專利名稱：用來(lái)補(bǔ)救可液化的土壤的液化作用的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景一般說(shuō)來(lái)，本發(fā)明涉及使土壤穩(wěn)定，更具體地說(shuō)，涉及補(bǔ)救可液化的土壤的液化作用，使因地震所造成的液化作用對(duì)所支承的結(jié)構(gòu)或工程的破壞達(dá)到最小。
地殼中的突然斷裂會(huì)造成地震。在世界的某些部分，地殼的一段與相鄰的一段之間會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)，造成在兩段邊界處應(yīng)變的積累。當(dāng)由這些應(yīng)變發(fā)展的應(yīng)力達(dá)到材料的強(qiáng)度時(shí)，在兩部分地殼之間會(huì)出現(xiàn)滑移，且釋放出巨大的能量。這種能量由地震的中心點(diǎn)或原點(diǎn)以彈性應(yīng)力波的形式向外傳播，可以攜帶著破壞性的能量傳播幾百英里。
這些應(yīng)力波的破壞性最大的效應(yīng)之一來(lái)自它們對(duì)飽和的松散細(xì)砂或粉砂的沉積物的作用，造成被稱為液化作用的現(xiàn)象。當(dāng)液化作用出現(xiàn)時(shí)，土壤團(tuán)體完全失去了剪切強(qiáng)度，并且運(yùn)動(dòng)暫時(shí)象液體。剪切強(qiáng)度的這種暫時(shí)的失去對(duì)以這些沉積物為基礎(chǔ)的地上工程或結(jié)構(gòu)可能有災(zāi)難性的作用。大的滑坡、橋梁支撐的橫向移動(dòng)、建筑物的沉陷或傾斜以及岸邊結(jié)構(gòu)的損壞都已經(jīng)在近年來(lái)觀察到，并已經(jīng)進(jìn)行了越來(lái)越多的努力，目的在于開(kāi)發(fā)防止或減少這類(lèi)破壞的方法。
對(duì)地殼的上部或其內(nèi)的任何沖擊或震動(dòng)都會(huì)使應(yīng)力波通過(guò)土壤傳播。多種不同類(lèi)型的波中的任何一種或所有的種類(lèi)是可能的，這些波中的在實(shí)際上出現(xiàn)的那些取決于震動(dòng)或沖擊的位置、類(lèi)型和構(gòu)形。地震學(xué)家區(qū)分出兩類(lèi)這樣的地震波；通過(guò)物體的內(nèi)部傳播的體波和沿著表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ā?br> 體波通過(guò)介質(zhì)的內(nèi)部傳播，并從一個(gè)擾動(dòng)源在所有的方向上向外輻射。在一次地震中，初始的滑移在一個(gè)相對(duì)有限的區(qū)域內(nèi)在地表面以下的巖床中出現(xiàn)，波前基本上是球形的。隨著波的傳播離波源越來(lái)越遠(yuǎn)，波前的曲率變得越來(lái)越小，在離波源非常遠(yuǎn)的距離，波前將與平面波無(wú)法區(qū)分。
兩種類(lèi)型的體波為被稱為P波的壓縮波或縱波和被稱為S波的剪切波或橫波。
表面波出現(xiàn)在彈性介質(zhì)的表面上，或出現(xiàn)在有不同性質(zhì)的兩種彈性介質(zhì)的交界面上。與這種類(lèi)型的波相關(guān)的顆粒的運(yùn)動(dòng)被限制在靠近表面或交界面的一個(gè)相對(duì)較薄的區(qū)域內(nèi)。表面波以一個(gè)圓形波前由波源向外傳播。同樣，隨著波前的傳播離波源越來(lái)越遠(yuǎn)，波前的曲率變得越來(lái)越小。
最有意義的表面波為Rayleigh波和Love波。被稱為耦合波和水力波的另兩種波隨著它們由波源傳播快速地衰減掉。
所傳輸?shù)目偰芰繋缀跬耆蒖ayleigh波、S波和P波表示，Rayleigh波攜帶最大的能量，S波攜帶中等的能量，P波攜帶的能量最少。P波的速度幾乎為Rayleigh波和S波的速度的兩倍，而S波的速度只比Rayleigh波的速度稍微快一點(diǎn)。
在離開(kāi)擾動(dòng)源的某個(gè)距離處，在地面上的一個(gè)顆粒在P波到達(dá)時(shí)首先經(jīng)受到振蕩形式的移動(dòng)，接著是一個(gè)相對(duì)安靜的時(shí)期，跟著在S波和Rayleigh波到達(dá)時(shí)經(jīng)受另一次振蕩。這些事件被稱為小震，和在Rayleigh波到達(dá)時(shí)的主震。
