基于振動臺試驗對不同樁體加固的液化土橫向動力特性試驗研究方案

1、基于振動臺試驗對不同樁體加固的液化土橫向動力特性試驗研究方案1 試驗?zāi)康纳巴烈夯瘑栴}一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點，這一問題直接關(guān)系到我們生產(chǎn)生活的諸多領(lǐng)域，比如民用建筑，工業(yè)建筑，水利工程，道路工程，橋梁工程等等均涉及到可液化地基的處理。因此，進一步研究砂土液化機理，進而尋求更有效的處理方法一直是很多學(xué)者追求的目標。從目前的研究成果來看，碎石樁加固法仍然是處理可液化地基最有效的方法，由于其有效的排水效果與擠密作用，而且施工簡單方便，造價低廉，被工程界所認可；但是碎石樁加固方式在提高地基承載力方面還有欠缺。水泥土樁多用于處理軟土地基，由于其能夠有效地提高地基承載力和減少地基不均勻沉降，實際工程中也

2、有用來加固液化土地基，但加固機理的研究比較少?；谒槭瘶逗退嗤翗陡髯跃哂械膬?yōu)點，考慮將這兩種樁體結(jié)合，各自發(fā)揮其優(yōu)勢，以便更好地提高地基的抗液化能力。為進一步研究這兩種樁體的加固機理，本文從液化土加固地基模型的橫向動力響應(yīng)方面入手，設(shè)置六組模型，分別對它們進行振動臺試驗，得出各組模型在振動過程中的孔隙水壓力、土壓力以及土層加速度時程曲線，分析它們的變化規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系，為實際工程的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。2 試驗設(shè)備概述 本次運用振動臺進行試驗，設(shè)置六組模型，即未加固地基、單根碎石樁加固地基、單根水泥土樁加固地基、四根碎石樁加固地基、四根水泥土樁加固地基、碎石樁與水泥土樁復(fù)合加固地基，在試驗過程中

3、分別記錄其振動過程中的宏觀現(xiàn)象并采集其試驗數(shù)據(jù)，然后對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、對比和分析，探討液化土在不同加固方式下、不同埋深處的孔隙水壓力、土壓力以及土層加速度的變化規(guī)律，主要工作及研究內(nèi)容包括：（1） 試驗用砂的選用及處理；（2） 振動臺設(shè)備與數(shù)據(jù)采集設(shè)備的操作學(xué)習(xí)，地震波的輸入；（3） 試驗方案及參數(shù)設(shè)計，包括試驗時砂土的干密度，飽和度，樁體長度，樁間距等。（4） 模型箱的制作，注意邊界條件的處理方法以及裝土方法；（5） 傳感器的選用及布置；（6） 水泥土樁的制作，包括模具制作，配合比設(shè)計，養(yǎng)護條件等；（7） 碎石樁的制作，包括顆粒級配，制作方法；（8） 試驗所用六組加固地基模型的制作，分別為

4、未加固模型、單根碎石樁加固模型、單根水泥土樁加固模型、四根碎石樁加固模型、四根水泥土樁加固模型和碎石樁與水泥土樁復(fù)合加固模型；（9） 分別記錄各組模型在振動過程中的宏觀現(xiàn)象，并采集不同加固方式下、不同埋深處的孔隙水壓力、土壓力以及土層加速度的試驗數(shù)據(jù)；（10） 通過對試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計、整理及對比分析，探討液化土地基在不同加固方式下、不同埋深處的孔隙水壓力、土壓力以及土層加速度的變化規(guī)律，進一步揭示其液化土不同加固模式的效果及加固機理。2.1 振動臺試驗?zāi)Ｐ团c參數(shù)設(shè)計2.1.1未加固地基模型的近似相似關(guān)系的確定因受試驗條件的限制，本次試驗輸入單向水平地震動力，此時可以考慮為近似的平面應(yīng)變問題，在不考

5、慮阻尼的情況下，可以認為土體在做一維純剪切運動，剪切運動方程如下：式中： 材料容重；G 剪切模量；u 位移；a 加速度；t 時間 假設(shè)原型與模型各變量之比為：式中：下標原型物理量；下標 m模型物理量。 則原型與模型的運動方程分別為：原型與模型變量的比值，用模型及其變量和比值將原型替換，得到如下公式：由于需滿足原型與模型相似這一條件，可以得到如下關(guān)系式：如果要考慮彈性變形的話，那么，土體剪切模量與其上覆有效平均正應(yīng)力應(yīng)有如下關(guān)系：上式中 n1取值 1/2，則可得：因為現(xiàn)有試驗條件受到了限制，無法找到與原有土體相同的模擬材料來進行，所以可取：最后，可得到模型與原型的頻率關(guān)系，即：需要注意的是，上述

