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安徽地区饱和粉土路基液化及抗震液化技术研究

王武刚  
【摘要】:在我国的安徽淮北地区,广泛分布着以低液限粉土、粉砂土为主的沉积土。 该地区的粉土粒径较均匀,水稳性差,毛细管发育,具有冻敏性,同时具有渗透系数高、渗透固结性能强等特殊的物理力学性能,从而使得该地区的粉土为不适合用于路基的填筑材料。然而,随着安徽地区经济的飞速发展,省内外高速公路的迅速发展,高速公路的覆盖面积越来越广,在有该类粉土的地区不得不进行一定高速公路段的设计和建设工作,饱和粉土在地震、车辆等动荷载作用下,由于时间短暂,引起的动孔隙水压力骤然上升,来不及消散,使得有效应力降低至零,土体呈现出近乎液体的状态,强度完全丧失,称作为液化现象。由液化引起的各种震害现象是严重的,给人们的生命财产造成的损失是巨大的。 因此,分析粉土液化机理,利用力学知识和一系列计算方法,建立一套完整的饱和粉土抗震液化的理论分析方法和抗震液化的工程技术研究,再配以和工程实际条件相接近的动力特性试验研究,可以很好地指导工程实践,对目前粉土抗震液化有很大的实用性和现实意义。本文以泗许高速公路泗县至泗洪段地处高烈度地震防设区域和淮北段K31+416人行天桥桥台下的粉土地基为依托工程,通过室内动三轴试验和FLAC3D有限元软件,分析了该地区粉土在无格栅碎石桩加固和格栅碎石桩加固下的液化特性,并重点分析了碎石桩的排水减压作用对饱和粉土复合地基抗液化特性的贡献作用,通过理论分析和有限元计算分析验证了格栅碎石桩在抗震液化作用方面的有效性。 本文的主要研究内容和研究结论包括以下几个方面: (1)不同地震烈度对淮北地区粉土的液化深度研究 通过室内动三轴试验和FLAC3D有限元分析,分别对不同围压下土样施加对应不同地震烈度地震的动荷载和频率,以模拟不同深度地基土在不同设计烈度下液化的可能性,对比室内试验结果和有限元分析结果,得到了不同地震烈度下,安徽地区饱和粉土路基的最大可液化深度:在七级地震烈度作用下,饱和粉土路基均不发生液化,八级地震烈度作用下最大的可液化深度为11m,在九级地震烈度作用,全部发生液化(15m范围); 同时,通过室内动三轴试验和有限元数值模拟,分析了饱和粉土路基在地震荷载作用的超孔隙水压力的产生、发展和消散过程,并分析提出了该地区粉土的超孔隙水压力的增长模式。通过上述研究结果,可以为粉土地基的处理深度以及格栅碎石桩加固设计长度提供一定的参考。 (2)公路长期运营荷载作用下粉土的动力特性试验研究本文通过室内动三轴试验,研究了不同深度地基土体在交通荷载长期作用下的动力特性,试验研究结果表明:在振动的前期(约500次),土体的动应变随着振动次数的增加几乎呈线性增大,而随着振动次数的继续增加,动应变呈现出非线性的增加,单位振次内的增量在逐渐减小,应变趋于稳定,研究表明施加的动应力越大,后期动应变的稳定速度越快。 当施加的动应力一定时,动应力与动应变之间的关系是一个封闭的滞回圈,滞回曲线的形状相似,各个滞回圈的形状相似,斜率相同,但是间距不等,在振动的前期,滞回圈的间距大,随着振动次数的增加,滞回圈的间距在减小,且动应力越大,振动间距减小的越快。 (3)碎石桩加固高烈度地区的粉土路基的抗震液化特性的理论研究 在总结已有地震时期超孔隙水压力的解析解公式的基础上,通过考虑格栅碎石桩的排水能力,提出了一种能够真实反映碎石桩的排水减压作用对复合地基抗震液化的具体贡献的孔压增长模式。通过比较分析讨论了碎石桩与桩间土渗透系数之间比值(KP/KS)的不同,其对超孔隙水压力比的影响作用,得到随着KP/KS比值的增大,超孔隙水压力比减小越快,这说明加固后的土体越不易液化。 同时,采用格栅碎石桩加固可液化粉土路基不仅能够充分利用碎石桩的排水减压作用,而且能够增强碎石桩的整体抗剪能力,从而保证排水通道的畅通和复合地基的整体稳定性。 (4)碎石桩加固液化粉土路基的抗震液化特性的有限元研究 通过运用FLAC3D对格栅碎石桩复合地基的抗震液化作用进行有限元分析,获得如下结论:距桩中心距离越近,超静孔隙水压力越小,即超孔隙水压力的消散越快;随着距碎石桩中心轴线的水平距离增大,超孔隙水压力的消散则相对较小,相应的排水效应明显减弱。随着深度的增加,超孔隙水压力的消散则越小,即随着深度的增加,碎石桩的排水效应越小,孔压比随深度的分布规律沿深度呈现:中部孔压比大,上、下部孔压比较小的规律。 总之,碎石桩的排水效应对饱和粉土地基抗震液化作用是十分有效的,尤其是,当碎石桩的桩长为15m时,对处于高烈度高水位的泗浒高速公路粪土路基而言,足以能够防止其发生液化大变形破坏现象。


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