拉林鐵路沿線風積沙自由場及其加固地基動力特性分析

薛春曉

(中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730000)

引言

新建拉林鐵路西起西藏自治區拉薩市,向南穿過岡底斯山余脈進入雅魯藏布江河谷,于貢嘎跨越雅魯藏布江沿河谷而下,向東經過扎囊縣、乃東縣、桑日縣、加查縣、朗縣、米林縣后,沿尼洋河東至林芝市,正線總長401.14 km[1-3]。拉林鐵路途經我國著名的喜馬拉雅地震帶,地震活動頻繁、強烈,地震動峰值加速度0.15g～0.30g[4-6]。沿線氣候干燥,植被稀疏,寬谷區灘地、坡地風積沙廣泛分布,約占線路全長的10%以上,液化問題是風積沙路段面臨的不良地質之一[7-8]。

針對沙土地基液化問題,國內外學者利用室內模型試驗、數值模擬等手段開展了大量研究。陳文化等[9]基于前人的研究,評述了沙土液化研究現狀以及發展趨勢;牛琪瑛等[10]基于FLAC軟件,分析了可液化沙土加固地基的動力響應特征;呂西林等[11]基于FLAC軟件,并結合振動臺試驗,探討了液化場地自由場體系的地震響應特征;郭英等[12]利用有限差分軟件,比較了同一密實度條件下加固與未加固地基孔隙水壓力、孔壓比、豎向位移等要素的變化;顧衛華等[13]借助等價非線性動力分析有限元程序,研究了飽和沙層的液化特點及礫石排水樁與地面壓重的抗液化效果;許成順等[14]以持時壓縮比例為研究的唯一變量,依托小型振動臺試驗,分析了各組試驗中可液化地基土在地震中的宏觀現象、加速度反應、孔壓比發展;周燕國等[15]借助ZJU-400土工離心機振動臺試驗,深入分析了含黏粒沙土和潔凈沙的地震液化特征,并揭示了含黏粒沙土場地液化災變特點;馮忠居等[16]以海南鋪前大橋為工程背景,利用振動臺模型試驗研究了不同深度飽和細粉沙孔壓比的變化規律,并探討了飽和粉細沙的液化判別方法;蘇棟等[17]借助離心機振動試驗,研究了沙土振動過程中孔隙水壓力、加速度響應、側向變形以及豎向沉降的發展規律。李培振等[18]借助振動臺和柔性容器,對上覆黏土層的飽和沙土液化場進行了研究。崔雍等[19]借助FLAC軟件,對拉林鐵路沿線風積沙液化特征以及其影響因素進行數值計算。劉抗等[20]借助空心圓柱扭剪儀,以南海珊瑚砂為研究對象,開展不同循環加載方向角的固結不排水試驗,并分析了90°突變應力路徑下主應力方向角和細粒含量對飽和珊瑚砂液化特性的影響。許成順等[21]以密實度為35%、50%、70%的福建標準砂為研究對象,利用扭剪試驗結果,分析了頻率對飽和沙土的液化的影響。潘霞等利用室內試驗結果,研究了填料含量、骨架相對密實度及成分、振動頻率對沙土循環液化強度和液化模式的影響。

上述研究成果為拉林鐵路地基液化處理提供了參考,即初步設計采用振沖碎石樁進行加固,但在施工過程中出現地基局部沉降量大、碎石樁填料遠大于設計值等一系列問題,主要原因在于研究區風積沙顆粒細、飽和度高、密實度低、覆蓋層厚,在較小的振動能量下就會產生可觀的液化現象,諸如水泥攪拌樁具備低振動能量施工工藝的地基處理方式可能更適用于研究區的風積沙液化地基處理。

鑒于此,以拉林鐵路沿線風積沙為樣本,通過室內振動臺模型試驗,深入分析了風積沙自由場和水泥攪拌樁加固地基的動力響應特征,為類似地區的液化地基處理提供理論參考。

1 試驗設計

本次試驗在西南交通大學地震模擬振動臺系統開展,振動臺尺寸1.2 m×0.4 m,功放額定輸出功率15 kVA,最大負載200 kg,水平振動頻率2～100 Hz,最大加速度980 m/s2,最大速度2 m/s,允許偏心力矩290 kN·m。模型試驗采用剛性模型箱,其尺寸分別為:長100 cm,寬40 cm,高80 cm。為減少模型箱側壁對試驗的影響,模型箱的3個側面內置5 cm的塑料泡沫板,剩余的1個側面設置成透明玻璃,用來觀察振動過程中沙土的液化現象。本次試驗中的水泥攪拌樁采用混凝土制作,樁徑5 cm,樁間距15 cm,即等于3倍樁徑,樁長80 cm。沙土級配曲線見圖1,可以看出該區域風積沙顆粒粒徑主要集中在100～500 μm之間,占顆?？傎|量的67.65%。

