高速铁路碎石桩复合地基的分析

图 2 日本神户地 震位移记录
下加固前、 后该点的位移时程曲线。图 3、 4 分别是 碎石桩加固前、 后的地基中心线上深度为 5m 处的 位移时程曲线。碎石桩加固前、 后的地基中心线上 不同深度处的位移峰值见表 1 。
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碎石桩复合地基地震反应分析
结构的地震反应决定于地震动和结构特性 , 特
别是动力特性。结构抗震反应分析的发展可以划分 为静力、 反应谱和动力 3 个阶段。地震动包括振幅、 频率和持时这 3 个要素, 在静力阶段考虑了地震动 过程中高频振动振幅的最大值 , 反应谱阶段考虑了 地震动过程中的振幅和频率 , 动力阶段把地震动持 续时间对结构破坏的影响考虑进来 , 全面考虑了地 震动的振幅、 频率和持时。因此, 本文采用动力时程 反应分析法对碎石桩加固地基进行地震反应分析。 ( 1) 有限元模型: 取天然地基计算土层为两层 , 上层为粉土, 厚 10m , 下层为粉质粘土, 厚 30m, 计算 宽度 100m, 同一层土层参数相 同, 土性各向同性。 碎石桩呈正方形布置, 桩长 10m, 桩径为 0. 5m, 轴向 及横向桩中心距均为 2m 。有限元模型见图 1。
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第一作者通讯地址 : 北京市 复兴路 40 号 铁道建 筑研 究设计 院 218 信箱 邮编 : 100855
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过碎石桩加固之后 , 在地震作用下 , 相同深度的地基 土的位移响应值都有一定的减小, 从而减少了地基 土液化的可能性。 ( 3) 对于碎石桩复合地基 , 碎石桩加固土体中, 埋深较浅处的位移峰值变化量比较大。
参
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考
文
献
3
结
语
周健等 . 土动力学 理论与 计算 . 北京 : 中国建 筑工业 出版社 , 2001. 何广讷 . 振冲 碎石 桩复 合地 基抗液 化的 设计 . 岩 土工 程师 , 2001, 13( 3) . 邱钰等 . 干振碎石桩处理高速公路液化地基效果分析 . 公路交 通科技 , 2000, 17( 4) .
图 4 黄土状 粘性土中夯扩桩 Q- S 曲线
( 4) 冲积成因粘性土中夯扩后桩端土的应力历 史类似于超固结土 , 夯扩桩表现出的承载特性类似 于土层中的大直径扩底桩。
参
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Q- S 曲线前段形态类似于土层中的大直径扩 底桩的 Q - S 曲线, 曲线平缓 , 沉降速度缓慢增长。 Q- S 曲线后 半段与大直径扩底 桩不同, 经 过 某一压力值 P 1 后 , 沉降速 度加大 , 沉降 量迅速 增 加, 但并未陡降。继续加载到 P 2 后, 出现陡降段。 P 1 处对应的沉降值一般在 10mm 左右, 而一般 小直径摩擦桩 Q - S 曲线 陡降处 沉降量 约为 2 ~ 5mm 。说明夯扩后黄土的受力特性发生了改变。 OA B 段曲线类似于超固结土的受压曲线特征 , A 点 P 1 类似前期固结压力水平 , OA 段相当平缓 , 近似直线, A B 段斜率突然加大 , 相当于压力超过前 期固结压力后, 沉降大幅度增加。
通过本文的理论分析和数值计算, 可以得到下 列结论: ( 1) 采用碎石桩复合地基处理高速铁路可液化 土地基是一种经济易行的方法 , 碎石桩复合地基通 过加密效应、 排水减压效应、 应力集中效应和预震效 应, 改善了可液化土层的强度 , 提高了地基的抗液化 性能。 ( 2) 由数值计算的结果可知 , 可液化土地基经
碎石桩复合地基模型可简化为平面问题。单元 均采用二维四节点单元, 采用平面应变模型。考虑土 材料的非线性特点, 采用 Drucker- Prager 弹塑性本 构模型。碎石桩采用线弹性模型, 桩换算为等效方桩 的截面边长为 0. 44m, 垂直于路堤走向的每排桩的桩 数为 12 根。根据结构的对称性, 取一半域进行计算。 ( 2) 选取地震波: 本文选用日本神户地震作为 输入地震动, 来进行复合地基的动力反应分析计算。 地震波采用垂直入射剪切波。采用位移输入 , 日本 神户地震的位移时程曲线见图 2 。 ( 3) 结果分析 : 选取关键点, 得出地震荷载作用 34
考
文
献
中国建筑科学研究 院 . 复 合载体 夯扩桩 设计规 程 ( J G J/ T 135 - 2001) . 北京 : 中国建筑工业出版社 , 2001. 朱英椿 . 夯扩桩施 工的振动 与挤土 效应测 试实例 . 高 层建筑 桩基工程技术 . 北京 . 中国建筑工业出版社 , 1998. 刘金波 , 凌光容 . 夯扩桩的扩大头形成 机理和承载力研 究 . 高 层建筑桩基工程技术 . 北京 . 中国建筑工业出版社 , 1998. 刘学 , 杨小斌 , 等 . 卵石 层中 的复 合载 体夯扩 桩静 载试 验研 究 . 岩土工程技术 , 2002( 3) .
