，把地基分为加固区，液化区以及过渡区，并且 分析每一区域的强度指标，然后通过稳定性分析，得到确定保证路堤在地震过程和地震后能 够正常使用的复台地基加固最小宽度。 在碎石桩处理深度方面，作者首先通过对地震时不打穿液化层的复合地基桩间土及其下 部地层超静定孔隙水压力的分析，得到了碎石桩的排水通道使下部末处理松砂土层达到不液 化的影响范围；其次，分析了下部还预留液化土层在地震液化后会起到滤波减震的效果，适 当的预留2 。m 的液化土层会减轻地震对上部路堤的影响。通过这两方面的研究得到了高速 公路碎石桩的处理深度。 最后，在总结连徐、徐宿和宁靖盐高速公路碎石桩处理液化地基效果的基础上，对某高 速公路典型段面的碎石桩复合地基进行了优化设计。 关键词：液化，砂土，碎石桩，复合地基。 a b s t a c t d e s i g n a n d o p t i m i z a t i o nr e s e a r c h i nl i q u e f a c t i o n r e s i s t a n c eo fs t o n ec o l u m n sf o u n d a t i o nf o r h i g h w a y a b s t r a c t b a s i n go n t h es u m m a r y o f h i s t o q p , r e s e a r c hf i e l d so fs a n dl i q u e f a c t i o n ，s t o n ee o l u n n l sg r o u n d s s o l n ep r o b l e m st od e s i g n l i q u e f i e dg r o u n d t r e a t e db ys t o n ec o l u m n sa l ei n t r o d u c e d nt h i sa r t i c l et h e p o t e n t i a lf o rl i q u e f a c t i o no fg r a v e c o l u m nc o m p o s i t ef o u n d a t i o ni s e v a l u a t e db y t r e a t i n gt h es o i la si fi tw e r es a n d f i e l d t h e o r yr e s e a r c hi n d i c a t e st h a tt h ed r a i n a g e ， t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o no ft h eg r a v e lc o l u m na n dt h ee m b a n k m e n t l o a d i n gc m h a v eas u b s t a n t i a l i n f l u e n c eo nt h e l i q u e f a c t i o n r e s i s t a n c eo fs e n d s m o d i f l c 撕o n st ot h e t y p i c a l f r e e 。f i e l d l i q u e f a c t i o na n a l y s i sp r o c e d u r e t oa c e o m l tf o re x i s t e n c ei nt h e d r a i n a g e a n dt h es t r e s s c o n c e n t r a t i o nd u et ot h eg r a v e lc o l u m na n dt h ee m b a n k m e n t l o a d i n ga r es u g g e s t e d i nt h ef i e l do fs t o n ec o l u m ns t a b i l i z a t i o ns c o p e ，t h ea u t h o rf i r s t l ya n a l y s e st h ep o r e - w a t e r p r e s s u r e - s l r e s s s t r a i nc h a r a c t e r i s t i c so f s a n di nt h ed i f f e r e n tp a r t so fg r o u n d s e c o n d l yt h eg r o u n d i sd i v i d e d i n t o