拉林铁路沿线风积沙自由场及其加固地基动力特性分析

薛春晓

(中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730000)

引言

新建拉林铁路西起西藏自治区拉萨市,向南穿过冈底斯山余脉进入雅鲁藏布江河谷,于贡嘎跨越雅鲁藏布江沿河谷而下,向东经过扎囊县、乃东县、桑日县、加查县、朗县、米林县后,沿尼洋河东至林芝市,正线总长401.14 km[1-3]。拉林铁路途经我国著名的喜马拉雅地震带,地震活动频繁、强烈,地震动峰值加速度0.15g～0.30g[4-6]。沿线气候干燥,植被稀疏,宽谷区滩地、坡地风积沙广泛分布,约占线路全长的10%以上,液化问题是风积沙路段面临的不良地质之一[7-8]。

针对沙土地基液化问题,国内外学者利用室内模型试验、数值模拟等手段开展了大量研究。陈文化等[9]基于前人的研究,评述了沙土液化研究现状以及发展趋势;牛琪瑛等[10]基于FLAC软件,分析了可液化沙土加固地基的动力响应特征;吕西林等[11]基于FLAC软件,并结合振动台试验,探讨了液化场地自由场体系的地震响应特征;郭英等[12]利用有限差分软件,比较了同一密实度条件下加固与未加固地基孔隙水压力、孔压比、竖向位移等要素的变化;顾卫华等[13]借助等价非线性动力分析有限元程序,研究了饱和沙层的液化特点及砾石排水桩与地面压重的抗液化效果;许成顺等[14]以持时压缩比例为研究的唯一变量,依托小型振动台试验,分析了各组试验中可液化地基土在地震中的宏观现象、加速度反应、孔压比发展;周燕国等[15]借助ZJU-400土工离心机振动台试验,深入分析了含黏粒沙土和洁净沙的地震液化特征,并揭示了含黏粒沙土场地液化灾变特点;冯忠居等[16]以海南铺前大桥为工程背景,利用振动台模型试验研究了不同深度饱和细粉沙孔压比的变化规律,并探讨了饱和粉细沙的液化判别方法;苏栋等[17]借助离心机振动试验,研究了沙土振动过程中孔隙水压力、加速度响应、侧向变形以及竖向沉降的发展规律。李培振等[18]借助振动台和柔性容器,对上覆黏土层的饱和沙土液化场进行了研究。崔雍等[19]借助FLAC软件,对拉林铁路沿线风积沙液化特征以及其影响因素进行数值计算。刘抗等[20]借助空心圆柱扭剪仪,以南海珊瑚砂为研究对象,开展不同循环加载方向角的固结不排水试验,并分析了90°突变应力路径下主应力方向角和细粒含量对饱和珊瑚砂液化特性的影响。许成顺等[21]以密实度为35%、50%、70%的福建标准砂为研究对象,利用扭剪试验结果,分析了频率对饱和沙土的液化的影响。潘霞等利用室内试验结果,研究了填料含量、骨架相对密实度及成分、振动频率对沙土循环液化强度和液化模式的影响。

上述研究成果为拉林铁路地基液化处理提供了参考,即初步设计采用振冲碎石桩进行加固,但在施工过程中出现地基局部沉降量大、碎石桩填料远大于设计值等一系列问题,主要原因在于研究区风积沙颗粒细、饱和度高、密实度低、覆盖层厚,在较小的振动能量下就会产生可观的液化现象,诸如水泥搅拌桩具备低振动能量施工工艺的地基处理方式可能更适用于研究区的风积沙液化地基处理。

鉴于此,以拉林铁路沿线风积沙为样本,通过室内振动台模型试验,深入分析了风积沙自由场和水泥搅拌桩加固地基的动力响应特征,为类似地区的液化地基处理提供理论参考。

1 试验设计

本次试验在西南交通大学地震模拟振动台系统开展,振动台尺寸1.2 m×0.4 m,功放额定输出功率15 kVA,最大负载200 kg,水平振动频率2～100 Hz,最大加速度980 m/s2,最大速度2 m/s,允许偏心力矩290 kN·m。模型试验采用刚性模型箱,其尺寸分别为:长100 cm,宽40 cm,高80 cm。为减少模型箱侧壁对试验的影响,模型箱的3个侧面内置5 cm的塑料泡沫板,剩余的1个侧面设置成透明玻璃,用来观察振动过程中沙土的液化现象。本次试验中的水泥搅拌桩采用混凝土制作,桩径5 cm,桩间距15 cm,即等于3倍桩径,桩长80 cm。沙土级配曲线见图1,可以看出该区域风积沙颗粒粒径主要集中在100～500 μm之间,占颗粒总质量的67.65%。

