“甩鞭效應”有效應力原理與換填強夯法處理地基液化應用研究

王德旻 李 偉 李海城

1.遼寧省建筑設計研究院巖土工程有限責任公司 遼寧 沈陽 110005

2.沈陽建筑大學土木工程學院 遼寧 沈陽 110168

引言

近年來隨著我國經濟建設的不斷發展,對地震液化的研究也豐富了起來,由于地震液化的特殊性,首先地基土的性質決定能否發生液化,其次是否處于飽和狀態。筆者利用太沙基的有效應力原理分析了地震液化的發生,并在生活中對“摔鞭效應”的發現,應用于有效應力原理與減小地震液化的處理上,筆者提出了一種新的能量傳遞過程和系統能量守恒。筆者借“甩鞭效應”解釋有效應力原理,根據有效應力原理提出解決地震液化的新方法。

太沙基提出,在超孔隙水壓力不能及時消散時,超孔隙水壓力急劇增大,到u＝σ,總應力完全有超孔隙水壓力承擔,這時σ’＝0,瞬間地基由固態變為液態。針對“超孔隙水壓力不能及時消散”,將其變成超孔隙水壓力瞬間消散或及時消散,目的是σ’＞0,恒成立。

同時,筆者又根據地質勘察液化判別——標貫觸探試驗,得出結論砂土密實度越好越不易發生液化。筆者提出利用換填強夯法來減弱地震的液化。

1 “甩鞭效應”的理解

“甩鞭效應”即是常人所說的甩動鞭子聽到響亮的聲音。筆者分析甩鞭的過程,得到兩個結論：(1)甩鞭效應中能量損失很小,趨近于能量特殊的傳遞,波動傳遞理論。(2)在能量的傳遞過程中能量始終守恒。

“甩鞭效應”能量的波動傳遞過程是否會產生響亮的聲音,還取決于一個因素,就是鞭子的長短。可以理解為“甩鞭效應”是一個過程名詞,并非瞬間發生的。當鞭子足夠長的時候,鞭子的波動周期足夠長,能充分將能量轉化為鞭子末梢的碰撞能量。如果,鞭子很短,能量完不成波動的周期變化,這時鞭子的末梢能量很小,主要體現為鞭子的波動性,這時鞭子是不會發生響聲的。

甩鞭的過程中,鞭子先是波動的形式,振幅由大變小,由手柄處逐漸到末梢：能量以波動的方式在傳遞,第一個波的周期結束,就傳遞到第二個波動周期,波的能量逐漸變弱。

甩鞭過程中能量始終守恒,波動的能量消散過程中鞭子末梢的能量逐漸增大。直至發出響亮的聲音。第一個波動周期的能量與第二個波動周期的能量相等,減小的能量傳遞到鞭子的末梢。

2 用“甩鞭效應”解釋有效應力原理

有效應力原理：(1)總附加應力等于超孔隙水壓力與有效應力之和;σ＝u＋σ’(2)土體的強度與變形由有效應力決定。筆者提出了有效應力原理的第三個規律,即(3)總應力σ＝u＋u’＋σ’,符合“甩鞭效應”。

飽和砂土中,總應力以兩種形式存在,一種為超空隙水壓力,一種為土顆粒間的接觸力。能量相對應以兩種方式存在,即孔隙水的波動能量和土顆粒間的摩擦能量。水的波動能量起到“甩鞭效應”中的能量波動傳遞過程的作用,在一個周期中水的波動能量與土顆粒的摩擦能量總和守恒,此消彼長的過程。甩鞭的總能量剛開始以振幅很大的波存在,后傳遞到鞭子末梢以響亮的摩擦形式存在。有效應力原理中,超孔隙水壓力起初很大,但在消散過程中轉變為土顆粒間的接觸力,保持總應力不變。這就是液化后土顆粒重新排列有效應力增大的原因。筆者用能量的角度來理解有效應力原理。

但“甩鞭效應”有一個特殊的解釋,就是當鞭子足夠短時,能量是完不成傳遞過程的,即接觸摩擦的能量很小,不會發生響聲。此種情況即類比超孔隙水壓力瞬間消散,能量瞬間被消耗,傳遞到顆粒間的接觸力和能量很少,這樣就有效的減小了震害,不至于發生粒間顆粒接觸力極大以致于承受不了發生破碎。

