第一章 緒論

1.1 引言
地震是自然災(zāi)害中的一種，常常給人類帶來嚴(yán)重的傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。地震也可能引起水災(zāi)、火災(zāi)、地裂縫、崩塌、滑坡、海嘯等次生災(zāi)害。如國外,1964 年在美國阿拉斯加和日本新瀉均發(fā)生地震, 1995 年阪神地震的砂土液化造成大面積地基破壞，建筑物坍塌，人員傷亡慘重。在國內(nèi)，近五十年來，發(fā)生多次大地震：1976 年，在河北唐山發(fā)生的 7.8 級(jí)大地震，造成 20 多萬人死亡；2008 年，在四川汶川發(fā)生的 8.0 級(jí)地震，造成 8 萬多人死亡；2010 年 6 月，青海玉樹地震造成兩千多人死亡。經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)巨大。土體液化是地震過程中砂土常發(fā)生的一種破壞現(xiàn)象，各類工程結(jié)構(gòu)均因土體液化而產(chǎn)生破壞，因此一直受工程和學(xué)術(shù)界人士的重視。自唐山、海城地震以來，2003 年 2月，出現(xiàn)在新疆巴楚-伽師地區(qū)的 6.8 級(jí)地震中的液化現(xiàn)象，是我國近 30 年涉及范圍最廣的砂土液化現(xiàn)象。 [1] 大規(guī)模砂土液化在巴楚地區(qū)地震中發(fā)生，極震區(qū)范圍以外，在距離震中一定距離的地區(qū)也有分布，造成道路裂縫、農(nóng)田毀壞、河流溝渠塌岸和建筑區(qū)破壞等災(zāi)害。巴楚地震之所以會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模砂土液化，是因?yàn)檎饏^(qū)的特殊工程地質(zhì)條件，震區(qū)的大多數(shù)建筑物建設(shè)在松軟的砂性土層上，又由于該地區(qū)地下水位較高，使震害加重。出現(xiàn)在巴楚震區(qū)的砂土液化現(xiàn)象造成地基不均勻沉降，致使建筑工程設(shè)施破壞。瓊鄉(xiāng)地基出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，造成建筑物和工程設(shè)施等的破壞。例如瓊鄉(xiāng)地基的不均勻沉降使承載變壓器雙電線桿沉降不同而傾斜。另外由砂土液化引發(fā)的地裂縫會(huì)損壞上覆建筑物。如瓊五井砂土液化使水泥臺(tái)基出現(xiàn)裂縫。2008 年汶川地震發(fā)生后，中國地震局組建汶川地震工程震害科學(xué)考察隊(duì)，其中袁曉銘，曹振中等[2]對(duì)汶川地區(qū)的液化現(xiàn)象與液化特點(diǎn)進(jìn)行深入調(diào)查研究，此次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，汶川大地震中的液化破壞現(xiàn)象和其震害現(xiàn)象十分顯著，是建國以來液化宏觀現(xiàn)象最為豐富、液化涉及區(qū)域最廣的一次。汶川地震液化現(xiàn)象的特點(diǎn)有噴水高、噴砂量小、持時(shí)短，但是噴砂類型十分豐富。海外,僅美國每年花費(fèi)在預(yù)防地震液化現(xiàn)象的費(fèi)用就高達(dá)幾十億美元，可見對(duì)地震液化的重視程度。我國地質(zhì)條件呈現(xiàn)多樣化，地震液化現(xiàn)象在各地均有出現(xiàn)，這給分析并應(yīng)對(duì)地震液化破壞加大了難度，因此，探究飽和砂土液化機(jī)理、研究飽和砂土的加固方法是需要我國工程界人士花時(shí)間和精力來攻克的難題。
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1.2 砂土液化的特性
砂土的液化指飽和砂土在振動(dòng)作用下由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)突然破壞的一種現(xiàn)象。液化后的砂土可流動(dòng),土體強(qiáng)度在很大程度上降低,從而對(duì)工程產(chǎn)生嚴(yán)重影響。李空軍、楊勇新等[3]從砂土液化時(shí)的應(yīng)力條件出發(fā)闡述了土的液化形成機(jī)理，飽和砂土的液化實(shí)質(zhì)是孔隙水壓力上升的結(jié)果。在飽和的砂土中土顆粒之間的孔隙已充滿水，在振動(dòng)作用下土顆粒和孔隙中的水會(huì)運(yùn)動(dòng)，土顆粒在振動(dòng)的作用中有相互聚攏變密的趨勢(shì)，在此過程中孔隙水會(huì)阻礙土顆粒的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)能量傳遞，土顆粒的能量傳遞給孔隙水,孔隙水壓迫土顆粒致使孔隙水壓力上升。如果孔隙水不能在短期內(nèi)排出，孔隙水壓力會(huì)持續(xù)增大，相應(yīng)則土顆粒受到的有效應(yīng)力會(huì)減小直至為零。失去了有效應(yīng)力的土顆粒間力的傳遞消失而失重，在水中處于懸浮狀態(tài)，與此同時(shí)，孔隙水壓力的上升會(huì)停止，與剛開始土顆粒間的有效應(yīng)力相等。這時(shí)隨著土體骨架的崩塌，水的流動(dòng)作用帶動(dòng)土粒一起運(yùn)動(dòng)。呂菲[4]、趙旭榮[5]將砂土地震過程中的液化形成機(jī)制按發(fā)生的先后順序分為振動(dòng)液化和滲流液化。振動(dòng)液化是由于砂土顆粒的松散性和水的可流動(dòng)性，而飽和砂土中水的參與使土體的抗剪強(qiáng)度低于干砂的抗剪強(qiáng)度，如果振動(dòng)過程中排水不良，會(huì)引發(fā)孔隙水壓力增大，土體抗剪強(qiáng)度下降甚至可能喪失。滲流液化是指孔隙水壓力升高后孔隙水向下滲流，使土體中的顆粒處于一種懸浮狀態(tài)，最終土體承受荷載的能力喪失。
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第二章 微觀試樣制備及試驗(yàn)儀器