6、推導(dǎo)過程沒有考慮的因素是：土體的豎向運動，土體的豎向應(yīng)力變化情況以及土體的非線性，因此本試驗只能按照近似半定性的關(guān)系進行。2.1.2地震模擬信號的確定為了使模型試驗?zāi)軌蚺c原型盡可能吻合，保證試驗結(jié)果的精確性和可靠性，在確定地震模擬信號時一定要慎重；如果輸入的地震模擬信號選取不合適，必然影響最終的試驗結(jié)果，當(dāng)與實際情況作比較時，有可能出現(xiàn)誤差大的情況甚至可能會得到不正確的結(jié)論，以至于影響我們對試驗結(jié)果的判斷與分析，以及對實際情況產(chǎn)生不正確的認識。 確定地震模擬信號，首先要明確需要考慮的因素，比如當(dāng)?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度，場地類別以及地震加速度等。實際地震過程中，由于各地區(qū)環(huán)境條件、地質(zhì)條件均復(fù)雜多變，

7、影響因素多而復(fù)雜，相應(yīng)的地震時程曲線就很復(fù)雜，很難直接得到場地基巖的地震加速度時程曲線。但是，其時程曲線可以通過三個主要參數(shù)來表示，即主要周期、震動歷時和最大加速度。另外，根據(jù)現(xiàn)有資料和經(jīng)驗公式，也可以對具有相似地質(zhì)條件的場地基巖的加速度時程曲線進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，進而推導(dǎo)出該場地的設(shè)計地震加速度時程曲線。本試驗輸入單向水平地震動力，采用具體參數(shù)取值為：地震動時程最大幅值取為0.12g，卓越頻率取在1Hz左右。2.1.3試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)計算本次試驗用土取自太原市某工程場地液化砂土，由地下水位埋深確定是飽和砂土；模型箱設(shè)計的裝土高度為480mm，用以模擬地表下 8.64m 內(nèi)的砂土液化土層；試驗用模型樁

8、的設(shè)計直徑為 35mm，用以模擬實際樁徑為 630mm 的樁體。取相似幾何比 Kx=1:18，將其代入上述兩式，可得：相似時間比：Kt=8.74；相似加速度比：Ka=14.24； 頻率：m=8.74； 將原型的地震波加速度幅值除以其相似加速度比，得到振動臺輸出加速度幅值為0.5088g，設(shè)定為 0.51g；將原型的持續(xù)時間除以相應(yīng)的相似比，得到振動持續(xù)時間為6.864s，根據(jù)振動臺在工作時點擊振動開始 8s 后振動臺的加速度峰值才能達到設(shè)定的峰值 0.51g，將振動時間設(shè)定為 16s，由于振動時間比較短，無法更清晰地了解液化土在振動過程中的宏觀現(xiàn)象以及各個參數(shù)的變化情況，再次將振動時間設(shè)定為

9、60s；上述已經(jīng)計算得模型頻率為 8.74Hz，故將振動臺輸出頻率調(diào)整為 8.74Hz。如下表所示：參數(shù)原型值相似比調(diào)整輸出值設(shè)定值加速度0.12g1：4.240.5088g0.51g持續(xù)時間60s8.746.864s16s頻率1Hz8.748.74Hz8.74Hz2.2傳感器本次試驗所用三種類型傳感器，即孔隙水壓力計，土壓力盒和加速度傳感器。 孔隙水壓力計。為保證試驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，同時也為了保護孔隙水壓力計不受損害，延長其使用壽命，傳感器在使用時要注意，砂土中的細小顆粒容易將傳感器的孔隙水通道堵塞，以致出現(xiàn)測量偏差或損壞傳感器，需要在使用前用單層紗布將傳感器包裹起來，以保證其正常工作

10、。之后再將其放入清水中靜置 24 小時，以趕出其中的氣泡，使得測量數(shù)據(jù)更加準確可靠。 土壓力盒。由于土壓力盒防水性能不好，需要使用之前，在其表面均勻涂抹一層較薄的防水膠，涂抹至連接線 23cm 處，待晾干后再使用，確保試驗過程中水分不易滲入傳感器，影響試驗的準確性。加速度傳感器能直接連接記錄與顯示儀，簡化了測試系統(tǒng)，提高了測試的精度，具有低阻抗輸出、抗干擾、噪聲小、性價比高等特點。3 試驗材料與模型制備3.1 試驗用砂3.1.1 模型試驗裝箱土體本次試驗所用土體取自福州某工地施工現(xiàn)場，所取土為可液化土-細砂。取的土體含有較大的粗顆粒及雜質(zhì)，需對其進行處理。首先將土體進行晾曬，然后用孔徑為 2m

