基于桩体加固密实度不同液化土变形特性分析

崔志平，牛琪瑛，赵军永

(太原理工大学建筑与土木工程学院， 山西太原030024)



基于桩体加固密实度不同液化土变形特性分析

崔志平，牛琪瑛，赵军永

(太原理工大学建筑与土木工程学院， 山西太原030024)

摘要：为了进一步研究水泥土桩和碎石桩加固不同密实度液化土的机理，通过振动台模拟地震荷载，对水泥土桩、碎石桩加固不同密实度液化土进行一系列试验，得到密实度分别为1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3不同埋深处的超静孔隙水压力与沉降的时程曲线，分析水泥土桩和碎石桩加固液化土超静孔隙水压力、沉降量与埋深、密实度之间的变化规律。结果表明：随着振动荷载作用，不同埋深处超静孔隙水压力均急剧上升到峰值，随后碎石桩加固模型的孔隙水压力随着时间缓慢递减，表明土中水的排出，孔隙水压力得到充分消散，而水泥土桩加固模型以孔隙水压力峰值保持到试验结束，孔隙水压力几乎没有消散；孔隙水压力与密实度、埋深呈正相关，碎石柱加固模型相同埋深、相同密实度的孔隙水压力均小于水泥土桩加固模型的；沉降量与埋深、密实度呈负相关，相同密实度、相同埋深处碎石桩加固模型的沉降量峰值比水泥土桩加固模型的小，但随着振动荷载作用，碎石桩由下向上排水，使孔隙水压力消散，而水泥土桩刚性桩桩周摩阻力在振动过程中显现，桩体分割土体的格栅作用，使其土体沉降速率小于碎石桩柔性桩沉降速率；孔隙水压力、沉降量与埋深、干密度之间的关系式分别为U=U0+aZ-bγ，C=C0+mγ+nZ。

关键词：振动台试验；水泥土桩；碎石桩；密实度；孔隙水压力；沉降量

Characteristics analysis of liquefied soilwith different densities reinforced by pile

CUI Zhi-ping, NIU Qi-ying, ZHAO Jun-yong

(College of Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024,China)

Abstract:In order to study reinforcement effect of gravel pile or cement-soil pileon liquefied soil, seismic load was simulated with a vibration table, and a series of tests were carried out on liquefied soil models reinforced by gravel pile or cement-soil pile. There were three dry densities of the models,1.5 g/cm3, 1.6 g/cm3and 1.7 g/cm3. For each model, the water pressure of the settlement in different buried depth and the peak curve were analyzed. The relationship between water pressure and buried depth and the relationship between the settlement and buried depth were obtained.Conclusions are as follows.Under continuing vibration loadssuper static pore water pressure of the models with different buried depth sharply rises to the peak, and then the pore water pressure of the modelreinforced by gravel pile slowly declines, which shows the discharge of water in soil and the dissipation of pore water pressure. For the model reinforced by cement soil pilethe pore water pressure rises to the peak and keeps the value to test end, i.e., the pore water pressure almost no dissipates.The pore water pressure are related to density and buried depth. For the same buried depth and density, the pore water pressure of the model reinforced by gravel pile is less than that of the model reinforced by cement soil pile. The settlement is negatively related to the buried depth and density. For the same density and buried depth,the settlement of the model reinforce by gravel pile isless than that of the model reinforce by cement soil pile.But, under continuing vibration loads, thegravel pile makes pore water pressure dissipate, and the friction resistance of cement soil pile appears, which makes the settlement rate less than that of gravel pile. The relationships of pore water pressure, settlement volume, buried deepand dry density areU=U0+aZ-bγ，C=C0+mγ+nZ.

