不同桩体加固液化土振动前后的微观结构分析

发布时间：2016-08-23 07:15

第一章 绪论

1.1 引言
地震是自然灾害中的一种，常常给人类带来严重的伤亡和巨大的经济损失。地震也可能引起水灾、火灾、地裂缝、崩塌、滑坡、海啸等次生灾害。如国外,1964 年在美国阿拉斯加和日本新泻均发生地震, 1995 年阪神地震的砂土液化造成大面积地基破坏，建筑物坍塌，人员伤亡惨重。在国内，近五十年来，发生多次大地震：1976 年，在河北唐山发生的 7.8 级大地震，造成 20 多万人死亡；2008 年，在四川汶川发生的 8.0 级地震，造成 8 万多人死亡；2010 年 6 月，青海玉树地震造成两千多人死亡。经济损失相当巨大。土体液化是地震过程中砂土常发生的一种破坏现象，各类工程结构均因土体液化而产生破坏，因此一直受工程和学术界人士的重视。自唐山、海城地震以来，2003 年 2月，出现在新疆巴楚-伽师地区的 6.8 级地震中的液化现象，是我国近 30 年涉及范围最广的砂土液化现象。 [1] 大规模砂土液化在巴楚地区地震中发生，极震区范围以外，在距离震中一定距离的地区也有分布，造成道路裂缝、农田毁坏、河流沟渠塌岸和建筑区破坏等灾害。巴楚地震之所以会产生大规模砂土液化，是因为震区的特殊工程地质条件，震区的大多数建筑物建设在松软的砂性土层上，又由于该地区地下水位较高，使震害加重。出现在巴楚震区的砂土液化现象造成地基不均匀沉降，致使建筑工程设施破坏。琼乡地基出现不均匀沉降现象，造成建筑物和工程设施等的破坏。例如琼乡地基的不均匀沉降使承载变压器双电线杆沉降不同而倾斜。另外由砂土液化引发的地裂缝会损坏上覆建筑物。如琼五井砂土液化使水泥台基出现裂缝。2008 年汶川地震发生后，中国地震局组建汶川地震工程震害科学考察队，其中袁晓铭，曹振中等[2]对汶川地区的液化现象与液化特点进行深入调查研究，此次调查发现，汶川大地震中的液化破坏现象和其震害现象十分显著，是建国以来液化宏观现象最为丰富、液化涉及区域最广的一次。汶川地震液化现象的特点有喷水高、喷砂量小、持时短，但是喷砂类型十分丰富。海外,仅美国每年花费在预防地震液化现象的费用就高达几十亿美元，可见对地震液化的重视程度。我国地质条件呈现多样化，地震液化现象在各地均有出现，这给分析并应对地震液化破坏加大了难度，因此，探究饱和砂土液化机理、研究饱和砂土的加固方法是需要我国工程界人士花时间和精力来攻克的难题。
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1.2 砂土液化的特性
砂土的液化指饱和砂土在振动作用下由固态变为液态突然破坏的一种现象。液化后的砂土可流动,土体强度在很大程度上降低,从而对工程产生严重影响。李空军、杨勇新等[3]从砂土液化时的应力条件出发阐述了土的液化形成机理，饱和砂土的液化实质是孔隙水压力上升的结果。在饱和的砂土中土颗粒之间的孔隙已充满水，在振动作用下土颗粒和孔隙中的水会运动，土颗粒在振动的作用中有相互聚拢变密的趋势，在此过程中孔隙水会阻碍土颗粒的运动出现能量传递，土颗粒的能量传递给孔隙水,孔隙水压迫土颗粒致使孔隙水压力上升。如果孔隙水不能在短期内排出，孔隙水压力会持续增大，相应则土颗粒受到的有效应力会减小直至为零。失去了有效应力的土颗粒间力的传递消失而失重，在水中处于悬浮状态，与此同时，孔隙水压力的上升会停止，与刚开始土颗粒间的有效应力相等。这时随着土体骨架的崩塌，水的流动作用带动土粒一起运动。吕菲[4]、赵旭荣[5]将砂土地震过程中的液化形成机制按发生的先后顺序分为振动液化和渗流液化。振动液化是由于砂土颗粒的松散性和水的可流动性，而饱和砂土中水的参与使土体的抗剪强度低于干砂的抗剪强度，如果振动过程中排水不良，会引发孔隙水压力增大，土体抗剪强度下降甚至可能丧失。渗流液化是指孔隙水压力升高后孔隙水向下渗流，使土体中的颗粒处于一种悬浮状态，最终土体承受荷载的能力丧失。
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第二章 微观试样制备及试验仪器

