群桩加固液化地基的数值模拟研究

于成勇，曹志刚，王师，梁培新

（1.国网内蒙古东部电力有限公司通辽供电公司，内蒙古 通辽028000；2.南京工程学院建工学院，江苏 南京211167）

0 引言

高烈度地震作用下饱和粉土地基会发生液化，从而导致建筑物的破坏。 根据相关地震研究资料，饱和粉土地层液化引起的地基大变形是导致高烈度地区各种基础设施和生命线工程震害的主要原因。 目前对于单桩加固液化地基的研究成果较多，但是工程实际中广泛采用群桩来进行液化地基的加固，因此在单桩研究的基础上采用有限差分软件FLAC3D[1]对刚性排水桩和碎石桩群桩分别进行加固液化地基数值模拟，分析桩径、桩间距和地震作用对群桩的抗液化效果及性能的影响，为现实工程中液化场地的处理提供理论支撑。

1 工程概况

为了满足高邮地区经济发展对电力增长的不断需求，改善电网结构，提高供电能力及可靠性，拟建设高邮220 kV 变电站工程。 站址位于抗震不利地段，而且存在可液化土层，液化等级严重，依据GB50011—2010 《建筑抗震设计规范》 相关条款，应采取必要的抗液化措施。

2 计算模型

2.1 模型尺寸及计算参数

计算模型的土层分布： 在模型的X 和Y 方向范围均为20 m。 Z 方向上共四层土，第一、三、四层为非液化土层，厚度分别为3.5 m、4 m、3 m，第二层为液化土层，厚度为4.5 m。模型体系的工程计算参数如表1 所示。

考虑刚性排水桩和碎石桩在动力作用下的响应。 碎石桩采用桩径为0.9 m 的圆桩，为了便于有限元网格划分，用方桩来代替圆桩。根据圆桩截面面积选择方桩桩径[2]为0.79 m，根据圆桩截面周长选择方桩桩径为0.71 m， 模型中综合面积和周长选择方桩桩径为0.75 m。为了便于对比，刚性排水桩的桩径也设置为0.75 m，桩长15 m，桩顶重物高3 m，用来模拟路基上面的垫层、路堤等的压重作用，与单桩布置方式不同，布置四根桩，其中地基顶层中心坐标为（0，0，0），如图1，2 所示。

表1 工程计算参数

图1 模型桩截面示意

图2 数值计算模型

2.2 模型基本假定

在进行模型计算过程中，须满足以下四个基本假定[3]：①土体是完全饱和粉土，且土体中流体的渗透服从达西定律；②假定土体的压缩系数和渗透系数皆为常数，且各向渗透系数相等；③土体的颗粒、孔隙水具有不可压缩性；④刚性排水桩和碎石桩的材料属性选用线弹性。

2.3 边界条件

动力计算过程中，为了解决地震加载过程中波在边界上的反射问题[4]，自由场边界需要设置在FLAC3D软件建立的模型中，然后自由场网格会在数值模型的四个侧面产生，自由场的地震加载情况可以通过阻尼器与自由场网格在主体网格的侧边界进行耦合来近似模拟。 自由场边界如图3 所示。

图3 自由场边界示意

2.4 动力输入

选用频率为5 Hz、振幅为0.3 g 的正弦波[5]在模型底部输入， 加速度在2 s 时达到最大值0.3 g，持续到15 s，15～17 s 降至0，输入总时间20 s，图4是底部输入的加速度时程。

图4 输入加速度时程

2.5 监测点布置及对比分析

为了对比两种群桩计算结果， 在数值模型中设置了监测点， 如表2 所示。 监测点用来监测超孔压比。 超孔压比为超静孔隙水压力与初始有效应力之比，根据刘茜等[6]将粉砂土超孔压比0.87 作为液化破坏开始的标志，孔压比达到1 为完全液化的标志。

