强震损伤格栅墙处理地基抗液化性能离心模型试验研究

周燕国; 曹渊; 石川明; 陈云敏

doi:10.11779/CJGE2024S10050

强震损伤格栅墙处理地基抗液化性能离心模型试验研究 English Version

1.
浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室, 浙江大学岩土工程研究所, 浙江大学超重力研究中心, 浙江杭州 310058
2.
清水建设技术研究所, 日本东京 135-8530

基金项目:

国家自然科学基金项目 51988101

国家自然科学基金项目 52278374

国家自然科学基金项目 51978613

高等学校学科创新引智计划（111计划）项目 B18047

详细信息

作者简介:
周燕国(1978—)，男，博士，教授，主要从事土动力学与地震工程、岩土工程防震减灾、地下基础设施性能设计与抗震韧性以及离心物理模拟方向的研究工作。E-mail: qzking@zju.edu.cn

中图分类号: TU411
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出版历程
- 收稿日期: 2024-04-28
- 刊出日期: 2024-07-31

Centrifuge model tests on liquefaction mitigation performance of soil-cement grid-improved ground subjected to earthquake pre-shaking history

1.
MOE Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering, Institute of Geotechnical Engineering, Center for Hypergravity Experiment and Interdisciplinary Research, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
2.
Institute of Technology, Shimizu Corporation, Tokyo, Japan

摘要

摘要: 水泥土格栅墙能有效减缓被围束土体在地震作用下的剪切荷载及变形，已广泛应用为一种高效的抗液化对策。针对其长期服役过程，开展了两组超重力离心模型试验以研究强振历史对水泥土格栅墙内被围束土体液化响应的影响。两组模型均由15米厚的易液化含黏粒砂土和2.5 m厚的粗砂层组成。其中，一组模型采用水泥土格栅墙对易液化层进行加固；另一组模型则未进行处理，作为自由场地对照组。两组模型均经历振幅为0.15g的振动事件，且在0.15g振动事件前，对两组模型施加振幅为0.4g的振动事件作为强振历史。试验结果表明，格栅墙在强振下主要的损伤模式表现为竖向贯穿型裂缝，并部分伴随有局部斜向裂缝，且外侧格室对于中心格室表现出类似于群桩基础的“遮蔽效应”。强振历史后，格栅墙中心格室内被围束土体的超静孔压显著低于自由场地，损伤后格栅墙仍具有良好的抗液化效果。同时，格栅墙由于强振后整体刚度的削弱，其与下卧粗砂层间的剪切变形显著减小。
- 地震液化 /
- 水泥土格栅墙 /
- 地基处理 /
- 离心机模型试验 /
- 地震历史
Abstract: The soil-cement grid has been widely applied as an effective liquefaction countermeasure due to its capability to effectively mitigate the shear load and deformation of the enclosed soil under seismic loadings. In terms of its long service period, two dynamic centrifuge model tests are conducted to study the effects of strong shaking history on the liquefaction responses of the enclosed soil. The model ground consists of a 15 m-thick liquefiable clayey fine sand and an underlain 2.5 m-thick coarse sand layer. The liquefiable layer is improved by the soil-cement grid in one model, while the other without any improvement affording a contrast. Both models are subjected to a sinusoidal input motion with amplitude of 0.15g. Several more severe shaking events with amplitude of 0.4g are applied to the models prior to this 0.15g event as strong shaking history. The results imply that the damage patterns of the walls are mainly vertical penetrating cracks, partly accompanied by local diagonal cracks, and the outer cells show a "shielding effect" on the center cell similar to that of a group pile foundation. After the strong vibration history, the central cell of the soil-cement grid still has satisfactory anti-liquefaction effects, leading to a much lower excess pore pressure than free field. At the same time, due to the weakening of the overall stiffness of the soil-cement grid, the shear deformation between the soil-cement grid and the underlying coarse sand layer is significantly reduced.
- soil liquefaction /
- soil-cement grid /
- ground improvement /
- centrifuge model test /
- earthquake pre-shaking history