图1 试验所用沙样的颗粒级配曲线

本次试验监测的内容主要包括风积沙自由场、水泥搅拌桩加固地基的加速度、孔隙水压力和位移,具体布置位置分别见图2和图3。

图2 风积沙自由场传感器布置示意(单位:cm)

图3 加固地基传感器布置示意(单位:cm)

2 风积沙自由场地震动响应

2.1 地表宏观现象分析

图4、图5分别为风积沙自由场振动前、强度0.1g、0.2g和0.3g地震动后模型箱中土层的俯视图与前视图。当0.1g的地震动输入后,模型箱及内部的沙土反应较弱,基本未观察到明显的变化(图3(a)和图4(a)),但土层中的浸润线上升约14 cm;当输入0.2g地震动后,模型箱及内部的沙土反应逐渐增强,表层沙土出现不均匀沉降,伴随有少量水溢出,并在中部产生微小裂缝,土层中的浸润线也上升至23 cm;当输入0.3g地震动后,土体表面发生明显的沉降,表层裂缝也持续延伸扩展,同时可见大量水溢出地表,并且液面淹没土体表面。上述现象表明,研究区风积沙的地震响应强度随着地震动强度的增加而呈现增强趋势。在地震动强度较小时,输入震动能量不足,沙土响应强度较弱,随着地震动强度的增大,输入震动能量逐渐提高,孔隙水压力迅速增大,沙土开始液化,部分沙粒被震密下沉,水从表面溢出。

图4 风积沙自由场中地震动前后俯视图

图5 风积沙自由场中地震动前后前视图

图6为风积沙自由场的表层位移时程曲线,可以观察到地表沉降呈台阶式递增变化,每次改变地震动强度后,表层土的沉降先急剧增大接着逐渐收敛于某一值,且地震动强度越大,沉降收敛值相应也越大,从0.1g的25 mm增加至0.3g的86 mm。这表明外界的地震动越强烈,输入土体的能量越大,地震动反应越明显,沙土液化现象越严重,相应的地表沉降也越大。

图6 风积沙自由场的表层位移时程曲线

2.2 孔压比响应分析

图7为风积沙自由场不同深度处的加速度时程曲线。很明显,风积沙自由场中各位置的响应加速度时程规律与台面输入的加速度时程规律基本一致,相应地各曲线上的加速度峰值出现的时间节点也基本吻合。值得注意的是,风积沙自由场中不同深度的监测点处峰值加速度存在差异:当以0.1g地震动强度输入时,地震动在土层中有较为明显的自下而上不断放大的趋势;当以0.2g地震动强度输入时,地震动在土层中没有明显的放大或减小,可能的原因在于经过0.1g地震动作用后,沙土被震密,地震动在土层中的传播近似于在刚体中传播;当以0.3g地震动强度输入时,地震动在土层中从下而上呈现先增大后减小的趋势,可能的原因是此时大部分沙土已经液化。

图7 风积沙自由场的加速度时程曲线

风积沙自由场中不同深度处的孔压比时程曲线如图8所示,可以观察到,不同深度处的孔压比随时间变化的规律基本相同。对于某一深度处的孔压比,在输入地震动强度0.1g、0.2g和0.3g后,孔压比首先快速增大,达到峰值后稳定一段时间,接着又开始逐渐减小,主要原因是某一级加速度加载初期土中的水分来不及排出,导致土中超静孔隙水压力急剧增大,随着时间的推移,水分逐渐排出,相应的孔隙水压力逐渐减小。对比3种不同深度处的孔压比,不难看出监测点的埋深越大,测点处的孔压比就越小,主要原因在于上覆土层越厚,测点的总应力越大,这对地震液化具有抑制作用。此外,值得注意的是部分时间段的孔压比出现负值,可能的原因是在地震动作用下风积沙存在剪胀现象。表1为不同地震动工况下风积沙自由场中孔压比达到峰值所需的时间,可以看到,同一地震动加速度条件下,A点达到孔压比峰值所需的时间最短,B点次之,C点达到孔压比峰值所需的时间最长,即测点埋深越大,达到孔压比峰值的时间越滞后。这间接表明风积沙中的液化现象并非同时发生,而是从上到下逐渐发展。