Key word: shaking table test; cement pile; gravel pile; dry density; excess pore water pressure ;settlement

地震作用下，饱和砂土在循环荷载作用下发生液化而诱发地面喷砂冒水及地基不均匀沉降等。由于震害资料的局限性和土体的复杂性，液化土加固一直为岩土工程领域的前沿课题[1-2]，对不同液化土加固机理的研究也迫在眉睫。目前，水泥土桩加固软土提高地基承载力和减小不均匀沉降的研究理论相对成熟[3-4]，碎石桩因较好的排水效果而成为加固液化土最有效的方法[5-7]，但是以往均是在同一密实度的情况下进行研究，对不同密实度液化土的加固机理的研究[8]甚少。为此，本文以水泥土桩和碎石桩加固不同干密度液化土为对象，从孔隙水压力、沉降量分析其加固机理，研究各个参数的内在联系，完善水泥土桩和碎石桩加固液化土机理，为实际工程提供参考。

1试验仪器及试验方案

1.1试验仪器

本次振动台试验在太原理工大学结构实验室中心进行，主要仪器有振动台、数据采集仪、传感器等[9-11]。电动振动试验系统(图1)由苏州试验仪器总厂生产，型号为DYS-1000-8-08； 振动台输入地震波原型由武汉地震研究所提供[13]，地震动时程最大幅值为 0.12 g，频率在 1 Hz 左右[12-13]；数据采集系统由江苏东华测试技术有限公司生产，型号为DH5922，具有8个数据采集通道；位移传感器(图2)为深圳市迈恩传感器科技有限公司制造，型号为KMP-75mm-R；孔隙水压力计(图3)由丹东市三达仪器厂生产，型号为DYS-3。

图1振动台

Fig.1Shaking table

图3孔隙水压力计

Fig.3soil pressure gauge

1.2试验方案

试验模型箱采用矩形有机玻璃箱，由运动微分方程计算相似比，取相似几何比Kx=1∶18， 相似时间比Kt=8.74；相似加速度比Ka=1∶4.24；频率ωm=8.74，确定输出频率为8.74 Hz,加速度幅值为0.51 g,振动时间为60 s；箱体外边缘尺寸550 mm×400 mm×750 mm(长度×宽度×高度)，箱体壁厚1 cm，质量密度为1.21 g/cm3。为保证模型箱振动期间有足够的强度，对箱体周围进行套箍加筋处理；在模型箱体的两个纵向侧壁上沿着底边向上每隔50 mm钻直径为3 mm的孔，每个孔洞用1根棉线穿过以引导水流入指定位置，进而满足排水条件。模型箱采用内壁粘“duxseal”的柔性填料来解决“模型箱效应”问题[14-15]。

试验用土取自太原市南中环桥西汾河西岸的某个施工现场，为可液化土-细砂。制备装填砂土最优含水率为15%左右，总高度为47 cm，采用8层压实装填，底层高度5 cm，以上均为6 cm，每层表面用毛刷刷毛，保证上下相邻土层接触面结合良好，防止在地震荷载作用下水平剪切滑动。

桩体制备及置入：碎石桩是由散体颗粒组成的桩体，原料取自干涸的河床，经标准筛过滤、清洗、除杂晒干，与装箱同步制作，将钢管桩预埋在碎石桩的位置，然后向钢管中分层装入碎石，边提管边振捣，将碎石向桩周土体内挤压，从而实现对周围土体的挤密作用。水泥土桩材料为水泥、砂土和水，水灰比为0.5，提前预制。桩长42 cm，桩径35 mm，桩间距140 mm。采用正方形布置。

传感器的埋设深度依次为12 cm、24 cm、36 cm。土体和传感器填装完成后，模型箱表面缓缓注水，使其土体饱和度达80%～90%，然后进行振动台试验。

制备水泥土桩、碎石桩分别加固不同干密度(1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3)液化土模型共6组。