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0. 引言

灌注桩具有地质适应性强、承载力高等特点,是目前工程建设中最主要的基础形式,广泛应用在桥梁工程中^[1-5]。在桥梁服役过程中,由于环境和外部荷载作用,桥梁桩基水下部分会出现混凝土剥落、破损、断裂等质量问题^[6-8],三维成像声呐技术能够直观准确的识别桩基水下及泥面以上部分的结构病害情况,因此基于三维成像声呐的水下试验和点云数据处理技术研究对确保整个桩基工程的质量和安全具有重要意义^[9-10]。目前三维成像声呐的研究基本上处于设备硬件研发和实际应用的范围,尚缺少“模型试验-数据处理-工程应用”系统性的研究,本文基于三维声呐点云的模型试验,进行了水下目标物缺陷识别、尺寸测量以及点云数据后处理方法研究和桥梁桩基现场试验,充分验证了三维成像声呐在桥梁桩基水下部分检测的适用性,为该技术应用于水下结构检测提供了参考。

1. 试验

1.1 试验设备

试验由美国BlueView公司研制开发三维成像声呐系统对点云数据进行采集,系统硬件部分包括声呐发生器、云台、三角支架、计算机等组成。

1.2 试验方案

试验共设计3个试件,圆柱体混凝土试块2个,带缺陷圆柱体木质试件1个,试件尺寸见表1。试验主要研究三维成像声呐对水下不同材质、不同尺寸、以及不同缺陷结构形式的识别和测量效果。

表 1 试件尺寸参数

Table 1. Size parameters of specimens

序号	试件编号	形状	材质	尺寸r×h/cm	备注
1	WSC - ^#1	圆柱体	混凝土	2.5×10.0	—
2	WSC -^#2		混凝土	5.0×15.0	—
3	WSW-^#3		木质	15×100.0	带缺陷

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为减少环境对声呐数据采集造成影响,选择在平面尺寸为21 m×50 m,深度1.8 m的水池中进行声呐试验,并在试验目标物底下垫上粗糙多孔的防滑垫,目的在于减少声波在瓷砖表面发生较强反射,从而获得更加准确的数据。

2. 数据处理

试验通过三维成像声呐发射固定频率声波波束,在触及目标物后接收到反射声波,从而获得目标物的外形轮廓坐标数据,最后生成点云图像。由于外部环境影响,原始点云图像存在较多的噪点,如图1所示。

图 1 试件点云原始数据

Figure 1. Original data of point cloud of specimens

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为了更好的分析三维成像声呐对水下结构的识别和测量效果,本文提出了数据后处理方案：①人工删减原始数据,去除大面积噪点；②对单次采集点云数据进行滤波处理,对原始数据进行压缩并去除离散点；③对处理后的图像进行尺寸测量。

2.1 点云滤波处理

本文根据点云噪声特征进行不同的滤波处理。

（1）半径滤波通过统计一定半径区域内点的个数来去除离散点。可依据点云的不同特征定义多种条件,定义条件为点在x,y和z维度下的取值同时满足某个值域,则可以在指定3D空间内对点云进行裁剪。假设有n个点云,对这部分点云进行半径滤波。设定近邻点数量为k,半径为r。然后遍历每一个点云。i=1,2,…,n。以第i个点云为圆心,在其r半径内,若有k个点云,则该第i个点云将被保留；若其r半径内,点云个数少于k个,则该第i个点云将被去除。

（2）体素滤波主要对点云数据进行压缩,在保证点云图像主体结构不变的情况下减少点的数量。用于密集型点云的预处理中,以加快后续配准、重建等操作的执行速度。

（3）高斯统计滤波是最常用的滤波处理方式,通过统计某个点于相邻点之间的平均距离来去除离散点。设定去除离散噪点前的点云集合为 $A =$ ${a_{i},$ $i = 1, 2, n}$ ,去除噪声后点云集合 $A^{'} = {a_{i}, i = 1, 2, m}$ 。用b_i表示a_i到邻域中k个点的平均距离。算法中A所有点到其各自邻域的平均距离服从高斯分布且形状由均值和标准差决定。令所估计点平均距离a为其标准差,则记为 $S (μ, σ)$ ,且有如下公式：

$μ = \frac{\sum_{i = 1}^{n} S_{i}}{n}$ ,

(1)