s
的表达式为 :
V 0 为土体的初始体积 , V 0 = L H ; V 也可以 表示为 V = V t 收稿日期
V d-
V s ; 其中 , V t 为投入碎石
s
=
!s 1 = ! e 1 + m( n - 1)
2005- 03- 16
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探讨与分析
GEOTECHNICAL ENGINEERIN G WORLD VOL. 8 No. 9
图3
加固前图1 有限元模型
加固后地基中线 5m 深处位移时程曲线
表 1 加固前后不同深度处的位移 峰值 /mm
深度 / m 加固前 加固后 深度 / m 加固前 加固后 1 67. 3 57. 4 9 59. 1 56. 4 3 66. 5 57. 3 12 55. 7 54. 7 5 64. 8 57. 1 16 51. 8 51. 2 7 62. 3 56. 8 20 47. 0 46. 7
从表 1 可以看出, 天然地基经碎石桩加固后 , 总 的趋势是使位移响应的峰值减小了 , 总的曲线走向 基本未变。但是, 在不同深度处的位移变化量不同, 埋深较小处的位移减少量较大, 变化最大的是埋深
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岩土工程界 第 8 卷 第 9 期
探讨与分析
布特点决定了夯扩体的形状呈扁球形。 ( 2) 夯扩对桩底地基土产生破坏、 重塑、 压密作 用, 桩周地基土形成重塑区、 挤密区、 相对松软区。 ( 3) % 级阶地卵石层中单桩承载力由桩身材料 强度控制 , 破坏模式是桩身材料的破坏 , 工作机理与 一般扩底灌注桩相似。
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第一作者通讯地址 :
深圳市沙头角官下路儒林巷 5 号深圳
市盐田区工程质量监督检验站 邮编 : 581081
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总
结
( 1) 冲积成因地层的初始应力状态和动应力分
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1m 处, 变化量达到 9. 9m m, 然后随着深度的增加 , 变化 量 逐 渐 减 小, 埋 深 为 20m 的 变 化 量 仅 为 0. 3m m 。由比较可知 , 用碎石桩复合地基处理可液 化土层后 , 在地震荷载作用下 , 加固区相同深度处 , 土体的位移明显减少, 从而减小了土层液化的可能 性。
1
碎石桩复合地基抗液化机理
研究表明, 饱和砂土的液化既受内在条件的影
的体积; V d 为地面隆起的体积, V d = L H ; V s 为土颗粒挤入碎石间的体积损失 , V s = V t ; 则有: V = Vt VdVs = e0 - e1 V0 1 + e0
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响, 又受外界因素制约, 因此, 对某一场地土而言, 如 果能改变其内在条件如密实度、 应力状态等, 就有可 能取得满意的抗液化效果。 在地震荷载作用下, 饱和砂土发生液化的根本 原因在于 : 饱和松砂土颗粒骨架疏松, 当受到强烈振 动时, 土体趋向密实 , 体积减小 , 如果充满土孔隙中 的水不能及时排出, 土孔隙无法减小, 体积就不能发 生改变, 土骨架呈松弛状态, 土粒间的有效应力就逐 渐地转移到孔隙水上 , 形成了超静孔隙水压力。