t h r e er e g i o n s ：r e i n f o r c e d r e , o n ，l i q u e f a c t i o n r e g i o n a n d i n t e r i m r e g i o n f o re v e r y r e g i o ns t r e n g t hi n d e xi sa n a l y s e dt h r o u g hs t r e s s - s t r a i nc h a r a c t e r i s t i c s t h e nt h em i l j a n l nf a s t e n w i d t hw i t c he l k q u r e st h ee m b a n k m e n ts t e a d yd u r i n ga n da f t e re a r t h q u a k e si sg o tt h r o u g hs t a b i l i t y a n a l y s i s w m l ei nt h ef i e l do fs t o n ec o l u m nh a n d l i n gd e p t h ，e x c e s sp o r ew a t e r p r e s s u r ei sc a l c u l a t e di n t h eg r o u n di nt h ec o n d i t i o no f t h el i q u e f a c t i o ns a n dd on o tp e n e t r a t e db ys t o n ec o l u m n s ，t h r o u g h w i t c ht h et h i c k n e s so ft h el o o s es a n d si sg e tw i t e hd on o tl i q u e f yb e c a u s eo ft h ee f f e c to fs t o n e c o l u n m su n d e r 血ec o m p o u n dg r o u n d st h e ni f2 3 ml o o s es a n d sa r er e s e r v e du n d e rt h e 1 1 0 1 1 1 i q u e f a c t i o nl a y e r a n a l y s i si n d i c a t e st h a ti tc a nr e d u c et h ee f f e c to fe a r t h q u a k eb e c a u s et h a t l o o s es a n d sl i q u e f ya n dp r e v e n tt h et r a u s v e r s a lw a v ef r o mp a s s i n gt h r o u g h b yt h i st w os i d e s r e s e a r c hs t o n ec o l u m nh a n d l i n gd e p t hi sg e t a tl a s tt h ee f f e c t so ft h eg r o u n dt r e a t e db ys t o n ec o l u m n sa r es u m m e du pi nt h ew h o l eo f l i a n - x nh i g h w a y ，x u - s uh i g h w a ya n dn i n g - j i n - y a hl l i g h w a y i na d d i t i o na l lt y p i c a le x a m p l ei s a n a l y s e du s i n gp r e c e d i n g t e x t si d e a k e y w o r d s ：l i q u e f a c t i o n , s a n ds o i ls t o n ec o l u m n s ，c o m p o u n dg r o u n d s 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：鹭丝莹日期：! = 垒7 ，； 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：玉陋导师签名：二兰丝日 期：也竺幽= ! ! 