2.1 微观试样的制备
样品选取于振动试验模型箱，振动台试验土取在太原市南中环桥汾河西岸的某住宅小区基坑施工现场，所取土含有大颗粒和杂质，取回试验室需进行处理。第一步晾晒土体，待饱和土体中水分蒸发成能够分散的湿土。第二步用孔径 2mm 的土工筛过滤，将大的粗颗粒和杂质筛除，并反复搅拌土体以提高样品土的均匀性，为试验的科学性打好基础。本次试验所取的样品土为可液化土-细砂[71]。根据《土工试验规程》 (GB/T 50123-1999) [72]，以筛分法为依据，对样品土进行分析，结果列于表 2-1，根据结果绘制颗粒级配曲线如图 2-1，由此可确定土样为细砂。本次振动台试验制作地基模型选择干装法[74]。砂土装箱过程分层进行，针对模型箱的尺寸，本次试验设计的填装高度为 47cm，分 8 层完成填注，最底一层装填高度为，，以上 7 层每层装填高度均为。每一层填注完成应进行压实，然后方可进入下一层的填注压实。装填土体的干密度需控制在 1.4g/cm3 左右，干砂总重量为 130.02kg（根据模型箱尺寸及模型箱土体的设计高度计算得到），故每层需填装的砂土重量为 16.598kg。在模型箱装填土过程中，应注意每层土体装填压实完成后，都要用毛刷将该层土体表面进行处理，使表面粗糙，有利于下一层土体装填完成后，两个土层接触面之间的良好结合，土层之间的咬合力增强后，振动过程中的相对滑移就会减少。
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2.2 图像的采集及处理
试验选用 HITACHI TM-1000 扫描电子显微镜（图 2-9）对制好的试样拍照取像，由于砂土颗粒较大，本次选择了五个放大倍数对土样上表面某一点完成图像采集，分别为放大 50、100、200、300、500、1000 倍，为保证试验数据的准确性，每个试样选取不同区域的五个点进行放大取像，采集好的图像命名保存，等待软件进行处理。
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第三章 放大倍数和灰度阀值的确定........23
3.1 处理图像..... 23
3.2 确定放大倍数....26
3.3 阈值的确定........30
3.4 本章小结..... 37
第四章 液化土微观图像的分析....39
4.1 未加固模型土样微观结构随埋深的变化..... 39
4.2 单根水泥土桩加固模型土样微观结构随埋深的变化........ 42
4.3 单根碎石桩加固模型土样微观结构随埋深的变化...........45
4.4 四根水泥土桩加固模型土样微观结构随埋深的变化........ 48
4.5 四根碎石桩加固模型土样微观结构随埋深的变化......51
4.6 水泥土桩与碎石桩复合加固模型土样微观结构随埋深的变化.........54
4.7 本章小结..... 57
第五章 试验结果综合分析........ 59
5.1 水泥土桩参与加固模型综合分析........... 59
5.2 碎石桩参与加固模型综合分析....... 67
5.3 六组不同加固模型孔隙面积比综合分析.......75
5.4 本章小结..... 80

