碎石填芯钢管桩加固抗液化特性的试验研究

黄　涛,牛琪瑛,汤黄俊

(太原理工大学 建筑与土木工程学院,太原 030024)



碎石填芯钢管桩加固抗液化特性的试验研究

黄涛,牛琪瑛,汤黄俊

(太原理工大学 建筑与土木工程学院,太原 030024)

摘要:为了进一步研究碎石填芯钢管桩加固液化土地基的效果和机理,制备了钢管桩、碎石桩及碎石填芯钢管桩加固三种地基模型,模拟地震荷载,进行振动台对比试验。结果表明，碎石填芯钢管桩不仅消散了孔隙水压力,还可以增强土体强度及减小桩体位移,具有良好的加固液化土体的效果。

关键词:复合桩加固;振动台;孔隙水压力;位移;液化土

近几年来,我国地震频发,建筑物倒塌严重,造成了难以估量的经济和财产损失,其中地震作用下土体液化现象是造成建筑物破坏的主要原因之一[1],因此研究土体液化加固方法,在防震减灾减少经济财产损失方面,具有十分重要的意义,也是岩土工程研究的重要课题。

为了提高地基的抗液化性能,许多学者进行了这方面的研究[2-3],目前已经发展了多种可液化地基加固处理方法,如置换、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等。其中分别用碎石桩和钢管桩加固土体,防止砂土液化变形都取得了一定的成果。碎石桩排水降压,有效消除孔隙水压力[4-5],加固可液化砂土,其适用性和有效性已得到广泛的认同,并且碎石桩复合地基具有技术实用性强、加固效果好、施工方便、成本低廉等优点,广泛应用于工程中。但是碎石桩复合地基的工作机理十分复杂,需要考虑碎石桩本身的加密、排水和减震效应以及各种效应的相互耦合作用。郭英[5]等通过碎石桩加固液化模型土振动台试验研究,揭示了加固与未加固液化土随埋深变化的孔压比与密实度的变化规律,阐明碎石桩加固液化土主要与密实和排水二因素有关的加固机理。张明[6]通过FLAC3D有限差分软件进行碎石桩复合地基的数值模拟指出,碎石桩排水效果良好,抗液化效果明显,从数值模拟方面印证了碎石桩复合地基的抗液化效果。钢管桩刚性好,抗弯、抗剪能力强,在处理地基[7-8]不均匀沉降,提高地基承载力方面的技术和理论也相当成熟。孙会方[9]等通过工程实例论证了钢管桩在复合地基中的可应用性,并对钢管桩在复合地基中的作用机理进行了探讨,还对钢管桩复合地基的承载力计算进行了研究。郑俊杰[10]等通过开展钢管桩与砂桩多元复合地基室内静载试验,表明当处理粉细砂类土时, 钢管桩与砂桩多元复合地基明显优于砂桩复合地基。

综上所述,现在的研究成果大多是基于碎石桩和钢管桩的单一桩型的加固液化土体的试验研究,而采用一种兼顾碎石桩和钢管桩优点的桩体,即碎石填芯钢管桩加固液化土体效果的研究[11]还很少,开展碎石填芯钢管桩加固液化土的研究有很重大的意义。因此,本研究在借鉴已有研究成果的基础上,研究碎石填芯钢管桩加固液化土体效果,分析孔隙水压力消散和地基位移变形等,探究其加固机理,为今后工程设计提供一些有益参考。

1试验仪器

本次试验在太原理工大学力学试验室完成,采用的主要设备有振动台、数据采集系统与传感器。试验所采用振动系统是苏州实验仪器总厂生产的DYS-1000-8-08电动振动试验系统。数据采集系统为江苏东华测试技术有限公司生产的DH5922,共有8个信号采集通道。两种采集数据传感器:孔隙水压力计(型号为DYS-3)购买于丹东市三达仪器厂。位移计(型号为KMP-75 mm-R)是从深圳市迈恩传感器科技有限公司购买。

振动台试验所用模型箱为矩形的模型箱[12-14]。材料采用有机玻璃。模型箱壁厚为10 mm,外边缘的长、宽、高尺寸分别为550 mm，400 mm，750 mm .

