道铁路液化土地基加固技术的研究-012

本论文主要是了解关于强夯法加固液化土地基的原理,对液化土地基进行处理。

我国液化发生地域广泛，破坏类型复杂多样，所以对液化的研究在地基处理中是非常关键的一个方面。

地基土在受到外界动荷载的作用，土体之间原来的联结和结构状态被破坏，使砂粒之间彼此脱离接触。此时，由砂粒通过其接触点所传递的压力，就要传给孔隙中的水来承担，随着应力循环次数的增加，孔隙水压力积累而逐渐上升。另一方面，土颗粒在自身重力作用下又力图向下沉落，致使在结构破坏的瞬间或一定时间内，土粒受到向上排出的孔隙水的阻碍，使土颗粒局部或全部处于悬浮状态，抗剪强度局部或全部地丧失，出现不同程度的变形或完全液化，从而导致地基承载力消失，形成破坏。再通过对一些相关的实验，对铁道构造物进行抗震设计，从而减小地基液化带来的危害和损失。

关键词：粉土液化，抗剪强度，承载力。

Abstract

This thesis primarily illustrates on the base of understanding the principle of concerning the method of reinforcing liquefaction soil foundation by use of dynamic consolidation how handle liquefaction soil foundation by dynamic consolidation.

In our country the area of liquefaction is extensive and the type of destroy is variety. Therefore the research on liquefaction soil foundation whether it liquefies or not is often an important aspect.

With the help of the dynamic consolidation instrument, the construction and the connection of the soil will be destroyed, and the soil will uncontact each other. At this time, the water in the hole will undertake the pressure. The water pressure inside of the hole will gradually rise when the load increases time after time. On the other hand, when soil particulate sinks down under the function of itself gravity, the water that needs expelling will block it. So the water floats the soil, and the shearing strength disappears. So part or all of the foundation soil liquefacts and the bearing capacity of foundation soil dispears.

Key words: silt liquefaction, shearing strength, bearing capacity

目 录

1 引言 .................................................................................................................. 4 2 液化研究的目的与意义 .................................................................................... 4

2.1研究的目的...................................................................................................... 4 2.2研究的意义...................................................................................................... 4 3 国内外砂土液化研究现状 ................................................................................ 5 4 砂土液化引起的破坏 ........................................................................................ 6

4.1地面破坏类型.................................................................................................. 6 4.2各种破坏类型带来的后果：.......................................................................... 6

4.2.1．喷水冒砂.......................................................... 错误！未定义书签。 4.2.2．地基失效............................................................................................ 6 4.2.3.液化侧向流动与流滑.......................................................................... 6 4.3高速铁路液化土地基路堤的破坏................................ 错误！未定义书签。 5 三轴剪切的液化研究 ........................................................................................ 7

5.1.砂在循环荷载下的性状................................................................................. 7 5.2.砂土液化后施加静荷载的效应..................................................................... 7 5.3.围压对液化的影响......................................................................................... 8 6 抗液化的基本途径和方法 ................................................................................ 8

6.1抗液化的规范和方法...................................................................................... 8 6.2液化土地基抗震加固具体设计...................................................................... 9 总结 .................................................................................................................... 10 参考文献 ............................................................................................................. 11 致 谢 ................................................................................................................. 12

1 引言

砂土液化是地震产生的主要震害。高速铁路液化土地基路堤在地震时，砂土液化造成路基开裂、不均匀下沉及坍滑，桥梁折断和垮塌，它给社会造成了巨大的经济损失和人员伤亡。

高速铁路液化土地基的抗液化研究，最早是在上世纪六十年代日本的山阳新干线（1967.3－1975.3）建设时被提出来的，当时所采用的加固工法几乎全是高速公路饱和砂性土抗液化处理的传统加固工法。进入二十世纪八十年代，地基的处理加固方法有注浆方法、静压实方法（压注方法、特种石灰桩方法）、深层混合处理方法、加筋路堤、EPS路堤、泡沫混凝土路堤及复合处理方法等。

