桩体加固液化土机理研究文献综述

赵 瑞 秀

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

0 引言

一直以来，国内外许多岩土工程学者都很重视砂土液化的研究问题。近年来，在世界各国均不同程度地发生地震，这种不可抗力使人类的生命和财产蒙受重大损失。就目前世界上的地震预测系统而言，其发展还比较落后，那么，这就要求我们的建设项目对地震作用的抵抗能力要不断加强，而对于岩土工程领域来说，在饱和砂土抗液化机理的研究方面不断探索寻求突破也就成为重中之重。

我国岩土工程领域的相关学者及科研机构在砂土液化机理的研究方面以及抗液化措施研究方面都付出了不懈的努力，取得了丰硕的研究成果，尤其是在不同桩体加固液化土地基的试验研究方面取得了很大的进步，对这些研究成果进行汇总、整理、归纳、分析及研究，将会对饱和砂土抗液化机理的研究和发展奠定坚实的理论基础。

1 砂土液化研究现状

在岩土工程界，砂土液化问题一直都是重大研究课题之一。关于在振动荷载作用下饱和砂土液化机理这一课题的研究，国内外诸多学者均作出了大量的探索，总体来说，以两种典型观点为主：一种是以美国西部H.B.Seed，I.M.Idriss等学者为代表，他们经过探索和研究，所得到的理论侧重于应力方面；另一种是以美国东部A.Casagrande，G.Castro和R.Dobry等学者为代表，所取得的研究成果强调位移变形。H.B.Seed[1]，W.D.L.Finn等[2]于20世纪60年代初通过一系列试验研究，提出了Seed简化判别法，其主导思想是通过对振动作用下砂土中产生的剪应力与砂土发生液化所要达到的剪应力进行比较，进而判别砂土是否会发生液化现象，这种判别方法影响非常深远，至今在欧美地区依然能够得到广泛的应用。1965年，M.A.Biot[3]通过系统地研究，发现了波在固液两相介质中传播时的控制方程，在研究波在固液两相介质中的传播问题方面进一步作出了完善，同时，也在饱和砂土液化问题的研究方面提供了一些参考。在70年代，有些学者考虑应用有效应力动力分析的方法来分析问题，其中W.D.L.Finn等[4,5]就通过这种方法分析了一维垂向传播的剪切问题，经过讨论，发现了该条件下的液化发展过程。我国学者沈珠江[6]在砂土动力液化变形研究上，经过不断探索，将这种方法推广应用在三维模型的研究上。在许多学者不断地探索和分析过程中，发现可以应用有效应力原理来对砂土发生液化这一发展历程进行分析和诠释，但是，在孔隙水压力为何呈现波动上升这一现象的解释上还需要进一步研究。

国内学者黄文熙教授[7]首次提出在对砂土液化问题进行研究时，可以采用动三轴仪进行试验研究。汪闻韶[8]则将黄文熙教授提出的这一观点付诸于实践，利用动三轴试验，研究了应力状态变化如何影响饱和砂土在振动液化作用下孔隙水压力的变化，还研究了颗粒排列形式如何影响砂土骨架结构的振动稳定性，此外，还研究了在振动作用下饱和砂土中孔隙水压力的产生、消散和扩散机理。谢定义[9]对国内外在砂土液化问题上进行的一系列探索及成果进行了分析，针对液化的一些基本问题诸如机理分析、研究途径、试验方法以及估算分析等问题进行了若干讨论。徐志英等[10,11]通过利用有限单元分析法，将地震时的孔隙水压力与土坝和地基的变形与固结进行结合，发现了一种适用于土坝和地基动力分析的非线性二维有效应力分析方法，并进一步应用非线性三维有效应力分析法计算液化的发生和发展过程。王锺琦[12]主要着手于液化的宏观现象的研究，试图更深刻地揭示砂土液化的产生与发展过程，以此来发现适用于实践工程的评价方法。还有诸多学者在国内砂土液化理论及抗液化措施的研究和发展方面取得了丰硕的研究成果，为我国砂土液化课题的研究与发展作出了诸多贡献。

2 桩体加固液化土地基研究综述

2.1 碎石桩加固液化土研究

碎石桩是一种散体的复合地基加固桩，主要以碎石为原料制作而成。根据桩的制作工艺，可将碎石桩分为两大类：一类是振冲(湿法)碎石桩，振冲碎石桩主要是通过振动加水冲的方式制作而成，因此也称为湿法碎石桩，这种方法最初是由德国凯勒公司设计制造出的，其施工机具是现代振冲器的雏形，在加固地基方面应用并取得了成功，因而得以广泛应用；另一类是干法碎石桩，干法碎石桩则主要利用各种无水冲施工工艺制作而成，主要包括干振、振挤、锤击以及强夯置换等方法。大量的工程实践表明，将碎石桩应用于液化土地基的加固，在消散孔隙水压力方面效果显著，同时对桩周土体具有一定的挤密作用，且施工简单、方便、快捷，在工程实践中被广泛地应用。

