1. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 100084;
2. 昆明理工大学 电力工程学院, 昆明 650500
收稿日期：2017-07-13
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51739006，51479097，11172150）；水沙科学与水利水电工程国家重点实验室科研项目（2016-KY-2）；中国岩石力学与工程学会青年人才托举工程项目（2016QT-6-6）；中国博士后科学基金资助项目（2016M592717，2017T100715，2017M620048）
作者简介：陈宇龙(1988-), 男, 博士后
通信作者：张科, 副教授, E-mail:zhangke_csu@163.com
摘要：减饱和法是近年来提出的一种可液化地基处理方法，其基本原理是通过工程措施减小饱和砂土地基中的饱和度，将饱和砂土地基变成不饱和砂土地基，从而提高地基的抗液化强度，减轻地震时产生的液化震害。该文利用井点降水法，在砂土地基中布置排水管，考虑排水管的竖向布置、水平布置、倾斜布置以及联合布置，对井点降水法的抗液化效果进行了振动台模型试验。实验结果表明：排水管水平布置产生的超孔隙水压最小，抗液化效果最好；竖直布置次之；倾斜布置抗液化效果最不明显。在实际应用过程中，可以定期进行地基土体的排水作业，从而提高可液化地基的抗液化能力。
关键词：井点降水法排水抗液化饱和砂土地基振动台试验
Shaking table tests on the mitigation of liquefiable ground effects by well-point dewatering
CHEN Yulong1, ZHANG Ke2
1.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2.Faculty of Electric Power Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China
Abstract: The liquefaction resistance of saturated, sandy foundations can be improved by reducing the saturation. The well-point dewatering method was used to lower the saturation of the subsoil using vertical, horizontal, inclined and combined drainage pipes arrangements. The horizontal arrangement gave the best liquefaction resistance with the lowest induced excess pore pressure during the shaking. In engineering practice, the dewatering method can be used at regular intervals to reduce the liquefaction possibility.
Key words: well-point dewatering methoddrainageliquefaction resistancesaturated sandy foundationshaking table test
由地震荷载造成的饱和砂土地基液化是典型的地震灾害之一，对处于液化地基上的建筑物和基础设施会造成严重的变形，甚至发生开裂、倾斜、倒塌、不均匀沉陷等灾害[1]。因此迫切需要一种可靠且经济的可液化地基处理方法。目前常用的可液化地基处理方法有加密法、固化法和换土法，但它们的应用受限于高昂的成本[2]。
由于饱和度对地基的抗液化强度影响显著[3-4]，砂土的饱和度从100%减少到70%时，砂土的抗液化强度逐渐提高，最大可以超过完全饱和试样的3倍以上[5-6]。降低饱和砂土地基中的饱和度，将饱和砂土地基变成不饱和砂土地基，从而提高地基的抗液化强度，减轻地震时产生的液化震害的方法受到国内外****的广泛关注，减饱和法应运而生。