在施工的过程中，要对每一个步骤进行严格的监测；处理后，利用各种检测手段对地基土进行测试，来确定处理的结果是否满足要求，同时给出检验效果分析和评价。

随着地基处理技术的进步，在以后的地基处理设计中，就像当初找到强夯法一样应找出更新更有发展前景的方法，给地基处理再增添一些新的手段。

2 液化研究的目的与意义

2.1研究的目的

主要是收集、整理、分析和对比国内外有关强夯法加固液化土地基的设计、施工和加固效果的评价等方面的资料，根据现有的比较适用的设计理论和京沪高速铁路徐宁段液化土地基地质调查资料，提出强夯法处理液化土地基的方案并对该改良方法的加固效果做定性的评价。

2.2研究的意义

砂土液化是地震产生的主要震害之一。我国60年代至70年代发生了多次地震，由于土体液化使地面建筑物倾斜、下陷，道路路基滑移、路面塌陷，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。通过液化研究可以了解地震液化时不安定地基上运行列车的安全性确保的需要，地震液化对铁道构造物的影响，地震液化所引起的地基侧向流动对铁道构造物的影响，修复地震液化所引的铁道破坏所需费用和时间对国民经济的重大影响。同时，可以根据试验的成果，对铁道构造物进行抗震

性能设计。从京沪高速铁路经过的砂土液化区域来看，主要为海河流域、黄河冲淤积区、老黄河故道、长江地区及其他河流冲淤积区，而且位于7度、8度或9度区，在地震作用下这些地区均可能发生液化，那么高速铁路液化土地基加固技术的研究显得特别的迫切和必要。本论文将就目前国内有关砂土液化和液化土地基加固技术的研究作一个详细的归纳，并和国外的研究作比较，来进行《高速铁路液化土地基加固技术的研究》的初步设计工作。

3 国内外砂土液化研究现状

世界上最早意识到地震引起饱和砂性土地基液化的问题，是在1951年的日本尼崎地震，地基液化引起灾害的严重性被广泛认识是在这以后的日本新泻地震与美国阿拉斯加地震（19年）。1966年，Seed-Lee首次使用循环三轴试验装置对非排水状态下的饱和砂进行循环剪切加载试验，证实了在循环加载过程中，孔隙水压力上升，将产生“液化”现象。这一成果解明了饱和砂性土液化的基本机理。从那以后，国内外各研究单位利用循环三轴仪、循环扭剪仪及循环单剪仪等试验装置进行了大量的有关液化土的试验研究。通过各国许多专家的研究，基本上解明了影响饱和砂性土液化的各种因素（诸如密度、粒径分布、围压、异向应力状态、循环荷载的波形、循环加载速度、初始应力及应力历史等）。由于受实验设备等方面的制约，国内开展这方面研究工作的单位和人员一直不多，虽有一些专家对以上的研究做了一些工作，并取得了一定的研究成果，但总的来讲，到目前为止，主要是借鉴和引进国外的研究成果及方法，离解明国内主要地区液化土的动力学特性还有不小的距离。另一方面，通过地震后的实地调查，并结合室内外的各项试验，预测饱和砂性土地基液化的判别法的研究，在各国、尤其是在日本开展的十分广泛，并取得了很大的成果。在国内，这方面的研究还比较薄弱。

高速铁路液化土地基的抗液化研究，最早是在上世纪六十年代日本的山阳新干线（1967.3－1975.3）建设时被提出来的，但限于当时的抗液化加固的技术水平，所采用的加固工法几乎全是高速公路饱和砂性土抗液化处理的传统加固工法（注：日本第一条高速铁道东海道新干线（1959.4－19.10）在建设时对饱和砂性土地基没有采取任何抗液化加固措施，只是在建成后，才对饱和砂性土地基的区段沿线路的坡脚用加宽薄板桩隔断工法、注入固化剂工法等进行抗液化加固），

如挤密砂桩法、挤密碎石桩法、砂基振冲压实法、重锤强夯法等对周围环境影响较大的动压实工法。

进入二十世纪八十年代，由于上述加固工法中所存在的缺点在实际施工中受到越来越多的，日本的各研究机关和建设单位都投入了大量的研究资金和研究人员，开发了许多对周围环境几乎不产生影响的液化土地基的处理加固新方法，比较有代表性的如：注浆法、静压实法（压注法、特种石灰桩法）、深层混合处理法、加筋路堤、EPS路堤、泡沫混凝土路堤及复合处理法等。

