闸基砂土地震液化及加固分析

邵丽盼·卡尔江，孜吾热古丽·叶斯塔依

（1.新疆维吾尔自治区灌溉排水发展中心，乌鲁木齐 830000；2.新疆维吾尔自治区水资源中心，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

本次研究的闸基位于新疆维吾尔自治区， 水闸混凝土底板厚2m。输水廊道尺寸为2.50m×2.0m，廊道底高程为▽-1.0m。 闸室内设有工作门槽一道，检修门槽两道，蓄水位差10m。经现场初勘查明，钻探深度范围内的土层根据室内试验测定的塑性指数可分为6个工程地质层：①素填土：呈褐黄～灰黄色，可塑状态为主，无层理，粉质黏土、黏土质土为主，局部夹粉土薄层，表层含植物根茎等，属中压缩性土为主，层厚6.9m；②淤泥质土：深灰色，饱和，流塑，高压缩性。有异味，摇震反应慢，捻面较光滑，有光泽，干强度及韧性中等，成分主要为黏粉粒，层厚9.8m；③粉土层1：呈灰色，软塑状态为主，有层理，含贝壳，属中压缩性土。 局部夹淤泥质土、黏土透镜体，层厚12.1m；④粉土层2：呈灰色，软塑状态为主，有层理，属中压缩性土。 局部夹淤泥质土、黏土透镜体，层厚3.8m；⑤粉土层3：呈灰色，软塑～流塑状态，有层理，含贝壳，属高压缩性土。 局部夹淤泥质土、 黏土透镜体， 层厚12.4m。根据本次勘察资料，本场地埋深45m以下有饱和砂土层分布。 按JTG C20—2011《公路工程地质地质勘察规范》对其液化情况进行判定。考虑地下水位变幅，液化判定时静止水位按上浮1.00m计算。 结果表明，当抗震设防烈度为7度时，根据本次勘察资料综合分析判定，本场地埋深45m以下砂土层属液化土层，液化指数为1.17～5.25，对地基处理有一定影响。因此本研究选取的土体为砂土，表1为本次测试的砂土物理力学参数。

表1 砂土参数

2 试验装置及传感器

本文试验的装置采用立方体模型， 其中土盒尺寸为400mm×400mm×400mm，而为了更好地模拟土体的液化性质， 还在土体表面设计了立方体覆盖层来模拟上覆土压力， 其中测试所用的地震荷载和应变传感器也通过该装置插入土体当中。 由于液化现象产生的孔压变化是土体发生液化最明显的指标，所以试验时沿震动方向安装了3个孔压传感器，距砂土底部高0.1，0.2，0.3m。 此外，为测试振动台底板位移，在底部还安装了线性可变位移传感器（LVDT）。

为了测量从振动台底部传输至土壤中的实际加速度， 防水加速计插入至距离土体底部0.1m的高度处，而测量土体应变的应变传感器，插入至垂直于摇晃方向0.1m。 本文还设置了数据采集系统，来研究短时间内发生液化现象的土体。 由于研究需要足够的数据，这些数据通过数据采集系统以50次/s的采样频率收集。 数据采集系统为八通道，其中3个孔隙压力传感器连接到前3个通道，加速度计连接到第5和第6个通道，LVDT和应变计分别连接到第7和第8个通道。 本文试样包含4种相对密度，分别为0.3，0.4，0.5，0.6，由松砂到密砂展开，总共进行了8次试验，加速度分别为0.21g和0.45g。

3 试验测试步骤

为获得具有特定均匀密度的均匀砂土样，采用水沉淀法进行制备，以确保完全饱和。 此外通过人工降雨技术从特定高度灌入砂土，将土壤模型分成六层，以达到所需的密度。 振动台上的振幅借助于槽轴进行设置，控制面板上的频率根据填充模型前所需的最大加速度进行设置， 随后将LVDT和孔隙压力传感器连接到数据采集系统。 在封装土样时，先将应变传感器和加速计插入指定位置，所有仪器都需要连接到数据采集系统，以实时记录数据。 然后，将立方体覆盖层放置在土层的表面上，然后用干净的砂土填充，使其压力达2.5kPa。 图1为加速度为0.21g时振动台震动曲线，选择的频率分别为2 Hz和3 Hz，振幅为15 mm。试验开始时以预先设定的加速度震动， 在振动开始的瞬间打开孔隙压力传感器， 至孔隙压力降低或出现达到峰值后的恒定值时，可判定土体开始发生液化，最后继续试验，直至孔隙水压力完全消散。

