水泥土樁復合地基的抗液化研究

楊慶陶

飽和松散砂土在地震力作用下，將發生體積的收縮而趨于密實，導致孔隙水壓力來不及消散而急劇上升，地基的有效應力降低，當有效應力降低為零時地基完全液化，喪失承載力。我國的邢臺、海城和唐山地震，美國的阿拉斯加和日本的新瀉地震都引起了液化現象，給建筑物造成極大的破壞。碎石樁是目前工程界普遍采用的抗液化地基加固方法。水泥土樁是一種應用廣泛的加固軟土的處理措施，用水泥土樁加固液化砂土，目前被一些實際工程所采用，但設計、施工及液化判別還未得到普遍認同，而且對水泥土樁加固可液化砂土的研究很少。本文通過振動臺模型試驗對未加固地基和水泥土樁加固地基進行了較系統的研究［1，2］。

1 水泥土樁復合地基的抗液化機理

現有的研究表明，水泥土樁加固可液化地基的作用主要表現在以下三個方面:1)擠密作用;2)改變樁周土強度作用;3)樁體的減震作用［3-6］。

1)擠密作用。水泥土攪拌樁在噴粉(漿)、攪拌成樁過程中，水泥、水和土經過一系列的物理化學作用而固結體積膨脹，對樁間土有一定程度擠密，施工機械振動時對土有一定的擠密作用。但水泥土攪拌樁的擠密作用遠小于碎石樁等傳統擠密樁的擠密效應。2)改變樁周土強度作用。水泥土樁施工時在樁周土中產生超靜孔壓，隨著超靜孔壓的消散，土體固結，樁周土強度提高;其次，由于高壓噴粉(漿)和攪拌頭作用，在樁周土中產生劈裂效應，部分水泥粉(漿)會沿著裂隙滲入樁周土，水泥、水和土發生一系列的物理化學反應，樁間土膠結固化，從而在一定程度上增加局部樁周土的強度。3)樁體的減震作用。由于水泥土樁復合地基中樁體的剛度遠大于樁間天然土體，因此在樁體上產生應力集中現象，大部分地震荷載將由樁體承擔，樁間土應力相對減少。同時樁體的存在對樁間土起著側向限制、約束作用，阻止樁間土的側向變形并提高其強度。這就改變了液化地基中的應力—應變條件，提高了地基土體的抗剪強度。

2 振動臺模型箱試驗設計

2． 1 試驗設備

本次試驗使用蘇州實驗儀器廠生產的ZS-20D超低頻電動振動試驗臺，振動臺水平承重能力50 kg，臺面尺寸為45 mm×60 mm。本次試驗箱體采用有機玻璃制作，質量密度1．21 g/cm3。模型箱壁厚1 cm，各面板用三氯甲烷牢固粘結，并作加筋處理。箱體內部尺寸為25 cm×20 cm×40 cm(長×寬×高)。另外，在箱體四個側壁的橫縱方向上控制間隔5 cm均勻鉆孔，孔徑1 mm，滿足箱內模型土體在自重作用下固結及振動過程中的排水條件，箱體用螺絲固定在振動臺上。

2． 2 模型參數的確定

試驗采用均質飽和砂土，模型箱裝土高度35 cm，模擬地表下7 m內砂土層的液化性能，模型樁直徑D=25 mm，模擬實際樁徑500 mm，根據未加固地基土應滿足的近似相似關系，選用的相似律為(所有比值均為模型的值與原型對應值的比):

高度比(幾何比):kx=1/20;時間比:kt=1/9．46。

加速度比:ka=4．47;頻率比:ωm=9．46。

考慮8度抗震設防烈度的要求，模擬加速度0．12g，振動時間為1 min左右。按上述相似律，振動臺輸出加速度幅值為0．6g，持續時間壓縮為6．3 s(取7 s)，振動臺輸出頻率為9．46 Hz，由正弦波加速度公式a=4π2f2A，求得振幅A=1．49 mm。考慮振動臺手動調幅，無法在短時間內達到所要求值，需要5 s才能達到0．6g加速度，所以總振動時間為12 s。

2． 3 模型試驗方案

本次試驗控制加固前模型土干密度1．45 g/cm3，試驗分組原則:1)先進行一組未加固模型土試驗，為加固土模型試驗提供對比資料;2)采用水泥土樁加固的模型地基試驗，研究水泥土樁的抗液化特性。箱內采用正方形布樁，樁距取2．5倍樁徑，樁長取12倍樁徑。考慮模型箱尺寸的限制均采用6根樁加固模型地基，具體布樁見圖1。

圖1 樁體位置與布樁方式

2． 4 孔隙水壓力傳感器的布置

試驗所用孔隙水壓力傳感器為丹東市三達儀器廠生產的DYS-1型電阻應變式傳感器。為了測量距砂土地基的孔隙水壓力，選擇把孔壓計鑲嵌固定到箱壁上，這樣既避免了孔壓計線的影響，也避免了孔壓計位置的移動，孔壓計距箱沿的高度分別為15 cm，25 cm和35 cm，分別測量距砂土表面10 cm，20 cm和30 cm處的孔隙水壓力。

3 試驗結果及結語

圖2 未加固地基孔壓比時程曲線

圖3 水泥土樁加固地基孔壓比時程曲線

從圖2和圖3中我們可以看出:10 cm處未加固地基的孔壓比為1．4，水泥土樁加固地基的孔壓比為0．73，20 cm處未加固地基的孔壓比為1．4，水泥土樁加固地基的孔壓比為0．82，30 cm處未加固地基的孔壓比為1．32，水泥土樁加固地基的孔壓比為1．02。

與未加固地基相比，水泥土樁加固后的地基淺中深層液化程度都有一定的降低，尤其是地基淺中層的砂土液化程度大幅降低，深層雖有一些降低但是已經完全液化了，孔壓比值為1．02。說明水泥土樁抗液化能力主要體現在中淺層。碎石樁復合地基作為抗液化的加固措施也被工程界普遍論證，水泥土樁和碎石樁聯合應用的復合地基抗液化效果是下階段我們研究的重點。

［1］ 閻明禮．地基處理技術［M］．北京:中國環境科學出版社，1996．

［2］ 楊慶陶，魏劍偉，牛琪瑛．碎石樁復合地基的抗液化研究［A］．第16屆全國結構工程學術會議論文集［C］．2007:368-372．

［3］ 高貴才，申京濤．粉噴樁對樁間土性狀的影響［J］．巖土力學，1996，17(2):70-75．

［4］ Shui-long Shen．Behavior of deep mixing columns in soft clay ground［D］．Saga University(in Japanese)，1998．

［5］ 程禮來，郜云峰，苗先文，等．水泥粉體深層噴射攪拌樁復合地基處理及其效果［J］．河南地質，1998，16(1):45-52．

［6］ 章定文，劉松玉．水泥土樁復合地基動力效應研究進展［J］．地震工程與工程振動，2006，26(2):149-155．