孟加拉吉大港盾构隧道碎石桩液化处置效果评价

拓勇飞，陈必光，舒 恒，李秀娟，赵先宇，肖 黎

(1. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056；2. 武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072；3. 武汉大学水利水电学院，武汉 430072)

0 引 言

场地地震液化是造成地下管线结构主要危害之一[1]。孟加拉卡纳普里河底隧道项目是中国对外修建的第一座水下盾构隧道，该地区地震活动强度较大，隧道沿线潜在地震液化问题。对可能发生地震液化的场地提出经济合理的抗液化措施具有重要的现实意义。

常见的抗液化措施有碎石桩、强夯、压重、换填等[2,3]。其中，最有效最经济的措施之一是碎石桩法[4]。 Seed和 Booker[5]提出碎石桩半径和桩距会影响其排水效应，并通过试验证明了当碎石桩半径与一半桩距的比值为0.25时，砂土地基不会发生液化；徐志英[6]认为在地震期间，碎石桩进行径向和竖向排水同时进行，并提出了同时考虑两个方向作用的地震期间碎石桩复合地基孔压产生、积累和消散的控制方程。刘松玉等[7]、高彦斌[8]等研究了碎石桩的加密效应。Baez[9]首先提出碎石桩复合地基的减震作用是由于剪应力的重分布。地震剪应力将集中在刚度较大的碎石桩上，使得桩间土承担的地震剪应力减小。郑建国[10]通过测量在振动荷载作用下未加固和碎石桩加固地基的地面振动加速度值，证明了碎石桩的减震效应。

数值分析是进行地基液化处置效果评价的一种有效方法[11]。比较典型的是美国Seed等[5]，日本Sasaki[12]等对碎石桩加固地基的液化特性进行的数值分析工作。尽管数值分析方法对液化处置后的复合地基进行了一些假定和简化[13]，但它可以考虑许多其他方法无法考虑的因素，从而得到更加精确的结论。

本文以孟加拉卡纳普里河底隧道的可液化地基为对象，运用FLAC3D程序研究碎石桩复合地基的抗液化效果，分别建立未加固及碎石桩加固后地基的三维模型进行动力反应分析，对比碎石桩加固前后地基的超孔压比，超静孔隙水压力及结构的抗浮特性等，分析碎石桩加固方法的有效性，对液化处置方案的效果进行评价。

1 液化处置方案

孟加拉卡纳普里河底隧道连接卡纳普里河东西两岸，穿越卡纳普里河段采用盾构法施工。隧道总长3 315 m，盾构段长2 450 m。由规范的液化判别结果，确定隧道东岸TBH60断面附近为最不利位置，该断面地层分布如表1所示。其中砂土层3-2，3-6为可能液化层，需要进行液化处置。

表1 TBH60断面地层分布表Tab.1 TBH60 section stratigraphic distribution table

碎石桩处理地震液化的机理主要有3个方面：①碎石桩有良好的排水效果，可以加速超静孔隙水压的消散；②提高碎石桩周围土体的密实度；③碎石桩可以承担一定的地震剪应力，从而减小土体所受剪应力。碎石桩处理地震液化的基本过程：首先在地基中成孔，然后将砂、碎石等渗透性好的材料压密填入孔中，形成竖向密实桩体，以此防止地基液化。

采用的具体方案如图1所示，利用碎石桩法处理盾构穿越区及上方的液化层，采用桩直径1 m，桩间距2 m的梅花桩布置。碎石桩成桩深度20.4 m，实际掺碎石桩长约18.0 m，进入非液化层3.0 m。碎石桩材料参数见表2。

图1 碎石桩液化处置示意图Fig.1 Schematic diagram of liquefaction disposal of gravel pile

材料弹性模量/MPa泊松比渗透系数/(cm·s-1)孔隙率密度/(kg·m-3)黏聚力/kPa摩擦角碎石桩2050.350.30.42100135

2 数值模拟过程

利用FLAC 3D软件分别建立未加固和碎石桩加固后的地基及隧道三维模型，首先进行自重应力平衡计算和水压力平衡计算，并以此计算结果作为隧道地震动力响应分析的初始平衡状态；然后对地震波进行滤波处理和基线校正后，输入处理后的地震波进行地震时程分析；最后分别输出碎石桩加固前后地基土体的最大超孔压比云图、最大超静孔隙水压力云图及结构底部最大超静孔隙水压力折线图进行对比分析。