3 数值模拟结果与分析

3.1 不同桩径下群桩模型的超孔压比

同一位置处不同桩径群桩超孔压比时程曲线如图5 所示。

表2 监测点位置

图5 同一位置处不同桩径群桩超孔压比时程曲线

从图5（a）可以看出，刚性排水桩在同一位置处桩径为0.55 m、0.65 m 和0.75 m 的最大超孔压比均在0.7 左右，且时程曲线非常相似，在2 s 时孔压比达到最大值，2 s 后逐渐降低，说明了碎石桩的排水效应与桩径变化关系不大。

从图5（b）可以看出，碎石桩在同一位置处桩径为0.55 m、0.65 m 和0.75 m 的最大超孔压比均在0.4 左右，说明了桩径的改变对刚性排水桩的影响不大。

从图5（a）、（b）可以看出同一位置处碎石桩的最大超孔压比相较于刚性排水桩偏小，从而说明了在同一位置处碎石桩比刚性排水桩具有更好的抗液化效果。

3.2 不同桩间距下群桩模型的超孔压比

同一位置处不同桩间距群桩超孔压比时程曲线如图6 所示。

图6 同一位置处不同桩间距群桩超孔压比时程曲线

从图6（a）可以看出，刚性排水桩桩径为0.75 m时，桩间距1D、2D、3D 和4D 处超孔压比最大值分别为0.35、0.65、0.9 和0.95，这说明桩间距为1D 和2D 时不液化，在3D 和4D 时发生液化，桩间距增加的过程中，其超孔压比也不断增大，抗液化效果逐渐减弱。因此，刚性排水桩抗液化有效范围为2D桩径。

从图6 （b） 可以看出， 碎石桩桩径为0.75 m时，桩间距1D、2D、3D 和4D 处超孔压比最大值分别为0.35、0.4、0.65 和0.9，这说明桩间距为1D、2D和3D 时不液化，达到4D 时发生液化。 因此，碎石桩抗液化有效范围为3D 桩径。

3.3 不同地震作用下群桩模型的超孔压比

同一抗震设防制度不同地震作用下群桩超孔压比时程曲线如图7 所示。

图7 同一抗震设防烈度不同地震作用下群桩超孔压比时程曲线

从图7（a）可以看出，在多遇地震作用下，刚性排水桩最大超孔压比为0.6， 碎石桩最大超孔压比为0.4， 可见在多遇地震时碎石桩的超孔压比小于刚性排水桩，说明在多遇地震时碎石桩的抗液化效果较刚性排水桩显著。

从图7（b）可以看出，在设防地震作用下，刚性排水桩最大超孔压比为0.7， 碎石桩最大超孔压比为0.5， 可见在设防地震时碎石桩的超孔压比小于刚性排水桩，说明在设防地震时碎石桩的抗液化效果较刚性排水桩显著。

从图7（c）可以看出，在罕遇地震作用下，刚性排水桩的最大超孔压比与碎石桩的超孔压比相差很小，均在0.7 左右，说明在罕遇地震时两种群桩的抗液化效果接近。

从图7（a）、（b）、（c）可以看出，同一抗震设防烈度多遇地震和设防地震作用下碎石桩的抗液化效果刚性排水桩显著，在罕遇地震作用下两种群桩的抗液化效果接近。

4 结论

（1）刚性排水桩和碎石桩都有良好的抗液化性能。通过对两种群桩在1D、2D、3D 和4D 桩间距下数值模拟得出刚性排水桩抗液化有效桩间距范围是2 倍桩径，碎石桩抗液化有效桩间距范围是3 倍桩径。

（2）通过数值模拟两种群桩在0.55 m、0.65 m 和0.75 m 这三种桩径条件下进行抗液化效果对比，表明刚性排水桩和碎石桩在三种桩径条件下超孔压比变化不大，从而得出桩径的改变对刚性排水桩和碎石桩的排水效应影响不大。

（3） 采用群桩处理液化地基的数值模拟显示：在多遇地震和设防地震作用下碎石桩的抗液化效果比刚性排水桩效果好，在罕遇地震作用下两者抗液化效果相当。