圖1 試驗所用沙樣的顆粒級配曲線

本次試驗監測的內容主要包括風積沙自由場、水泥攪拌樁加固地基的加速度、孔隙水壓力和位移,具體布置位置分別見圖2和圖3。

圖2 風積沙自由場傳感器布置示意(單位:cm)

圖3 加固地基傳感器布置示意(單位:cm)

2 風積沙自由場地震動響應

2.1 地表宏觀現象分析

圖4、圖5分別為風積沙自由場振動前、強度0.1g、0.2g和0.3g地震動后模型箱中土層的俯視圖與前視圖。當0.1g的地震動輸入后,模型箱及內部的沙土反應較弱,基本未觀察到明顯的變化(圖3(a)和圖4(a)),但土層中的浸潤線上升約14 cm;當輸入0.2g地震動后,模型箱及內部的沙土反應逐漸增強,表層沙土出現不均勻沉降,伴隨有少量水溢出,并在中部產生微小裂縫,土層中的浸潤線也上升至23 cm;當輸入0.3g地震動后,土體表面發生明顯的沉降,表層裂縫也持續延伸擴展,同時可見大量水溢出地表,并且液面淹沒土體表面。上述現象表明,研究區風積沙的地震響應強度隨著地震動強度的增加而呈現增強趨勢。在地震動強度較小時,輸入震動能量不足,沙土響應強度較弱,隨著地震動強度的增大,輸入震動能量逐漸提高,孔隙水壓力迅速增大,沙土開始液化,部分沙粒被震密下沉,水從表面溢出。

圖4 風積沙自由場中地震動前后俯視圖

圖5 風積沙自由場中地震動前后前視圖

圖6為風積沙自由場的表層位移時程曲線,可以觀察到地表沉降呈臺階式遞增變化,每次改變地震動強度后,表層土的沉降先急劇增大接著逐漸收斂于某一值,且地震動強度越大,沉降收斂值相應也越大,從0.1g的25 mm增加至0.3g的86 mm。這表明外界的地震動越強烈,輸入土體的能量越大,地震動反應越明顯,沙土液化現象越嚴重,相應的地表沉降也越大。

圖6 風積沙自由場的表層位移時程曲線

2.2 孔壓比響應分析

圖7為風積沙自由場不同深度處的加速度時程曲線。很明顯,風積沙自由場中各位置的響應加速度時程規律與臺面輸入的加速度時程規律基本一致,相應地各曲線上的加速度峰值出現的時間節點也基本吻合。值得注意的是,風積沙自由場中不同深度的監測點處峰值加速度存在差異:當以0.1g地震動強度輸入時,地震動在土層中有較為明顯的自下而上不斷放大的趨勢;當以0.2g地震動強度輸入時,地震動在土層中沒有明顯的放大或減小,可能的原因在于經過0.1g地震動作用后,沙土被震密,地震動在土層中的傳播近似于在剛體中傳播;當以0.3g地震動強度輸入時,地震動在土層中從下而上呈現先增大后減小的趨勢,可能的原因是此時大部分沙土已經液化。

圖7 風積沙自由場的加速度時程曲線

風積沙自由場中不同深度處的孔壓比時程曲線如圖8所示,可以觀察到,不同深度處的孔壓比隨時間變化的規律基本相同。對于某一深度處的孔壓比,在輸入地震動強度0.1g、0.2g和0.3g后,孔壓比首先快速增大,達到峰值后穩定一段時間,接著又開始逐漸減小,主要原因是某一級加速度加載初期土中的水分來不及排出,導致土中超靜孔隙水壓力急劇增大,隨著時間的推移,水分逐漸排出,相應的孔隙水壓力逐漸減小。對比3種不同深度處的孔壓比,不難看出監測點的埋深越大,測點處的孔壓比就越小,主要原因在于上覆土層越厚,測點的總應力越大,這對地震液化具有抑制作用。此外,值得注意的是部分時間段的孔壓比出現負值,可能的原因是在地震動作用下風積沙存在剪脹現象。表1為不同地震動工況下風積沙自由場中孔壓比達到峰值所需的時間,可以看到,同一地震動加速度條件下,A點達到孔壓比峰值所需的時間最短,B點次之,C點達到孔壓比峰值所需的時間最長,即測點埋深越大,達到孔壓比峰值的時間越滯后。這間接表明風積沙中的液化現象并非同時發生,而是從上到下逐漸發展。