2.1 微觀試樣的制備
樣品選取于振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖洌駝?dòng)臺(tái)試驗(yàn)土取在太原市南中環(huán)橋汾河西岸的某住宅小區(qū)基坑施工現(xiàn)場，所取土含有大顆粒和雜質(zhì)，取回試驗(yàn)室需進(jìn)行處理。第一步晾曬土體，待飽和土體中水分蒸發(fā)成能夠分散的濕土。第二步用孔徑 2mm 的土工篩過濾，將大的粗顆粒和雜質(zhì)篩除，并反復(fù)攪拌土體以提高樣品土的均勻性，為試驗(yàn)的科學(xué)性打好基礎(chǔ)。本次試驗(yàn)所取的樣品土為可液化土-細(xì)砂[71]。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》 (GB/T 50123-1999) [72]，以篩分法為依據(jù)，對(duì)樣品土進(jìn)行分析，結(jié)果列于表 2-1，根據(jù)結(jié)果繪制顆粒級(jí)配曲線如圖 2-1，由此可確定土樣為細(xì)砂。本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)制作地基模型選擇干裝法[74]。砂土裝箱過程分層進(jìn)行，針對(duì)模型箱的尺寸，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的填裝高度為 47cm，分 8 層完成填注，最底一層裝填高度為，，以上 7 層每層裝填高度均為。每一層填注完成應(yīng)進(jìn)行壓實(shí)，然后方可進(jìn)入下一層的填注壓實(shí)。裝填土體的干密度需控制在 1.4g/cm3 左右，干砂總重量為 130.02kg（根據(jù)模型箱尺寸及模型箱土體的設(shè)計(jì)高度計(jì)算得到），故每層需填裝的砂土重量為 16.598kg。在模型箱裝填土過程中，應(yīng)注意每層土體裝填壓實(shí)完成后，都要用毛刷將該層土體表面進(jìn)行處理，使表面粗糙，有利于下一層土體裝填完成后，兩個(gè)土層接觸面之間的良好結(jié)合，土層之間的咬合力增強(qiáng)后，振動(dòng)過程中的相對(duì)滑移就會(huì)減少。
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2.2 圖像的采集及處理
試驗(yàn)選用 HITACHI TM-1000 掃描電子顯微鏡（圖 2-9）對(duì)制好的試樣拍照取像，由于砂土顆粒較大，本次選擇了五個(gè)放大倍數(shù)對(duì)土樣上表面某一點(diǎn)完成圖像采集，分別為放大 50、100、200、300、500、1000 倍，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)試樣選取不同區(qū)域的五個(gè)點(diǎn)進(jìn)行放大取像，采集好的圖像命名保存，等待軟件進(jìn)行處理。
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第三章 放大倍數(shù)和灰度閥值的確定........23
3.1 處理圖像..... 23
3.2 確定放大倍數(shù)....26
3.3 閾值的確定........30
3.4 本章小結(jié)..... 37
第四章 液化土微觀圖像的分析....39
4.1 未加固模型土樣微觀結(jié)構(gòu)隨埋深的變化..... 39
4.2 單根水泥土樁加固模型土樣微觀結(jié)構(gòu)隨埋深的變化........ 42
4.3 單根碎石樁加固模型土樣微觀結(jié)構(gòu)隨埋深的變化...........45
4.4 四根水泥土樁加固模型土樣微觀結(jié)構(gòu)隨埋深的變化........ 48
4.5 四根碎石樁加固模型土樣微觀結(jié)構(gòu)隨埋深的變化......51
4.6 水泥土樁與碎石樁復(fù)合加固模型土樣微觀結(jié)構(gòu)隨埋深的變化.........54
4.7 本章小結(jié)..... 57
第五章 試驗(yàn)結(jié)果綜合分析........ 59
5.1 水泥土樁參與加固模型綜合分析........... 59
5.2 碎石樁參與加固模型綜合分析....... 67
5.3 六組不同加固模型孔隙面積比綜合分析.......75
5.4 本章小結(jié)..... 80