11、m 的土工篩篩除其中的粗顆粒及雜質(zhì)，再將土體反復(fù)攪拌，保證試驗所用土體的均勻性，從而保證試驗的科學(xué)性和可靠性。3.1.2 碎石樁體材料碎石樁樁體材料取自太原市汾河柴村橋附近的河漫灘。為保證試驗的準確度和可靠度，首先將取得的碎石進行雜質(zhì)處理，即將碎石中的樹葉、枯草、垃圾等撿出來；然后用清水對碎石清洗，將其中的泥土清洗干凈；最后用土工篩對其進行篩選，具體做法是用孔徑為 5mm 與 1mm 的土工篩篩選出孔徑 1mm 至 5mm 之間的碎石，并將其妥善保存起來，留待制作碎石樁時使用。3.2 模型箱制作3.2.1 模型箱類型天然地基是沒有邊界限制的，這是模型試驗所無法模擬的。為了盡可能使模型與原型相似

12、，對模型箱的制作提出了幾個關(guān)鍵性的要求：首先，模型箱要有足夠的強度和剛度，保證模型箱在振動過程中以及在土體側(cè)向壓力的作用下不至于發(fā)生剪切破壞；其次，模型箱與土體在振動過程中可能發(fā)生共振現(xiàn)象，應(yīng)該避免這種情況的發(fā)生，以免模型箱發(fā)生破壞，同時也避免影響試驗結(jié)果；此外，在試驗過程中，模型箱中的土體會受到箱壁的約束，其變形受到限制，同時，波的反射和散射都會對試驗產(chǎn)生一定的影響，這就是“模型箱效應(yīng)”，在制作過程中要最大限度地減小這種效應(yīng)的影響；另外，要正確模擬土的剪切變形。3.2.2 模型箱制作本次試驗采用的模型箱屬剛性模型土箱，由劉建君師兄制作。該模型箱的斷面形狀為矩形，材料選用有機玻璃，箱體外邊緣尺

13、寸為 540mm400mm750mm，有機玻璃壁厚 1cm，質(zhì)量密度為 1.21g/cm3，制作時先將有機玻璃用防水強力膠粘結(jié)起來，為了保證模型箱在振動過程中有足夠的強度和剛度，在模型箱箱體周圍做套箍加筋處理。同時，考慮到箱內(nèi)土體靜置排水與土體飽和以及在振動過程中的排水條件，故在箱體兩個縱向側(cè)壁上沿著底邊向上每隔 50mm 鉆直徑為3mm 的孔洞，并用一根棉線穿過孔洞用以引導(dǎo)水流，并在模型箱下部兩側(cè)各設(shè)置一個引流槽，防止水流到振動臺。另外，為避免棉線順水脫落，須將在箱內(nèi)的棉線部分打結(jié)，另一端自然垂于引水槽上。模型箱制作好之后，將土工布粘貼在模型箱底部來增大土體與模型箱底面的摩擦，防止振動過程中

14、底板與土體發(fā)生相對滑移。最后用螺絲將模型箱固定在水平滑臺上。3.2.3 模型箱邊界處理剛性模型箱由于其邊界剛度比較大，不僅對入射波的反射較強，也對試驗結(jié)果的影響較大。為了減小剛性模型箱在試驗過程產(chǎn)生的振動過程中由剛性邊界產(chǎn)生的反射波。同時，需要注意的是，柔性材料的粘貼數(shù)量要合適，如果柔性材料粘貼過多，則導(dǎo)致模型箱邊界過于柔軟，模型箱內(nèi)土體可能會發(fā)生彎曲變形，如果柔性材料粘貼過少，則達不到消除“模型箱效應(yīng)”的目的。本次試驗擬采用泡沫墊層作為柔性材料來消減“模型箱效應(yīng)”，具體在粘貼時注意將其折疊為兩層并粘貼在模型箱振動方向的兩個內(nèi)壁上。3.3 試驗用樁制備本次試驗加固液化土的兩種類型樁為水泥土樁與