表1 風積沙自由場中達到孔壓比峰值所需的時間 s

圖8 風積沙自由場的孔壓比時程曲線

3 水泥攪拌樁加固地基地震動響應

3.1 地表宏觀現象分析

圖9為0.1g正弦波、0.2g正弦波和0.3g正弦波振動后模型箱中沙土的俯視圖(為節省篇幅,未給出前視圖,僅給出俯視圖)?？梢杂^察到,當0.1g的地震動輸入后,土層中的浸潤線略微上升,表層土體基本無沉降;當0.2g的地震動輸入后,表層土體出現微小的沉降,浸潤線進一步爬升,模型左側出現輕微的冒水現象;當0.3g的地震動輸入后,冒水區域逐漸擴展,土體發生較大沉降。值得注意的是,在0.2g與0.3g地震動后,四樁包圍的內部區域冒水量明顯小于其外部區域。上述現象間接表明水泥攪拌樁加固地基對其液化具有一定的抑制作用,這種抑制作用隨著地震動的增強而逐漸減弱。

圖9 水泥攪拌樁加固地基地震動前后俯視

水泥攪拌樁加固風積沙液化地基后的位移時程曲線見圖10,可以看到地表沉降隨時間呈臺階式遞增趨勢,這與自由場的時程曲線類似,但沉降量明顯小于自由場(圖6),這間接說明風積沙液化地基經過水泥攪拌樁處理后提高了其抗液化能力,可以有效地減小風積沙地基液化對工程的危害。此外,數據統計發現在0.1g、0.2g、0.3g地震動下,地表沉降從自由場的20,65,90 mm減小至加固地基的3,41,58 mm,減小幅度分別為85%、37%、35%,這一定程度上反映出水泥攪拌樁抗液化能力與地震動強度呈負相關。

圖10 水泥攪拌樁四樁中心表層位移時程曲線

3.2 孔壓比響應分析

圖11為地震動作用下水泥攪拌樁加固的風積沙液化地基孔壓比時程曲線,可以觀察到,3個監測點處的孔壓比隨時間變化的趨勢基本一致。與自由場孔壓比時程曲線類似,在輸入0.1g、0.2g和0.3g的地震動后,孔壓比先急劇增大,達到峰值后穩定一段時間,接著又開始緩慢減小,但同一深度處的孔壓比明顯小于自由場中的孔壓比,說明攪拌樁對風積沙地基的液化具有抑制作用。在自由場中,A、B和C點的最大孔壓比分別為1.17、0.99、0.75,而在攪拌樁加固地基中,3點的最大孔壓比分別為0.88、0.68、0.45,減小幅度分別為24.8%、31.3%、40.0%,這一定程度上反映出攪拌樁抑制液化的效果與深度成正相關。

圖11 水泥攪拌樁加固地基孔壓比時程曲線

4 結論

本文以拉林鐵路沿線風積沙液化地基為工程背景,利用室內振動臺模型試驗結果,深入分析了研究區風積沙自由場和水泥攪拌樁加固地基的動力響應特征,得到主要結論如下。

(1)當以0.1g地震動強度輸入時,地震動在土層中有較為明顯的自下而上不斷放大的趨勢;當以0.2g地震動強度輸入時,地震動在土層中沒有明顯的放大或減小;當以0.3g地震動強度輸入時,地震動在土層中從下而上呈現先增大后減小的趨勢。

(2)監測點埋深越大,土體達到孔壓比峰值所需的時間越長,間接表明研究區風積沙中的液化現象并非同時發生,而是具有明顯的時間差,即從地表逐漸向深部土層發展。

(3)輸入相同的地震動強度,風積沙自由場的表層沉降量、孔壓比較水泥攪拌樁加固地基明顯偏大,且后者的地表宏觀反應也明顯弱于前者,表明水泥攪拌樁對風積沙地基的液化具有較好的抑制作用,這種抑制作用分別與地震動強度和土層的埋深呈負相關和正相關。