曲 第一章国内外研究现状及存在问题 第一章国内外研究现状及存在问题 1 1 砂土( 粉土) 液化研究现状 1 1 1 砂土液化概念的演进f j q 砂土的液化特性研究一直是土动力学领域中的一项重要内容，液化现象一般是指饱和砂 土在振动荷载下其抗剪强度丧失而失去稳定的现象。早在1 9 3 6 年c a s a g r a d e 根据无粘性土 在剪切变形中体积变化特性( 剪胀和剪缩) 提出用i 临界孔隙比概念来解释砂土液化现象，后 来m o s l o v ( 1 9 5 4 ) 在巴尔坎砂土振动密实实验结果基础上提出临界加速度概念，并建立 一套“饱和砂土稳定性动力破坏渗透理论”。黄文熙( 1 9 5 9 1 9 6 2 ) 利用动三轴试验指出m o s l o v 理论液化试验条件不符合实际应力状态。 6 0 - 7 0 年代，我国巴楚地震、渤海地震、海城地震、唐山地震，日本新榭( n i i g a t e ) 地 震以及美国f e m a n d a 地震等造成了大量坝体滑坡和其他建筑物的破坏，促使对液化概念发 展进入一个高潮时期。以s e e d 、l e e 为代表的学者采用动三轴试验来模拟饱和砂层在地震波 水平循环剪切应力作用下砂土液化定量分析，提出了被广泛应用的“初始液化”概念和相应 的液化标准。之后，关于砂土地震液化及与液化相关的振动孔隙水压力变化规律研究得到广 泛发展。同一期间，c a s a g r a d e 和他学生c a s t r o 在“j 临界孔隙比”基础上开创性提出了“流 动结构”及“稳态抗剪强度”的“实际液化”概念，并用“死荷增量”试验说明这一特性。 8 0 年代后期，在饱和砂土液化问题上主要形成了s e e d 派和c a s a g r a d e 派两种明显不同 的观点。1 9 9 2 年h b s e e d 和c a s t r o e l 发表一篇关于对s a nf e m a n d o 土坝滑坡重新估计的文 章标志着两种观念在相互渗透和融合。 目前，关于液化的概念主要沿用1 9 7 8 年美国土木工程师协会岩土工程分部土动力学委 员会对液化一词的定义：“液化任何物质物化为液体的行为和过程，就无粘性土而言，这 种由固体状态变为液化状态的转化是孔隙水压力增加和有效应力减小的结果”。不过，在具 体对不同砂土液化的研究中，因观念和应用目的不同还存在不同的解释。汪文韶| 5 1 1 9 9 7 年 提出工程上液化的概念：因土体液化或液化有关的所可能产生或引发的灾难性破坏。实际上， 变形和稳定才是衡量工程的标准，液化的概念在工程上应该理解为在地震作用下砂土因孔压 上升和强度降低引起达到工程变形容许值或j 临界稳定的状态。 1 1 2 砂土液化机理的研究现状 砂土的液化机理及其影响因素一直是液化研究中的一个重点和难点，它是伴随着液化概 念的发展而发展的。目前，饱和砂土的液化机理大致可归纳为循环活动性( c y c l i c m o b i l i t y ) 、 流滑( f l o ws l i d e ) 和砂沸( s a n db o i l ) 三种类型”1 。 ( 1 ) 循环活动性：循环活动性是指在循环剪切过程中，由于土的剪胀和剪缩的交替作用 而引起的孔隙水压力反复升降而造成的间歇性液化和有限制流动现象，主要发生在中密和较 密饱和无粘性土中。s e e d 等人( 1 9 6 6 ) 在早期所进行饱和密砂固结不排水三轴试验中证明 了这一现象。研究还表明对于较密实饱和砂土，在适当条件下也会出现“初始液化”，并出 现有限度流动。 s e e d 在研究中还给出了初始液化时循环剪应力比与循环次数相互关系，后来被广泛应 用于饱和砂土振动液化的判别中，并与相对密度、标准贯入试验、静力触探试验及地震震级 建立了较多的经验关系。需要指出的是循环活动性不会出现在饱和松砂中。 ( 2 ) 流滑：流滑是单向或循环剪切作用下，土体积持续剪缩，孔隙水压力不断上升，从 而导致抗剪强度剧降，形成无限制流动大变形。c a s a g r a d e 提出的临界孔隙比概念及“流动 东南太学硕士学位论文 结构”源于这一思想。k r a m e r 、s e e d ( 1 9 8 8 ) 曾研究了饱和松砂在静荷载下发生流滑条件5 1 ， 张克绪( 1 9 8 4 ) 提出了饱和砂土在动静荷载作用下触发液化的应力条件，并于2 0 0 0 年推 广到有水平动剪应力和动正应力差同时存在的复杂应力条件中i 9 】。 ( 3 ) 砂沸：砂沸是土中孔隙水压力超过j 艋界水头而引起的喷砂冒水现象。它一般在静 力条件下就会发生。 上述液化机理虽然有所区别，但又相互联系，在液化研究中应全面考虑。最近的研究表 明：土体液化破坏往往是渐进发生的，即当土体内部局部区域发生液化时，抗剪强度迅速下 降因而应力发生重分布，随后附近区域也发生液化，最终导致建筑物破坏。