目前常见的减饱和法主要有5种：物理充气法、化学气泡法、生物气泡法、电解法和降低水位法。物理充气法是通过充气泵，将空气注射到砂土中(或通过挤密砂桩注入到地基中)，在注射点附近排出孔隙水，形成有效的减饱和区域。Okamura等[2, 7]直接将高压气体注入地基中，降低地基饱和度。但物理充气法的气泡分布不均匀，通常导致减饱和效果较差。化学气泡法是通过化学物质NaBO3·H2O在砂土中的反应产生双氧水(H2O2)，然后通过双氧水的分解产生氧气。Eseller-Bayat等[8]利用化学气泡法，达到减小砂土饱和度的目的。生物气泡法是通过微生物的反硝化作用产生氮气的方法。He等[9]通过微生物反硝化法生成氮气来减小砂土的饱和度。虽然从气泡分布的均匀性考虑，化学气泡法和生物气泡法比物理充气法的效果更好，但有可能引起环境污染问题。电解法是通过电解水产生气体的方法在饱和砂土中产生气体，达到减饱和目的。Yegian等[10]通过电解孔隙水产生气体的方式减小地基的饱和度，但地基的电学特性规律不明确。降低水位法是通过井点降水将地下水位下降，使得饱和砂土变成不饱和砂土。Kuriki等[11]通过排水降低地基饱和度。井点降水法只需在基坑四周埋设一定数量的滤水管，利用抽水设备抽水即可。由于其设备简单且成本低，井点降水法得到了广泛的应用。
基于此，本文考虑了排水管在砂土地基中的竖向布置、水平布置、倾斜布置以及联合布置，对井点降水法的抗液化效果进行了振动台模型试验研究。
1 试验概况1.1 试验装置振动台模型试验具有模型尺寸可控、响应量测直观、地震输入可重复等优势，越来越成为岩土地震工程领域一种重要的研究手段[12-17]。本文采用振动台进行饱和砂土的液化试验。振动台的台面尺寸为2 m×3 m，最大承重为7 t，最大加速度为1.0g，频率范围为3~50 Hz，最大台面位移为200 mm。配套的模型箱采用钢形容器，四周装配透明的有机钢化玻璃，内部尺寸为2 650 mm×400 mm×600 mm，容积为0.636 m3。建筑物模型为质量20 kg的木箱，底部边长为380 mm，底部压强为1.36 kPa。配套的传感器为孔压计、加速度计和激光位移计。排水管的外径和内径分别为8和6 mm，表面布满小孔，且内壁附着一层滤纸以防止砂土流入排水管发生堵塞。
1.2 土样的制备试验采用7号硅砂，其不均匀系数Cu=2.11，平均粒径d50=0.017 mm，其级配曲线如图 1所示。土体颗粒密度ρs=2.64 g/cm3，最大孔隙比emax=1.252，最小孔隙比emin=0.749。
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| 图 1 7号硅砂颗粒级配曲线 |
| 图选项 |
采用水沉法制备饱和砂土，先在模型箱里注入一定量的纯水，然后将砂从空中均匀地自由洒落，每次操作控制水面高度在砂面以上以保证制备的土样饱和。为了便于砂土模型中变形的观测，在靠近正面观测玻璃一侧，每隔10 cm的距离撒上染黑的硅砂作为标记线。装样高度为50 cm，相对密度为46%。装样完成后吸去砂土表面多余的水，并将模型箱静置12 h后进行振动台试验。静置与振动加载过程中，排水管持续作用，使水分自动从饱和土中流出、流入排水管。
1.3 试验方案为了比较排水管的布置形式对结果的影响，试验中考虑的排水管布置方案包括竖直布置、水平布置、倾斜布置以及联合布置，排水管和传感器的布置如图 2所示，排水管布置5列。地基受液化的影响由建筑物模型的沉降表示。试验中排水与振动加载同步进行，以模拟地震发生时井点降水减饱和作业对砂土地基抗液化的效果。试验中的土体液化以实测孔压比达到或接近1来判断。试验输入频率为4 Hz的正弦波，加速度峰值为0.3g，振动时间为25 s。试验进行的工况如表 1所示，输入地震波的加速度-时程曲线如图 3所示。
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| 图 2 试验装置简图(单位: mm) |
| 图选项 |
表 1 排水管布置形式
| 试验编号 | 布置形式 |
| S-1 | 无 |
| S-2 | 竖直 |
| S-3 | 倾斜 |
| S-4 | 竖直+倾斜 |
| S-5 | 竖直+水平+倾斜 |
| S-6 | 水平+倾斜 |
表选项
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| 图 3 输入地震波的加速度-时程曲线 |
| 图选项 |
2 试验结果与分析由于利用排水管的井点降水减饱和作业能够加强砂土地基抗液化效果，因此首先需要确定砂土地基中最需要抗液化处理的位置。为了解地基液化区域，图 4为无排水(S-1)条件下的最大超孔隙水压比(最大孔隙水压与初始竖向有效应力的比值)云图。由于模型的对称性，对数据进行了对称化处理。
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| 图 4 (网络版彩图)无排水(S-1)条件下的最大超孔隙水压比云图与液化地基导致的横向膨胀 |
