離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證基于剪切波速的碎石樁抗液化技術(shù)

1、離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證基于剪切波速的碎石樁抗液化技術(shù)近 30年來(lái), 地震作為突發(fā)的自然災(zāi)害給人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)帶來(lái)了巨大的影 響和危害。地震導(dǎo)致的場(chǎng)地和建筑物破壞與巖土工程問(wèn)題密切相關(guān) , 特別是場(chǎng)地 液化引起的震害問(wèn)題特別嚴(yán)重。我國(guó)處于世界兩大地震帶 （ 環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶 ） 交匯處 ,7 度以上 的高烈度區(qū)覆蓋了全國(guó) 1/2 以上的土地 , 包括了大部分的省會(huì)城市和百萬(wàn)以上人 口大城市。因此 , 對(duì)易液化場(chǎng)地進(jìn)行準(zhǔn)確的液化判別并采取合理的抗液化處理措 施是防震減災(zāi)的關(guān)鍵之一。目前, 場(chǎng)地的液化判別仍然基于標(biāo)貫試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)等測(cè)試指標(biāo) , 且未 有一套完整的碎石樁抗液化處理設(shè)計(jì)方法

2、。因此 , 采用碎石樁加固易液化場(chǎng)地仍 處在一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性階段 , 具體的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)方法都較為簡(jiǎn)化 , 場(chǎng)地加固后的質(zhì)量控 制也非常困難。所以,提出準(zhǔn)確的場(chǎng)地液化判別方法 , 并建立一套經(jīng)濟(jì)合理的碎石樁抗液化 處理設(shè)計(jì)方法具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。 本文通過(guò)理論分析、 離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)試 驗(yàn)驗(yàn)證等方法系統(tǒng)地研究了離心模型試驗(yàn)中土體剪切波速的測(cè)試精度及布置要 求,提出了一套基于剪切波速的碎石樁抗液化處理技術(shù) , 并通過(guò)室內(nèi)離心機(jī)振動(dòng) 臺(tái)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例共同驗(yàn)證了該方法在水平場(chǎng)地和傾斜場(chǎng)地中的適用性。本文所做的主要工作和研究成果如下： 1、基于離心模型試驗(yàn)中彈性波速的測(cè)試需求 ,建立了離心模型試驗(yàn)彈性波測(cè)試

3、方法 , 并針對(duì)離心試驗(yàn)中環(huán)境振動(dòng)、 高 噪音等問(wèn)題進(jìn)行了傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)。 圍繞離心試驗(yàn)中模型箱內(nèi)高應(yīng)力梯度、 變重 力場(chǎng)等復(fù)雜狀況 ,建立了考慮應(yīng)力各向異性的剪切波曲線(xiàn)傳播路徑模型 , 分析了 離心機(jī)硬件參數(shù) （離心加速度值或轉(zhuǎn)速、離心機(jī)半徑 ） 、傳感器布置方式 （ 彎曲元 埋深和測(cè)試距離）、模型應(yīng)力狀態(tài)（K0）和土性參數(shù)（n）對(duì)曲線(xiàn)路徑的影響規(guī)律，給 出利用彎曲元進(jìn)行剪切波速測(cè)量的布置技術(shù)優(yōu)化建議 , 并通過(guò)離心模型試驗(yàn)驗(yàn)證 了其的合理性。最后對(duì)采用壓縮元進(jìn)行了土體壓縮波速的測(cè)量開(kāi)展了基礎(chǔ)研究 , 并標(biāo)定了砂 土飽和度-壓縮波速曲線(xiàn)。研究表明,彎曲元和壓縮元經(jīng)過(guò)傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)后信號(hào) 穩(wěn)定

4、清晰 , 測(cè)試結(jié)果可靠。彎曲元埋深、測(cè)試距離和土性參數(shù)對(duì)剪切波曲線(xiàn)路徑和波速測(cè)試精度影響最 大。為了保證剪切波速測(cè)試精度 ,建議離心試驗(yàn)中彎曲元的歸一化深度 D/L 應(yīng)大 于 0.5, 小于 0.5 時(shí)需要進(jìn)行波速修正。采用壓縮元測(cè)得的壓縮波速可以很好的反映模型飽和度。 2、通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外碎石樁抗液化處理設(shè)計(jì)方法和評(píng)估碎石樁三方面加固機(jī)理在場(chǎng)地抗液化處理 中的作用,本文建立了一套完整的基于剪切波速的碎石樁抗液化處理設(shè)計(jì)方法 并給出了該設(shè)計(jì)方法的主要流程。該方法基于土體的重要參數(shù)剪切波速 , 僅考慮加密效應(yīng) , 將減震效應(yīng)和排水減壓效應(yīng)作為安全儲(chǔ)備。本文建議了基于液化本質(zhì)的土體抗液化強(qiáng)度-剪切波