利用上述思想， s e e d 在s a nf e r a a d o 土坝液化分析中得到与液化区域相当吻合的计算结果| l ；我国王媛等也 探讨了饱和松砂液化区渐进扩散计算方法8 ”。 1 1 3 砂土液化的分析方法现状 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，分析和判断地基液化具有 十分重要的意义。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 因素共同作用结果。目前分析和判断砂土液化的方法主要有下面几种： ( 1 ) 经验法：它根据过去地震时砂层的反应将其资料推广到新的情况下进行的判别方 法。主要有s p t 、c p t 、v s 等，其中s p t 应用较广。美国2 0 0 1 年n c c e r 召集全国专家对经 验法进行了重新评估和修订m 】；我国2 0 0 1 年对建筑抗震规范也进行了修订，基本上与国际 接轨 1 3 j 。 ( 2 ) 总应力分析方法：总应力法直接根据室内试验所取得的割线剪切摸量与等效阻尼 随应变幅值非线形变化曲线，通过多次迭代而求得的近似解。以s e e d 、i d i s s 为代表的部分 学者对总应力法作出了重大的贡献。具体有以下几种方法：a ，动剪应力对比法；b ，s e e d - i d i s s ( - - 维总应力法) ；c 二维、三维总应力法( 1 9 8 1 ) 。总应力法的缺点是无法确定孔压的发展，不 能揭示砂土液化的本质，目前应用已经较少。 ( 3 ) 有效应力方法：有效应力法是同时考虑土体的软化和孔压变化相互作用的分析方 法，它克服了总应力法的缺点，揭示砂土液化的本质，因此其应用的关键问题是如何正确测 算不同条件下土中孔蹦水压力的产生、增长、扩散、和消散规律。不过，在饱和砂土的振动 过程中，孔压的发展不仅具有平均量的增长性，而且具有瞬态波动性，目前大多数计算方法 只考虑单调部分，因此探讨波动部分更具有广泛意义。另外，在液化评价的标准选择上也因 孔压模式的选择不同而有所不同，常用的判别标准：a 应力标准；b 应变标准；c 有效路径 等等。具体的计算模式有以下几种： 孔压应力计算模式：将振动中的残余孔压同旆加的应力联系起来的一种方法，目前 来说是一种最为广泛应用的有效应力方法。其中具有代表性的是汪文韶( 1 9 6 4 ) ”、s e e d 和b o o k e r ( 1 9 7 6 ) 4s 】改变t e r z a g h i 固结理论中的瞬时增加恒定荷载的假定，使之适用于计算 地基界面上有动荷载作用条件下土体中孔隙水压力的变化和分布规律。徐志英( 1 9 8 1 ) 将 b 1 0 t 固结方程引入到地震孔隙水压力消散和扩散过程中，提出了一种适用于土坝和地基动 力二维有效应力分析方法埘；周健、徐志英( 1 9 8 5 ) 推广到三维空间，并在计算过程中分 段考虑了孔压的增长、消耗和扩散过程”】；林本海、谢定义( 2 0 0 0 ) 推导出种将b i e r 固 结方程和孔压增长模型耦合在一体的振动固结控制微分方程，并用有限元离散进行分析计算 碎石桩复台地基抗液化效果，结果比较满意“。 孔压应变计算模型：将孔压和排水时的体变联系起来建立孔压增长的基本方程，以 汪文韶p 和m a r t i n p ”为代表。 孔压能量计算模型：将孔压和振动中消耗的能量联系起来。n e m a t n a s s e r 与 s h o k o o h ( 1 9 7 9 ) 以及d a v i s 列等( 1 9 8 1 ) 从不同的角度提出和发展了这一观念；我国曹亚 林、何广讷也在这方面取得了大量的研究成果，建立了孔隙水压力增长的能量模型p 。 孔压瞬态计算模型：谢定义、张建民降l 等( 1 9 8 7 ) 提出孔压瞬态模型时指出，在 动荷作用下，土体反映为增荷剪缩、增荷剪胀、卸荷回弹或反向剪缩等不同特性，它们在应 2 箜二兰里堕! ! 里窭堡鉴墨壹垄塑里 力空间占有相应的空间特性域。由于应力经历各不同特性域时，孔压具有显著不同的发展特 性，因此，当有效应力点以特定选择的顺序和持续时间通过相应的特性域时，即引起由所通 过特性域的孔压发展特性所决定的孔压增长和积累，规定了孔压的发展规律为求具体的孔 压值，将孔压按其原因分为应力孔压、结构孔压和传递孔压三种类型，则任何瞬态确定的孔 压为三者之和。 1 2 碎石桩处理液化地基的研究现状 1 2 。1 碎石桩的加固机理 饱和砂土是单粒结构，属于典型的散粒体，结构不稳定，排水不畅，在动力和静力共同 作用下容易失稳、体积减小，很快形成液化，强度降低甚至散失。由于碎石桩具有以下几种 加固作用，用碎石桩处理这种地基，液化会很容易消除。 ( 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 ) 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。 ( 3 ) 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， 将发生体积的收缩和趋于密实，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。 ( 4 ) 预震作用：美国s e e d 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。 ( 5 ) 加筋作用：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 加筋作用。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， 加筋作用增强土体稳定性也明显体现出来。 1 2 2 碎石桩处理的液化地基的理论研究 碎石桩加固地基的静力方面理论和在成桩过程中的挤土效应研究较多，而对地震荷载下 的碎石桩加固砂土地基理论研究较少。改革开放以来，由于我国基础建设的加快，碎石桩加 固液化地基的推广使得我国对其动力理论方面的研究得到长足的进展。 9 0 年代之前，主要是针对碎石桩处理液化地基的效果进行初步探讨，大多数是把已有 的液化砂土研究成果进行修正和改进，然后应用到复合地基液化分析之中。其中主要有任书 考( 1 9 8 4 ) 提出用“动剪应交法”确定饱和砂土的地震液化势”；顾卫华、王余庆( 1 9 8 5 ) p o 用等价非线性有效应力分析的二维有限元方法分析水平饱和砂层液化特性，并考虑了碎 石桩排水效应和地面压重的透水性与不透水性的单根碎石桩的抗液化效果；王余庆( 1 9 8 9 ) 东南大学硕士学位论文 9 ”又利用现场激振加速度和室内动三轴试验联合提出了复合地基抗液化效果简化法。 ( 1 ) 排水效应和桩体效应 9 0 年代以后，碎石桩排水效应和桩体效应方面研究得到了长足发展。徐志英( 1 9 9 2 ) p q 利用1 9 7 7 年s e e d 等提出的复合地基桩间土动力控制方程，简化了其中的一些性质，求得 了适用于地震期间和地震结束后桩间土孔压的一般解析公式。这结论在碎石桩复合地基抗 液化方面具有重要的意义，到目前为止，大多数排水减压理论研究都是在这一基础上进行修 正和改进。1 9 9 8 2 0 0 0 期间，东南大学刘松玉等也研究了干振挤密碎石桩处理高速公路液化 地基效果，并给出了桩体应力集中、排水减压和挤密效果的有关结论p q ；刘金韬( 2 0 0 0 ) 从排水井的角度提出一种确定桩间距的方法田l ；林本海、谢定义( 2 0 0 0 ) 利用b i o t 固结方 程和连续性条件提出考虑振动固结耦合作用下碎石桩复台地基抗液化效果，并用数值模拟得 到良好的效果，这一结论推进了碎石桩复合地基抗液化分析的发展即】。 ( 2 ) 复合地基加固范围 在平面加固范围方面，m i t c h e l l ( 1 9 8 1 ) 就提出“在地震过程中，周围的未加固土 液化了，加固区有有失稳的危险性。”但一直未得到重视，还是m i t c h e l l ( 1 9 9 2 ) 进一步指 出“必须对加固区的大小进行分析以保证其稳定性”m 】。之后，t a g u c h iy ，i s h i h a r ak j k a t o s 对液化与不液化地基边界进行了研究p q ；a d a l i e rk ( 1 9 9 6 年) 通过离心模型试验对液化 与不液化的相互影响进行了系统的研究，得到了一些有益的结论p ”。在加固深度方面的研 究，主要是从宏观的调查总结了预留液化土层对上部结构的减震作用，很少定量的研究预留 液化层的影响及厚度，值得一提的是李学宁( 1 9 9 0 1 9 9 2 年) 通过多层剪切砂箱试验及一维 有效应力分析程序分析了残留液化层的减震机理及对地面地震反应的影响，得出保留2 3 米 厚，深度在5 米以下的液化层对一般房屋是可行的”。 ( 3 ) 复台地基液化判别 虽然在碎石桩理论分析方法上有了不少进展，但在液化的判别标准上却发展较慢，这主 要与自由场砂土液化判别标准不一致有着密切的关系，只有砂土液化判别标准的发展，才能 促进复合地基液化判别标准的发展。目前，大多数研究集中在对自由场液化判别经验公式进 行修正，然后用于在既有建筑物下的复合地基液化判别。 郑建国考虑桩体和排水影响对自由场临界标贯击数进行修正，然后用于复合地基液化判 别之中驯： n 。c ，。