$σ = \frac{\sum_{i = 1}^{n} {(S_{i} - μ)}^{2}}{n}$ 。

(2)

所有位于（μ-std×σ,μ+std×σ）范围外的点即可认为是大尺度噪声点,设k值为估算平均距离的邻域点大小,标准差倍数控制筛选阈值。设目标点坐标为（X_m,Y_m,Z_m）,领域内某点N坐标为（X_n,Y_n,Z_n）,则

$S_{N} = \sqrt{{(X_{m} + X_{n})}^{2} + {(Y_{m} + Y_{n})}^{2} + {(Z_{m} + Z_{n})}^{2}}$ ,

(3)

$\bar{s} = \frac{\sum_{n = 1}^{K} S_{N}}{k}$ 。

(4)

S_N服从一个位置参数μ、尺度参数为 $σ$ 的概率分布,且其概率密度函数为

$f (S_{N}) = \frac{1}{\sqrt{2 π σ}} exp (- \frac{{(S_{N} - μ)}^{2}}{2 σ^{2}})$ ,

(5)

$S_{max} = (\bar{s}) + n σ \cdot std$ ,

(6)

式中,std为标准差倍数阈值。

对点云原始数据进行大面积噪点人工删减后再经上述滤波处理得到图2所示点云图像,点云图像能够清晰反映设备扫描侧的形状轮廓。

图 2 原始数据经滤波处理后点云图像

Figure 2. Point cloud images of original data after filtering

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2.2 尺寸测量

点云滤波处理后,对点云图像进行切面处理,选择一个剖面测量试件尺寸。对试件WSC - ^#1、WSC - ^#2两个试件进行尺寸测量,如图3所示,经滤波处理后对点云图像进行测量,测得圆柱高度分别为15,10 cm与试件实际尺寸基本吻合,由于测量过程存在主观因素影响,试验结果存在一定误差,但误差能够保持在厘米级,完全满足工程应用需求。

图 3 试件WSC - ^#1及WSC - ^#2尺寸测量

Figure 3. Dimensional measurements of WSC - ^#1 and WSC - ^#2

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对带缺陷圆柱体木桩WSW-^#3试件的高度和缺陷尺寸进行测量,试件及缺陷尺寸如图4所示。

图 4 WSW -^#3试件模型及缺陷尺寸

Figure 4. Model and defect sizes of WSW - ^#3

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为方便试件点云图像尺寸测量,将桩的点云图旋转90°,右侧为桩底,左侧为桩顶,下侧为缺陷侧,尺寸测量如图5所示,测量结果见表2。

图 5 试件WSW-^#3尺寸测量

Figure 5. Measurements of specimen sizes of WSW-^#3

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表 2 缺陷圆柱试件尺寸测量数据

Table 2. Measured data of defective specimens

序号	位置	实际尺寸	测量尺寸	误差
1	下部缺陷宽度	10	10	0
2	下部缺陷深度	5	4	1
3	缺陷距离	30	29	1
4	上部缺陷宽度	5	3	2
5	上部缺陷深度	10	11	1

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测量结果表明：点云图像能够清晰显示缺陷位置,对数据后处理后的点云图像进行测量,试件各个部位测量尺寸与实际尺寸误差在2 cm以内,满足实际工程测量精度需求。

3. 工程应用

某高速桥梁左幅建成于1994年,桥梁下部结构为桩柱式桥台,桩柱式桥墩,墩柱直径1.0 m,桩基直径1.2 m。现场采用声学可视化检测技术对水下结构进行检测,并在检测完成后进行抽水验证。

选取其中一根桩基进行声纳扫测分析,原始点云数据如图所示,进行大面积噪点人工删减和软件滤波处理后,得到点云图像如图所示,数据后处理后的点云图像能够清晰显示桩基轮廓。对点云图像断面进行测量,桩基础部分点云断面缩小,结合设计图纸判断该桩基存在混凝土大面积剥落现象。

3.1 声呐数据处理及尺寸测量

为测得混凝土剥落厚度和长度,选取桩基竖向断面并对点云图像3个不同位置进行测量,如图6所示,测得剥落厚度为0.12,0.18,0.11 m,平均值为0.14 m；剥落长度为0.93,0.94,0.97 m,平均值为0.95 m。