国内诸多学者在碎石桩加固液化土机理研究这一课题上作出了很多探索，在此过程中，也取得了丰硕的研究成果。许明军等[13]就国内外在碎石桩加固液化土地基的抗液化机理及液化判别等方面所作的一系列研究工作进行了分析和探讨，发现：在加固机理研究方面，用碎石加固砂土时，碎石主要起到挤密、振密、排水减压、预震和加筋作用。赵如意等[14]以京沪高速铁路碎石桩桩网加固液化土地基为原型，利用振动台做了一系列模型试验，研究发现利用碎石桩加固液化土，不仅能提高地基的抗液化能力，还能大幅度地减小地基路堤沉降。牛琪瑛等[15-21]对碎石桩加固液化土地基模型进行了大量的系统的振动台试验研究，提出了砂土在振动作用过程中孔隙水压力、孔压比、土压力、土层加速度、沉降量的时程曲线，在此基础上将试验数据进行整理与分析，找到了碎石桩加固液化土地基模型中孔隙水压力、土压力及沉降量随埋深、密实度的变化规律，以及土层加速度随埋深的变化规律，并进一步对这些参数相互间的联系进行量化分析，并用数学关系式揭示了该地基模型中各个参数间的内在联系，此外，还对桩体加固液化土地基模型进行微观结构分析以及数值模拟分析，进一步完善了碎石桩加固液化土机理的研究。

2.2 水泥土桩加固液化土研究

水泥土桩主要用在软土地基处理中，这种方法主要是利用水泥作为固化剂，通过特质搅拌机械将软土与固化剂搅拌，发生一系列物理化学反应，使软土硬结形成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。根据其成桩工艺，可分为两大类：浆液搅拌法(简称湿法)，是在强制搅拌过程中，喷射水泥浆与土混合形成桩体，这种方法最早是在美国研制成功的，我国则于1978年研制出了第一台湿法的施工机具；粉体喷搅法(简称干法)，是在强制搅拌时喷射水泥粉与土混合成桩，这种方法最早是由瑞典人Kjeld Paus在1967年提出的，并在1971年研制出第一台粉喷搅拌机。1983年，我国铁道部门研制出第一台粉体喷射搅拌机。利用水泥土桩加固地基，在提高地基承载力和增大变形模量上有着明显的优势。

牛琪瑛等[15-21]利用室内振动台模型试验，对水泥土桩加固液化土地基模型进行了大量的系统的试验研究，发现水泥土桩抗液化土效果并不明显，但在抑制土体沉降、增强土体刚度、提高地基承载力、抵抗水平荷载方面效果显著，同时，在试验中得到了在振动荷载下水泥土桩加固地基模型的超静孔隙水压力、土压力、土层加速度、沉降量的时程曲线及其随埋深的变化规律，并通过对试验数据进行整理与分析，得到了水泥土桩加固模型中孔隙水压力、土压力、沉降量与埋深、密实度之间的变化规律，土压力、土层加速度、沉降量与孔隙水压力、埋深之间的变化关系，进一步探索了这些参数相互间的数学关系，为桩体加固液化土机理的研究和发展作出了贡献。

2.3 复合桩加固液化土研究

通过研究碎石桩、水泥土桩加固液化土地基的机理，考虑将这两种桩体以不同的形式进行组合来加固液化土，期望它们能发挥各自的优势，在处理液化土方面能起到良好的加固作用。牛琪瑛等[15-21]针对复合桩加固液化土模型做了大量的振动台试验研究和数值模拟研究，将试验中的碎石桩加固模型、水泥土桩加固模型及复合桩加固模型的试验数据进行整理、对比与研究，得到了各参数的变化规律及参数之间的内在联系，完善了桩体加固液化土机理的研究，为复合桩在实际工程上用于加固液化土提供了一定的指导依据。

3 结语

通过对砂土液化机理的研究现状以及桩体加固液化土机理的研究成果进行汇总与分析，可以看到在液化土机理研究方面已经在不断完善，并取得了丰硕的研究成果，但也存在一些问题：1)在研究过程中，还有很多试验研究缺乏数值模拟的分析对比，因此还可以从数值模拟方面入手来进一步完善其理论基础；2)在工程实践中，由于各地区的工程地质条件复杂多变，地震发生时情况也不尽相同，因而其场地土体对地震波的反应情况会比较复杂，不确定因素也会涉及很多，而研究工作大多局限于室内小模型试验，显然，这种模型试验远远不能够真实地模拟地震作用发生时土体的实际反应状况，这就必然要求大量的可靠性试验研究来进一步揭示砂土液化机理及其加固机理。