叩1 叩2 n c r 式中：，7 l 碎石桩体排水折减系数 前后的桩间土的相对密度； ( 1 - 1 ) r 1 1 = ( d ，d 。) 2 ，其中d 。、d ，分别是处理 吼碎石桩体应力集中折减系数：叩：= 1 d + 埘0 1 ) 】，其中，1 1 1 为面积置 换率，1 1 为桩土应力比； 张剑峰利用前人得到的静探锥尖阻力与标贯击数之比与平均粒径之1 9 的关系，并考虑 桩问土与桩体的共同作用，得到可考虑复合地基特性的当量标贯击数法i 柙】： ：望! ! ：! 生望：! 竺! 翌! ! ：二! ：! ! 生 ( 1 2 ) 式中：q ，q ，桩和桩间土的探头阻力 以，五桩和桩间土的探头阻力与标贯击数n 的比值 d 一 兰二兰璺堕! ! 里窒翌鲨墨查垄塑里 r ，l 桩径和桩距； 最后，将此n 和。，比较来判别液化的可能性。 何广讷通过考虑碎石桩的应力集中和排水作用，也得到一种当量标贯击数法m ： = 篙篙帮2 。 cz 。， 式中：五、世：分别与应力比和排水有关的参数； 卜地震烈度： 另外，近年来王余庆根据碎石桩法处理液化地基的现场实践，提出一种以液化剪应力为 基础的动孔压比法，但实施比较复杂，在高速公路大面积施工时不宣实麓。东南大学刘 松玉还提出用s a s w 法对碎石桩复合地基进行普检，值得借鉴旧i 。 ( 4 ) 上部结构的影响 在对碎石桩处理液化地基的研究过程中，很少考虑由于振动荷载作用下，上部结构对 复合地基的动力影响，不过，在振动荷载作用下，上部结构对单纯液化地基的动力影响研究 却不少。r o l l i n s 和s e e d 在建筑物对液化势的影响一文中提到了上部结构产生的初始剪应力 ，围压和附加动剪应力对液化的影响；a d a l i e r 通过离心机试验研究地震时路基与不同处 理方法处理的液化地基的相互影响8 】；国家地震工程研究所门福录等( 1 9 9 8 ) 考虑建筑物 对砂土地基增大水平剪切力的影响，提出了分析既有建筑物下饱和砂土地基抗液化简化方法 惭】，并于2 0 0 0 年进行了震动台模拟实验p q ；凌贤长、张克绪( 2 0 0 0 ) 在研究砂土液化动应 力触发条件时提出应该考虑既有建筑物产生的动水平剪应力和动水平竖向正应力差的共同 作用，但未能进行具体深入的研究| 邶】。 ( 5 ) 复合地基实验模拟 在复合地基实验模拟方面，一般都是用来分析静力作用下的复台地基力学和变形特 性，动力方面很少见于报道。值得一提的是王士凤在建筑物可液化地基用砾石排水桩法抗震 加固研究( 硕士论文) 4 中得到：不液化区沿深度为上窄下宽的梯形，即不液化区随深度 一定的角度( 1 0 1 5 。) 扩展，反映了深层因有较大孔压梯度而加速排水消散的结果；李学宁 等通过震动台试验研究了上层是复合地基，下层是液化地基的液化减震情况，得到傈留2 - 3 m 厚，深度在5 m 以下的液化层对般房屋是有利的口“。 1 3 高速公路碎石桩处理液化地基设计存在问题 ( 1 ) 设计方法针对对象不清楚，本应该是根据路基荷载作用下地基的液化土特性来设 计碎石桩复合地基，而现在一般设计都是根据自由场提供的液化土特性直接对自由场地来设 计的，根本没有考虑路基荷载的影响。因此，有必要首先分析路基荷载作用下地基液化土特 性，即在地震荷载作用，路基下地基液化范围及液化指数，然后再进行碎石桩参数的设计。 ( 2 ) 设计的次序存在问题，目前设计方法主要是针对路基下覆层进行设计，坡角外只 是作了相应的安全处理。然而，在地震荷载作用下，坡角外一定范围内恰恰是最先破坏( 液 化) 的地方，次之是自由场液化，最后才是路基下覆层液化。因此，应该首先针对坡角范围 地基进行设计，只要保证域角地基不触发液化破坏之后，对路基下覆层设计才有意义；否则， 坡角下覆层液化流滑或冒砂必然导致路基破坏。从台湾2 0 0 0 大地震调查中发现有许多路基 破坏都是坡角范围冒砂造成的。 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) 目前，对于碎石桩的处理深度一般都是要求穿过液化土层，而这个液化土层一般 总是理解为由自由场提供的。其实，单是从消除液化角度考虑，碎石桩的处理深度应该考虑 下列两方面的影响因素：一是路基的盖重影响，由于复合地基处在路基下，盖重可能会使原 先本来可能液化的地基变为不液化了；二是碎石桩体是排水通道，使得超过桩长的下覆地基 排水路径缩短，也可能会使原先本来可能液化的地基变为不液化了。因此在进行桩长设计研 究时，应该考虑这两方面的作用。 ( 4 ) 既有建筑物( 路基) 下复合地基液化判别标准大多数沿用自由场液化判s b 标准， 这无疑过于保守，对工程建设来说显然是不经济的。虽然现在有不少学者致力于这方面研究， 但还必须深入考虑排水、应力集中和上覆层共同作用下的液化判别标准。