圖1 t＝0時，u＝σ，σ’＝0液化

當超孔隙水壓力瞬間消散時,有效應力原理形式改變為：σ＝u’＋u＋σ’,u為靜水壓力,u’為瞬間消散時的孔隙水壓力,這個力會瞬間消失,可理解為瞬間消失的水的動水壓力,不能轉化為有效應力,從能量角度理解,就是瞬間能量被消耗,就好比是石子投入水中,能量隨水波的形成而最后接近平靜一樣。所以說,“甩鞭效應”解釋了超孔隙水壓力瞬間消散時是耗能的過程,關鍵在于能否瞬間轉化為靜水壓力。超孔隙水壓力消散后變成靜水壓力與有效應力的轉化與平衡,這時有效應力恒大于零,所以瞬間將超孔隙水壓力消散能防止液化的同時,還能減弱地震。

圖1為超孔隙水壓力不能及時消散時t＝0時的狀態;圖2 為超孔隙水壓力能瞬間消散t＝0時的應力狀態;圖3為超孔隙水壓力能瞬間消散到t＝無窮 時的應力狀態：

圖2 t＝0時，σ＝u＋u’＋σ’，σ’＞0不液化σ－u－u’

圖3 t＝無窮大 時，σ－u－u’＝σ’，σ’＞0不液化

3 一種處理地基土液化的新工法

該工法利用無砂混凝土的透水性,及時將水排除,構造預制無砂混凝土架構,目的是地基有足夠的承載力。在架構中間空間填滿級配砂石。

利用筆者提出的超孔隙水壓力瞬間消散的減震減液化的理論,制造預制透水無砂混凝土構件,中間填充級配砂石,利用級配砂石的優越透水性,與無砂混凝土的良好透水性,將地震產生的超孔隙水壓力瞬間消散,σ－uu’＝σ’,σ’＞0不液化,如圖3。

圖5 拼接預制排水地基構件單元剖面圖

拼接預制構件平面圖和剖面圖可以看出,構件起到了承載力的作用,級配砂石起到迅速將水壓力排除的作用。將基礎外邊緣做排水溝,將地震時排出的水瞬間排到排水溝里,再配置一臺自動抽水機,有水時可以將水快速排除。

構件單元根據建筑物的尺寸可以預先制作,然后再在現場拼接,高度可以在半米左右。拼接后填入級配砂石,在基礎底部做防水,

此法,構件高度有待進一步研究,目的是水瞬間排除時不會淹沒基礎,不會將對基礎起到浮力作用。不用過多考慮抗浮問題。

在基礎外圍做一圈排水溝,排水溝能夠將排出的水存儲住,并可以及時排除。

在地基處理中,這種新工法,可以提供足夠的承載力,網格狀的無砂混凝土可以提供較好的承載機制。并有一定的束縛作用,控制級配砂石的變形,級配砂石可以提供一定的承載力,在級配砂石中可以賦存足夠的水體,在級配砂石中,地震液化時,可以瞬間將產生的超孔隙水壓力瞬間消散,動水壓力u’和靜水壓力u。σ－u－u’＝σ’,σ’＞0。

通過將動水壓力瞬間轉移的做法,靜水壓力一定,有效應力即可一定,為恒大與零的值。

這樣地震液化的效應可以明顯降低,可以有效的將地震液化的作用降到最低。在地震發生時人類的生命財產可以降到最低。

該工法筆者命名為WDM 工法。

該工法和筆者提出的有效應力理論非常符合,能夠用理論解釋這個工法的原理。

圖5 預制排水地基構件排水溝平面圖

4 換填強夯法處理液化

換填強夯法實質是把鞭子變為棍子的過程,減小能量的傳遞過程,增大有效應力。“甩鞭效應”是治洪中“疏”,換填強夯是增加抗力,“堵”的過程。

本場地的抗震設防烈度為7度。根據場地粉質黏土和粗砂的性質、原位測試和波速估算結果可以判斷。根據地區經驗估算剪切波速,場地土層等效剪切波速在150～250m/s之間,場地覆蓋層厚度小于50m,建筑場地類別Ⅱ類,屬于建筑抗震的一般地段。設計基本地震加速度值為0.10g,設計地震分組為第一組,設計特征周期為0.35s,根據《中國地震動參數區劃圖》規定為Ⅱ類場地,場地基本地震動峰值加速度為0.10g。

