碎石樁加固風積沙地基液化規律及頻響特征試驗研究

周 垣，吳紅剛，朱兆榮，馬至剛，孫 浩，馮 康

(1.西南科技大學土木工程與建筑學院,四川綿陽 621010; 2.中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730070)

引言

隨著我國西部交通建設不斷發展,鐵路線路不可避免穿越風積沙河谷地區,例如,新建烏魯木齊—哈密—蘭州線、拉薩至林芝段(以下簡稱“拉林鐵路”)與庫爾勒—格爾木線等線路的多段里程[1]。而西部地區地震活動強烈,發生頻繁,特別是雅魯藏布江沿岸地下水豐富,且部分河岸的地表層是較厚的風積沙,該區域的路基工程面臨著地基液化的危險。液化會使地面大幅沉降,導致路堤受到拉裂破壞,而地震作用下超靜孔壓的累積上升會使土體有效應力持續下降,引起砂土顆粒骨架失去自穩能力,因此風積沙地基的加固與抗震設計亟待優化。碎石樁能有效抑制砂土液化,其加固風積沙地基的抗液化效果與動力響應有必要進行研究。

國內外有關專家學者對風積沙液化特性和碎石樁加固可液化地基的抗液化效果進行了研究。崔雍[2]基于FLAC3D軟件對風積沙液化特征以及其影響因素進行數值計算;鄒佑學[3]采用砂土液化大變形模型模擬飽和砂土與等效非線性增量模型模擬碎石樁,得出碎石樁抗液化有效范圍是樁徑的2.5～3倍,且發現地震作用下樁周土體與樁體為非協調性變形,剪應變比可達7～10;王晉寶[4]通過振動臺試驗發現相較于裸碎石樁,包裹碎石樁加固砂土地基抗液化效果與減少地基總沉降量性能更佳;李榮建[5]與LIU[6]基于有限元程序FEMEPDYN分別驗證了兩側長樁、中部短樁或者長短相間布置碎石樁的砂土地基加固方式同樣抗液化效果顯著,且更具經濟效益;趙永倫[7]通過現場實測數據總結了6個影響碎石樁處理液化粉土地基效果的因素;黃春霞[8]對前人研究做出總結,得出碎石樁加固粉土地基的抗液化效果和砂土地基相似的結論;申玉生[9]采用數值模擬得出了增長碎石樁樁長加固飽和粉土地層能有效減小地鐵盾構隧道的豎向與水平位移;伍琪琳[10]基于排水抗液化理論解析了碎石樁在某港口工程解決液化難題的成功運用,并提出了用于抗液化的碎石樁質量檢測的建議;邱夢瑤[11]利用OpenSees計算平臺與模型試驗,提出并驗證了適合評價加筋碎石樁復合飽和砂土地基抗液化性能評價方法;古泉[12]探究了碎石樁作為橋梁工程抗液化加固措施的效果;李藝林[13]利用FLAC 3D中的Finn模塊建立液化模型,得出碎石樁可以很好地改善結構和土層的動力響應;CHEN[14]研究并實現了一種基于物聯網技術的碎石樁施工質量監測系統;WANG[15]提出了一種可液化地基中樁的三維有限元建模方法;WANG[16]研究了碎石土在恒應變幅循環荷載作用下的液化行為及細觀機理。

上述文獻對碎石樁的抗液化效果進行研究時,大多以具有一定黏粒的砂土及粉土為研究對象,缺乏對地基液化過程中加速度頻率響應規律的探索。風積沙屬于特細砂,顆粒粒徑較細,黏聚力基本為零,地震作用下極易松散與流滑,其本身抗液化能力弱。因此,以拉林鐵路穿越的風積沙河谷地區為研究對象,對既有碎石樁-風積沙復合地基進行縮尺振動臺試驗,探究碎石樁加固風積沙地層的液化規律和頻響特征,為相似地基的抗液化設計提供借鑒。

1 工程概況

圖1為拉林鐵路穿越的某段風積沙河谷區,鐵路樁號A4K40,位于貢嘎鎮對岸,雅魯藏布江左岸,距河80～100 m有新月形沙丘,丘表完全裸露。該區域風積沙地層厚度約12 m,風積沙亮色帶分布較高而粒徑小,暗色帶分布偏低而粒徑粗,沙屬細沙,含水豐富,表面狀態稍濕。該區域地處藏中地震帶,超越概率10%的水平向地震動峰值加速度為0.2g。地基加固方式為碎石樁復合地基,正三角形布樁,樁徑0.5 m,樁間距1.2 m,樁長10 m;路堤坡腳或基礎外緣擴大1～2排樁,地表鋪設0.3～0.6 m厚碎石墊層。