另外，应该找出一 种快速、有效、可靠和经济的检测方法进行普检，而后对不能准确确定的场地在进行多种方 法联合测试后再进行判别。 1 4 本文研究内容及技术路线 ( 1 ) 碎石桩处理的复合地基液化( 标贯) 判别的进一步研究： 碎石桩处理液化地基的桩间土临界标贯击数判别主要要考虑碎石桩的排水作用和桩体 作用，上部荷载的影响。本文通过对这三方面的影响，比较相同结构和密度下的自由场砂土 和路堤荷载下复合地基桩间土在地震时孔压，把自由场的s e e d 简化判别法经过一定的修正 变为高速公路下碎石桩处理液化地基的临界标贯判别法。 ( 2 ) 碎石桩处理的复合地基加固宽度范围的研究； 碎石桩加固液化地基是有一定的范围的，在一定的范围以外未加固区域，在地震时不可 避免的会发生液化，加固区域以及其支撑的上部路堤就处在液化区域的包围当中。本文通过 对地基进行分区，把地基分为加固区，液化区以及过渡区，每一区域的强度指标有不同的取 值，然后通过稳定性分析，来确定保证路堤在地震过程和地震后能够正常使用的复合地基加 固最小宽度。 ( 3 ) 碎石桩处理的复合地基处理深度的研究； 通常丽言，碎石桩加固液化地基一般会穿透液化土层，达到下部未液化层，但是通过上 面分析可以知道，碎石桩的排水通道对下部土层有一定的影响，以及上鄂荷载对地基可能有 一定的影响。本文通过地震时复合地基及其下部地层超静定孔隙水压力的分析碎石桩的排水 通道以及上部荷载对下部未处理液化土层的影响；另一方面，下部液化土层在地震液化后会 起到滤波减震的效果，适当的预留一定厚度的液化土层会减轻地震对上部路堤的影响。通过 这两方面的研究来确定高速公路碎石桩的处理深度问题。 6 第二章碎石桩复合地基液化( 标贯) 判别的研究 第二章碎石桩复合地基液化( 标贯) 判别的研究 2 1 概述 挤密碎石桩在加固可液化地基方面得到了广泛的应用，在实际地震中也证实了这种加固 方法的的有效性，但是在实际工程中判别碎石桩复合地基桩间土的液化仍然沿用自由场的液 化判别公式，显然过于保守；国内外已经开始碎石桩复合地基桩间土的液化判别研究。徐志 英等人曾利用s e e d 提出的碎石桩地基排水方程，分析了复合地基的震动孔隙水压力，但没 有考虑其他效应口”。郑建国、蔡升华等人通过现场实验并考虑了排水和桩体效应，提出一 种对临界标贯击数进行修正的方法，但没有进行理论分析口”。邱钰考虑了排水、减震和挤 密作用，对处理效果进行了理论分析，但没有给出具体的判别方法剐。在前人的基础上， 通过理论分析，提出一种适用于高速公路碎石桩复合地基的修正标贯判别法。在修正时，没 有沿着目前的思路，对临界标贯击数进行修正，而是把复合地基与天然地基进行( 假设土具 有相同密度) 比较，把原有的天然地基中统计出来的临界标贯击数转化为适用于高速公路复 合地基下的情况。 2 2 排水作用对碎石桩复合地基的影响 2 2 1 天然液化地基孔隙水压力解析解 假设天然地基孔隙水土层表面流动服从达西定律。根据土体变形相容条件与孔隙水动力 平衡条件得到震动时土体内孔隙水压力平均增长的控制微分方程； 塑：c 堡+ 生 ( 2 _ 1 ) a t 一。”岔2 。a 7 加 其中，“，为土体单元在动荷载作用下不排水孔压增长量，在地震作用下，詈可咀等 慨鲁= 熹争怨 泣z ， 式中： 札。、n 2 地震等效周次、土液化周次 f 。一地震持续时间 c 土体竖向固结系数 仃：- 土单元初始有效上覆压力，盯：= ，z 初始和边界条件为：甜i 。= o都| ：= 。2o 老l ，= o 根据控制微分方程和定解条件可得： 心，护嚣薹1 6 s i n ( 毫m _ 1 ) 可z r s i n j ( m 产_ 1 ) 一n z c f ) 3 ) 2 2 2 碎石桩复合地基桩间土孔隙水压力解析解 同自由场天然地基一样，假设在土层内孔隙水土层表面流动服从达西定律，不考虑碎石 桩的阻塞作用和碎石桩排水作用。可以推导出控制微分方程： 7 唧 一查堕查兰翌主兰堡笙苎： 抛0 - 7 = c 一，- 扩a 7 ”坛謦毒警 ( 2 4 ) 初始秘界条慨“= o = 。心= 。孰。2 。“f 乒。乳= 。 叱叫，= 一2 y h a 2 n , q 麓笔蔫鬈豢警 。( + 三) 2 丌： 1 - 唧耻+ j 乡广协 ( 2 渤 i ，。( 鱼砷y o ( x ) 一i ，。( 妁i 芒。) ：o ( 2 6 ) 方程( 脓) 虼( x ) = ，。