随 着振动的持续作用, 土中超孔隙水压力不断地聚集、 提高 , 当其值达到相应的固结压力 , 粒间有效应力为 零时 , 土粒之间就出现了液化现象。因此, 砂土要产 生液化必须具备 3 个条件 , 即疏松饱和、 排水不及时 和强烈振动。 碎石桩复合地基主要通过加密效应、 排水效应、 应力集中效应和预震效应 4 个方面的作用, 直接改 善导致砂土液化的这三个不利因素。 ( 1) 加密效应: 当用碎石桩加固可液化砂土地 基以后, 饱和粉砂地基土的密实度提高 , 产生加密效 应。这种加密效应既包括振冲对砂土地基的振密 , 又包括桩间砂土的挤密。 设可液化土层初始厚度为 H , 土层初始平均孔 隙比为 e0 , 加固后桩间土的孔隙比为 e1 , 则加固后 土层的体积变化量 V 为 V = e0 - e1 0 V 1 + e0
式中
! s 为作用在桩间土上的剪应力; !e 为作用在
复合地基上的总剪应力; m 为碎石桩的面积置换率; n 为桩 - 土应力比。 ( 4) 预震效应 : 碎石桩施工期间的振动作用, 对 可液化地基的土体产生了预震。可液化土体的土粒 骨架一般为稳定性差的结构, 而且比较疏松, 在地震 作用下产生密实趋势 , 形成较强的孔隙水压力 , 预震 后, 土骨架成为稳定性的结构, 减小了震密势 , 提高 了地基的抗液化能力。
岩土工程界 第 8 卷 第 9 期
探讨与分析
高速铁路碎石桩复合地基的分析
程博华
( 铁道建筑研究设计院 ) 摘 要 介绍了碎石桩复合地基在高速铁路可液化地基处理中的应用 , 阐明了碎石桩的抗液化内在机理。 同时 , 通过有限元法对碎石桩复合 地基的 地震响 应进行 了分 析 , 得出地 震作 用下 的位移 时程 曲 线 , 并与加固前的计算结果进行比较。指出了碎石桩加固技 术在高速铁路地基中应用的可行性。 关键词 碎石桩 复合地基 高速铁路 地震反应分析
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(1- )V t - L2 H 2 L H 这就是桩间土加密效果的计算公式。 e1 值越小, 求得 : e1 = e 0 - ( 1 + e0 ) 表示加密效果越好 , 桩间土越密实。 据我国对地震区的广泛调查和室内试验, 当地 震烈度为 ! 、 ∀、 # 度, 砂 土的 相对 密度 分别 达到 55% 、 70% 和 80% 以上时 , 砂土不会发生液化。 ( 2) 排水效应 : 碎石桩体的排水效应抑制了动 荷载作用下桩间土内孔压的上升。复合地基中的碎 石桩可以在土层中形成良好的排水通道 , 加速超孔 隙水压力的消散, 增强土体抗剪强度。在地震力作 用下 , 孔隙水压力不易积累增长, 土层就不易发生液 化。日本柳堀义彦等人进行的振动液化试验表明, 当给定的振动加速度为 2. 5m ∃ s- 2 时, 原状砂的抗 液化临界相对密 度为 66% , 而 设置了 砾石排 水桩 ( 置换率为 17% ) 的复合地基抗液化临界相对密度 仅需 46% , 仅为没有设置排水桩时砂层液化临界相 对密度的 70% 。 ( 3) 应力集中效应: 在复合地基中 , 碎石桩体的 刚度远大于桩间土的刚度, 在地震荷载作用下, 地震 应力按它们各自的刚度分配, 桩体可以分担大部分 的剪应力 , 桩间土上的应力大为减小了 , 削弱了作用 于土体的液化驱动力, 起到了减震效应。这样就减 小了产生土体液化的超孔隙水压力 , 因碎石桩而使 作用于土体应力分散的分散系数