2.1 计算模型

模型宽度取200 m，深度为100 m，纵向拉伸3 m。土体使用Finn模型，隧道结构采用弹性模型模拟，碎石桩采用Mohr-Coulomb模型模拟。未加固地基及隧道有限差分模型如图2所示，碎石桩加固后地基及隧道有限差分模型如图3所示。x轴沿隧道横向，y轴沿隧道纵向，z轴向上。地震波峰值加速度为0.22g，在x、z两个方向按x方向∶z方向=1∶0.65同时施加。

图2 未加固地基及隧道有限差分模型Fig.2 Unfixed foundation and tunnel finite difference model

图3 碎石桩加固后地基及隧道有限差分模型Fig.3 Finite difference model of foundation and tunnel after gravel pile reinforcement

2.2 最大超孔压比云图

超孔压比的定义为[14]：

(1)

当超孔压比ru=1时，土体完全液化，当粉土超孔压比达0.68，粉砂土孔压比达0.87时，土体开始液化[11, 15]。超孔压比越大，土体越趋向于液化。因此，可以通过对碎石桩加固前后土体在地震过程中的最大超孔压比的对比分析，来评价碎石桩的抗液化效果。

土体在地震波施加过程中的最大孔压比云图如图4所示，图4(a)为液化处置前，图4(b)为液化处置后。由结果可知，在液化处置前，土层3-2、3-6发生液化；在液化处置后，结构周围及其上方土层最大超孔压比减小，且砂土层最大超孔压比均小于1，土体不再液化，液化处置效果良好。土体液化区指示图如图5所示，图5(a)为液化处置前，图5(b)为液化处置后。

图4 最大孔压比云图Fig.4 Maximum pore pressure ratio contour

图5 液化区指示图Fig.5 Indicator map of liquefaction zone

2.3 最大超静孔隙水压力云图

土体液化的特征之一是超静孔隙水压力的上升，因此，可以通过对碎石桩加固前后土体在地震过程中的最大超静孔隙水压力的对比分析，来评价碎石桩的抗液化效果。

土体在地震波施加过程中的最大超静孔隙水压力云图如图6所示，图6(a)为液化处置前，图6(b)为液化处置后。

图6 最大超静孔隙水压力云图Fig.6 Maximum excess pore water pressure contour

从结果可知，在液化处置后，结构周围及其上方土层最大超静孔隙水压力减小，液化处置效果良好。

2.4 抗浮特性

通过比较结构底部(如图1中红色虚线所示)在动荷载作用时的最大超静孔隙水压力，可以分析结构抗浮特性的变化。若最大超静孔隙水压力减小，则结构抗浮能力增强。

经计算，结构底部最大超静孔隙水压力折线图如图7所示，图7(a)为液化处置前，图7(b)为液化处置后。液化处置前(最大值：200 kPa；最小值：130 kPa)，液化处置后(最大值：90 kPa；最小值：42 kPa)。

图7 结构底部最大超静孔隙水压力折线图Fig.7 Maximum excess pore water pressure line chart at the bottom of the structure

液化桩处置后，结构底部最大超静孔隙水压力明显减小，抗浮效果明显增强。

3 处置效果评价

通过数值分析对比液化处置前后的土体的超孔压比分布、超静孔隙水压力分布以及隧道结构的抗浮特性，有以下结论。

(1)碎石桩加固地基前，土层3-2、3-6发生液化；在液化处置后，结构周围及其上方土层最大超孔压比减小，且砂土层最大超孔压比均小于1，土体不再液化，液化处置效果良好。

(2)碎石桩加固地基后，结构周围及其上方土层最大超静孔隙水压力减小，碎石桩排水效果显著；

(3)结构抗浮特性提升。碎石桩液化处置前，地震时结构底部最大超静孔隙水压力为200 kPa；碎石桩液化处置后，结构底部最大超静孔隙水压力为90 kPa。处置前后最大超静孔隙水压力下降55%，抗浮特性明显增强。碎石桩液化处置效果明显，碎石桩加固地基后，土体不再液化，各方面抗震特性均有效提升。