表1 风积沙自由场中达到孔压比峰值所需的时间 s

图8 风积沙自由场的孔压比时程曲线

3 水泥搅拌桩加固地基地震动响应

3.1 地表宏观现象分析

图9为0.1g正弦波、0.2g正弦波和0.3g正弦波振动后模型箱中沙土的俯视图(为节省篇幅,未给出前视图,仅给出俯视图)。可以观察到,当0.1g的地震动输入后,土层中的浸润线略微上升,表层土体基本无沉降;当0.2g的地震动输入后,表层土体出现微小的沉降,浸润线进一步爬升,模型左侧出现轻微的冒水现象;当0.3g的地震动输入后,冒水区域逐渐扩展,土体发生较大沉降。值得注意的是,在0.2g与0.3g地震动后,四桩包围的内部区域冒水量明显小于其外部区域。上述现象间接表明水泥搅拌桩加固地基对其液化具有一定的抑制作用,这种抑制作用随着地震动的增强而逐渐减弱。

图9 水泥搅拌桩加固地基地震动前后俯视

水泥搅拌桩加固风积沙液化地基后的位移时程曲线见图10,可以看到地表沉降随时间呈台阶式递增趋势,这与自由场的时程曲线类似,但沉降量明显小于自由场(图6),这间接说明风积沙液化地基经过水泥搅拌桩处理后提高了其抗液化能力,可以有效地减小风积沙地基液化对工程的危害。此外,数据统计发现在0.1g、0.2g、0.3g地震动下,地表沉降从自由场的20,65,90 mm减小至加固地基的3,41,58 mm,减小幅度分别为85%、37%、35%,这一定程度上反映出水泥搅拌桩抗液化能力与地震动强度呈负相关。

图10 水泥搅拌桩四桩中心表层位移时程曲线

3.2 孔压比响应分析

图11为地震动作用下水泥搅拌桩加固的风积沙液化地基孔压比时程曲线,可以观察到,3个监测点处的孔压比随时间变化的趋势基本一致。与自由场孔压比时程曲线类似,在输入0.1g、0.2g和0.3g的地震动后,孔压比先急剧增大,达到峰值后稳定一段时间,接着又开始缓慢减小,但同一深度处的孔压比明显小于自由场中的孔压比,说明搅拌桩对风积沙地基的液化具有抑制作用。在自由场中,A、B和C点的最大孔压比分别为1.17、0.99、0.75,而在搅拌桩加固地基中,3点的最大孔压比分别为0.88、0.68、0.45,减小幅度分别为24.8%、31.3%、40.0%,这一定程度上反映出搅拌桩抑制液化的效果与深度成正相关。

图11 水泥搅拌桩加固地基孔压比时程曲线

4 结论

本文以拉林铁路沿线风积沙液化地基为工程背景,利用室内振动台模型试验结果,深入分析了研究区风积沙自由场和水泥搅拌桩加固地基的动力响应特征,得到主要结论如下。

(1)当以0.1g地震动强度输入时,地震动在土层中有较为明显的自下而上不断放大的趋势;当以0.2g地震动强度输入时,地震动在土层中没有明显的放大或减小;当以0.3g地震动强度输入时,地震动在土层中从下而上呈现先增大后减小的趋势。

(2)监测点埋深越大,土体达到孔压比峰值所需的时间越长,间接表明研究区风积沙中的液化现象并非同时发生,而是具有明显的时间差,即从地表逐渐向深部土层发展。

(3)输入相同的地震动强度,风积沙自由场的表层沉降量、孔压比较水泥搅拌桩加固地基明显偏大,且后者的地表宏观反应也明显弱于前者,表明水泥搅拌桩对风积沙地基的液化具有较好的抑制作用,这种抑制作用分别与地震动强度和土层的埋深呈负相关和正相关。