強夯機選擇30t履帶吊車,夯錘選擇15t和10t兩種類型,夯錘直徑2.52m。試驗區采用6個換填區,1＃區為換填深度6m 礫砂,2＃區為換填深度4m 的礫砂,3＃區為換填深度2m 的礫砂;4＃區為換填6m 的中粗砂,5＃區為換填4m 的中粗砂,6＃區為換填2m 的中粗砂。

我環顧了一下，發現整個病房只有我一個病人，床頭是一臺彩電，正在播放一周要聞。我的頭不能動，只能聽到聲音。在床外側還有一只茶幾，兩只小沙發。如果不是打著點滴，我以為我正躺在旅館里。小白看出了我眼里的疑問，笑道，這可是干部病房，縣長才會有這樣的待遇。

填料選用級配良好的礫砂和中粗砂,對選中的填料取樣做顆粒級配分析試驗,不均勻系數Cu大于5,曲率系數Cc范圍在1～3,最大粒徑不大于200mm,含泥量不超過5%。礫砂和中粗砂的粒徑累計曲線如圖4和圖5。

圖4 礫砂粒徑累計曲線示意圖Fig.1 Gain size accumulation curve of gravel sand

?

圖5 中粗砂粒徑累計曲線示意圖Fig.2 Gain size accumulation curve of medium coarse sand

礫砂的顆粒級配比較好,由粒徑累計曲線可以看出顆粒的大小不均勻,較粗砂能夠構成密實度較好的結構。

粗砂的顆粒級配比較差,顆粒的大小比較均勻,構成的三相組成中,氣相或液相占體積比較大,不易于構成密實度較好的結構體系。

4 試驗結果和分析

(1)場區地基土液化判別應根據《GB50011—2010》規范有關規定,采用標準貫入試驗判別法進行判別

(注：Ncr＝N0β[1n(0.6ds＋1.5)－0.1dW]

(

ds≤20)

場地地基土砂土液化判別如下表

根據圖6和圖7中的數據,可以看出,強夯材料為礫砂時,其強夯作用深度可達到10米,強夯后觸探擊數可達到15－25擊左右。由液化判別可知,礫砂經過強夯后不會發生液化。

圖6 礫砂夯擊前后觸探擊數曲線

圖7 粗砂夯擊前后觸探擊數曲線

強夯材料為粗砂時,強夯作用深度可達5米,強夯后觸探擊數可達10－15擊左右。由液化判別知,粗砂經強夯后超過5米深度處可能發生液化。

5.結論

筆者根據有效應力原理和“甩鞭效應”提出了減小地震液化的理論方法。又從另一個角度分析了規范方法判別地震液化,并提出換填強夯工法減小液化。文章對以上內容進行了分析并得到了如下

結論：

1.“甩鞭效應”從能量角度闡釋了有效應力原理,即能量在波動傳遞過程中,波動能量與摩擦能量此消彼長,遵循σ＝u＋σ’。

2.提出方法論,σ＝u＋u’＋σ’即利用超孔隙水壓力瞬間消散或及時消散,使動水壓力u’瞬間轉化為靜水壓力u,使其處于靜水壓力與有效應力轉化的平衡關系,靜水壓力u＜σ,σ’＞0恒成立,液化既不會發生。

3.筆者提出了WDM 工法處理地震液化。

4.利用液化材料的角度,將液化的土體材料換成不易液化的顆粒材料,從根本上改變液化的發生概率。

5.利用換填強夯的方法進行改善液化,礫砂明顯要好于中粗砂的換填。

6.采用礫砂換填強夯即使深部有可能發生地震液化,但處理范圍內地基能形成硬殼體起到保護地震時上部結構的作用,減小震害。