圖1 拉林鐵路穿越某段風積沙河谷區Fig.1 Aeolian sand valley area of a section of Lhasa-Nyingchi Railway

2 模型試驗設計與制備

2.1 試驗設備與模型設計

本實驗在西南交通大學巖土試驗大廳進行,試驗的液體靜壓式振動臺設備由蘇州蘇試試驗集團股份有限公司生產,型號SV-1212,其振動技術參數如表1所示。

表1 振動臺技術參數Tab.1 Shaking table technical parameters

縮尺模型的相似比設計以Bockingham π原理為基礎,結合前人總結的液化場地設計經驗[17],以及振動臺的尺寸與載重,確定的相似比參數見表2,受試驗條件限制,采用重力失真模型與不完全相似彈性模量控制。

表2 模型相似比Tab.2 Model similarity ratio

換算后的試驗模型設計如圖2所示,通過模型兩邊有樁區與無樁區形成對比試驗,以探究碎石樁加固風積沙地基的抗液化效果。不同埋深處(埋深分別為10,30,50 cm)布置有加速度計與孔壓計記錄試驗模型的動力響應情況,其中D0為臺面加速度計。

圖2 模型設計示意(單位:cm)Fig.2 Schematic of model design (unit: cm)

2.2 地震波選擇與加載工況

本次試驗在X向加載地震波,波形選取國內外地震研究領域專家學者廣泛采用的地震波形—EL Centro波,該波是1940年在美國首次捕捉到的最大加速度超過300gal的地震波[18],其時程及頻譜曲線如圖3所示。此外,根據前人研究[19],未經過相似比壓縮的地震動持時對液化試驗效果更好,反之有可能導致地基不發生液化現象,因此模型加載的動力持時比采用1∶1。為保證液化現象的發生,本次試驗共設置5個震級逐級增大的工況(GK1～GK5),各工況之間的時間間隔為40 min以上,確保地基中的超靜孔隙水壓充分消散,加載序列見圖4。

圖3 加載波時程與頻譜曲線Fig.3 Loading wave time history plot and spectrogram

圖4 加載工況序列Fig.4 Load case sequence

2.3 試驗材料

模型試驗地基填筑采用研究工點原位沙,該沙顆粒細、保水性差、黏聚力為0,且具有較強水敏性與動力易損性。經過土工試驗,風積沙顆粒粒徑主要分布在0.25～0.074 mm,不均勻系數Cu為2.5,屬于集配不良的細砂,且最大干密度為1.5 g/cm3,最大飽和密度為1.9 g/cm3。圖5給出了風積沙的粒徑級配曲線,其中包括有Tsuchida提出的砂土液化界限,風積沙在界限之內。本次試驗采用剛性玻璃模型箱,為降低邊界效應[20],試驗時在垂直于地震波加載方向的兩側面貼有15 cm聚乙烯泡沫[21]。模型地基表面鋪設有碎石墊層,粒徑為2～5 mm,路堤為紅色黏土,僅用于模擬地表荷載。

圖5 風積沙粒徑分配曲線Fig.5 Particle size distribution curve of aeolian sand

2.4 模型制備

模型具體制備過程如下:(1)模型箱兩側貼聚乙烯泡沫;(2)地基分層填實,通過錘擊使其密實,整個過程中同時布設傳感器,當地基填筑一定深度后,布設PVC塑料管,位置由有限位孔的KT板定位;(3)地基達到目標深度后,往PVC塑料管里緩慢填筑碎石,填滿之后用鉗子將塑料管緩慢往地基外夾出,過程中并用鐵棒沖搗PVC管里面的碎石,以擠密周圍的土體;(4)鋪設碎石墊層,通過水沉法使地基飽和,模型靜置固結2 d后,抽走多余存方水,可認為模型地基已充分固結和飽和,最后修筑路堤完成試驗模型制作。碎石樁加固地基模型具體填筑過程見圖6。