4 砂土液化引起的破坏

4.1地面破坏类型

液化造成的地面破坏大体上有下列类型： 1.喷水冒砂； 2.地下轻型结构上浮； 3.地基失效与过大的沉降； 4.侧向流动； 5.流滑。

4.2各种破坏类型带来的后果：

4.2.2．地基失效

这种形式的液化震害是房屋建筑中最常见的震害。以液化最著名的新泻市为例，全市22％(340栋)的钢筋混凝土房屋破坏。有20栋以上产生了超过1．5m的沉降。但由于液化层的减震影响，2／3的房屋都没有上部结构破坏只是产生过大的沉降与倾斜。房屋上部结构破坏少的原因据分析有二：

(1)液化层上的地震力小；

(2)地基比较均匀且建筑物的刚度大。 4.2.3.液化侧向流动与流滑

液化引起的土体滑塌与永久变形对房屋结构造成的破坏程度较地基失效为甚，对桥梁与铁路危害尤大。大致分为两类：

2.高速铁路液化土地基路堤在地震时，砂土液化造成的破坏类型： 1）路基开裂、不均匀下沉及坍滑

当路基下覆有易液化的松砂地基时，地震时会因液化引起喷砂冒水，其分布常呈点状或带状，一般与下覆松砂的分布状况有关；在路基两侧的侧沟中出现的几率最大，路基会因下伏地基的液化流滑而导致拉裂破坏，造成路面塌陷、开裂、和坍滑。

对干密砂和松砂互层地区，当密砂层较厚时（相对于一定地震烈度而言），下覆松砂液化会诱发密砂层的软化，严重时会造成密砂层全部破坏，导致地表沉降或沉陷。

对于粘土与松砂互层地基而言，则主要造成地基震沉，导致路基变形破坏。

5 三轴剪切的液化研究

1960年，一个关于砂土液化的室内综合研究计划是在伯克利的加利福尼亚大学开始的。西特和李发表了第一套关于一种砂的综合数据。他们提出，在许多地震中土变形的主要部分是剪切波，由基岩向上传播而引起的。地震时，土被考虑为受到以系列多次改变方向的循环剪应变。若地表是水平的，则在水平面上没有剪应力。该平面上总法向应力保持常值，在地震过程中只产生循环剪应力。

通过一系列的试验，了解了影响砂土液化的各种动，静荷载与液化的关系。

5.1.砂在循环荷载下的性状

松砂在循环荷载作用下，轴向应变在液化发生以前是可以忽略的，然后它们是相当对称的拉和压，并且幅值很大。孔隙水压力随着应力循环次数的增加稳步上升，直到有一个突然增大，它标志初始液化的出现。液化后，孔隙水压力在偏应力为最大值时最低，而在循环偏应力为零时有最高值。

5.2.砂土液化后施加静荷载的效应

在松砂液化后进行了一个静力试验：土样有相当大的变形，没有表现出任何对变形的阻力，孔隙水压力也没有任何变化。最后，当应变达到大约20％时，土样趋于剪胀，孔隙水压力减小，引起有效应力增大，导致产生明显的抗变形阻力。所以在没有向上的渗流穿过液化砂体的情况中，一系列的循环运动以后施加静剪应力，将使已经液化的砂发生很大的位移，同时对进一步变形产生了高阻力。从而，可以预期，这样一个已液化的沙层当循环应力或地震运动停止时，将立即重新成为稳固的。

5.3.围压对液化的影响

围压越大，产生液化所需的应力循环次数越多

6 抗液化的基本途径和方法

6.1抗液化的规范和方法

抗液化措施是对液化地基的综合治理，应根据建筑的重要性和地基的液化等级,

当需对判定为可液化得土层进行处理以确保建筑物的抗液化稳定性时，可以从防止液化发生和在液化发生的前提下采取相应的措施这两个方面提出增稳方案。常采用的方法有挖换、加密、增压、围封、排水和深基等。

1.避开就是在选择场地时，如果有可能，尽量不要把建筑物放在容易发生液化的地段，即地下水位高，沙层埋藏浅，相对密度低，颗粒级配差，覆盖土层薄等情况下的地段。

2.挖换就是将可液化土挖去并用非液化土置换。这种方法不仅挖去了浅层可液化的砂层，而且上部回填的土层还有利于防止下部砂层的液化破坏。一般当可液化土层距地表3~5米时，可以全部挖除，较深时，可考虑部分挖除。

