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原文传递高速铁路饱和粉土液化地基抗震加固试验研究

论文题名：	高速铁路饱和粉土液化地基抗震加固试验研究
关键词：	饱和粉土;液化地基;抗震加固;高速铁路
摘要：	我国是地震多发国家，历史上发生六级以上地震的地震带多达23个，其中五个地震带非常活跃，这五个地震带正在进入活跃期，其分布区域遍及我国的东北、华北、青藏高原南部和西南地区。大量的宏观震害调查表明：在液化区内，地基土的地震液化是引起上部结构物及构造物破坏的主要原因之一，由于直接振动而引起的结构震害则很少，甚至没有。因此，液化造成灾害的严重性很早就得到了人们的关注。　　京沪通道是维系我国国民经济发展的大动脉，是连接京津地区和长江三角洲两大经济区的枢纽，京沪地区GDP占全国总量的40％，沿线人口占全国人口1/4以上。建设京沪高速铁路对缓解既有京沪铁路运力长期严重紧张局面，形成我国铁路客运专线网，促进我国经济社会发展具有重要意义。　　从京沪高速铁路地层勘查结果看出，该线路须经过大面积液化土区域，且这些区域位于7～9度高烈度区，在地震作用下均可能发生液化。根据“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计原则，为防止因地震引起的地基土液化、路基破坏和沉降，导致列车长期中断运行，有必要对高速铁路液化土地基抗震加固技术进行深入的研究。　　本文结合京沪高速铁路的建设，开展了对饱和粉土地基这一类可液化土地基在地震作用下的动力特性研究，提出了一种新型液化土地基一路基抗震加固结构，使用了碎石桩桩网加固工法和CFG桩桩网加固工法对高速铁路饱和粉土液化地基进行了初步设计，并通过室内动三轴试验、大比例模型振动台试验以及数值模拟等方法，对加固前后的饱和粉土地基动力特性和地基路基整体抗震稳定性进行了深入的研究，得出了以下结论：　　(1)通过三轴剪切试验研究了饱和粉土加固前后的静力强度和应力应变特性，试验结果表明：　　①加固前(干密度1.46g/cm3，下同)的饱和粉土应力应变曲线呈典型应变硬化性曲线，而加固后(干密度1.586g/cm3，下同)的饱和粉土应力应变曲线呈软化型特征；　　②饱和粉土的抗剪强度随围压的增加而增大，且加固后的饱和粉土各项强度指标均较加固前有所提高，说明固结围压和密实度对于提高饱和粉土的抗剪切变形能力作用显著。　　(2)通过循环振动三轴剪切试验，研究了高速铁路饱和粉土液化地基加固前后的液化动力特性，试验结果表明：　　①饱和粉土动强度和液化强度随围压的增加而增大，随循环震次的增加而减小，加固后饱和粉土的动强度和液化强度高于加固前，且围压越低，动强度和液化强度提高幅度越大，围压分别为50kPa、100kPa和150kPa时，加固后的饱和粉土动强度和液化强度分别提高了约5倍、3倍和2倍；　　②饱和粉土动剪应力比随循环震次的增加而减小，加固后的饱和粉土动剪应力比大于加固前动剪应力比，所不同的是，加固前饱和粉土动剪应力比随围压的增加而增大，而加固后饱和粉土的动剪应力比却随围压的增加而减小，且围压越低，动剪应力比提高幅度越大；　　③饱和粉土的振动孔压发展规律与初始固结围压无关；加固前饱和粉土孔压发展规律与砂土液化孔压发展规律比较一致，即在振动液化前期，大约占完全液化时间的800％的时间段内，孔压发展相对比较平缓，而在后期剩余的200％的时间段内，孔压迅速上升，并最终达到完全液化；加固后的饱和粉土孔压发展规律则完全不同，其在振动初期仅占完全液化时间的不到1/20的时间段内，孔压比迅速上升至0.6，而在随后的时间段内，孔压发展缓慢，整个孔压发展过程符合典型的幂指数发展规律；　　