高速鐵路飽和粉土液化地基抗震加固試驗研究.pdf

1、我國是地震多發(fā)國家，歷史上發(fā)生六級以上地震的地震帶多達23個，其中五個地震帶非常活躍，這五個地震帶正在進入活躍期，其分布區(qū)域遍及我國的東北、華北、青藏高原南部和西南地區(qū)。大量的宏觀震害調(diào)查表明：在液化區(qū)內(nèi)，地基土的地震液化是引起上部結(jié)構(gòu)物及構(gòu)造物破壞的主要原因之一，由于直接振動而引起的結(jié)構(gòu)震害則很少，甚至沒有。因此，液化造成災害的嚴重性很早就得到了人們的關(guān)注。
　　京滬通道是維系我國國民經(jīng)濟發(fā)展的大動脈，是連接京津地區(qū)和長江三角洲

2、兩大經(jīng)濟區(qū)的樞紐，京滬地區(qū)GDP占全國總量的40％，沿線人口占全國人口1/4以上。建設京滬高速鐵路對緩解既有京滬鐵路運力長期嚴重緊張局面，形成我國鐵路客運專線網(wǎng)，促進我國經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要意義。
　　從京滬高速鐵路地層勘查結(jié)果看出，該線路須經(jīng)過大面積液化土區(qū)域，且這些區(qū)域位于7～9度高烈度區(qū)，在地震作用下均可能發(fā)生液化。根據(jù)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設計原則，為防止因地震引起的地基土液化、路基破壞和沉降，導致列車長期中斷

3、運行，有必要對高速鐵路液化土地基抗震加固技術(shù)進行深入的研究。
　　本文結(jié)合京滬高速鐵路的建設，開展了對飽和粉土地基這一類可液化土地基在地震作用下的動力特性研究，提出了一種新型液化土地基一路基抗震加固結(jié)構(gòu)，使用了碎石樁樁網(wǎng)加固工法和CFG樁樁網(wǎng)加固工法對高速鐵路飽和粉土液化地基進行了初步設計，并通過室內(nèi)動三軸試驗、大比例模型振動臺試驗以及數(shù)值模擬等方法，對加固前后的飽和粉土地基動力特性和地基路基整體抗震穩(wěn)定性進行了深入的研究，得出了

4、以下結(jié)論：
　　(1)通過三軸剪切試驗研究了飽和粉土加固前后的靜力強度和應力應變特性，試驗結(jié)果表明：
　　①加固前(干密度1.46g/cm3，下同)的飽和粉土應力應變曲線呈典型應變硬化性曲線，而加固后(干密度1.586g/cm3，下同)的飽和粉土應力應變曲線呈軟化型特征；
　?、陲柡头弁恋目辜魪姸入S圍壓的增加而增大，且加固后的飽和粉土各項強度指標均較加固前有所提高，說明固結(jié)圍壓和密實度對于提高飽和粉土的抗剪切變形能力作

5、用顯著。
　　(2)通過循環(huán)振動三軸剪切試驗，研究了高速鐵路飽和粉土液化地基加固前后的液化動力特性，試驗結(jié)果表明：
　　①飽和粉土動強度和液化強度隨圍壓的增加而增大，隨循環(huán)震次的增加而減小，加固后飽和粉土的動強度和液化強度高于加固前，且圍壓越低，動強度和液化強度提高幅度越大，圍壓分別為50kPa、100kPa和150kPa時，加固后的飽和粉土動強度和液化強度分別提高了約5倍、3倍和2倍；
　?、陲柡头弁羷蛹魬Ρ入S循環(huán)

6、震次的增加而減小，加固后的飽和粉土動剪應力比大于加固前動剪應力比，所不同的是，加固前飽和粉土動剪應力比隨圍壓的增加而增大，而加固后飽和粉土的動剪應力比卻隨圍壓的增加而減小，且圍壓越低，動剪應力比提高幅度越大；
　?、埏柡头弁恋恼駝涌讐喊l(fā)展規(guī)律與初始固結(jié)圍壓無關(guān)；加固前飽和粉土孔壓發(fā)展規(guī)律與砂土液化孔壓發(fā)展規(guī)律比較一致，即在振動液化前期，大約占完全液化時間的800％的時間段內(nèi)，孔壓發(fā)展相對比較平緩，而在后期剩余的200％的時間段內(nèi)，

7、孔壓迅速上升，并最終達到完全液化；加固后的飽和粉土孔壓發(fā)展規(guī)律則完全不同，其在振動初期僅占完全液化時間的不到1/20的時間段內(nèi)，孔壓比迅速上升至0.6，而在隨后的時間段內(nèi)，孔壓發(fā)展緩慢，整個孔壓發(fā)展過程符合典型的冪指數(shù)發(fā)展規(guī)律；
　　④飽和粉土的動剪模量隨動剪應變的增加而減小，動剪模量與動剪應變均呈雙曲線關(guān)系，加固后飽和粉土的動剪模量大于加固前的動剪模量，并且動剪應變越小，動剪模量的提高幅度越大，當動剪應變大于10-2量級時，加固

