竖向荷载作用下复合桩加固液化土沉降分析

张国亮，牛琪瑛，张振炯

(太原理工大学 建筑与土木工程学院，山西 太原030024)

随着城市高层建筑的兴起，砂土液化加固一直是各类工程重点解决的问题。尤其近年来，地震频繁发生，土体液化不仅发生在未加固土体，加固后的液化土也频频出现问题，造成了巨大的财产损失，因此对砂土液化加固的研究就显得尤为重要［1-2］;碎石桩加固液化土可以消除液化人们已经形成共识，钢管桩加固土体的目的是为了提高地基承载力，已有大量的研究［3-4］。但钢管桩与碎石桩复合加固液化土方面，尤其施加荷载后钢管桩与碎石桩复合加固的特性研究还很少，需要做大量的研究。本文利用振动台模拟地震荷载［5-7］，探讨竖向荷载作用下钢管—碎石桩复合加固液化土的特性以及桩体沉降规律，为复合桩加固液化土在工程应用中提供一定的参考。

1 振动台模型箱试验

1.1 振动台

试验采用的振动台型号为ZS-20D 超低频电动振动试验台，由苏州仪器厂生产［8-10］。振动台平面尺寸为60×45 cm2，输出频率为0.01 ～1 000 Hz，振动最大加速度为20 g，最大振幅是5 cm。水平和竖直方向的最大负荷分别为50 kg 和500 kg;试验中，设定振动台的振动方向为水平，加速度输出方向为水平。根据模型地基的相似比关系为1:18，太原当地的地震设防烈度为8 度，确定振动台输出加速度0.51 g，输出频率为8.74 Hz。

1.2 模型箱

模型箱体采用厚为10 mm 有机玻璃板制作，板之间用粘结剂粘接牢固，四周再做加筋处理。箱体内部尺寸的长、宽、高分别为54 cm、40 cm、75 cm。为了满足箱内饱和土体在自重作用下的固结及振动过程中无限地基四周的排水条件，在箱体四周壁水平和竖直方向上每隔50 mm 钻直径3 mm 的孔，孔洞并用绵线引出。在模型箱采用在内壁粘贴柔性材料来吸收侧向边界的波，以减小“模型箱效应”［11-12］，如图1 所示。

1.3 传感器

孔隙水压力传感器采用丹东三达仪器厂生产的型号为DYS-3 型［13］，位移传感器由深圳市迈恩传感器科技有限公司制造的KMP-75mm-R 型，如图2 所示。

图1 模型箱Fig.1 Soil box

图2 位移传感器Fig.2 Displacement sensor

1.4 试验土的选取与制备

试验选用易液化的细砂土，取自太原市南中环桥汾河西岸边的一处建筑工地。室内对取回的土体进一步处理，太阳下晾干后用直径2 mm 的土工筛过滤，去除土体中所含的杂质和粗颗粒，留下比较均匀的细沙。试验完成后将土妥善保管，以备试验时取用。

依照《土工试验规程》(GB/T 50123-1999)，用筛分法对取得土样进行颗粒分析，根据分析结果，确定土样名称为细砂，分析结果见表1。

表1 试验砂土颗粒组成Tab.1 Test of sandy soil particle composition

装填砂土的流程按照干装法进行［14］，根据模型箱的尺寸，试验土的干密度的控制值为1.36 g/cm3，装入土体的总高度为47 cm，总质量为138.1 kg。为达到土的密实度要求，把土分层装入，每层装好后用击实器将土体均匀捣实，最终要使每层土的密实度都相同。装土时，先在底层装入5 cm 厚的砂土，以后各层每次装6 cm。前一批次的土层装填完成后，将其表面犁毛后再装入下一批次的土，这样可以使箱内的土体形成一个整体，避免振动时土体发生层与层之间的相对滑动。

