碎石桩复合地基抗液化性能数值模拟及应用研究

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地震荷载所引得起的饱和砂土地基液化现象给工程结构造成了巨大的破坏。碎石桩复合地基作为一类抗液化加固方法在工程中被广泛应用,该方法也是即将修建的京沪高速铁路工程拟采用的地基加固措施之一。本文将利用解析和数值两种方法对碎石桩复合地基的抗液化性能进行研究,主要做了如下工作:  1、针对单桩碎石桩复合地基的不同边界条件,将作为力源项的孔压增长率表达成为深度z与时间t的函数,利用分离变量法和Green函数给出了动静荷载耦合作用下单桩复合地基中超孔隙水压力长消的一般性解析解;结合已有的线性和非线性动孔压计算模式给出了具体的解析解答;为了便于工程应用,研究了等应变条件下,考虑井阻和不考虑井阻两种情况的单桩碎石桩复合地基中超孔隙水压力长消的简化解析解。  2、将饱和砂土视为土——水两相介质,以Biot两相饱和多孔介质动力固结方程为基础,编制了完全耦合的三维排水有效应力动力分析程序。并对程序的正确性进行了验证。  3、利用所编制的程序首次对碎石桩复合地基进行了完全耦合的三维有效应力动力分析。并得到以下重要结论:①在地震荷载作用下,天然饱和砂土地基的水平振动加速度沿深度方向自下而上被放大;在不同深度处,孔压峰值到达的时刻比地震加速度峰值到达的时刻要晚;,当输入地震加速度开始减弱时,深层处的孔压开始消散或基本保持不变,浅层处的孔压保持不变或略有上升。②土性参数对土体本身的抗液化性能有重要的影响;初始孔隙比越小,相对密度越大,土体的抗液化能力越强;③碎石桩本身的渗透性会影响复合地基的抗液化性能;随着碎石桩渗透系数的增加,在碎石桩的影响范围内,桩间土中的超孔隙水压力和表层的最大水平振动加速度都有所降低。④碎石桩具有明显的减震效应;碎石桩复合地基表层的最大水平振动加速度与天然地基相比明显减小;并且,碎石桩对地基的沉降变形有明显的抑制作用。⑤碎石桩的排水效应十分显著;随着输入地震加速度的减弱,在孔压达到峰值以后,由下到上出现了明显的孔压消散现象;碎石桩排水效应的影响范围为上窄下宽的圆台形。⑥在其他条件不变的情况下,随着碎石桩桩径的增大,桩间土中的超孔隙水压力降低;当仅改变桩间距时,随桩间距的变大,桩间土中的孔压升高。在工程设计时,桩径与桩间距的比值应当大于0.27,即桩间距的设计值不宜超过3.75D。⑦仅从消除液化的角度考虑,在对高速铁路路基进行加固处理时,可以考虑在路基下部边缘处设置穿透液化土层的碎石桩,在路基中下部采用相对较短的桩,或者采用长短桩间隔的设计方法。⑧附加压重有利于地基抗液化能力的提高;随着附加压重的增大,孔压比减小;附加压重对地基中超孔隙水压力的增长有明显的抑制作用。  4、以剪切波速法为基础,考虑碎石桩的排水效应和减震效应,提出了实用的碎石桩复合地基抗液化判别方法。
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