8、前后飽和粉土的動剪模量逐漸趨于一致；
　?、蒿柡头弁磷枘岜入S其動剪應變的增大而增大，阻尼比與動剪應變符合雙曲線模型，加固后的飽和粉土阻尼比要小于加固前的阻尼比，且動剪應變越大，阻尼比減小幅度越大。
　　(3)針對飽和粉土這一類可液化地基，提出了一種新型液化土地基一路基抗震加固結(jié)構(gòu)，通過大比例模型振動臺試驗進行了加固效果的驗證，申請并獲得了相關(guān)專利。該結(jié)構(gòu)包括加固樁、水泥級配碎石加筋墊層和加筋土路堤三部分，整體結(jié)構(gòu)使得樁.水泥

9、級配碎石加筋墊層結(jié)構(gòu)地基與加筋路堤本體聯(lián)結(jié)成一個相互作用的有機整體，增加了地震時地基-水泥級配碎石加筋墊層-路基的變形協(xié)調(diào)性，大大提高了地基路基的整體抗震性能；參照上述加固結(jié)構(gòu)，以沉降變形為控制原則，分別采用了碎石樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)和CFG樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)兩種加固形式對京滬高鐵飽和粉土液化地基進行了初步設計。
　　(4)通過大比例模型振動臺試驗，首次對高速鐵路飽和粉土液化地基加固前后的響應加速度、超靜孔壓、剪切變形、墊層和路堤土工格柵應變、地基

10、路基沉降變形和地基內(nèi)部液化流動等方面進行了綜合分析與驗證，試驗結(jié)果表明：
　　①對于同一測點來說，當加載加速度增大時，其響應加速度也隨之增大；當加載加速度逐漸增大到一定值時，地基中同一豎直線上各測點的響應加速度隨距離振動臺臺面高度的增加而增大，在黏土層中，響應加速度幾乎與臺面加速度相當或者增加很小，但在粉土層中，響應加速度的增加速率很快，說明粉土液化對響應加速度起到了放大作用，但黏土層卻對此幾乎沒有影響；
　?、谖醇庸痰鼗?/p>

11、響應加速度放大系數(shù)分布云圖在兩側(cè)路肩之間的地基路基范圍內(nèi)(Ⅰ區(qū))呈現(xiàn)上凸狀，并且隨加載加速度的增加，上凸愈加明顯，尤其是路堤部分放大系數(shù)云圖更是呈尖凸狀，在兩側(cè)邊坡覆蓋范圍內(nèi)(Ⅱ區(qū))響應加速度放大系數(shù)分布云圖基本呈水平狀；而加固后的地基，響應加速度放大系數(shù)分布云圖在Ⅰ區(qū)基本呈現(xiàn)水平狀或微凸狀分布，在Ⅱ區(qū)呈衰減型趨勢。這說明加固措施的使用，提高地基路基的整體剛度的一致性，明顯減小了路基中心與兩側(cè)路肩之間地基路基(Ⅰ區(qū))的響應加速度差異，使

12、得地基路基的動力響應趨于均衡，增加了其整體的抗震性能；
　?、畚醇庸痰鼗虲FG樁樁網(wǎng)加固地基的響應加速度放大倍率隨加載加速度的增大而先增大后減小直至趨于穩(wěn)定，而碎石樁樁網(wǎng)加固地基卻表現(xiàn)出與之不同的結(jié)果，其響應加速度放大倍率始終隨加載加速度的增大而增大；在加載加速度不超過某個定值時，加固后的地基響應加速度倍率明顯減小，且碎石樁樁網(wǎng)加固地基減小更為明顯，說明碎石樁樁網(wǎng)加固地基更能有效抑制飽和粉土地基的加速度放大效應，提高地基的抗震性

13、能；但當加載加速度超出這個定值時，碎石樁樁網(wǎng)加固地基的抗震效果卻反而不及未加固地基，而CFG樁樁網(wǎng)加固地基對飽和粉土地基加速度放大的抑制作用依然優(yōu)于未加固地基；
　?、芡回Q直線上不同埋設深度處的超靜孔壓隨埋設深度的增加而增大，同一水平線上不同位置處的超靜孔壓隨距離路基中心水平距離的增大而減?。浑S著加載加速度的增加，地基中各點的超靜孔壓先逐漸增大到某一峰值孔壓，然后隨加載加速度的增加稍稍減小并趨于穩(wěn)定，未加固地基、碎石樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)加

