地震作用下抗液化碎石桩参数研究

金 鑫，黄鹏飞，陈必光，拓勇飞，肖 黎

(1. 武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072；2. 同济大学土木工程学院，上海 200082；3. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056)

1 研究背景

当地震发生时，饱和疏松砂土或粉砂土可能会因为排水不畅，孔隙水压力在动荷载的作用下将急剧上升而不能马上消散，导致土体抗剪强度降低甚至完全消失，进而发生液化现象[1, 2]。在近些年发生的地震中，如2008 年中国汶川地震、2010 年智利Maule 地震[3]、2018年日本北海道地震[4]等都存在大面积的液化现象，造成了大量地面以及地下建筑设施的破坏和人员伤亡，因此采取有效措施来防治液化现象的发生十分必要。碎石桩复合地基处理措施凭其显著的抗液化效果在处理地基液化问题中被广泛应用，自我国于20世纪70年代最早使用碎石桩后，国内很多学者对碎石桩复合地基和其抗液化效果进行了深入研究[5,6]。

蔡升华等[7]介绍了干振碎石桩处理液化土层的振密挤密作用和排水减压作用，并从碎石桩的挤密作用角度对碎石桩的桩距和处理深度等参数给出设计方法。张艳美等[8]利用FLAC3D软件建立数值模型，研究了桩型配比、桩径、桩长、桩间距等参数对碎石桩与CFG(Cement Fly-ash Gravel)桩构成的多桩型复合地基抗液化性能的影响。Meshkinghalam等[9]利用FLAC3D软件，通过建立单桩地基模型和群桩地基模型，分别研究了碎石桩排水作用的影响范围和桩间距与桩径的比值对碎石桩抗液化效果的影响。潘永庆等[10]利用FLAC3D软件对安徽某利用碎石桩加固的液化粉土高速公路路基进行了数值分析，研究了不同埋深距离桩中心不同距离处的超孔隙水压力和超孔压比的变化规律。

目前碎石桩处理液化场地的工程背景主要是公路等地面建设工程，以桩间土的加密效果作为碎石桩复合地基设计和评价的依据。而以地下建设工程为背景，将碎石桩作为地震发生时液化土层的排水通道的研究以及碎石桩参数对其抗液化效果影响规律的研究比较少见。

当对场地进行碎石桩复合地基处理时，成桩过程中将通过振动和挤密作用使桩间土密实，且桩体的渗透系数和模量远大于土体的渗透系数和模量，因此可以起到减小土体剪缩效应、改善排水条件以及减小土体振动反应的作用。其抗液化作用总结起来包括加密作用、排水减压作用、加筋作用、预震作用。本文依托孟加拉卡纳普里河底隧道项目，利用FLAC3D软件建立数值模型，研究了在地震作用下碎石桩的桩径、桩距、桩体模量对场地土层抗液化效果的影响。

2 计算模型

孟加拉卡纳普里河底隧道项目位于吉大港，连接卡纳普里河东西两岸，全长9 265.971 m，穿越大量饱和砂土地区，且呈现连续片状分布，隧道项目场地地震设计烈度为8度。在本项目的实际设计方案中，碎石桩在左右线隧道之间以及外侧各布置3列，共9列。本文选取位于河岸的TBH60钻孔勘探所得地层地质情况作为数值模型的原型。该钻孔土层及其勘查所得相关数据见表1，其中Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2都是粉砂土。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)[11]，土层Ⅰ、Ⅱ1、Ⅱ2在设计地震作用下可能发生液化，在进行隧道设计时必须进行相应的处理。

表1 TBH60钻孔土层参数Tab.1 Soil parameters of TBH60

2.1 场地模型设置

本节根据上述钻孔土层参数以及碎石桩参数，利用FLAC3D软件建立原场地模型以及碎石桩复合地基模型，通过记录场地不同位置监测点所得超孔压比时程曲线统计超孔压比震后值作为评价指标，进而研究碎石桩桩径、桩距、桩体模量对碎石桩抗液化能力的影响。通过研究得出碎石桩桩径、桩间距的合理范围以及桩体模量的影响规律，证实本项目碎石桩方案的可行性。

土场地模型尺寸为10 m×10 m×15 m,Ⅰ、Ⅱ1以及Ⅱ2土层厚度分别设置为2.5、7.5以及5.0 m。原状土参数根据钻孔勘探数据计算得来，见表2(其中C1、C2是FLAC3D软件Byrne孔压上升模式中与模型单元有关的常数，计算公式见《FLAC/FLAC3D基础与工程实例》[12])。根据孟加拉卡国吉大港卡纳普里河隧道项目地震研究最终报告，工程场地100年内超越概率10%的基岩峰值加速度为0.22 g。地震波施加在模型底部，且只考虑沿X轴方向的剪切波，采用通过SeismoSignal软件进行30 Hz低通滤波和基线校准的El Centro地震波模拟实际地震影响。