隨著離波源的距離的增加，兩次到達(dá)之間的時(shí)間間隔變大和振蕩的振幅變小。另外，小震比主震衰減得更快。因此，很明顯，Rayleigh波是沿著彈性的半空間的表面最主要的擾動(dòng)，在離波源較遠(yuǎn)的距離，Rayleigh波可能是唯一可以明顯感覺(jué)到的波。
由于均勻的彈性介質(zhì)與實(shí)際的地面之間的不同，實(shí)際的地面運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是非常復(fù)雜的。當(dāng)彈性波碰到不同的彈性介質(zhì)之間的交界面時(shí)，至少一部分能量由該交界面以反射波的形式反射回去。當(dāng)存在多個(gè)交界面時(shí)，波的圖形可能變得非常復(fù)雜。
還有，可以通過(guò)巖床本身傳播相當(dāng)大的能量，似乎在許多情況下，在地震的過(guò)程中，在該區(qū)域內(nèi)作用到土壤上的主要作用力是由來(lái)自下面的巖石構(gòu)造的剪切運(yùn)動(dòng)的向上的傳播造成的那些作用力。雖然實(shí)際的波形可能非常復(fù)雜，但是由剪切波分量施加到土壤上所造成的重復(fù)和反向剪切變形是在飽和的細(xì)砂或粉砂沉積物中產(chǎn)生液化作用的主要原因。
當(dāng)松散的砂經(jīng)受反復(fù)的反向剪切應(yīng)變時(shí)，隨著每次反向，砂的體積將減小，盡管隨著每個(gè)循環(huán)體積減小的量變得較小。如果砂是飽和的，并且，不容許由砂中排水，應(yīng)理解，因?yàn)樯暗捏w積正在減小，水的壓力必然提高。隨著水的壓力變得較高，在砂中晶粒與晶粒之間的接觸壓力必然變得越來(lái)越小。當(dāng)晶粒與晶粒之間的接觸壓力變?yōu)榱銜r(shí)，整個(gè)砂團(tuán)體將失去所有的剪切強(qiáng)度，并象一種液體一樣作用。這種現(xiàn)象被稱為液化作用，作為地震、爆破或其它沖擊的結(jié)果這可能出現(xiàn)在松散的、飽和的砂沉積物中。
影響液化作用出現(xiàn)的因素為土的類(lèi)型、土壤的密實(shí)程度、土壤的滲透率、應(yīng)變反向的強(qiáng)度以及應(yīng)變反向的次數(shù)。
無(wú)粘聚力的細(xì)土壤(細(xì)砂)或包括適量的粉的無(wú)粘聚力的細(xì)土壤最容易發(fā)生液化作用。有一些證據(jù)表明，顆粒均勻的材料比很好分級(jí)的材料更容易發(fā)生液化作用，并且對(duì)顆粒均勻的土壤，細(xì)砂比粗砂或帶礫石的土壤更容易發(fā)生液化作用。適量的粉似乎使細(xì)砂更容易發(fā)生液化作用。雖然帶有較大量的粉的細(xì)砂不是很容易發(fā)生液化作用，但是仍然是可能發(fā)生液化作用的。
最近的證據(jù)表明，含有高達(dá)20％粘土的砂也是可以液化的。
在表Ⅰ中示出了土壤滲透率的典型值。示出了對(duì)于各種材料的寬范圍的滲透率。
表Ⅰ．滲透率的相對(duì)值相對(duì)滲透率k值(cm/sec) 典型的土壤非常容易滲透 大于1×10-1大礫石中等滲透率1×10-1到1×10-3砂、細(xì)砂低滲透率 1×10-3到1×10-5粉砂、不干凈的砂非常低的滲透率1×10-5到1×10-7粉不透水低于1×10-7粘土為了修正成英尺/分鐘，把上面的值乘以2；為了轉(zhuǎn)換成英尺/天，把上面的值乘以3×103。
在地震過(guò)程中，在土壤中的剪切應(yīng)變的反向主要由S波的通過(guò)而造成的。這些剪切應(yīng)變的反向的強(qiáng)度和次數(shù)取決于地震的強(qiáng)度和時(shí)間長(zhǎng)短。
由于這種剪切應(yīng)變的反向，無(wú)粘聚力的土壤的體積將減小。在水位以下的沉積層中，體積的減小將造成水將由發(fā)生體積減小的地方附近流出。取決于土壤的滲透率大小，將會(huì)阻礙這種流動(dòng)，造成在孔隙水中壓力的提高。隨著在孔隙水中壓力變得較高，晶粒與晶粒之間的接觸壓力將變?yōu)榱?，土壤將失去所有剪切?qiáng)度，即，出現(xiàn)液化。
在非常粗的砂或礫石中，水可以非常自由地流動(dòng)，使得孔隙水的壓力絕不會(huì)變成有危險(xiǎn)性地高。在較深的深度，晶粒與晶粒之間的接觸壓力初始較高，為了出現(xiàn)液化，空隙水的壓力必須變得更高。在密度高的材料中，必須出現(xiàn)更多的應(yīng)變反向才會(huì)產(chǎn)生足夠的體積減小，出現(xiàn)液化。