2实验结果与分析

2.1不同加固形式超静孔隙水压力时程曲线

利用孔隙水压力计测得原始数据，经整理得到碎石桩加固、水泥土桩加固不同密实度液化土模型的不同埋深处孔隙水压力时程曲线如图4～图6所示。

(a) 碎石桩加固模型(b) 水泥土桩加固模型

图4密实度为1.5 g/cm3的孔隙水压力时程曲线

Fig.4Excess pore water pressure time curve under the density of 1.5 g/cm3

(a) 碎石桩加固模型(b) 水泥土桩加固模型

图5密实度为1.6 g/cm3的孔隙水压力时程曲线

Fig.5Excess pore water pressure time curve under the density of 1.6 g/cm3

(a) 碎石桩加固模型(b) 水泥土桩加固模型

图6密实度为1.7 g/cm3的孔隙水压力时程曲线

Fig.6Excess pore water pressure time curve under the density of 1.7 g/cm3

由图4～图6可知：随着振动荷载的作用，不同埋深处超静孔隙水压力均急剧上升到峰值，随后，碎石桩加固模型随着时间缓慢递减，表明土中水的排出，孔隙水压力得到了消散，而水泥土桩加固模型以孔隙水压力峰值保持到试验结束，几乎没有消散；同一密实度下，随埋深的增加，孔隙水压力不断增大；同一埋深处，随着密实度的增大，超静孔隙水压力减小，说明埋深愈深、密实度愈大，土体抗液化强度愈大；同一密实度下，随着埋深的增加，达到峰值时间推迟，揭示了液化从上层开始发展到中层延续至底层的顺序；相同密实度、同一埋深处水泥土桩加固模型的孔隙水压力值大于碎石桩加固模型的，表明水泥土桩加固模型抗液化效果弱于碎石桩加固模型。

2.2孔隙水压力与埋深、密实度的关系

根据不同密实度、不同埋深处的孔隙水压力峰值经统计分析得到的拟合曲面如图7所示。由图7可明显看出，孔隙水压力与密实度、埋深呈正相关，碎石桩加固模型的孔隙水压力最大值出现在埋深36 cm处，为5.4 kP，水泥土桩加固模型则出现在36 cm处，孔隙水压力最大值为6.8 kP。相同埋深密实度1.5 g/cm3的孔隙水压力最大，1.6 g/cm3次之，1.7 g/cm3最小。通过线性回归分析建立超静孔隙水压力(U)与埋深(Z)、密实度(γ)三者的关系为：

U=U0+aZ-bγ，

(1)

式中，U0、a、b为常数，与桩的性质有关；碎石桩加固模型中，U0=6.77，a=0.128，b=4; 水泥土桩加固模型中，U0=9.66，a=0.1，b=5.7。

由式(1)可计算出随埋深变化时不同密实度的碎石桩、水泥土桩加固模型液化土的孔隙水压力峰值，可随时分析土体不同埋深处的液化情况。

(a) 碎石桩加固模型

(b) 水泥土桩加固模型

图7不同密实度、不同埋深处的孔隙水压力

Fig.7Exeess pore water pressure under different density and depths

2.3沉降量与埋深、密实度的关系

由位移传感器记录得到的水泥土桩、碎石桩加固模型不同埋深处的沉降量峰值，经统计、整理、绘制出曲线如图8所示。由图8可知：同一密实度下，土体表面沉降量最大，随着埋深的增加,沉降量峰值逐渐减小，随着密实度的增大,沉降量也在逐渐减小；相同密实度、相同埋深处碎石桩加固模型的沉降量峰值比水泥土桩加固模型的小。

(a) 碎石桩加固模型(b) 水泥土桩加固模型

图8沉降量与埋深关系曲线

Fig.8Curves of settlement amount and depth

通过回归分析，沉降量峰值与密实度、埋深三者关系拟合曲面如图9所示。

(a) 碎石桩加固模型

(b) 水泥土桩加固模型

图9不同密实度、不同埋深处的沉降量

Fig.9Settlement amount under different density and depths

图9直观反映出沉降量随干密度、埋深的变化。同一埋深处，密实度为1.5 g/cm3时的沉降量最大，1.6 g/cm3次之，1.7 g/cm3最小。沉降量与密实度成负相关。

建立沉降量(C)、密实度(γ)、埋深(Z)三者的关系式为：

C=C0+mγ+nZ,

(2)

式中,C0、m、n为常数,与桩的性质有关；碎石桩加固模型中，C0=26.84，m=-11.06,n=0.24；水泥土桩加固模型中，C0=29.49，m=-12.04,n=0.21。