15、碎石樁，下面具體介紹樁體的制備方法。3.3.1 水泥土樁制備 水泥土樁的制作工藝比較復(fù)雜，為保證試驗的順利進行，需提前做好試驗用水泥土樁。模型樁制作時用到的模具比較多，PVC管材是最常用到的模具?？紤]到水泥土的強度不是很大，在拆模的過程中很容易發(fā)生折斷現(xiàn)象，而且 PVC 管材與水泥土樁易粘結(jié)造成拆模比較困難，參考劉建君制作水泥土樁的經(jīng)驗，預(yù)先在牛皮紙上粘貼一層玻璃貼紙，再將其卷成直筒，這樣一來，水泥土樁在拆模時就比較方便，玻璃貼紙起到了防水、不破漏的作用。同時，為避免發(fā)生鼓脹、“大肚子”現(xiàn)象，外套用 PVC 管材。水泥土樁主要材料水泥、砂土和水。水泥的類型選用普通硅酸鹽水泥，標號為42.5R。

16、砂土選用試驗用砂。參考實際工程，制作水泥土樁的水泥摻入量為 15%時效果較好，故本次試驗選用15%的水泥摻入量。根據(jù)建筑地基處理技術(shù)規(guī)范（JGJ79-2002），當(dāng)用水泥漿作固化劑時，水灰比宜為 0.450.55，本次試驗取水灰比為 0.5。具體的制作過程如下： （1）選用比設(shè)計樁徑較大規(guī)格的 PVC 管材，用游標卡尺測得 PVC 管材的內(nèi)徑，管材內(nèi)徑與樁體設(shè)計直徑之間的差值可以用牛皮紙筒的厚度來補充，并根據(jù)這一差值確定所需牛皮紙的層數(shù)（注：牛皮紙要事先粘貼一層玻璃貼紙）；（2）按照樁的設(shè)計長度（樁長為 420mm）將 PVC 管材切割成一段段的圓管，然后沿著管材的直徑方向?qū)⑵湟粋?cè)全部切開，另

17、一側(cè)只需切割管材的兩個端部，保留管材中間的部分。這種做法是為了使拆模方便，避免樁體在拆模時發(fā)生斷裂現(xiàn)象；（3）將牛皮紙制成直筒狀，為保證水泥土樁樁徑的大小，可將其纏繞在外徑為35mm 的鋼管上，并纏繞兩圈，這樣雙層牛皮紙直筒模具就制作完成，制作好的模具（注意牛皮紙直筒長度要略微大于 PVC 管材的長度，避免水泥砂漿在灌注溢出管外）； （4）將制作好的牛皮紙直筒套入 PVC 管材，并用膠帶沿 PVC 管材外側(cè)緊緊纏繞，避免模具在灌漿后被漿體撐開； （5）按照上述確定的水灰比、水泥摻入量確定單批次各材料用量，即水泥 3000g，水 1500g，砂土 450g。然后分批次配比、拌合水泥土漿（注意灌漿

18、時間不能過長，否則會造成水分的流失和水灰比的變化）； （6）將拌合好的水泥土漿灌入模具中，每次灌入少許，邊灌注邊振搗，將漿體中的氣泡趕出，保證樁體的密實度； （7）注漿完成后，將其灑水養(yǎng)護 7d，養(yǎng)護期間每隔 12h 噴水一次； （8）將樁體養(yǎng)護 7d 后可以進行拆模。拆模時，沿著 PVC 管材的切割縫隙用刀片割開膠帶，然后用手小心將管材向兩側(cè)掰開，將樁體輕輕推出即可； （9）取出的模型樁需在標準條件下養(yǎng)護至28d。養(yǎng)護期間，牛皮紙和玻璃貼紙因在水中養(yǎng)護能自然脫落或輕易被撕掉并保證不會對樁體造成損害。3.3.2 碎石樁制備碎石樁是散體樁，不能提前制作，應(yīng)在模型箱裝土?xí)r同時進行。本次試驗?zāi)M振沖

19、法來制作碎石樁。碎石樁加固模型制備方法如下：（1）將處理好的碎石樁材料取出，將其晾曬以后再進行使用；（2）本次試驗?zāi)M實際工程振沖法制作碎石樁，但用鋼管樁預(yù)埋在碎石樁的位置達到預(yù)留孔洞的目的。為避免裝土過程中砂土進入鋼管樁內(nèi)部，影響所制作的碎石樁的質(zhì)量，要對鋼管樁端部做必要的處理，即在鋼管樁預(yù)埋之前用膠帶將鋼管樁的上端封閉，待砂土裝箱完成后，將膠帶撕掉即可。（注：鋼管樁樁長 42cm，外徑35mm，壁厚3mm，內(nèi)徑為 29mm。） （3）采用分層的方法對砂土進行裝箱，先在模型箱內(nèi)裝入 50mm 厚的砂土，然后將其鋪平、壓實以及表面刷毛，為避免砂土從鋼管樁底部進入到樁體內(nèi)部，影響碎石樁的制作質(zhì)量