| 图选项 |
从图 4可以看出，在地基内出现大面积的液化，砂土液化导致横向位移和膨胀。只有深部30~40 cm处的最大超孔隙水压比小于1。
图 5a为排水管竖直布置(S-2)条件下的最大超孔隙水压比云图。竖直布置的排水管减小了液化区域，但并不能完全消除超孔隙水压，地基沉降反而更大(见图 6)，这是由于排水引起了土体变形。图 5b为排水管倾斜布置(S-3)条件下的最大超孔隙水压比云图。倾斜布置的排水管作业减小了地基中央深部的液化区域，但地基沉降同样变得更大。图 5c为排水管竖直+倾斜布置(S-4)条件下的最大超孔隙水压比云图，中间的液化区域减小，但地基沉降同样变得更大。图 5d为排水管竖直+水平+倾斜布置(S-5)条件下的最大超孔隙水压比云图，竖直+水平+倾斜联合布置使得超孔隙水压比减小，地基沉降减小。图 5e为排水管水平+倾斜布置(S-6)条件下的最大超孔隙水压比云图，超孔隙水压比减小，地基沉降减小。说明竖直布置的排水管不足以防止地基的液化，而水平布置的排水管抗液化的效果更好。
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| 图 5 (网络版彩图)排水条件下的最大超孔隙水压比云图 |
| 图选项 |
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| 图 6 建筑物模型的沉降 |
| 图选项 |
从图 6可以看出，布置排水管后，沉降速率增大，这是由于排水引起了土体变形。不同排水管布置形式条件下的沉降速率的时程曲线如图 7所示。除排水管竖直+水平+倾斜布置(S-5)条件外，排水管其他布置形式条件下的最大沉降速率均大于无排水条件下的最大沉降速率。
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| 图 7 建筑物模型的沉降 |
| 图选项 |
深部20 cm处的超孔隙水压如图 8所示。可以看出，最大沉降速率呈现一个峰值阶段，且峰值出现在超孔隙水压的第一个峰值附近。随后，超孔隙水压的继续增大并未导致沉降速率的增大，说明沉降主要发生在振动的前期。
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| 图 8 超孔隙水压与沉降速率 |
| 图选项 |
振动输入刚结束时(t=27 s)的沉降与试验结束时(t=70 s)的沉降如图 9所示。可见受残余超孔隙水压作用，结束振动后沉降持续发生。与无排水管条件下的沉降相比，布置排水管后沉降增大。为更好地了解沉降与沉降速率，表 2给出了不同时刻的超孔隙水压。由表 2可以看出，由于排水作用，土体在第7 s并未液化。结合图 8可知，最大沉降速率发生在第7 s左右。这里出现一个矛盾现象，本文认为这是因为加速消散的超孔隙水压和土体收缩变形。同样，排水导致更大的地基沉降。虽然排水管作业能减小液化，但会引起更大的地基沉降。所以在使用井点降水法处理可液化地基时，需同时采取土体加固措施减小地基的沉降，同时实现提高液化强度和减小沉降。
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| 图 9 振动输入刚结束时与试验结束时的沉降 |
| 图选项 |
表 2 (网络版彩图)超孔隙水压演化过程
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表选项
对于既有建筑物的基础，为避开基础，以一定角度倾斜设置排水管，或在基础周围竖向布置排水管，或在液化土层水平布置排水管。可在同一街区布置排水管，抽吸出的地下水排向下水道，保证液化土层处于较低含水率，提高抗液化强度。
3 结论本文对井点降水法处理可液化地基的效果进行了室内振动台试验研究，得出以下主要结论：
1) 排水作业可以降低地基土体的饱和度，使得砂土地基的抗液化强度提高，地震作用时土体的超孔隙水压力相比于无排水的情况均有所降低。但排水导致地基出现更大的沉降。
2) 排水管水平布置产生的超孔隙水压最小，抗液化效果最好，竖直布置次之，倾斜布置抗液化效果最不明显。
3) 最大沉降速率呈现一个峰值阶段，且峰值出现在超孔隙水压的第一个峰值附近。随后，超孔隙水压的继续增大并未导致沉降速率的增大，说明沉降主要发生在振动的前期。
4) 在实际工程应用中，可以定期进行地基土体的排水作业，从而提高可液化地基长期的抗液化能力。
参考文献
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