圖6 模型填筑過程Fig.6 Model filling process

3 試驗結果分析

3.1 試驗宏觀現象

試驗宏觀現象如圖7所示,由圖可知:模型在GK1～GK3中未出現明顯變化,當加載0.4gEL Centro波時,未加固區地表出現了水洼,且發生沉降0.6 cm,而碎石樁加固區沒有明顯變化。隨后的0.6gEL Centro波加載加劇了未加固區的受災特征:體現為地表沉降增加了0.4 cm,累計沉降量達到1 cm,同時強震致使該區域地表形成1 cm水位,更為顯著的是路堤往無樁區域傾斜震陷了1.5 cm;反觀加固區只留下地表受水擾動的痕跡。結合地震加載過程中觀察到的現象進行描述:碎石樁加固區受強震激勵同樣形成了地表水位,但地震結束后,地表水通過碎石樁的滲水通道又快速流入地基。綜上所述,在地震作用下,碎石樁可有效抵抗風積沙地基與路堤的沉降,并利于地表水消散。

圖7 試驗宏觀現象Fig.7 Test macro phenomenon diagram

3.2 模型地基動孔壓發展規律

3.2.1 孔壓比響應特性

地震作用下,孔壓計采集的初始信號受噪聲影響較大,數據存在波動,為便于分析,應用廣泛的Savitzky-Golay數據流平滑法,在時域內基于局域多項式最小二乘法擬合,對原始孔壓數據進行平滑處理。平滑后的曲線能夠有效保持原始信號的變化信息,如圖8所示,由圖可知,平滑結果較好,因此以下利用平滑后的孔壓曲線探究風積沙地基液化規律。

圖8 Savitzky-Golay數據平滑Fig.8 Savitzky-Golay data smoothing

為探究碎石樁加固風積沙地層的液化規律,繪制了孔壓比時程曲線(圖9)。孔壓比定義為動力作用下超靜孔隙水壓力與初始有效應力的比值,當孔壓比大于1時,砂土發生液化,初始有效應力根據太沙基有效應力原理得到。

圖9 不同工況孔壓比時程曲線Fig.9 Time-history curve of pore-pressure ratio under different working conditions

從圖9中可以發現,同一水平高程的測點在不同工況下表現出相同的規律,即加固區的孔壓比峰值小于未加固區。將L1、L2、L3表達為模型地基深層、中部與淺層,對于孔壓比沿深度的分布規律是:在不同烈度地震下,加固區淺層的孔壓比峰值始終高于中部,而深層土體的土柱質量大,有效應力高,故孔壓比峰值最低;而未加固區液化特征存在差異,即中部的孔壓比峰值最高,淺層次之,深層最不容易液化,但隨著地震震級的加大,淺層與中部孔壓比峰值開始接近,液化從淺層擴展到中部。以上說明,碎石樁加固風積沙地基抗液化效果顯著,且將液化易發部位從中部轉移到淺層,有利于對液化場地采取加固措施。

GK4、GK5中,振動荷載較大造成土體結構發生破壞,風積沙顆粒之間出現壓密趨勢,宏觀上表現為未加固區發生不可逆轉的體積壓縮和變形,微觀上表現為地基局部區域孔壓比超過1,液化現象發生;而碎石樁對樁間砂土具有擠密作用,提高了風積沙顆粒之間的相互作用強度,進而風積沙地基抗剪強度與承載力得到提高,此外,樁體本身充當優良的排水路徑,利于超靜孔壓的消散,因此能大幅度提高地基的抗液化能力。

值得關注的是,孔壓比時程曲線的增長過程中不斷有凹槽出現,未加固區表現得尤為明顯。這是由于地震作用下,地基的超靜孔壓(EPWP)積累與釋放循環發生,EPWP的釋放是孔壓持續積累造成顆粒之間孔隙開合的結果,對風積沙顆粒骨架結構有一定的擾動影響。也可以描述為地基液化具有剪脹剪縮循環活動性,而碎石樁可以減輕這種不良增長狀態,使孔壓增長保持穩態性。

3.2.2 碎石樁抗液化效果評價

此次試驗屬于同時間尺度的對比試驗,為直觀反映碎石樁加固風積沙地基的抗液化能力,基于加固區與無樁區同一埋深的孔壓比峰值,定義抗液化提升比δ為

(1)

式中,μ0為無樁區孔壓比峰值;μ′為同一埋深的加固區孔壓比峰值。圖10為碎石樁對風積沙地基不同深度的抗液化提升比,從圖中可以看出,碎石樁的抗液化效果具有隨著地震烈度增大而提高的趨勢,且對風積沙地基中部的抗液化增益效果最顯著,δ值都在30%以上,因此自由場風積沙地基的液化易發部位在碎石樁加固后由中部轉移到了淺層。

