水泥土桩复合地基的抗液化研究

杨庆陶

饱和松散砂土在地震力作用下，将发生体积的收缩而趋于密实，导致孔隙水压力来不及消散而急剧上升，地基的有效应力降低，当有效应力降低为零时地基完全液化，丧失承载力。我国的邢台、海城和唐山地震，美国的阿拉斯加和日本的新泻地震都引起了液化现象，给建筑物造成极大的破坏。碎石桩是目前工程界普遍采用的抗液化地基加固方法。水泥土桩是一种应用广泛的加固软土的处理措施，用水泥土桩加固液化砂土，目前被一些实际工程所采用，但设计、施工及液化判别还未得到普遍认同，而且对水泥土桩加固可液化砂土的研究很少。本文通过振动台模型试验对未加固地基和水泥土桩加固地基进行了较系统的研究［1，2］。

1 水泥土桩复合地基的抗液化机理

现有的研究表明，水泥土桩加固可液化地基的作用主要表现在以下三个方面:1)挤密作用;2)改变桩周土强度作用;3)桩体的减震作用［3-6］。

1)挤密作用。水泥土搅拌桩在喷粉(浆)、搅拌成桩过程中，水泥、水和土经过一系列的物理化学作用而固结体积膨胀，对桩间土有一定程度挤密，施工机械振动时对土有一定的挤密作用。但水泥土搅拌桩的挤密作用远小于碎石桩等传统挤密桩的挤密效应。2)改变桩周土强度作用。水泥土桩施工时在桩周土中产生超静孔压，随着超静孔压的消散，土体固结，桩周土强度提高;其次，由于高压喷粉(浆)和搅拌头作用，在桩周土中产生劈裂效应，部分水泥粉(浆)会沿着裂隙渗入桩周土，水泥、水和土发生一系列的物理化学反应，桩间土胶结固化，从而在一定程度上增加局部桩周土的强度。3)桩体的减震作用。由于水泥土桩复合地基中桩体的刚度远大于桩间天然土体，因此在桩体上产生应力集中现象，大部分地震荷载将由桩体承担，桩间土应力相对减少。同时桩体的存在对桩间土起着侧向限制、约束作用，阻止桩间土的侧向变形并提高其强度。这就改变了液化地基中的应力—应变条件，提高了地基土体的抗剪强度。

2 振动台模型箱试验设计

2． 1 试验设备

本次试验使用苏州实验仪器厂生产的ZS-20D超低频电动振动试验台，振动台水平承重能力50 kg，台面尺寸为45 mm×60 mm。本次试验箱体采用有机玻璃制作，质量密度1．21 g/cm3。模型箱壁厚1 cm，各面板用三氯甲烷牢固粘结，并作加筋处理。箱体内部尺寸为25 cm×20 cm×40 cm(长×宽×高)。另外，在箱体四个侧壁的横纵方向上控制间隔5 cm均匀钻孔，孔径1 mm，满足箱内模型土体在自重作用下固结及振动过程中的排水条件，箱体用螺丝固定在振动台上。

2． 2 模型参数的确定

试验采用均质饱和砂土，模型箱装土高度35 cm，模拟地表下7 m内砂土层的液化性能，模型桩直径D=25 mm，模拟实际桩径500 mm，根据未加固地基土应满足的近似相似关系，选用的相似律为(所有比值均为模型的值与原型对应值的比):

高度比(几何比):kx=1/20;时间比:kt=1/9．46。

加速度比:ka=4．47;频率比:ωm=9．46。

考虑8度抗震设防烈度的要求，模拟加速度0．12g，振动时间为1 min左右。按上述相似律，振动台输出加速度幅值为0．6g，持续时间压缩为6．3 s(取7 s)，振动台输出频率为9．46 Hz，由正弦波加速度公式a=4π2f2A，求得振幅A=1．49 mm。考虑振动台手动调幅，无法在短时间内达到所要求值，需要5 s才能达到0．6g加速度，所以总振动时间为12 s。

2． 3 模型试验方案

本次试验控制加固前模型土干密度1．45 g/cm3，试验分组原则:1)先进行一组未加固模型土试验，为加固土模型试验提供对比资料;2)采用水泥土桩加固的模型地基试验，研究水泥土桩的抗液化特性。箱内采用正方形布桩，桩距取2．5倍桩径，桩长取12倍桩径。考虑模型箱尺寸的限制均采用6根桩加固模型地基，具体布桩见图1。

图1 桩体位置与布桩方式

2． 4 孔隙水压力传感器的布置

试验所用孔隙水压力传感器为丹东市三达仪器厂生产的DYS-1型电阻应变式传感器。为了测量距砂土地基的孔隙水压力，选择把孔压计镶嵌固定到箱壁上，这样既避免了孔压计线的影响，也避免了孔压计位置的移动，孔压计距箱沿的高度分别为15 cm，25 cm和35 cm，分别测量距砂土表面10 cm，20 cm和30 cm处的孔隙水压力。

3 试验结果及结语

图2 未加固地基孔压比时程曲线

图3 水泥土桩加固地基孔压比时程曲线

从图2和图3中我们可以看出:10 cm处未加固地基的孔压比为1．4，水泥土桩加固地基的孔压比为0．73，20 cm处未加固地基的孔压比为1．4，水泥土桩加固地基的孔压比为0．82，30 cm处未加固地基的孔压比为1．32，水泥土桩加固地基的孔压比为1．02。

与未加固地基相比，水泥土桩加固后的地基浅中深层液化程度都有一定的降低，尤其是地基浅中层的砂土液化程度大幅降低，深层虽有一些降低但是已经完全液化了，孔压比值为1．02。说明水泥土桩抗液化能力主要体现在中浅层。碎石桩复合地基作为抗液化的加固措施也被工程界普遍论证，水泥土桩和碎石桩联合应用的复合地基抗液化效果是下阶段我们研究的重点。

［1］ 阎明礼．地基处理技术［M］．北京:中国环境科学出版社，1996．

［2］ 杨庆陶，魏剑伟，牛琪瑛．碎石桩复合地基的抗液化研究［A］．第16届全国结构工程学术会议论文集［C］．2007:368-372．

［3］ 高贵才，申京涛．粉喷桩对桩间土性状的影响［J］．岩土力学，1996，17(2):70-75．

［4］ Shui-long Shen．Behavior of deep mixing columns in soft clay ground［D］．Saga University(in Japanese)，1998．

［5］ 程礼来，郜云峰，苗先文，等．水泥粉体深层喷射搅拌桩复合地基处理及其效果［J］．河南地质，1998，16(1):45-52．

［6］ 章定文，刘松玉．水泥土桩复合地基动力效应研究进展［J］．地震工程与工程振动，2006，26(2):149-155．