表2 加固前后土层模型参数Tab.2 Soil parameters before and after reinforcement

2.2 监测项目

本文以超孔压比γu作为场地液化程度的评价指标，超孔压比按下式定义：

(1)

3 单桩地基模型结果分析

3.1 碎石桩模型参数

分别建立边长为0.8、1.0、1.2、1.4 m的正方形截面的碎石桩，记为Z1、Z2、Z3、Z4，碎石桩的相关参数见表3，同时建立原状土地基模型进行对比分析。

表3 碎石桩参数Tab.3 Parameters of gravel pile

3.2 监测点设置

为分析不同直径碎石桩的抗液化效果以及其抗液化效果随空间位置的变化规律，在单桩模型不同埋深，距离碎石桩桩心不同距离设置监测点来监测相应位置的超孔压比在地震过程中的时程曲线，本文由于篇幅仅列出Z1桩分析时超孔压比监测点位置以及相应编号分别见图1以及表4。

图1 Z1单桩地基模型中超孔压比监测点在模型中的位置及编号Fig.1 Location and serial number of the excess pore pressure ratio-monitoring point in Z1 single pile foundation model

表4 Z1桩单桩地基模型中超孔压比监测点位置及编号Tab.4 Location and serial number of the excess pore pressure ratio-monitoring point in Z1 single pile foundation model

3.3 结果分析

3.3.1 单桩抗液化分析

通过模型计算得到Z1至Z4桩单桩地基模型的不同埋深、距离碎石桩桩心不同距离的超孔压比变化时程曲线，Z1桩埋深4.5 m处距离桩中心不同距离的超孔压比时程曲线见图2。对于埋深相同的测点，距离碎石桩桩心越远其在地震过程中的超孔压比峰值越高，且到达峰值所经历的时间越长。

图2 Z1单桩地基模型中与桩中心不同距离监测点超孔压比时程曲线Fig.2 Time history curve of excess pore water pressure ratio of monitoring points at different distances from the center of the pile in Z1 single pile foundation model

图3表示Z1桩加固前和加固后地基埋深4.5 m处超孔压比震后值随与桩中心不同距离的变化曲线，其余埋深的曲线与之变化规律相似，由于篇幅不再列出。从图3可以看出，单桩加固后测点的超孔压比震后值有了大幅度的下降，且距离桩心越近下降幅度越大。碎石桩影响半径约为2.25 m，当距离桩心超过上述碎石桩影响半径时，其超孔压比维持在某一稳定范围，但仍比单桩加固前地基的超孔压比有一定程度的下降，因为在建立碎石桩单桩加固地基模型时考虑了整片场地土的加密。

图3 Z1单桩加固前后埋深4.5 m处超孔压比震后值Fig.3 Excess pore water pressure ratio after earthquake of monitoring points at a depth of 4.5 m in the models before and after Z1 single pile's reinforcement

3.3.2 桩径对液化效果的影响

要选取最佳碎石桩桩径，应先将Z1至Z4桩所得超孔压比随与桩心距离变化曲线按照碎石桩单位截面面积处理的液化土层范围不变的原则变换到桩截面边长为1 m时的曲线。变换公式如下式：

(2)

式中：r1为等效为截面边长为1 m的桩时测点与桩心距离；r0为实际测点与桩心距离；d为实际桩截面边长。

通过等效变换之后得到Z1桩至Z4桩单桩变换成截面边长为1 m时的单桩加固后埋深4.5 m处超孔压比震后值对比如图4所示。在碎石桩影响范围内，随着碎石桩截面边长的增大，当测点与桩心等效距离相等时，其超孔压比也呈现增大趋势，说明截面边长越大的碎石桩，其单位截面积处理的砂土范围越小。因此，在进行液化场地碎石桩设计时，为经济考虑，应在《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)[13]给定的范围内选择较小桩径。

图4 等效变换后单桩加固后埋深4.5 m处超孔压比Fig.4 Equivalent transformed excess pore water pressure ratio of monitoring points at a depth of 4.5 m in single pile model

4 群桩地基模型结果分析

4.1 复合地基碎石桩参数及测点位置

4.1.1 桩 径

由《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)，振冲碎石桩径通常为0.8～1.2 m，考虑到本模型中碎石桩桩长15 m，因此选用75 kW振冲器进行施工，桩径选0.9或1.0 m。本文中以1.0 m为例进行计算，等效成矩形桩截面边长为0.836 m，为方便建模，且偏于安全考虑，建模时取为截面边长为0.8 m正方形的矩形桩。