图 6 桥梁桩基三维成像声呐数据处理

Figure 6. Data processing of bridge pile foundation

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3.2 现场试验验证

为验证声呐数据的测量精确度,在抽水后采用人工进行测量,现场实测混凝土剥落厚度分别为0.15,0.16,0.14 m,平均值为0.15 m；剥落长度分别为1.01,0.99,0.95 m,平均值为0.98 m,现场实测照片如图7所示。

图 7 桥梁桩基水下结构病害现场测量

Figure 7. Field measurements of bridge pile foundation

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通过对比声呐与人工测量数据,两种方法测量混凝土剥落厚度平均值误差在1 cm,剥落长度平均值误差在3 cm,基本满足桥梁检测现场检测需求。

4. 结论

（1）三维成像声呐扫测原始数据存在较多噪点,在经过滤波处理后,能够清晰呈现目标物部分外形轮廓,保留目标物几何信息,并能够较好识别试件缺陷。

（2）对滤波处理后的点云图像尺寸测量结果准确,其中混凝土试件高度测量尺寸与实际基本吻合,带缺陷木桩试件部位尺寸在低于5 cm时,误差较大,尺寸大于10 cm误差较小,整体误差保持在2 cm以内。

（3）三维成像声呐应用于桥梁桩基水下部分的外观完整性检测效果较好,能够直观呈现桩基外观特征,识别桩基外观缺陷。

（4）经过将三维成像声呐的测试数据与现场测量数据对比,三维成像声呐能够较准确测量桩基混凝土剥落厚度,误差在3 cm内,满足工程检测需求。

图 1 深层搅拌水泥土格栅处理地基

Figure 1. Deep soil mixing (DSM) grid-improved ground

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图 2 超重力离心模型试验布置图

Figure 2. Schematic diagram of centrifuge models

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图 3 福建砂+10%高岭土及福建粗砂颗分曲线

Figure 3. Grain-size distribution curves of Fujian sand with Kaolin clay of 10% and Fujian coarse sand

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图 4 水泥土格栅墙振后损伤状态

Figure 4. Post-shaking conditions of soil-cement grid

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图 5 加速度时程

Figure 5. Time histories of acceleration

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图 6 加速度反应谱比

Figure 6. Spectral acceleration ratios

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图 7 超静孔压比时程

Figure 7. Time histories of excess pore pressure ratio

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图 8 峰值剪应变剖面

Figure 8. Profile of peak shear strain

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表 1 福建砂+10%高岭土及福建粗砂物性参数表

Table 1 Physical properties of Fujian sand with Kaolin clay of 10% and Fujian coarse sand

物性参数	符号	单位	FS-10	福建粗砂
土粒密度	ρ_s	g/cm³	2.651	2.648
最大孔隙比	e_max	—	1.143	0.801
最小孔隙比	e_min	—	0.60	0.568
细粒含量	F_c	%	15	0.2
平均粒径	D₅₀	mm	0.1578	1.31
渗透系数	k	m/s	8.04×10^-6	7.14×10^-3

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表 2 振动事件

Table 2 Shaking events

模型	振动顺序	设计PBA/g	实际PBA/g	I_a/(m·s^-1)
SC	M1	0.40	0.45	32.8
SC	M2	0.15	0.20	7.8
FF	M1	0.15	0.22	7.4
	M2	0.40	0.50	34.6
	M3	0.15	0.21	7.0

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参考文献(9)

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施引文献(16)

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1. 试验
1.1 试验设备
1.2 试验方案
2. 数据处理
2.1 点云滤波处理
2.2 尺寸测量
3. 工程应用
3.1 声呐数据处理及尺寸测量
3.2 现场试验验证
4. 结论

强震损伤格栅墙处理地基抗液化性能离心模型试验研究 English Version

作者简介: 周燕国(1978—)，男，博士，教授，主要从事土动力学与地震工程、岩土工程防震减灾、地下基础设施性能设计与抗震韧性以及离心物理模拟方向的研究工作。E-mail: qzking@zju.edu.cn

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