土体全部装入模型箱后向箱内注水，为使土体饱和度达到80%以上，静置48 h，为了使土体在水平方向上做一维纯剪切运动［15］，输入由武汉地震研究所提供水平地震动力波。振动台振动时间设定为60 s。

2 试验结果及分析

本次振动台试验设计六组模型，分别为施加0 kg、0.5 kg、1.0 kg、1.5 kg、2.0 kg 和2.5 kg 荷载作用于钢管—碎石桩加固液化土地基，通过整理振动过程中的超静孔隙水压力与沉降等数据，绘制不同荷载作用下超静孔隙水压力、桩体沉降量的时程曲线。

①孔隙水压力

根据试验所得超静孔隙水压力数据，整理1.5 kg 和2.5 kg 荷载下埋深12 cm、24 cm 和36 cm 处超静孔隙水压力的时程曲线分析，如图3 所示。

图3 超静孔隙水压力的时程曲线Fig.3 Excess pore water pressure time curve

由图3 可知:钢管—碎石桩加固模型随振动超静孔隙水压力快速达到峰值，施加1.5 kg 荷载在埋深12 cm、24 cm、36 cm 处的峰值分别为5.6 kPa、5.5 kPa 和6.8 kPa，峰值之后由于碎石桩的排水，孔隙水压力逐渐消散，到60 s 后分别减少到2.2 kPa、2.8 kPa 和4.8kPa;施加2.5 kg 荷载下超静孔隙水压力峰值在埋深12 cm、24 cm、36 cm 分别为5.3 kPa、5.8 kPa 和7.0 kPa，到60 s 后分别减少到1.9 kPa、2.7 kPa和3.3 kPa。对比两组实验数据说明:①同一竖向荷载下埋深越大孔隙水压力越大，随着振动荷载作用孔隙水压力的消散从浅层开始，逐渐向下方24 cm 和36 cm 处发展;②不同竖向荷载下不仅随着荷载增大超静孔隙水压力峰值变大，并且超静孔隙水压力随荷载增大消散明显加快，说明竖向荷载作用加速了碎石桩排水功能。

②桩体沉降分析

根据试验记录所得桩体沉降数据，绘制出不同荷载作用下桩体沉降随时间变化的时程曲线，如图4所示。

图4 沉降量时程曲线与曲线方程Fig.4 The pile settlement time curve and curve equation

从图4(a)可以看出:振动初期0 ～3 s 时桩的沉降速率最快，施加0.5 kg 到2.5 kg 荷载的沉降速率分别为0.13 cm/s、0.25 cm/s、0.50 cm/s、0.72 cm/s 和0.83 cm/s;在3 ～6 s 时沉降速率分别为0.07 cm/s、0.13 cm/s、0.27 cm/s、0.37 cm/s 和0.47 cm/s;在6 ～9 s 时沉降速率分别为0.05 cm/s、0.05 cm/s、0.13 cm/s、0.12 cm/s 和0.23 cm/s;9 s 后所有模型的沉降都趋于平稳。对比曲线族:基本分成两组0 ～1 kg曲线平缓，1.5 ～2.5 kg 曲线变陡。以1.0 kg 为临界点，竖向荷载1.0 kg 作用于桩体的复合地基沉降速率平缓，大于1.0 kg 荷载作用下桩体的复合地基沉降速率加快。说明液化土中上部荷载增加到一定值，加速了桩的下沉，并在地震振动的共同作用下加快了复合地基的破坏。

图4(b)取1.0 kg、1.5 kg 荷载下9 s 前的沉降随时间变化的曲线进行拟合，曲线近似方程分别为y = -0.016x2+0.293x+0.005、y = -0.030x2+0.571x+0.015。由图5 的曲线族可以看出，1.5 kg荷载下土体已经发生明显的塑性变形，按地基承载力极限设计方法，实际情况下沉降量时程曲为1.0 kg荷载作用下的曲线。对1.0 kg 荷载作用下的曲线导数得:y'=-0.032x+0.293，是一条斜率逐渐减小的一次函数，说明在荷载作用下复合桩加固液化土的沉降曲线为一条变化率逐渐放缓的二次抛物线。