第五章 試驗(yàn)結(jié)果綜合分析

為了進(jìn)一步分析不同樁體加固前后模型對(duì)液化砂土的加固效果，下面分別對(duì)水泥土樁參與加固模型、碎石樁參與加固模型與未加固地基模型孔隙面積比、不同孔徑孔隙分布率整理，并對(duì)六種模型進(jìn)行綜合分析。

5.1 水泥土樁參與加固模型綜合分析

如圖 5-1 所示，未加固地基模型振動(dòng)前的孔隙面積比為 0.334，單根水泥土樁、四根水泥土樁加固地基模型土樣的孔隙面積比分別為 0.277、0.213，復(fù)合加固地基模型土樣振前孔隙面積比為 0.267�？梢姡S水泥土樁數(shù)量的增加，地基模型振動(dòng)前孔隙面積比減小，但均沿埋深無變化，說明水泥土樁使土體中的孔隙減少。如圖 5-3 所示，小孔隙分布率四根水泥土樁加固模型最大，過渡孔分布率四根水泥土樁加固模型最大，大孔隙分布率單根水泥土樁加固模型最大。未加固模型大孔隙最多，小孔隙多于過渡孔；單根水泥土樁加固模型大孔隙最多，小孔隙與過渡孔隙之和不到大孔隙的一半；四根水泥土樁加固模型小孔隙最多，過渡孔、大孔隙依次減少；水泥土樁與碎石樁復(fù)合加固模型大孔隙最多，過渡孔多于小孔隙。總之，隨水泥土樁數(shù)量的增加，小孔隙、過渡孔分布率增大，大孔隙分布率變小。說明水泥土樁加固減少了土體中的大孔隙，單根水泥土樁加固對(duì)大孔隙的減少無作用。

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結(jié)論

本文分別對(duì)未加固、單根水泥土樁加固、單根碎石樁加固、四根水泥土樁加固、四根碎石樁加固及水泥土樁和碎石樁復(fù)合加固模型振動(dòng)前后不同埋深處微觀土樣的孔隙面積比、結(jié)構(gòu)圖像、不同孔徑孔隙的分布率進(jìn)行分析，并綜合分析了水泥土樁參與加固模型、碎石樁參與加固模型和六種加固模型的孔隙面積比、結(jié)構(gòu)圖像和不同孔徑孔隙的分布率，得出以下結(jié)論：
（1）多次試驗(yàn)后得到了適用于液化砂土微觀土樣的制作方法，用掃描電鏡獲取微觀圖像后，用軟件 IPP 進(jìn)行處理。
（2）通過分析比較所得數(shù)據(jù)和圖像確定了本次試驗(yàn)最佳放大倍數(shù)為 500 倍，閥值取在灰度分布曲線的波谷處。
（3）未加固模型振動(dòng)后孔隙面積比與振動(dòng)前相比增大，說明振動(dòng)后大孔隙土體疏松。
（4）單根水泥土樁加固模型振動(dòng)后仍然變疏松，并未體現(xiàn)加固土體并使其密實(shí)的作用。單根碎石樁加固使中層和深層土體密實(shí)，使淺層土體疏松。（5）四根水泥土樁加固并未對(duì)模型起到加固密實(shí)的作用，四根水泥土樁加固使土體中直徑較大的孔隙減少，但振動(dòng)前后不同孔徑孔隙分布率的變化不大。四根碎石樁的加固使土體變密實(shí)，尤其對(duì)中層土體的加固效果好；四根碎石樁對(duì)大孔隙的減小無作用。
（6）復(fù)合樁加固對(duì)土體有使其密實(shí)的作用，對(duì)中層土體效果最好，與四根碎石樁加固模型相似；復(fù)合樁綜合了水泥土樁和碎石樁的加固特點(diǎn)，大孔隙分布率最大但并未超過小孔隙和過渡孔太多。
（7）淺層土體中隨水泥土樁數(shù)量的增加，大孔隙分布率減小，說明水泥土樁可使淺層土體中大孔隙減少；碎石樁使振動(dòng)后加固模型的淺層土體中大孔隙分布率減小，樁數(shù)量的增大與減小的幅度呈反比；振動(dòng)后，碎石樁減少土體中孔隙的效果比水泥土樁明顯。
（8）四根水泥土樁加固可使淺層土體中大孔隙分布率大幅減小，其次為單根碎石樁加固模型，其他樁體加固模型的效果不明顯；單根碎石樁加固使中層土體大孔隙分布率減小效果良好，其次為復(fù)合樁加固，再為四根水泥土樁加固；四根水泥土樁加固使深層土體大孔隙分布率減小的效果最佳，其次為單根碎石樁加固模型。
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：100760