第五章 试验结果综合分析

为了进一步分析不同桩体加固前后模型对液化砂土的加固效果，下面分别对水泥土桩参与加固模型、碎石桩参与加固模型与未加固地基模型孔隙面积比、不同孔径孔隙分布率整理，并对六种模型进行综合分析。

5.1 水泥土桩参与加固模型综合分析

如图 5-1 所示，未加固地基模型振动前的孔隙面积比为 0.334，单根水泥土桩、四根水泥土桩加固地基模型土样的孔隙面积比分别为 0.277、0.213，复合加固地基模型土样振前孔隙面积比为 0.267。可见，随水泥土桩数量的增加，地基模型振动前孔隙面积比减小，但均沿埋深无变化，说明水泥土桩使土体中的孔隙减少。如图 5-3 所示，小孔隙分布率四根水泥土桩加固模型最大，过渡孔分布率四根水泥土桩加固模型最大，大孔隙分布率单根水泥土桩加固模型最大。未加固模型大孔隙最多，小孔隙多于过渡孔；单根水泥土桩加固模型大孔隙最多，小孔隙与过渡孔隙之和不到大孔隙的一半；四根水泥土桩加固模型小孔隙最多，过渡孔、大孔隙依次减少；水泥土桩与碎石桩复合加固模型大孔隙最多，过渡孔多于小孔隙。总之，随水泥土桩数量的增加，小孔隙、过渡孔分布率增大，大孔隙分布率变小。说明水泥土桩加固减少了土体中的大孔隙，单根水泥土桩加固对大孔隙的减少无作用。

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结论

本文分别对未加固、单根水泥土桩加固、单根碎石桩加固、四根水泥土桩加固、四根碎石桩加固及水泥土桩和碎石桩复合加固模型振动前后不同埋深处微观土样的孔隙面积比、结构图像、不同孔径孔隙的分布率进行分析，并综合分析了水泥土桩参与加固模型、碎石桩参与加固模型和六种加固模型的孔隙面积比、结构图像和不同孔径孔隙的分布率，得出以下结论：
（1）多次试验后得到了适用于液化砂土微观土样的制作方法，用扫描电镜获取微观图像后，用软件 IPP 进行处理。
（2）通过分析比较所得数据和图像确定了本次试验最佳放大倍数为 500 倍，阀值取在灰度分布曲线的波谷处。
（3）未加固模型振动后孔隙面积比与振动前相比增大，说明振动后大孔隙土体疏松。
（4）单根水泥土桩加固模型振动后仍然变疏松，并未体现加固土体并使其密实的作用。单根碎石桩加固使中层和深层土体密实，使浅层土体疏松。（5）四根水泥土桩加固并未对模型起到加固密实的作用，四根水泥土桩加固使土体中直径较大的孔隙减少，但振动前后不同孔径孔隙分布率的变化不大。四根碎石桩的加固使土体变密实，尤其对中层土体的加固效果好；四根碎石桩对大孔隙的减小无作用。
（6）复合桩加固对土体有使其密实的作用，对中层土体效果最好，与四根碎石桩加固模型相似；复合桩综合了水泥土桩和碎石桩的加固特点，大孔隙分布率最大但并未超过小孔隙和过渡孔太多。
（7）浅层土体中随水泥土桩数量的增加，大孔隙分布率减小，说明水泥土桩可使浅层土体中大孔隙减少；碎石桩使振动后加固模型的浅层土体中大孔隙分布率减小，桩数量的增大与减小的幅度呈反比；振动后，碎石桩减少土体中孔隙的效果比水泥土桩明显。
（8）四根水泥土桩加固可使浅层土体中大孔隙分布率大幅减小，其次为单根碎石桩加固模型，其他桩体加固模型的效果不明显；单根碎石桩加固使中层土体大孔隙分布率减小效果良好，其次为复合桩加固，再为四根水泥土桩加固；四根水泥土桩加固使深层土体大孔隙分布率减小的效果最佳，其次为单根碎石桩加固模型。
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参考文献(略)

本文编号：100760