图5 钢管桩的最终沉降量曲线与沉降差Fig.5 Final settlement curve under different load and settlement difference

图5(a)为施加不同荷载下钢管桩最终沉降量变化趋势，从图5 中看出:①未施加荷载时钢管桩的沉降量不是0 而是0.25 cm，是复合地基在振动作用的下沉，施加0.5 ～2.5 kg 荷载后，在振动荷载作用下所测的最终沉降量分别为0.75 cm、1.30 cm、2.80 cm、3.60 cm、4.60 cm;②竖向荷载0 ～1.0 kg 区间，桩体沉降量缓慢增曲线的斜率k=1.1;1.0 ～1.5 kg 区间，沉降量突然增加曲线斜率变陡增至k=3.0;在1.5 ～2.5 kg 荷载区间曲线稍有变缓斜率为k=1.8。由此可见，竖向加荷1.0 kg 是突变点，荷载增至2.0 kg 沉降曲线又变得平缓，说明最终下沉趋于平稳。

③沉降差分析

沉降差为当前施加荷载的桩体最终沉降量与前一组试验桩体的最终沉降量之间差值。由各组计算沉降，如图5(b)所示。

孔隙水压力与沉降曲线综合分析:振动初期超静孔隙水压力曲线没有达到峰值前，桩和土之间的相互约束较强，初期沉降变化平缓，随着荷载增加与振动不断作用，孔隙水压力达到峰值，土体变形，桩体发生突然下沉。随着碎石桩的排水，孔隙水压力逐渐消散，土体变密，超静孔隙水压力减小，沉降趋缓，液化土强度增强，桩周土体对桩约束力增强，桩体的沉降量减小。

工程实际中，用碎石桩加固液化土的做法已经非常普遍，一是碎石桩可以起到加固地基土，可以有效的抵抗地基土的液化;二是当地震来临时碎石桩可以起到良好的排水作用，可以有效的降低地下水的孔隙水压力。本次试验分析了不同荷载作用下的孔隙水压力与地基沉降之间的关系，得出了在荷载作用下地震来临时的孔隙水压力与沉降之间的关系。表明竖向荷载作用下，孔隙水压力的消散明显加快，荷载作用加强了碎石桩排水功能，从而也提高了地基的承载力。说明地震来临时荷载作用下的碎石桩可以更快的降低孔隙水压力，从而可以显著的提高地基承载力，因此碎石桩与钢管桩复合加固液化土可以在实际工程中推广应用。

3 结 论

通过对比不同荷载作用下不同埋深处超静孔隙水压力及桩体沉降曲线，得出如下结论:

①不同荷载下钢管—碎石桩加固复合地基不同埋深处，超静孔隙水压力先急速上升到达峰值，随着碎石桩的排水，孔隙水压力逐渐消散;不同荷载下不仅随着荷载增加超静孔隙水压力峰值变大，并且超静孔隙水压力随荷载增大消散明显加快，说明竖向荷载作用加速了碎石桩排水功能。

②施加不同荷载，桩体沉降曲线均随振动时间先缓慢增加又急速增大最后趋于平缓，竖向加荷1 kg成为重要的突变点，荷载越大最终沉降量也愈大，桩的沉降—时间曲线呈二次抛物线的形式，达到指导实际工程的目的;沉降差变化随上部荷载增大先增大后减小最后逐渐趋稳，说明液化土对桩的约束由大到小再过渡到平稳。

③初期超静孔隙水压力未达到峰值，桩和土之间的相互约束较强，沉降变化平缓;随着荷载增加与振动不断作用孔隙水压力达到峰值，土体变形，桩体下沉加速;随着碎石桩的排水，孔隙水压力逐渐消散，土体变密，超静孔隙水压力减小，沉降趋缓。

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