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基于振动台试验的碎石桩加固高速铁路液化土地基研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着我国高速铁路建设的蓬勃发展，线路里程不断增长，所经区域的地质条件愈发复杂多样。在众多地质问题中，液化土地基给高速铁路的建设与运营带来了严峻挑战。

地震作用下，饱和砂土或粉土等土体的有效应力会迅速减小甚至降为零，致使土体呈现类似液体的流动状态，这便是土体液化现象。据相关研究表明，在过去的多次地震中，如1976年的唐山大地震、1999年的台湾集集地震，土体液化导致了大量建筑物、桥梁、道路等基础设施的严重破坏。在高速铁路领域，液化土地基可能引发路基不均匀沉降、轨道变形、桥梁基础失稳等问题，严重威胁行车安全，增加运营维护成本，甚至可能造成灾难性后果。例如，当液化土地基发生不均匀沉降时，轨道的平顺性会遭到破坏，列车运行过程中会产生剧烈振动，不仅影响乘客的舒适度，还可能导致车轮与轨道的磨损加剧，缩短轨道和车辆的使用寿命；而桥梁基础在液化地基的作用下，可能发生倾斜、下沉，危及桥梁结构安全，一旦桥梁垮塌，后果不堪设想。

为解决液化土地基问题，工程界采用了多种加固方法，碎石桩加固技术便是其中应用广泛且效果显著的一种。碎石桩是通过振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔，然后将碎石挤压入孔中，形成大直径的碎石桩体。碎石桩与桩周土体共同作用，构成复合地基，能有效提高地基的承载力、增强地基的抗液化能力。这一技术起源于20世纪70年代，经过多年的工程实践与发展，因其具有施工方便、成本低廉、加固效果好等优点，逐渐成为抗震防液化加固的重要手段。在实际工程中，如某高速铁路项目，在经过液化土地基区域时，采用了碎石桩加固技术，通过合理设计桩长、桩径和桩间距，有效改善了地基的力学性能，经后续监测，在地震等自然灾害作用下，该区域地基依然保持稳定，保障了铁路的安全运营。

尽管碎石桩加固技术在高速铁路液化土地基处理中已得到广泛应用，但其加固机理尚未完全明确，加固效果的评估方法也有待进一步完善。不同地质条件下碎石桩的作用机制、桩土相互作用规律以及加固后地基的长期稳定性等方面仍存在许多问题亟待深入研究。例如，在复杂地质条件下，碎石桩与桩周土体的协同工作性能如何，如何准确量化碎石桩的加密、排水减压和减震等作用效果，这些问题都制约着碎石桩加固技术的进一步发展和优化应用。

因此，开展碎石桩加固高速铁路液化土地基振动台试验研究具有重要的现实意义。通过振动台试验，能够模拟地震作用下碎石桩加固液化土地基的实际工作状态，深入研究其加固机理和加固效果，为高速铁路液化土地基处理提供科学依据和技术支持，确保高速铁路的安全稳定运行。

1.2国内外研究现状

1.2.1理论研究

在碎石桩加固液化土地基的理论研究方面，国外起步较早。1977年，Saito通过试验研究，提出了细粒含量对砂土振挤密实效果的影响，认为当砂土中粒径小于0.074mm的细粒含量大于20%时，土的振挤密实效果极其微小。随后，众多学者基于不同的理论和假设，对碎石桩复合地基的应力应变分析、承载力计算等方面展开研究。一些学者运用弹性理论，将碎石桩和桩周土体视为弹性体，推导了复合地基在荷载作用下的应力分布和变形计算公式，但由于实际地基土的非线性特性，这些公式在应用中存在一定局限性。在国内，随着工程实践的增多，理论研究也不断深入。学者们结合我国的地质条件和工程特点，对国外的理论进行改进和完善。例如，在承载力计算方面，考虑了桩土相互作用、桩体的刺入变形等因素，提出了更符合实际情况的计算方法。一些学者还通过数值模拟方法，如有限元法、边界元法等，对碎石桩复合地基的力学行为进行研究，分析了不同参数对加固效果的影响。

1.2.2试验研究

试验研究是深入了解碎石桩加固液化土地基性能的重要手段，包括室内模型试验和现场试验。在室内模型试验方面，国外学者较早开展了相关研究。如Sasaki和Taniguchi将装有饱和砂土的大尺寸矩形模型箱固定于振动台上，研究砾石排水桩和周围砂土的孔压增长及消散效应，发现靠近砾石排水桩砂土的超静孔压在激振过程中增长较慢，振动结束后则快速消散。国内学者也进行了大量室内模型试验，采用振动台试验、离心机试验等方法，模拟地震作用下碎石桩加固液化土地基的响应。黄春霞等采用大型叠层剪切模型箱进行振动试验，研究了碎石桩加固砂土的排水减压作用，得到碎石桩有效影响直径在3.5-3.75d之间。现场试验能更真实地反映碎石桩在实际工程中的加固效果，但由于现场试验受场地条件、试验成本等因素限制，开展相对较少。国内一些高速铁路建设项目中，在采用碎石桩加固液化土地基时，进行了现场试验，通过埋设传感器，监测地基在施工过程和运营期间的孔隙水压力、土压力、沉降等参数变化，为工程设计和施工提供了宝贵数据。

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