3.加密是一种广泛采用而行之有效的措施，对于饱和砂土的加密常采用的有振冲加密法，挤密砂桩法，强夯法等。

（1）振冲加密法就是在地基砂土中插入棒状的振冲器，振冲器能够一边振动一边射水。振动由一个偏心质量绕竖轴旋转形式，可以产生980000N的水平激振力，使相当大范围内的砂土发生结构破坏，振冲器尖端的高压水既可以起到导向左右，又可在土层中造成“流砂”条件，使振冲器迅速沉入到所需的深度。当振冲器沉到预定深度，关闭水并振动，边振边提，使周围的砂土在水平力作用下压实，地表下沉，随即灌入砂土形成一个压实的砂土柱体，达到密实。

（2）砂桩挤密法利用振动作用先将一个钢管打入地基，然后从管内将粗粒料抛入，一边震动一边将管上提，一边将砂夯实，使砂土既能达到密实，又能向横向扩大，挤实周围的砂层。

（3）强夯法强夯法处理地基是60年代末由法国Menard技术公司首先创用的。它一般通过8~30吨的重锤和8~20米的落距对地基土进行冲击，来加固。常

用来加固碎石土，砂土和粘性土，而且还用来改善其抵抗振动液化的能力和消除土的湿陷性。

此外还有围封，排水，深基等措施，在处理液化土地基方面也起到了很好的效果。

6.2液化土地基抗震加固具体设计

1.确定加深度固

一般要求加固至液化底层。在液化层很厚或建筑物要求不太高的情况下，也可以只加固液化层的上部，但按照建筑抗震规范，液化地基的处理深度应是残留液化层给出的液化指数不大于4，对基础或条形基础还不应小于基础底面下5米和柱基础的长边，适应可能的不均匀沉降。

2.确定加固宽度

日本防火办公所要求加固宽度超出基础边缘每边不小于2/3，加固深度且在5～10米范围内。日本建筑结构设计规范采用基础外超宽范围为1/2加固深度。

我国煤炭部抗震规程（1982）要求加固宽度需超过基础宽度每边不小于2米。

我国一机部抗震规程（1982）要求加固宽度由基础边缘安450线外放且部小于2米。

3.确定加固后的密度

对于液化土一般均要求加固后土的密度，波速或静力触探值应达到规范要求的不液化标准，液化判别式规定的液化临界标准贯入值，临界剪切波速值和临界静力触探值加固后土的标准贯入值，波速值和静力触探值。

只有在有充分依据时，才可以降低上述要求。在用碎石桩加固时，上式的要求偏于安全。因为式子中为考虑碎石桩本身强度和排水性高于桩间土。如考虑这种影响则可以降低对桩间土的密度要求，但应该有必要的论证

总结

液化是地震带来的很大的灾害，它给整个社会带来巨大的经济损失和人员伤亡。同时，液化带给高速铁路的破坏也很大，它直接导致路基开裂、不均匀下沉及坍滑，桥梁折断和垮塌，给铁路运输带来困难。所以对液化的研究是一项很有经济和社会意义的。

参考文献

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[2].陈希哲.土力学地基基础.清华大学出版社，2001

[3].曾国熙，卢肇钧，蒋国澄.地基处理手册.中国建筑工业出版社，1988 [4].刘成宇.土力学.西南交通大学出版社，2000

[5]..日本鉄道総合技術研究所編.鉄道構造物等設計標準?同解説―耐震設計.株式会社丸善出版，平成11年10月

[6].日本鉄道総合技術研究所編.鉄道構造物等設計標準?同解説―土構造物.株式会社丸善出版，平成4年10月

[7].日本鉄道総合技術研究所編.鉄道構造物等設計標準?同解説―基礎構造物?抗土圧構造物.株式会社丸善出版，平成9年10月

[8].郭颖.建筑抗震设计规范实施手册.吉林科学技术出版社.2002 [9].刘正峰.地基与基础工程新技术实用手册.海潮出版社，2000

致 谢