④饱和粉土的动剪模量随动剪应变的增加而减小，动剪模量与动剪应变均呈双曲线关系，加固后饱和粉土的动剪模量大于加固前的动剪模量，并且动剪应变越小，动剪模量的提高幅度越大，当动剪应变大于10-2量级时，加固前后饱和粉土的动剪模量逐渐趋于一致；　　⑤饱和粉土阻尼比随其动剪应变的增大而增大，阻尼比与动剪应变符合双曲线模型，加固后的饱和粉土阻尼比要小于加固前的阻尼比，且动剪应变越大，阻尼比减小幅度越大。　　(3)针对饱和粉土这一类可液化地基，提出了一种新型液化土地基一路基抗震加固结构，通过大比例模型振动台试验进行了加固效果的验证，申请并获得了相关专利。该结构包括加固桩、水泥级配碎石加筋垫层和加筋土路堤三部分，整体结构使得桩.水泥级配碎石加筋垫层结构地基与加筋路堤本体联结成一个相互作用的有机整体，增加了地震时地基-水泥级配碎石加筋垫层-路基的变形协调性，大大提高了地基路基的整体抗震性能；参照上述加固结构，以沉降变形为控制原则，分别采用了碎石桩桩网结构和CFG桩桩网结构两种加固形式对京沪高铁饱和粉土液化地基进行了初步设计。　　(4)通过大比例模型振动台试验，首次对高速铁路饱和粉土液化地基加固前后的响应加速度、超静孔压、剪切变形、垫层和路堤土工格栅应变、地基路基沉降变形和地基内部液化流动等方面进行了综合分析与验证，试验结果表明：　　①对于同一测点来说，当加载加速度增大时，其响应加速度也随之增大；当加载加速度逐渐增大到一定值时，地基中同一竖直线上各测点的响应加速度随距离振动台台面高度的增加而增大，在黏土层中，响应加速度几乎与台面加速度相当或者增加很小，但在粉土层中，响应加速度的增加速率很快，说明粉土液化对响应加速度起到了放大作用，但黏土层却对此几乎没有影响；　　②未加固地基的响应加速度放大系数分布云图在两侧路肩之间的地基路基范围内(Ⅰ区)呈现上凸状，并且随加载加速度的增加，上凸愈加明显，尤其是路堤部分放大系数云图更是呈尖凸状，在两侧边坡覆盖范围内(Ⅱ区)响应加速度放大系数分布云图基本呈水平状；而加固后的地基，响应加速度放大系数分布云图在Ⅰ区基本呈现水平状或微凸状分布，在Ⅱ区呈衰减型趋势。这说明加固措施的使用，提高地基路基的整体刚度的一致性，明显减小了路基中心与两侧路肩之间地基路基(Ⅰ区)的响应加速度差异，使得地基路基的动力响应趋于均衡，增加了其整体的抗震性能；　　③未加固地基和CFG桩桩网加固地基的响应加速度放大倍率随加载加速度的增大而先增大后减小直至趋于稳定，而碎石桩桩网加固地基却表现出与之不同的结果，其响应加速度放大倍率始终随加载加速度的增大而增大；在加载加速度不超过某个定值时，加固后的地基响应加速度倍率明显减小，且碎石桩桩网加固地基减小更为明显，说明碎石桩桩网加固地基更能有效抑制饱和粉土地基的加速度放大效应，提高地基的抗震性能；但当加载加速度超出这个定值时，碎石桩桩网加固地基的抗震效果却反而不及未加固地基，而CFG桩桩网加固地基对饱和粉土地基加速度放大的抑制作用依然优于未加固地基；　　④同一竖直线上不同埋设深度处的超静孔压随埋设深度的增加而增大，同一水平线上不同位置处的超静孔压随距离路基中心水平距离的增大而减小；随着加载加速度的增加，地基中各点的超静孔压先逐渐增大到某一峰值孔压，然后随加载加速度的增加稍稍减小并趋于稳定，未加固地基、碎石桩桩网结构加固地基和CFG桩桩网加固地基达到超静孔压峰值所对应的加载加速度分别为0.283g、0.252g和0.161g，相同位置处的超静孔压峰值以未加固地基为最大，碎石桩桩网结构次之，CFG桩桩网结构最小，这同时也反映了地基土所承受的上覆有效应力以未加固地基为最大，碎石桩桩网结构次之，CFG桩桩网结构最小；　　⑤三种类型地基中黏土层的累积侧向剪切位移在各次加载时均处于较小水平，几乎不发生剪切变形。