14、固地基和CFG樁樁網(wǎng)加固地基達到超靜孔壓峰值所對應的加載加速度分別為0.283g、0.252g和0.161g，相同位置處的超靜孔壓峰值以未加固地基為最大，碎石樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)次之，CFG樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)最小，這同時也反映了地基土所承受的上覆有效應力以未加固地基為最大，碎石樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)次之，CFG樁樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)最??；
　?、萑N類型地基中黏土層的累積側(cè)向剪切位移在各次加載時均處于較小水平，幾乎不發(fā)生剪切變形。在加載加速度較小，不足以引起地基液化時，粉

15、土層的累積側(cè)向位移也幾乎為零，但當加載加速度足以引起地基液化時，三種類型地基的粉土層累積側(cè)向剪切位移均隨距離臺面高度的增大而大幅增加；三種類型地基最大剪切位移均隨加載加速度的增大而增加；在加載加速度不大于約0.36g時，碎石樁樁網(wǎng)加固地基的最大剪切位移均小于其他兩種類型地基，其抗剪切變形能力最強，CFG樁樁網(wǎng)加固地基次之，未加固地基的抗剪切變形能力最差；當加載加速大于0.36g時，加固處理后的地基最大剪切位移仍小于未加固地基，但碎石樁樁

16、網(wǎng)地基的抗剪切變形能力卻要弱于CFG樁樁網(wǎng)加固地基；
　?、迚|層土工格柵最大應變隨加載加速度的增加而先增大后逐漸趨于穩(wěn)定，在各次加載時，未加固地基和CFG樁樁網(wǎng)加固地基墊層土工格柵最大應變均表現(xiàn)出中間大兩側(cè)小的特性，而碎石樁樁網(wǎng)加固地基墊層土工格柵最大應變分布則表現(xiàn)出中間小兩側(cè)大的特性，且分布最為均勻，未加固地基墊層土工格柵兩側(cè)應變差異最大；
　?、呶醇庸痰鼗退槭瘶稑毒W(wǎng)加固地基的路堤邊坡中距離加筋墊層最近的一層土工格柵應變

17、隨加載加速度的變化趨勢大致與加筋墊層土工格柵隨加載加速度的變化趨勢一致，但其應變絕對值與加筋墊層的格柵應變相比卻很小，除此之外，邊坡內(nèi)其他各層土工格柵基本沒有變形；對于CFG樁樁網(wǎng)加固地基，路堤邊坡各層土工格柵的應變隨加載加速度的變化均與加筋墊層土工格柵的應變發(fā)展規(guī)律十分相似，最大應變也與加筋墊層格柵應變相差不大，但各層格柵的應變大小卻沒有規(guī)律。
　?、嚯S加載加速度的增大，路堤累積變形越來越大，未加固地基的路堤沉降、坡腳水平位移和

18、豎向隆起最大，而加固地基的路堤累積變形明顯減小，其中，碎石樁樁網(wǎng)加固地基的路堤變形最小；
　　⑨對比三種類型地基加載結(jié)束后的最終累積沉降，未加固地基的最終累積沉降和差異沉降最大，CFG樁樁網(wǎng)加固地基次之，碎石樁樁網(wǎng)加固地基最??；
　?、鈱Ρ热N類型地基內(nèi)部液化流動情況，未加固地基除坡腳處發(fā)生上浮外，其他各處均有不同程度的下沉；加固后的地基淺層均有不同程度的下沉，地基深層則出現(xiàn)上浮，且同一水平位置的各浮球位移差異不大；對比加固

19、后地基內(nèi)部浮球位移情況，碎石樁樁網(wǎng)加固地基淺層沉降更小，且比較均勻，深層地基不同深度處樁間土上浮位移量差異最??；
　　(5)引入太沙基固結(jié)理論和砂井地基固結(jié)Barran解，結(jié)合循環(huán)振動三軸剪切試驗所得到的液化動力特性和孔壓增長曲線，首次推導了碎石樁樁網(wǎng)加固地基在地震作用下的孔壓發(fā)展和消散的半解析解，計算結(jié)果與振動臺試驗結(jié)果一致性較好。
　　(6)采用有限元軟件分析計算了加固前后地基液化區(qū)域的擴展及其抗震穩(wěn)定性，結(jié)果表明：

20、r>　　①在相同級別輸入加速度時，加固后的地基液化區(qū)域面積較加固前的地基液化區(qū)域面積明顯減小，同等情況下，碎石樁樁網(wǎng)加固地基的液化區(qū)域面積最小，CFG樁樁網(wǎng)加固地基次之；
　　②三種類型地基路基的抗震穩(wěn)定性最小安全系數(shù)均隨輸入加速度的增加而減?。晃醇庸痰鼗恼w抗震穩(wěn)定性最小安全系數(shù)在各級輸入加速度下均小于1.0，而加固后的地基整體抗震穩(wěn)定性大幅度提高，在各級輸入加速度下其最小安全系數(shù)均大于1.5，尤其是CFG樁樁網(wǎng)加固地基的抗震