基于振动台试验对不同桩体加固的液化土横向动力特性研究

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饱和砂土的液化问题一直是各国岩土工程学者的重要研究课题。地震作用是饱和砂土发生液化现象的最主要原因,而且,近些年来,世界各地均频繁发生大大小小的地震,直接给人们的生命和财产安全带来巨大的威胁,地震引发的次生灾害更是加剧了人们生命和财产的损失,自汶川地震以来,我国更是加强了对建设领域防灾减灾工程的关注度,因此,针对由地震作用引发的饱和砂土液化问题的研究显得更为重要。目前,碎石桩加固液化土方法由于其具有良好的消散孔隙水压力的能力而广泛被实际工程所采用,而水泥土这种刚性桩参与加固地基土的方式在提高地基承载力、消除地基不均匀沉降方面也有显著的效果,液化土加固的实际工程也有应用,但其机理的理论研究还较少。对桩体加固液化土机理的研究也多数从超静孔隙水压力、沉降等方面进行,针对地震作用于液化土不同桩体加固动力响应的研究还很少,因此,基于振动台试验,从液化土横向动力响应研究入手,系统地分析不同桩体加固形式下液化土地基作用机理及其加固效果,并分析各个参数之间的内在联系,完善桩体加固液化土理论,对实际工程中的应用具有重大的意义。本文依托国家自然基金资助项目(项目号50578104)“桩体加固液化砂土作用机理的试验研究”,山西省交通厅科技项目(合同编号10-1-06)“黄土地区桩体加固砂土抗液化机理的研究”以及山西省交科院黄土实验室开放基金项目(KLTLR-Y13-3)“液化土层桩基础承载性状的试验研究”,对6组液化土模型即未加固、单根碎石桩加固、单根水泥土桩加固、四根碎石桩加固、四根水泥土桩加固、碎石桩与水泥土桩复合加固分别进行振动台试验,得到了不同桩体加固方式下液化土模型在不同埋深处超静孔隙水压力、土压力和土层加速度的时程曲线,并对试验数据进行相互比较与综合分析,得到结论如下:(1)未加固与不同桩体加固模型的超静孔隙水压力均随埋深增大而增大。水泥土桩加固模型的超静孔隙水压力峰值过后随着振动时间的增长基本保持不变,说明水泥土桩在消散孔隙水压力方面起不到作用;碎石桩参与的加固地基模型的超静孔隙水压力峰值后均明显减小,并小于其他加固模型,说明碎石桩在消散孔隙水压力方面的作用显著。各组试验模型超静孔隙水压力峰值随埋深的变化曲线,拟合出的关系式:U=-kD(式中:U—超静孔隙水压力峰值,单位:kPa;D—土体埋深,单位:cm;k—系数),由此关系式可以对加固地基任意埋深处超静孔隙水压力值进行预测。(2)未加固与不同桩体加固液化土模型的土压力沿埋深均表现出中层最大,上层次之,下层最小的趋势。水泥土桩加固模型的土压力均在试验开始后迅速达到峰值,之后下降并趋于稳定,且同一埋深处水泥土桩加固模型与其他加固形式相比的土压力值比较小,说明水泥土桩分担侧向水平力有很好的效果;碎石桩参与加固的模型,其土压力达到峰值后呈小幅回落,并保持到振动结束;由于碎石桩的排水使土体变密,其土压力较之水泥土桩加固模型要大一些。根据各组试验模型土压力峰值随埋深的变化曲线,拟合出的关系式: P=-aD2-bD(式中:P—水平土压力峰值,单位:kPa;D—土体埋深,单位:cm; a,b—系数),通过关系式可以对任意埋深处土压力值进行测算。(3)未加固模型不同埋深处的土层加速度随埋深的增加而减小,比桩体加固模型要大很多;碎石桩参与加固的地基模型其土层加速度值均呈现出中层较大、深层和浅层较小的变化规律;单一水泥土桩加固液化土模型在不同埋深处的土层加速度均随埋深增加而减小;同一埋深处水泥土桩加固模型的土层加速度要比未加固模型小很多。根据各组模型土层加速度峰值随埋深的变化曲线,拟合的关系式:A=kD+e,A=-aD2-bD+c(式中:A—土层加速度峰值,单位:m/s2;D—土体埋深,单位:cm;k,a,b,c,e—系数),通过这两个关系式可以对未加固模型、水泥土桩加固模型与碎石桩加固模型任意埋深处土层加速度值分别测算。综上所述,碎石桩具有很好的消散孔隙水压力和挤密土体的作用,水泥土桩虽然没有消散超静孔隙水压力的作用,但可以有效地分担水平地震力;不同桩体加固液化土时,桩体中部所受到的水平地震力均为最大,易发生折断现象,在实际工程中必须予以重视;桩体加固液化土均对土体横向动力响应有一定的削弱作用,其中碎石桩对浅层地基土体的削弱作用尤其明显。因此,在实际工程可以考虑水泥土桩与碎石桩复合加固液化土,这样会取得更好的加固效果。
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