试验用土细砂取自太原市南中环桥西边,汾河西岸某个住宅小区的施工现场。土体取回后用2 mm的土工筛去除粗颗粒及杂质,剩余土体需要经过多次的均匀搅拌和晾晒后方可作为实验土体。根据《土工试验规程》(GB/T50123-1999)[15]规定,经过筛选法分析后,土样的定名为细砂，其颗粒组成如表1所示。

表1　试验砂土颗粒组成

2试验模型与桩的布置

试验制备钢管桩、碎石桩、碎石填芯钢管桩分别加固的3种土体模型。

钢管在五金店购买,长度为42 cm,外管径为35 mm,内管径为29 mm,管壁厚度为1.5 mm,并以孔距为8 cm对穿打孔;碎石桩采用振冲法制作。9根桩呈正方形布置,桩间距110 mm,角桩距模型箱长边80 mm,角桩距短边150 mm。

装箱控制砂土的干密度为1.36 g/cm3,模型箱内总高度47 cm,分8层填装。孔隙水压力计埋设在土体表面以下埋深12,24,36 cm,方向平行于振动方向。将双层土工布铺设在砂土表面后,向模型箱内缓慢注水。土体静置48 h[16],排气饱和达到试验要求饱和度。之后把位移计固定在桩体上端，见图1所示。

图1　传感器位置图Fig.1　Sensor location schematic

三种土体模型分别制作完成后,输入水平地震动力,地震的卓越频率约为1 Hz,地震时程最大幅值为0.12g,振动台加速度输出值为0.51g,振动频率8.74 Hz，震动时间为60 s[17].

3试验结果分析

3.1不同加固模型的超静孔隙水压力的变化

图2　不同加固方式下不同埋深处超静孔隙水压力时程曲线Fig.2　Excess pore water pressure time curve in improved soil by different ways in different depths

图2为通过孔隙水压力计测量得到的不同加固模型不同埋深处的超静孔隙水压力变化曲线。对比图2-a，2-b，2-c可以看出：振动开始后,钢管桩加固地基模型超静孔隙水压力逐渐上升到峰值,保持不变,峰值在埋深12，24，36 cm处，分别为6.5，8，9 kPa;碎石桩加固和碎石填芯钢管桩加固地基模型超静孔隙水压力快速上升到峰值,随后减小,峰值在12，24，36 m处，分别为4.8，5.0，5.2，5.4，6.5，6.5 kPa,均小于钢管桩加固地基模型。振动结束时,钢管桩加固模型超静孔隙水压力接近峰值;碎石桩加固模型超静孔隙水压力在埋深12，24，36 cm处，分别下降到1.3，2.0，2.2 kPa,还有继续下降的趋势;碎石填芯钢管桩加固模型在相同埋深处的超静孔隙水压力分别下降到2.6，3.5，3.7 kPa,趋于稳定。这充分说明碎石桩加固模型和碎石填芯钢管桩加固模型可以有效地消散超静孔隙水压力。

3.2超静孔隙水压力沿埋深变化

图3-a，3-b为不同加固模型不同埋深处的超静孔隙水压力峰值和60 s时超静孔隙水压力值。可以明显看出,两图中钢管桩加固的峰值曲线和60 s时的数值曲线比较相似,超静孔隙水压力值比较接近;碎石桩加固模型和碎石填芯钢管桩加固模型不同埋深处超静孔隙水压力的峰值和60 s时的值都比钢管桩加固模型要小。这是因为,振动荷载作用下,超静孔隙水压力消散,60 s时的值相对于峰值降低,其中碎石桩加固模型最小,低于1/2峰值。表明碎石桩加固模型和碎石填芯钢管桩加固模型能有效地消散超静孔隙水压力。

a-超静孔隙水压力峰值对比曲线 a-Contrast curve of excess pore water pressure peak

b-60 s时超静孔隙水压力数值对比曲线b-Contrast curve of excess porewater pressure value in 60 s图3　超静孔隙水压曲线Fig.3　Curve of excess pore water pressure