( x ) 墨( 反) 的根 表2 - 1 12345 12 75 62 3 4 63 92 15 49 37 06 5 1 ，4 36 61 16 91 95 92 74 53 53 1 16 23 777 71 30 41 82 92 35 3 18 17 358 197 71 37 1】76 4 20 13 64 6 478 11 09 61 4 1 1 22 11 138 665 09 1 31 17 6 2 4 09 333 055 778 21 00 7 26 o 8 028 848 768 488 1 28 07 025 643 360 878 3 30 06 223 038 954 77 0 5 32 05 620 935 349 764 0 34 0 5 019 132 445 658 7 3 6 0 4 617 62 9 94 2 054 2 38 0 4 21 6 32 7 7 39 05 0 3 40 03 91 5 22 5 936 446 9 42 03 614 224 23 4 1 44 0 45 03 2 13 02 2 i31 240 2 5o 02 811 319 327 3 35 2 s - 第二章碎石桩复合地基液化( 标贯) 判别的研究 2 2 3 碎石桩复合地基排水作用的影响 假设某自由场天然地基的砂土与某碎石桩复合地基桩间土的结构和密度相同，可以认为 两者的标贯击数相同。在7 5 级地震作用下，等效周次2 0 次和有效持时4 0 s ，但两者所承受 的加速度幅值不同，要求在地震结束时，天然地基深度d ，处刚好达到液化，碎石桩复合地 基深度吐，半径r = b 处也刚好达到液化。 把# 飞时，”i = ，。d 代入( 2 5 ) 可得： y 弘嚣耋1 6 s i n t ( m - 1 而) n s i n t ( m - 1 一) ：, r 妥- n - 时q 卡( m - 1 , 2 2 u ， 把z 2 d s 、r _ b ，u l 。2y 。以代入( 2 _ 3 ) 可得； 似丽2 7 h d n , q 薹产豫蕃端鬻 。 + ；) ：石： ( 1 - e x p 叫v 七著+ 寺一 t g ) ( 2 - 8 ) 经过分析，( 2 7 ) 和( 2 - 8 ) 中起主导作用的项是第一项，占总值的9 2 以上，因此我们 y 小器掣卜时q 和， 池， ，d ：竺墨兰! 生! ! ! 遂：塞坚竖垒竖竖! ! 竺兰! 二! 三兰堡垒! 一 矾，以e 4 研+ e ) ：矿】听“旦) 一名“) 1 1 - 唧h 唔+ 旦4 h 2 k ) ( 2 - l o ) 把( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式相除得 坐：竖! n 。 ，q 0 。一、1 一e x p ( 吖。著a 其中：，( 正) = 了型l q 万g 。、1 一唧( _ c 渺+ 番k ) 八珀2 _ 蒂 t g c ， j + 焉 ( 2 1 1 ) 查壹奎兰堡圭堂垡堕奎 l = 刀j ? ( x l b ) j o ( x 。昙) k ( _ ) “( _ ) k “b ) t 耳( 耳皇) 一乃( x ，) 】 口 由于是用碎石桩处理，其液化土层h 一般都是较厚设h = 1 0 m ，c v 量级为1 0 一，t g 量级为1 o l ，代人l = c ，岳f ，的量级则为1 。1 o - 1 ，所以，( 瓦) h 瓦关系图2 - 1 如下 1 5 1 3 o 9 0 7 0 5 0 0 5 0 0 70 0 9 0 1 1 o 1 3o - 1 5 t v 图2 - 1 ( 正) 正关系图 由表达式可知：f 是x 1 与k ( = b a ) 的函数，由表可知x 1 也是k 的函数，所以f 是k 的函数，图2 - 2 为f 与k 的关系图 1 5 f 1 3 1 1 0 9 0 7 o 5 k = b a 图2 - 2f 与k 的关系图 1 0 4 5 第二章碎石桩复合地基液化( 标贯) 判别的研究 l = c 。 i 手+ i 喜虬中，第一项代表水平向排水作用，第二项代表竖向排水作用 很显然，对瓦的贡献主要是第一项，即乙“瓦= q 1 】 亭x 2f 。= 方x 2f 。，根据分析其值一 般大于2 ，图2 - 3 为f ( t h ) 与瓦的关系图 05 t h l o1 5 图2 - 3 ，( 疋) 与瓦关系图 通过以上分析可以看出：对( 2 1 1 ) 式的主要贡献是，( 瓦) ，因此以瓦为自变量经过近 似回归分析可得： 瓮乩2 。 弦 其中，毛是x 1 的函数，而x 1 与k ( _ b a ) 的关系可以通过如下回归得到 2 533 54 45 图2 4x 1 与k ( _ b 8 ) 的关系图 6 4 2 0 8 6 4 2 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 0 0 0 o o 0 0 0 o 东南大学硕士学位论文 所以：瓦= 所以 1 47 4 c h k 4 3 t g 一 孑一一