5、速 CRR-Vs表征關(guān)系,并給出了土體剪切波速-孔隙比“ Vs-e”相關(guān)關(guān)系,基于大量砂土種類(lèi)得到了經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)參數(shù)。該設(shè)計(jì)方法思路清晰 , 所選參數(shù)簡(jiǎn)單易確定。 3、根據(jù)提出的碎石樁抗液化處理方法 , 設(shè)計(jì)了未處理場(chǎng)地、加密處理場(chǎng)地和碎石樁處理場(chǎng)地三個(gè)水平場(chǎng)地離心 機(jī)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) ,通過(guò)對(duì)比研究了水平場(chǎng)地的加密效應(yīng) ,減震效應(yīng)和排水效應(yīng) ,驗(yàn)證了基于剪切波速的碎石樁抗液化處理設(shè)計(jì)方法的正確性。利用彎曲元和孔壓靜力觸探聯(lián)合表征了場(chǎng)地結(jié)構(gòu)性演化規(guī)律 , 并對(duì)液化判別結(jié)果進(jìn)行了比較。通過(guò)未處理場(chǎng)地模型試驗(yàn) , 分析了松砂場(chǎng)地的放大效應(yīng)等振動(dòng) 液化響應(yīng)。通過(guò)加密處理場(chǎng)地 , 分析了碎石樁的加密效應(yīng)特性 ,

6、 研究了加密效應(yīng)對(duì)場(chǎng)地 振動(dòng)響應(yīng)的影響。通過(guò)碎石樁處理場(chǎng)地 , 分析了減振效應(yīng)對(duì)地震循環(huán)剪應(yīng)力比 ,排水減壓效應(yīng)對(duì)場(chǎng)地振動(dòng)液化響應(yīng)的影響 , 研究了碎石樁排水效應(yīng)長(zhǎng)期服役性能。研究結(jié)果表明 ,ZJU-400 離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)通過(guò)傳遞函數(shù)控制振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸出的 控制技術(shù)能較好地輸出目標(biāo)波形。 土工離心機(jī)振動(dòng)臺(tái)可以重現(xiàn)實(shí)際場(chǎng)地的地震液 化現(xiàn)象。場(chǎng)地剪切波速和錐尖阻力均可以很好地表征場(chǎng)地結(jié)構(gòu)性隨離心加速度和振 次的演化規(guī)律 , 結(jié)論基本一致?；诩羟胁ㄋ俚囊夯袆e可以預(yù)測(cè)全部液化工況 對(duì)于非液化工況準(zhǔn)確率較高 (80%), 高于基于錐尖阻力的判別結(jié)果。碎石樁加密后,場(chǎng)地的Vs1、K0和qc均有明顯增大,場(chǎng)

7、地放大效應(yīng)增加,導(dǎo)致 相同振動(dòng)下循環(huán)剪應(yīng)力比增大 , 但是加密效應(yīng)帶來(lái)的抗液化強(qiáng)度的增加確保了場(chǎng) 地的不液化 , 驗(yàn)證了所提設(shè)計(jì)方法的正確性。 碎石樁處理場(chǎng)地中 , 碎石樁的減振效 應(yīng)并不明顯 , 反而布置了碎石樁后場(chǎng)地的循環(huán)剪應(yīng)力比有所增加。排水作用雖然可以明顯地減緩超孔壓產(chǎn)生速率并提高振后的消散速率 , 但是場(chǎng)地平均超孔壓比峰值卻沒(méi)有明顯降低。碎石樁的長(zhǎng)期服役性能評(píng)估顯示 , 大振后碎石樁有一定的淤堵 , 導(dǎo)致抗液化性能明顯劣化, 場(chǎng)地的結(jié)構(gòu)性和抗液化強(qiáng)度會(huì)隨著小振的持續(xù)而逐漸恢復(fù)。因此 , 碎石樁的存在可以提供一部分安全儲(chǔ)備, 但是為了不建議考慮進(jìn)設(shè)計(jì)方法。 4、在碎石樁處理水平易液化場(chǎng)

8、地的基礎(chǔ)上,本研究基于LEAP國(guó)際平行試驗(yàn), 初步分析了傾斜場(chǎng)地地震液化的基本響應(yīng)問(wèn)題。研究表明, 即使很小坡度的傾斜場(chǎng)地 , 地震引發(fā)的液化問(wèn)題與水平場(chǎng)地有顯 著不同,特別是傾斜場(chǎng)地地震液化會(huì)引起很大的液化側(cè)移 , 而液化側(cè)移又與場(chǎng)地 平均超孔壓比有密切關(guān)系。雖然傾斜場(chǎng)地存在著初始地震剪應(yīng)力 , 但是通過(guò)水平 場(chǎng)地得到的基于剪切波速的液化判別方法在傾斜場(chǎng)地依然可用 , 而相關(guān)的碎石樁 設(shè)計(jì)方法 , 尚需要更深入的研究確定。5、將基于剪切波速的碎石樁抗液化處理設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例, 通過(guò) 現(xiàn)場(chǎng)加固后測(cè)試和實(shí)際地震表現(xiàn) ,驗(yàn)證了所提方法的有效性。 研究結(jié)果表明 ,碎石樁抗液化處理能有效提高場(chǎng)地的抗液化強(qiáng)度 , 保證處理后場(chǎng)地在地震時(shí)不液化。本文通過(guò)理論分析 , 提出了基于剪切波速的碎石樁抗