3.3不同加固模型的桩体水平位移变化

图4为通过位移计测量得到的土体在振动过程中的碎石填芯钢管桩桩顶位移的时程曲线,3种不同加固模型的位移时程曲线的大致形状相同,都是呈现上下正负位移波动,随着振动时间持续,桩顶水平位移也慢慢增大,并且位移时程曲线也出现了整体的偏移现象。

图4　不同加固方式下桩体位移时程曲线图Fig.4　Displacement curve of pile by different ways

图5　桩体位移曲线图Fig.5　Displacement curve of piles

图5为不同加固形式下桩体的位移峰值柱状图,可见,振动60 s后,碎石桩、钢管桩及碎石填芯钢管桩加固3种不同地基模型的桩体位移呈现依次递减的现象,碎石桩加固地基模型的土体偏移最大,达到30 mm;钢管桩加固地基模型的桩体位移减小到16 mm,而碎石填芯钢管桩加固地基模型的桩体位移最小,只有10 mm .这是因为:碎石桩加固模型中液化土体对桩体的束缚力极低,随着水的排出,桩体与土体一起变形,水平位移最大;钢管桩加固分割土体,增大桩土之间的摩擦力,抑制一定变形;碎石填芯钢管桩中通过碎石排水,使得土体变密,钢管桩约束,对土体起到隔栅作用,桩体与土体之间摩擦抑制变形,解释了碎石填芯钢管桩位移最小的机理。

4结论

1) 碎石桩加固地基和碎石填芯桩加固地基的孔隙水压力达到峰值后都出现了减小,钢管桩加固地基保持不变,说明碎石桩与碎石填芯桩具有排水的作用,而钢管桩加固地基不能有效消散孔隙水压力。同一埋深处,孔隙水压力由小到大排列分别是:碎石桩加固、碎石填芯桩加固、钢管桩加固。

2) 三种加固模型的孔隙水压力达到峰值时,钢管桩加固地基和碎石填芯桩加固地基曲线相似;孔隙水压力趋于稳定时,碎石桩加固地基和碎石填芯桩加固地基曲线相似。说明碎石填芯桩加固地基在孔隙水压力达到峰值时钢管起主要作用,在孔隙水压力趋于稳定时碎石起主要作用。

3) 碎石桩加固地基的水平位移最大,其次是钢管桩加固地基,最后是碎石填芯桩加固地基。说明碎石桩虽然能有效消散孔隙水压力,但是不能限制桩体位移。钢管桩因为是刚性桩体,能够约束桩间土体的变形,并减小桩体的位移,碎石填芯桩的抗液化效果是由钢管桩和桩内碎石共同作用的结果,碎石排水起到一定的作用。

4) 碎石填芯钢管桩加固土体,不仅能够有效地抑制土体的液化降低孔隙水压力,还能减小位移,提高土体整体强度,增加地基水平抗剪性能。说明碎石填芯钢管桩使碎石桩与钢管桩的特点互补,是一种加固液化土地基效果较好的新型桩。参考文献：

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(编辑：贾丽红)

Study on Anti-liquefaction Characteristics of Gravel-filled-steel Tube Pile in Reinforcement Experiment

HUANG Tao,NIU Qiying,TANG Huangjun

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024，China)

Abstract:To make further study on the effect and mechanism of the gravel-filled-steel tubular pile in liquefied soil foundation reinforcement，three models, including steel pipe pile composite reinforcement,gravel pile composite reinforcement and gravel-filled-steel tubular pile composite reinforcement,were prepared to conduct shaking table test. The results show that the gravel-filled-steel tubular pile dissipated pore-water pressure,increased soil strength and reduced pile displacement. It turns out to be that gravel-filled-steel tubular pile produces good results in reinforcing liquefying of soil.

Key words:composite pile reinforcement;shaking table;pore water pressure;displacement;liquescent sand

中图分类号:TU473.1

文献标识码:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.01.007

作者简介：黄涛(1989-)，男，山西太原人，硕士生，主要从事土的工程性质与地基处理方面的研究，(E-mail)834228117@qq.com通讯作者：牛琪瑛，女，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：地震波作用下非饱和土中PHC管桩水平振动机理研究(51408393)；山西省交通科学研究院开放基金项目(KLTLR-Y13-3)

收稿日期：2015-03-10

文章编号:1007-9432(2016)01-0032-04