图1 振动台加速度曲线

4 试验结果分析

4.1 超孔隙压力随时间变化规律

图2给出了加速度在0.21g（图2a） 和0.45g（图2b）下，相对密度为0.3的土样顶部、中部和底部水平的超孔隙压力随时间的变化。从图中可以看出，与中间和顶部水平面相比， 底部水平面产生的孔隙压力更高，三者呈递进变化趋势，底部孔隙水压力＞中部孔隙水压力＞顶孔隙水压力。 当加速度a=0.21g时，三者均在震动40s之后，孔隙水压力达到平稳，其中顶部孔压维持在1.25kPa，中部孔压维持在2.25kPa，而底部孔压维持在3.3kPa。 当加速度a=0.45g时，三者孔隙水压力均在震动10s左右就已经达到稳定，其中顶部孔压维持在6kPa，中部孔压维持在8kPa，而底部孔压维持在10.1kPa左右。因此可以得出地震加速度越大，土的孔压越快达到稳定， 且最终孔压值要大于地震加速度较小时的孔压值。 对于Dr=0.4、0.5和0.6的试样（篇幅原因未列出），两种地震加速度下，孔隙水压力首先在土样顶部形成，然后进入中间，最终到达底部。因此，实验室振动台设备的液化过程是向下进行的，这与前人的研究结果一致。

图2 不同加速度下Dr=0.3土样超孔隙压力随时间变化

4.2 孔隙压力比与剪切应变的变化

为了确定临界剪切应变（γt）和液化开始时的剪切应变（γL），表2给出了每种相对密度（Dr在30%到60%之间变化）和两个加速度水平（a=0.21g和0.45g）下土样剪切应变的试验结果。由表可知看出，所有试验的临界剪切应变均在10-4%至10-3%范围内，若不考虑加速度和相对密度； 在剪切应变约为10-2%时，孔隙压力比已达到峰值（这是液化开始的标志）。 当加速度a=0.21g时， 相对密度Dr=0.3和Dr=0.6时的临界剪切应变最大，为10-4%；当相对密度Dr=0.5时，剪切应变最大，为0.0026%。 当加速度a=0.45g时，相对密度Dr=0.3时的临界剪切应变最大，达到0.005%，而当相对密度Dr=0.5 时的临界剪切应变最小， 仅为0.0013%。 对于发生液化时土体的初始剪切应变，当加速度a=0.21g时， 相对密度Dr=0.4时最大， 达到0.0206%；当加速度a=0.45g时，相对密度Dr=0.3时最大，达0.0245%。 图3给出了相对密度为0.4和0.6时孔隙压力比与剪切应变的变化规律。 其中孔隙压力比表示超孔隙水压力与垂直有效应力之间的比值。 从试验结果可以看出，对当孔隙压力比小于1时，在较低的加速度水平（即0.21g）下就可以观察到液化的开始，而对于较高的加速度水平（即0.45g），当孔隙压力比超过1时，液化才会启动。

表2 土样剪切应变的试验结果

图3 Dr=0.4和0.6时孔隙压力比与剪切应变的变化规律

5 闸基液化加固措施

在进行液化地基加固时，必须要根据地基条件和周边情况选择适当的施工方法。产生液化的场地往往比同一震中距范围内未发生液化场地的宏观烈度要低些。理论上，地震剪切波在液化土层中受阻（流体不能传递剪力），使传至地面上的地震波相应地衰减，从水工建筑物振动破坏的角度看， 这对建筑耐震有利。但更广泛的液化震害表明，地基土液化失效对水工建筑的破坏更严重， 因此不能因为液化土存在所谓的“减震”作用而认为液化对建筑抗震有利。液化场地应优先进行地基处理，使建筑及周边一定范围内的土体密实。目前加固处理技术包括振冲法、挤密碎石桩法、强夯法、板桩围封法，也可采用换填压实土与增加非液化覆土重量的方法。本文根据闸基的工程地质条件建议采用第一种方法，施工工艺为在振冲孔内加填碎石（或卵石等）回填料，制成密实的振冲桩，而桩间土则受到不同程度的挤密和振密，同时回填料形成砾石渗井，可使砂层振密且迅速将水排走，以消散砂层中发展的孔隙水压力， 从而更利于消除土层的液化，对地基起到加固且防止液化的作用。

6 结语

通过室内试验分析了不同地震荷载下，不同相对密度砂土的液化性能，得到了砂土超孔隙压力随时间变化规律， 探讨孔隙压力比与剪切应变的变化特征，结果表明与中间和顶部水平面相比，底部水平面产生的孔隙压力更高，三者呈递进变化趋势，及底部孔隙水压力＞中部孔隙水压力＞顶孔隙水压力；对当孔隙压力比小于1时，在较低的加速度水平（即0.21g）下就可以观察到液化的开始，而对于较高的加速度水平（即0.45g），当孔隙压力比超过1时，液化才会启动。