包裹式碎石桩抗液化性能的数值模拟研究：基于PLAXIS 2D的砂土地震响应分析

《International Journal of Geo-Engineering》：Numerical study to evaluate the effect of encased stone columns technique for liquefaction mitigation of sandy soil by PLAXIS 2D

本研究针对地震荷载下砂土液化引发的过度变形和承载力丧失问题，采用PLAXIS 2D有限元软件和UBC3D-PLM本构模型，系统评价了包裹式碎石桩(ESC)技术的抗液化性能。通过对比未处理地基、碎石桩(SC)和ESC三种工况，发现ESC能显著降低超孔隙水压力(EPP)和沉降量，提高有效应力。参数分析表明，减小间距直径比(s/d)和提高桩体渗透性可增强排水效果。该研究为ESC在液化区工程应用提供了重要理论依据。

　　

在地震活跃区，饱和砂土液化一直是威胁基础设施安全的重大隐患。当强烈的地震动发生时，砂土骨架结构会发生破坏，孔隙水压力急剧上升，导致土壤有效应力显著降低甚至完全丧失，从而引发地面喷砂冒水、建筑物倾斜倒塌等灾难性后果。1940年美国帝国谷地震和1964年日本新潟地震等历史事件充分证明了液化灾害的破坏力。传统的抗液化措施如动力压实、深层搅拌等虽有一定效果，但存在施工难度大、成本高等局限。近年来，碎石桩(SC)技术因其兼具排水和加固双重功能而受到广泛关注，而通过在桩周包裹土工合成材料形成的包裹式碎石桩(ESC)更被认为能进一步提升抗液化性能。

本研究采用PLAXIS 2D有限元软件，结合专门用于液化分析的UBC3D-PLM本构模型，对ESC在液化 mitigation 中的有效性进行了系统评价。研究人员建立了20米宽、12米深的数值模型，对比分析了未处理地基、普通碎石桩和包裹式碎石桩三种工况在地震荷载下的响应。通过输入1940年埃尔森特罗地震记录作为动力荷载，监测了不同位置的超孔隙水压力(EPP)、沉降量和有效应力变化。参数分析还考察了桩径、间距、渗透性和包裹体刚度等因素的影响。

关键技术方法包括：采用PLAXIS 2D进行二维有限元分析，使用UBC3D-PLM本构模型模拟砂土液化行为，通过等效条带法将三维桩群转换为二维平面应变模型，设置耦合边界条件模拟半无限域地震波传播，以及利用离心机试验结果验证数值模型的可靠性。

超孔隙水压力分布特征

数值模拟结果显示，未处理砂土在地震过程中EPP持续累积，最高达到90kPa，液化风险显著。而采用SC和ESC后，EPP大幅降低至1.15-2.3kPa，降幅达95%-98%。ESC因土工织物包裹提供的侧向约束，其减压效果略优于普通SC，特别是在桩周区域表现更为明显。

渗透性对EPP的影响

比较渗透率为0.1m/s和0.015m/s的ESC发现，高渗透性桩体的EPP消散速度更快。在监测点A，高渗透性ESC的EPP仅为1.15kPa，而低渗透性桩体为6kPa，改善幅度达80%。这表明提高桩体渗透性可显著增强排水效果，加速超孔隙水压力的消散。

桩径和间距的优化

参数分析表明，增大桩径可有效扩大加固范围。当桩径从0.8m增至1.6m时，监测点C的EPP从4kPa降至1.1kPa。同时，减小间距直径比(s/d)能提高桩群密度，增强整体加固效果。最优的桩径和间距组合可最大程度发挥ESC的抗液化性能。

沉降控制效果

在25kN/m荷载作用下，未处理地基的最大沉降达50cm，而SC和ESC分别将其降低至40cm和35cm，改善幅度分别为20%和30%。ESC因包裹体提供的额外侧向约束，其抗变形能力明显优于普通SC，能更有效地控制地震引起的工后沉降。

有效应力变化规律

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有效应力分析显示，未处理砂土在地震中有效应力急剧下降，接近零值，表明完全液化状态。SC使有效应力提升至114-127kPa，而ESC进一步将其提高至115.5-144kPa，特别是在监测点D改善幅度达29.6%。包裹体的侧限作用有效抑制了桩体材料的侧向变形，维持了更高的有效应力水平。

研究结论表明，包裹式碎石桩(ESC)通过土工合成材料包裹提供的侧向约束和桩体自身的排水功能，能显著改善砂土在地震荷载下的响应特性。与普通碎石桩相比，ESC在降低超孔隙水压力、控制沉降和维护有效应力方面表现更优。参数分析为工程实践中桩径、间距和材料渗透性的优化设计提供了重要参考。尽管本研究基于二维均质土层的简化分析，其成果为ESC在液化区工程应用奠定了理论基础，未来需通过三维模型和现场试验进一步验证其在实际复杂地层中的性能。该研究成果发表于《International Journal of Geo-Engineering》，对提升地震区土木工程安全水平具有重要意义。