摘 要:岩土工程论文帮写通过野外剪切波速测试、室内动三轴试验和微结构扫描对强夯黄土地基进行了对比分析。结果表明,强夯有利于提高黄土地基的抗液化性能,但不能完全消除黄土地基的液化,对黄土地区的强夯施工作业提供了有益的参考。
关键词:强夯;剪切波速;动三轴试验;黄土地基;抗液化
1 引言
尽管黄土的液化还未列入现行抗震规范,但国内外的震害和室内液化试验表明其存在[1,2,3,4],且随着城市化规模的不断扩大,生活用水的增加以及农业灌溉面积的增加,湿至饱和的黄土范围也会增大,一旦地震来临,必有可能加重其震害,因此,需要继续进行这方面的研究。强夯法(又称动力固结法)是将80~400kN的重锤起吊到10~40m高度后让其自由下落,对土进行动力夯实,以提高地基强度,降低地基压缩性和消除湿陷性。本文选择330kv兰州东郊变电所强夯地基,对强夯前、后黄土地基的抗液化性能进行试验研究。
1.1 场地的工程地质概况及地基处理方法
该场地位于兰州东岗桃树坪以东500 m处的柳沟坪上,场地地层主要为黄土状粉土,其分布广、厚度大(32.3 m),具有湿陷性,其物性指标见表1。下伏卵石层,其埋深为32.3~32.8 m,厚度约为10.0 m。经过反复论证,最后决定330kV兰州东郊变电所地基处理普遍采用强夯,局部重要建(构)筑物基础采用桩基,穿透湿陷性黄土,桩端进入卵石层。
试验主夯采用500kN履带吊车配有龙门架和自动脱钩装置,拍平夯采用250kN履带吊车,配备有双支腿副杆。6000kN•m能级采用460kN重圆形夯锤,锤底直径2.7m,底面积5.72m2。锤底静压力80.52kPa。3000kN•m能级采用177.9kN重圆形夯锤,锤底直径2.5m,底面积4.90m2。锤底静压力36.25kPa。为取得最佳夯实效果,夯前采取增湿措施,使基土的含水量在最优含水量范围(10%~16%)。两种能级下的最佳夯击次数均为13次(见图1)。该图中的系列1指能级为3000kN•m,系列2指能级为6000kN•m。强夯点间距对3000kN•m能级为1.5~1.7倍的锤底直径,其有效加固深度为4•5m,总夯沉量为1•65 m;对6000kN•m能级为1•4的锤底直径,其有效加固深度为7•5 m,总夯沉重为1•9~2.1 m。夯点按正三角形布置,隔点跳打。最后两击平均夯沉量对3000kN•m不大于5cm;对6000kN•m不大于10cm。拍平夯采用2000kN•m能级,每点4击,一夯压一夯1/3底面直径。
1•2 强夯的效果评价
通过上述处理,3000kN•m能级和6000kN•m能级的强夯分别消除了0~4.5m和0~7.5m范围内黄土的湿陷性。两种能级强夯引起的夯前、后土性主要指标变化分别见表2和表3。从该两表中可以明显地看出,强夯引起了干容重的增大、孔隙比的减小、湿陷系数的减小和标贯击数的增大。说明强夯法在处理黄土地基的湿陷性和提高地基承载力方面是有效的。
2 强夯黄土地基的抗液化评价
2.1 强夯黄土地基的剪切波速测试
依据有关研究[5],目前已有40多个液化判别式或方法,但常用的有标准贯入法、双桥静探法和剪切波速法。如前所述,强夯黄土地基的标准贯入击数的明显提高即表明其抗液化性能得到了增强。由于条件所限,未能进行双桥静探试验,只能对强夯黄土地基进行剪切波速测试,其测试结果见图2的(a)和(b)。从图中可明显看出,强夯大幅度地提高了黄土地基的剪切波速,具体结果是在该两个能级夯区的8 m深度范围内,黄土的剪切波速分别由212~246m/s和214~248m/s提高到224~429m/s和294~398m/s。由于在地基液化判别方法中存在临界剪切波速值[6],即大于某一剪切波速值后即可判为不液化,因此,剪切波速的提高也是强夯使黄土地基的的抗液化性能增强的证据之一。
2.2 强夯黄土地基的室内液化试验
众所周知,强夯法由于其施工简便、工效高等特点而被广泛地用于消除黄土地基的湿陷性以及提高地基承载力等工程实践。但经过强夯后的黄土地基的抗液化室内试验方面的研究却开展很少。为此,在经过6000kN•m能级强夯处理后的黄土地基制取两个原状试样,在试验室对其饱和后,施加两种不同强度的正弦循环荷载,同时记录在动荷载施加过程中试样的孔压及应变的变化过程。两个试样液化试验的原始记录曲线分别见图3中的(a)和(b)。图中的σd、u和ε分别代表动应力、超孔压和动应变。将其试验结果整理后绘制于图4和图5中。