圖10 碎石樁抗液化提升比Fig.10 Anti-liquefaction lifting ratio of crushed stone pile

3.2.3 孔壓增長相關性規律

由圖9可知,不同埋深測點的孔壓增長趨勢存在一定相關性與差異性。為進一步定量化表征碎石樁加固區的這種特性,基于統計學概率的散點矩陣運算,對同一工況不同埋深測點的超靜孔壓時程曲線在dt內等間距取n個特征點得到Pearson系數R進行相關性分析,樣本取值見圖11,其相關系數表達式如下

圖11 樣本點提取Fig.11 Sample point extraction

(2)

通過使用IBM公司的專業數據分析工具SPSS快速進行相關值計算,得到矩陣散點圖,以此判斷超靜孔壓增長的相關性。如圖12(a)所示,加載0.3gEL地震波時,碎石樁加固風積沙模型地基后,L1、L2與L3測點的孔壓增長存在正相關性。其中L1與L2之間的相關系數R值為0.933 6,L1與L3之間的R值為0.927 2,而L2與L3之間的R值為0.999 3,可見加固區在高程上表現為相鄰區域的孔壓增長關聯性顯著,且中部L2的孔壓增長高度影響著淺層L3的孔壓上升,這是因為中部的孔隙水只能向地表滲流,對路徑上的孔壓有一定影響。

注:圖中橢圓區域測點表示超靜孔壓曲線樣本散點分布,紅線表示擬合曲線,橢圓置信度閾值設定為95%;橢圓的寬窄度反映變量的相關度;若橢圓較圓,不沿著對角方向延伸,則變量之間不相關;若橢圓較窄,沿著對角方向延伸,則變量之間相關[22]。圖12 加固區孔壓響應特征矩陣散點圖Fig.12 Scatter plot of pore pressure response characteristic matrix in reinforcement area

通過圖12(b)來看,隨著地震震級增大,在0.4gEL地震波作用下,L2、L3的孔壓增長分別與L1的孔壓響應相關性減弱,兩者的R值下降到0.9以下,可能是因為碎石樁路徑在強震下的排水功效得到充分利用,樁間土滲流路徑對深層L1孔隙水的傳遞作用相對減弱。

加載0.6gEL地震波時,由孔壓比時程曲線(圖9(d))可得,幾乎整個模型地基發生了液化,結合圖12(c)可以發現:引起地基液化的高烈度地震將碎石樁的排水功效幾乎發揮到了極限,樁間土中由深層向地表的孔隙水動態遷移被迫加劇,所以L2、L3分別與L1的孔壓增長相關性系數R都提高到0.97以上。以上說明,碎石樁對地基深層的排水效果較為顯著,中部受到深層孔壓增長影響降低,間接提高了風積沙地基中部的抗液化能力。

3.3 模型地基頻響特征

3.3.1 頻譜分布特征

為研究碎石樁加固風積沙地基在地震作用下不同液化狀態的頻率分布特征,將采集的加速度進行快速傅里葉變換,得到不同工況的加固區測點頻譜圖,如圖13所示。由圖13可知,不同測點在同一頻域內的響應存在差異,表現在低頻段(0～10 Hz)的響應一致,且更為集中、幅值最大,中頻段(10～25 Hz)有微弱的“高程放大效應”,而高頻段(25～35 Hz)的高程放大效應顯著,且在29 Hz附近尤為突出。此外可以發現,隨著加載震級增大,風積沙地基密實度得到提高,場地剛度增加,不同埋深測點在中頻段的響應趨于一致,差異頻率由29.71 Hz增加到29.76 Hz;當加載0.6gEI地震波時,模型地基發生液化,場地剛度退化,不同埋深測點在中頻段的響應再次出現高程放大效應,且差異頻率衰減到28.85 Hz。

圖13 不同工況加固區頻譜曲線Fig.13 Spectrogram of reinforcement area

由于不同測點在高頻段(25～35 Hz)存在響應差異,為定量表征這一特征,建立頻響放大系數PGA為

(3)