4.1.2 碎石桩布置

碎石桩为正方形布置，一根桩处理地基面积的等效直径de与桩间距s关系如下式：

de=1.13s

(3)

根据图3，对于边长0.8 m的矩形碎石桩，当测点距离桩中心小于1.8 m时，其超孔压比震后值相较于原地基相同高度处测点的超孔压比震后值降低较大水平，因此碎石桩单桩处理地基面积的等效直径de应小于3.6 m，按照式(3)得桩间距应小于3.2 m。本文以桩间距3.2 m进行计算，碎石桩布置见图5。

图5 复合地基模型碎石桩布置图Fig.5 Gravel pile layout of composite foundation model

4.1.3 碎石桩参数

本文建模时将建立不同模量的碎石桩，碎石桩泊松比为0.26，桩体动弹性模量分别为240、480、360、640、720 MPa，为并分别记为Za、Zb、Zc、Zd、Ze，其余参数见表3。

4.1.4 测点布置

测点在平面上的位置布置在桩间土区域的中心，在立面上埋深分别为4.5、7.0、9.5、12.0、14.5 m，测点编号见表5。

表5 测点位置及编号Tab.5 Location and serial number of monitoring point

4.2 群桩地基模型结果分析

4.2.1 群桩抗液化分析

本文仅给出Za桩加固后的各埋深超孔压比在地震作用下的时程曲线，见图6。Za～Ze桩加固后各埋深超孔压比峰值及震后值统计见表6。

表6 原地基与碎石桩复合各埋深处地基超孔压比震后值Tab.6 Excess pore water pressure ratio of monitoring points at each depth in original model and composite foundation model

从图6可以看出，碎石桩群桩加固后的复合地基模型在地震动作用下，各测点的超孔压比呈现先增大后减小的趋势，体现了液化场地在地震作用下孔隙水压力的积累和碎石桩的排水减压作用。另外，超孔压比在达到峰值之后的迅速下降，表明碎石桩具有显著的抗液化效果。

图6 Za桩复合地基模型中超孔压比在地震作用下时程曲线Fig.6 Time history curve of excess pore water pressure ratio in Za pile composite foundation model during earthquake

4.2.2 桩体模量对群桩抗液化效果影响

从表6可以看出，地震结束之后碎石桩复合地基的超孔压比震后值相较于原地基相同高度测点处的超孔压比震后值显著降低，且其值与碎石桩模量的关系不大。因为在地震作用下，碎石桩复合地基的超孔压比从峰值到震后值的过程中，碎石桩的排水减压效果起主要的抗液化作用，而碎石桩模量的影响相对而言较小。因此桩体模量对碎石桩的抗液化效果没有明显影响，在实际施工中，不需要刻意加大碎石桩的桩体模量，只需满足其基本的强度和稳定性即可。

5 结 论

通过FLAC3D软件对孟加拉卡纳普里河底隧道项目施工场地的碎石桩加固前原地基、单桩地基模型以及群桩加固复合地基建立模型并进行数值分析，得到如下结论：

(1)对于单桩地基模型中，同一埋深与碎石桩桩心不同距离的测点，当测点距离碎石桩桩心越近，其超孔压比震后值越小，当测点与碎石桩桩心距离超过一定范围时，超孔压比震后值逐渐稳定，表示超出了碎石桩影响半径。

(2)对于不同桩径的单桩地基模型分析中，随着桩截面边长的增大，桩的影响半径总体上呈增大趋势，但达到相同处理效果时其单位截面面积处理的砂土范围逐渐减小，经济实用性降低。因此在设计碎石桩时应在保证施工质量的前提下尽量选取桩径较小的碎石桩，建议碎石桩桩径0.9～1.0 m。

(3)在群桩地基模型分析中，超孔压比在达到峰值之后迅速下降，得知碎石桩的排水减压作用在地震中有良好的抗液化效果。

(4)在不同模量的群桩地基模型分析中，复合地基的超孔压比峰值和震后值与碎石桩的模量关系不大，因此在本工程项目中，桩体模量对碎石桩的抗液化效果没有明显影响，因此在实际施工中，不需要通过措施加大碎石桩的桩体模量。

(5)通过碎石桩的施工，埋深为4.5、7.0、9.5、12.0以及14.5 m处的超孔压比震后值分别由0.74、0.72、0.66、0.52、0.44减小到了0.12、0.07、0.04、0.02、0.01，场地的液化程度显著降低，体现了碎石桩显著的抗液化效果。