在加载加速度较小，不足以引起地基液化时，粉土层的累积侧向位移也几乎为零，但当加载加速度足以引起地基液化时，三种类型地基的粉土层累积侧向剪切位移均随距离台面高度的增大而大幅增加；三种类型地基最大剪切位移均随加载加速度的增大而增加；在加载加速度不大于约0.36g时，碎石桩桩网加固地基的最大剪切位移均小于其他两种类型地基，其抗剪切变形能力最强，CFG桩桩网加固地基次之，未加固地基的抗剪切变形能力最差；当加载加速大于0.36g时，加固处理后的地基最大剪切位移仍小于未加固地基，但碎石桩桩网地基的抗剪切变形能力却要弱于CFG桩桩网加固地基；　　⑥垫层土工格栅最大应变随加载加速度的增加而先增大后逐渐趋于稳定，在各次加载时，未加固地基和CFG桩桩网加固地基垫层土工格栅最大应变均表现出中间大两侧小的特性，而碎石桩桩网加固地基垫层土工格栅最大应变分布则表现出中间小两侧大的特性，且分布最为均匀，未加固地基垫层土工格栅两侧应变差异最大；　　⑦未加固地基和碎石桩桩网加固地基的路堤边坡中距离加筋垫层最近的一层土工格栅应变随加载加速度的变化趋势大致与加筋垫层土工格栅随加载加速度的变化趋势一致，但其应变绝对值与加筋垫层的格栅应变相比却很小，除此之外，边坡内其他各层土工格栅基本没有变形；对于CFG桩桩网加固地基，路堤边坡各层土工格栅的应变随加载加速度的变化均与加筋垫层土工格栅的应变发展规律十分相似，最大应变也与加筋垫层格栅应变相差不大，但各层格栅的应变大小却没有规律。　　⑧随加载加速度的增大，路堤累积变形越来越大，未加固地基的路堤沉降、坡脚水平位移和竖向隆起最大，而加固地基的路堤累积变形明显减小，其中，碎石桩桩网加固地基的路堤变形最小；　　⑨对比三种类型地基加载结束后的最终累积沉降，未加固地基的最终累积沉降和差异沉降最大，CFG桩桩网加固地基次之，碎石桩桩网加固地基最小；　　⑩对比三种类型地基内部液化流动情况，未加固地基除坡脚处发生上浮外，其他各处均有不同程度的下沉；加固后的地基浅层均有不同程度的下沉，地基深层则出现上浮，且同一水平位置的各浮球位移差异不大；对比加固后地基内部浮球位移情况，碎石桩桩网加固地基浅层沉降更小，且比较均匀，深层地基不同深度处桩间土上浮位移量差异最小；　　(5)引入太沙基固结理论和砂井地基固结Barran解，结合循环振动三轴剪切试验所得到的液化动力特性和孔压增长曲线，首次推导了碎石桩桩网加固地基在地震作用下的孔压发展和消散的半解析解，计算结果与振动台试验结果一致性较好。　　(6)采用有限元软件分析计算了加固前后地基液化区域的扩展及其抗震稳定性，结果表明：　　①在相同级别输入加速度时，加固后的地基液化区域面积较加固前的地基液化区域面积明显减小，同等情况下，碎石桩桩网加固地基的液化区域面积最小，CFG桩桩网加固地基次之；　　②三种类型地基路基的抗震稳定性最小安全系数均随输入加速度的增加而减小；未加固地基的整体抗震稳定性最小安全系数在各级输入加速度下均小于1.0，而加固后的地基整体抗震稳定性大幅度提高，在各级输入加速度下其最小安全系数均大于1.5，尤其是CFG桩桩网加固地基的抗震稳定性提高最为显著。
作者：	李华明
专业：	道路与铁道工程
导师：	蒋关鲁
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文