从这两图中可知,经过6000kN•m能级强夯处理后的黄土试样在不同的动应力作用下,其超孔压和动应变都出现了明显的增长,具体的数据是,对于(a)试验,在σ3=200kPa和Kc=1.0条件下,其循环应力比CSR=0.153。虽然其最大孔压比只达到了0.644,没有超过0.7,但其动应变已达到了13.3%,早已超过了3%,因此,根据饱和黄土液化机理的研究结果,液化已经在试样中发生。同样,对于(b)试验,其循环应力比CSR=0.170,其最大孔压比只达到了0.583,没有超过0.7,但其动应变已达到13.1%,也超过了3%,因此,在试样中也发生了液化。由于强夯法处理湿陷性黄土地基的主要作用是提高黄土的密实度,而黄土液化的微观机理与黄土中的高粉粒含量、中孔隙含量、盐类弱胶结有密切关系[4],因此,即便是经过6000kN•m能级强夯后的黄土饱和试样在一定动应力作用下仍然出现孔压上升、有效应力降低、残余应变急剧增大的典型液化现象,即强夯不能完全消除黄土的液化。故在地下水位较高的黄土地区选用强夯处理的工程项目,宜适当考虑采用一些抗液化的措施,以保证建筑物遭遇地震时的安全。
2.3 强夯黄土的微结构变化
为了研究强夯处理对黄土微结构的影响,对强夯处理前、后黄土地基土的微结构进行了电子显微镜扫描和计算机图象处理。其结果分别见图6和表4所示。从图6中可以大致看出,强夯使黄土中大孔隙碎散为小孔隙,而且,黄土变得密实了。具体的变化可从表4中得到证实,强夯前黄土的大孔隙含量超过10%,强夯后在不同深度处黄土的大孔隙含量均降到6%以下,且中孔隙的含量也不同程度地下降;相反,黄土的微、小孔隙含量却有大幅度的增加,即黄土中的中、大孔隙减少,微、小孔隙增多,土颗粒之间的密实度提高。http://www.51lunwen.org/ytgc/这一变化使黄土微结构趋于稳定,震陷性得以消除。但由于只是孔隙结构的变化,而且这一变化远不如黄土液化前、后的孔隙结构变化的剧烈,一般液化作用使中孔隙的含量降低到百分之几到十几。另外,也没有引起与液化势有关的粉粒含量的改变,因此,这种处理方法不能完全消除黄土的液化。
3 结论
(1)强夯使黄土地基的干容重增大、孔隙比减小、湿陷系数减小和标准贯入击数增大。说明强夯法在处理黄土地基的湿陷性和提高地基承载力方面是很有效的。
(2)强夯导致黄土地基的剪切波速增加以及标准贯入击数增加,说明强夯处理法有利于提高黄土地基的抗液化性能。
(3)强夯后的黄土地基试样的室内液化试验表明,强夯后的黄土仍然具有较低的液化应力比和较小的液化振次,以及液化过程出现孔压上升和动应变超过13%,说明强夯不能完全消除黄土地基的液化。
(4)强夯引起黄土的微结构发生变化,即黄土中的大、中孔隙减少,微、小孔隙增多,土颗粒之间密实度提高。
[参考文献]
[1] http://www.51lunwen.org/ytgc/Ishihara, K., Okuas, S., Oyagi,N. and Ishchuk, A. Liquefaction-induced Flow Slide in the Collapsible Loess Deposit on SovietTajik[J]. Soils and Foundations, 1990, 30(4):73~89.
[2] Wang Lanmin, Zhang Zhengzhong and Wang Jun. Liquefaction Problem in Seismic Microzonation in Loess Areas[A]. In: Porceed-ings of Fifth International Conference on Seismic Zonation[C]. France, 1995.917~923.
[3] WangLanmin, Zhang Zhengzhoung, Li Lan and Wang Jun. Laboratory Study onLoessLiquefaction[A]. In: Proceedings of EleventhWorld Conference on Earthquake Engineering[C]. Acapulco, Mexico. 1996.Vol.3.
[4] 王兰民,刘红玫,李兰,孙崇绍.饱和黄土液化机理与特性的试验研究[J].岩上工程学报,2000年第22卷,第1期.
[5] 石兆吉,王兰民.土壤动力特性•液化势及危害性评价[M].北京:地震出版社,1999.
[6] 石兆吉.土壤液化势的剪切波速判别法[J].岩土工程学报,1993年第1期.