20、，須在碎石樁的位置上各放一塊比樁截面面積大兩倍的砂布。 （4）砂土裝箱時隨時注意傳感器的埋設(shè)位置，及時將傳感器埋入設(shè)計位置，并注意各類傳感器的埋設(shè)方向。（5）當(dāng)砂土裝箱完成后，即可制作碎石樁。為使碎石能順利注入鋼管樁內(nèi)部，用礦泉水瓶制作成一個簡易漏斗將其導(dǎo)入。（6）為保證碎石樁的密實度并起到擠密土體的作用，在將碎石灌入鋼管樁內(nèi)部的同時，要用工具對已灌入碎石進行振搗。3.4 試驗?zāi)Ｐ捅敬卧囼災(zāi)Ｐ蛿M做 6 組。組數(shù)試驗組名所用傳感器第一組未加固土壓力盒、孔隙水壓力計、加速度傳感器第二組單根碎石樁加固土壓力盒、孔隙水壓力計、加速度傳感器第三組單根水泥土樁加固土壓力盒、孔隙水壓力計、加速度傳感器第四組

21、四根碎石樁加固土壓力盒、孔隙水壓力計、加速度傳感器第五組四根水泥土樁加固土壓力盒、孔隙水壓力計、加速度傳感器第六組水泥土樁與碎石樁復(fù)合加固土壓力盒、孔隙水壓力計、加速度傳感器3.5 試驗?zāi)Ｐ椭苽浔敬卧囼炈玫耐馏w經(jīng)過清洗、晾曬、篩選處理后，已成為擾動土，在模型制備時要注意：試驗土樣盡量充分飽和；試驗土樣內(nèi)部基本均勻；控制土樣干密度。3.5.1 未加固地基模型制備 未加固地基模型的制備工作主要從兩方面入手，即試驗用砂的填注和傳感器的埋設(shè)。本次試驗采用干裝法制備試驗用模型土體。砂土裝箱采用分層填注、分層壓實的方法，試驗土體設(shè)計裝填高度為 47cm，分 8 層進行填注，底層裝填高度為5cm，以上土體

22、裝填高度均為 6cm，分 7 層填注。裝填土體的干密度控制在 1.4g/cm3，干砂總質(zhì)量為130.02kg（由模型箱尺寸及裝土設(shè)計高度求得），則每層需填裝 16.598kg 的砂土。注意，每層土體經(jīng)壓實后要將其表面刷毛，再進行下一層土體的填裝，保證相鄰?fù)翆釉诮佑|面處能夠結(jié)合良好，防止相鄰?fù)翆釉谡駝舆^程中發(fā)生相對滑動，影響試驗結(jié)果。傳感器埋設(shè)主要是孔隙水壓力計、土壓力盒及加速度傳感器的埋設(shè)，埋設(shè)深度分別為 12cm，24cm，36cm?？紫端畨毫τ嬄裨O(shè)時要注意埋設(shè)方向要平行于振動方向，土壓力盒埋設(shè)時要注意其受壓力面要與土體表面垂直且與振動方向垂直，加速度傳感器在埋設(shè)時要平行于振動方向。傳感器在

23、埋設(shè)時為避免發(fā)生移位現(xiàn)象，可先在傳感器埋設(shè)位置刨一個小坑將其埋入，再用砂土覆蓋固定。傳感器導(dǎo)線應(yīng)盡量以最短距離且沿著模型箱內(nèi)壁接到箱外，以免因?qū)Ь€使土體內(nèi)部形成架空現(xiàn)象，影響試驗的可靠性。由于孔隙水壓力計與土壓力盒輸出的是電荷信號，在與數(shù)據(jù)采集儀連接時要先連接橋式電路將信號進行轉(zhuǎn)換；加速度傳感器內(nèi)部已經(jīng)有轉(zhuǎn)換信號的裝置，可將其直接與數(shù)據(jù)采集儀連接即可。 填裝土完成后，靜置飽和處理，先在土體表面鋪墊雙層土工布，避免表面土體被水流沖刷破壞，然后向模型箱內(nèi)緩慢注水，并直到最底層排水孔有少許水沿著棉線流出，不間斷的灑水，模型靜置 48 小時，直到土體飽和度達到 80%-90%，再進行振動臺試驗。傳感器的埋設(shè)對應(yīng)關(guān)系表傳感器通道編號埋設(shè)深度孔隙水壓力計1187#36cm2183#24cm3198#12cm土壓力盒42#36cm54#24cm加速度傳感器6a#12cm7b#24cm8c#36cm 3.5.2 單根碎石樁加固地基模型制備砂土裝