式中,A1、A0分別為測點和臺面在高頻段(25～35 Hz)振幅峰值。如圖14所示,在碎石樁復合地基未發生液化前(GK2、GK3、GK4),同一埋深測點PGA相似,且樁土系統高程放大效果顯著,其中深層(埋深50 cm)頻響放大系數在1左右,中部(30 cm)在2.4附近,淺層(10 cm)高達4倍放大效果;在GK5中,地基液化導致PGA出現縮減現象,說明地震波從模型底部向地表傳播過程中,液化的砂土會弱化地基原本固有的能量傳遞效果。

圖14 加固區頻響放大系數PGAFig.14 Frequency response amplification factor PGA

3.3.2 時頻演化規律

為研究碎石樁加固風積沙地基液化的時頻演化規律,將采集的加速度信號進行希爾伯特-黃變換(HHT)。HHT是一種廣泛應用的處理非平穩非線性信號的分析方法,第一步進行經驗模態分解(EMD),從任一復雜隨機時間序列中分離出頻率由高到低分布的若干階本征模態函數(IMF),第二步對這些IMF分量進行Hilbert變換得到每個IMF分量的瞬時頻譜,綜合所有IMF分量的時頻譜就可得到地震信號在時頻域上分布特征,即Hilbert譜的形式,即

(4)

式中,ai(t)為瞬時幅值;ω為瞬時頻率;Re為取復數的實部。

圖15為GK2與GK5工況下加固區的Hilbert譜,清晰地描述了地基內部不同埋深測點在時域上的地震能量傳播特征。在GK2—0.2gEL Centro波作用下,碎石樁復合地基并未發生液化,但能量在頻域上主要分布在5～30 Hz,在時域上則主要集中在15～18 s。

圖15 GK2與GK5工況下加固區的Hilbert譜Fig.15 Hilbert spectrum of reinforcement area

隨著地震波從下往上傳播,不同埋深的Hilbert譜峰值沿高程上有明顯的“放大效應”,且伴隨著主頻段(f1～f2Hz)向高頻擴展與遷移,具體表現為深層D1的主頻段為6～22 Hz,地震波往中部傳播過程中,D2主頻段遷移到8～22 Hz,到達淺層D3則擴展到8～28 Hz。GK5—0.6gEL Centro波激勵下,強震引起的超高超靜孔壓促使整個地基發生了液化,導致時頻規律發生了演化。如圖15(b)所示,處在液化狀態中的地基能量依然主要集中在15～18 s,但響應頻段擴大到了2～40 Hz,其中主頻段(f1～f2Hz)只出現了微弱的向高低頻發散的現象,具體而言,D1的主頻段低限縮小到5 Hz,沿高程可觀察到,D2、D3的主頻段相同,上限擴展到29 Hz。

為清晰地闡述液化狀態下Hilbert譜在時間尺度上的變化規律,將加載的EL地震波劃分為前震(10～20 s)與余震(20～50 s),如圖16所示,可見相較于GK2,GK5在前震時間段內時域分布差異較小,但在余震時間段的地基各個部位時域特征有所不同,其中D1在不同時間節點皆出現了新的能量尖峰,而D2的能量尖峰有減少跡象,地震波到達淺層D3后,能量響應遷移到低頻域,這是由于余震的烈度相比前震較小,地基液化造成的高頻過濾作用得以凸顯。

圖16 EI Centro波前震與余震劃分Fig.16 Division of EI Centro wave foreshocks and aftershocks

4 結論

本文通過振動臺試驗,研究了碎石樁加固風積沙地基的抗液化規律和頻響特征,得出如下主要結論。

(1)碎石樁加固風積沙地基能有效抵抗地表沉降,大幅度增強其抗液化能力,尤其是地基中部(3/5樁長),并且能將液化易發部位從中部轉移到淺層,有利于對液化場地采取加固措施。

(2)碎石樁充當優良的排水路徑,能弱化樁間土的剪脹剪縮循環活動性,使孔壓增長保持穩態性。

(3)不同埋深測點孔壓增長存在正相關性,且地震烈度過高時,碎石樁的排水效果會達到極限,地基深處的部分孔隙水將從樁間土滲流至地表,導致路徑上的孔壓增長相關性顯著增強。

(4)EL Centro波作用下,碎石樁加固區在低頻段(0～10 Hz)的響應集中且最為強烈,在高頻域(25～30 Hz)的響應具有高程放大效應,液化時會弱化地基原有的能量傳遞效果。

(5)通過希爾波特譜可知,隨著EI Centro地震波從下往上傳播,碎石樁地基的響應主頻段會向高頻(≥22 Hz)擴展與遷移,而發生液化的土層具有高頻過濾作用。