由式(2)可计算出不同埋深的碎石桩、水泥土桩加固模型不同密实度液化土的沉降量，可及时反映出加固液化土方法不同、埋深不同的沉降量变化。

2.4孔隙水压力、沉降量、埋深三者间的关系

通过整理孔隙水压力(U)、沉降量(C)与埋深(Z)的关系，对密实度为1.5 g/cm3的碎石桩、水泥土桩加固模型进行回归模拟，模拟曲面如图10所示。

由图10直观看出：孔隙水压力与埋深呈正相关，沉降量与埋深呈负相关，即孔隙水压力随着埋深的增加而增大，沉降量随着埋深的增加而减小，随埋深加深,孔隙水压力与沉降量成反比；碎石桩孔隙水压力的变化斜率小于水泥土桩模型的，而沉降量变化斜率大于水泥土桩模型的。说明随着振动荷载作用，碎石桩由下向上排水，使孔隙水压力消散，土体不断下沉；而水泥土桩随着振动荷载作用，格栅作用显现，分割了桩间液化土的链接，抑制土体的沉降速率。

通过回归分析得到孔隙水压力(U)、沉降量(C)与埋深(Z)关系式为：

U=U0-pC+qZ,

( 3 )

式中,U0、p、q为常数,与桩的性质有关，碎石桩加固模型中，U0=8.83,p=0.83,q=0.043；水泥土桩加固模型中，U0=7.89，p=0.71,q=-0.055。

由式(3)可计算出两种不同加固模型任何埋深处的孔隙水压力与沉降量。

(a) 碎石桩加固模型

(b) 水泥土桩加固模型

图10孔隙水压力与沉降量、埋深的关系

Fig.10Ralation of excess pore water pressure and sttlement, depth

3结论

通过碎石桩、水泥土桩两种不同加固模型的振动台试验，整理分析不同密实度、埋深、孔隙水压力、沉降量之间的相互关系，得出如下结论。

随着振动荷载作用，不同埋深处超静孔隙水压力均急剧上升到峰值，随后碎石桩加固模型的孔隙水压力随着时间缓慢递减，表明土中水的排出，孔隙水压力得到充分消散；而水泥土桩加固模型以孔隙水压力峰值保持到试验结束，孔隙水压力几乎没有消散。

孔隙水压力与密实度、埋深呈正相关，相同埋深情况下，密实度1.5 g/cm3的孔隙水压力最大，1.6 g/cm3次之，1.7 g/cm3最小。由于碎石桩提供很好的排水通道，相同埋深、相同密实度的孔隙水压力均小于水泥土桩加固模型的。

沉降量与密实度呈负相关，同一密实度时，土体表面沉降量最大，随着埋深的增加，沉降量峰值逐渐减小，随着密实度的增大，沉降量也在逐渐减小。相同密实度、相同埋深处碎石桩加固模型沉降量峰值比水泥土桩加固模型的小。

孔隙水压力、沉降量与埋深、干密度之间的关系式分别为U=U0+aZ-bγ和C=C0+mγ+nZ。由关系式可以分别计算两种不同加固模型任何埋深处的孔隙水压力与沉降量。碎石桩孔隙水压力的变化斜率小于水泥土桩模型的，而沉降量变化斜率则大于水泥土桩模型的。说明随着振动荷载作用，碎石桩由下向上排水，使孔隙水压力消散，而水泥土桩刚性桩桩周摩阻力在振动过程中显现，桩体分割土体的格栅作用，使其土体沉降速率小于碎石桩柔性桩沉降速率。

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(责任编辑唐汉民裴润梅)

中图分类号：TU473.1

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)01-0156-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0156

通讯作者：牛琪瑛(1957—)，女，山西太原人，太原理工大学教授； E-mail:niu.qiying@163.com。

基金项目：国家青年自然科学基金资助项目(51408393)；山西省交通科学研究院开放基金资助项目(KLTLR-Y13-3)

收稿日期：2015-09-10；

修订日期：2015-12-07

引文格式：崔志平，牛琪瑛.赵军永.基于桩体加固密实度不同液化土变形特性分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(1)：156-162.