粘聚的材料(粘土)對(duì)剪切應(yīng)變的響應(yīng)不同，一般說(shuō)來(lái)，是不容易液化的。最近的證據(jù)表明，在某些條件下，包含高至20％粘土的砂在地震過(guò)程中會(huì)喪失強(qiáng)度。
用于控制液化的處理方法為四種一般性的方法中的一種1．除去發(fā)生液化作用的材料，并用堅(jiān)實(shí)的材料替代。
2．對(duì)下面的堅(jiān)固的土壤地層提供結(jié)構(gòu)支承，即打樁。
3．使材料密實(shí)，使它不容易發(fā)生液化。
4．設(shè)置排水管，防止孔隙水的壓力升高，和/或使軟的可液化的土壤的強(qiáng)度增強(qiáng)。
在物質(zhì)上除去容易發(fā)生液化的土壤材料，并用堅(jiān)實(shí)的材料代替它是控制液化的最可靠的方法。不幸的是，這也是最費(fèi)錢(qián)的方法，常常使得無(wú)法這樣作。出現(xiàn)很大的困難是因?yàn)檫@些沉積層總是在地下水位以下，常常深到50到60英尺。
對(duì)液化作用問(wèn)題的另一種解決方案是把結(jié)構(gòu)建在穿過(guò)容易液化的土壤打到牢固的下面的材料上的樁上。然而，這種牢固的下面的材料常常很深。除了費(fèi)錢(qián)以外，這一方法不是完全令人滿意的，這是因?yàn)樵跇吨g的土壤仍然能夠液化的。如果出現(xiàn)這樣的液化作用，樁就沒(méi)有橫向支撐了，存在發(fā)生彎曲的危險(xiǎn)。
通常使用兩種方法之一來(lái)進(jìn)行密實(shí)，即，深度的振動(dòng)夯實(shí)和動(dòng)態(tài)夯實(shí)。
深度的振動(dòng)夯實(shí)土壤的裝置包括振浮壓實(shí)裝置，Terraprobe(商標(biāo)名)，Vibro-wing(商標(biāo)名)和其它裝置，這些裝置在干凈的砂中是最有效的，并且，在適當(dāng)?shù)臈l件下，這可能是最可靠和成本最有效的控制液化作用的方法。不幸的是，只有一小部分容易液化作用的土壤適宜于用深度的振動(dòng)夯實(shí)處理，這是因?yàn)榇嬖谝欢〝?shù)量的粉或粘土使這一過(guò)程無(wú)效。石柱法可能被認(rèn)為是振浮壓實(shí)法的一個(gè)延伸。后面將討論這一方法。深度的振動(dòng)壓實(shí)法的典型成本為每立方碼所處理材料由$1.00到$5.00之間。已經(jīng)對(duì)超過(guò)100英尺的深度實(shí)現(xiàn)了處理。
靠重復(fù)地由20到120英尺的高度把非常重的重量(4到35噸)反復(fù)降落到地面上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)夯實(shí)。雖然這種方法在包括大量的粉和粘土的材料中是有效的，但是在深度上有限制。實(shí)現(xiàn)密實(shí)的深度取決于所使用的重量有多大。對(duì)于20到35噸的重量，在干凈的砂中此過(guò)程被限制為30到35英尺，在包括大量的粉或粘土的材料中可能被限制為20英尺或更少。對(duì)于20噸以下的重量，在干凈的砂中的深度的限制在15到20英尺的范圍，在不干凈的砂中可能只有10英尺左右。
對(duì)于大于20噸的重量需要非常大并且是專門(mén)的設(shè)備，移動(dòng)成本和生產(chǎn)成本都猛烈地增加。這些大的重物只對(duì)非常大的工程才是實(shí)際的。
如果被處理的土壤非常軟，或如果地下水床接近地面，為了把重量降落到其上，必須安裝5到7英尺厚的粒狀材料的“緩沖”墊。此緩沖墊把落下的重量的沖擊負(fù)載分散到下面的被密實(shí)的土壤中，也把操作提高到保持所產(chǎn)生的凹坑在地下水位以上的一個(gè)高度。
此過(guò)程也被嚴(yán)格地限制在被密實(shí)的區(qū)域，因?yàn)楫?dāng)重量沖擊到地面上時(shí)它的沖擊對(duì)鄰近的工程有不利的影響。
在適當(dāng)?shù)臈l件下，這一方法對(duì)成本節(jié)省有效，并且是可靠的。典型的成本可以為每立方碼所處理材料由$0.50到$6.00。
石柱如其名稱所顯示的那樣簡(jiǎn)單地是穿過(guò)松軟的土壤的沉積層伸展的被壓實(shí)的石頭的豎直的柱子。安裝石柱的最普通的方法是在50年代晚期在德國(guó)發(fā)展起來(lái)的，它是振浮壓實(shí)過(guò)程的一個(gè)自然延伸，此法采用改型的振浮壓實(shí)設(shè)備。最近在日本開(kāi)展的另一種技術(shù)常常采用砂而不是石頭。另一種最近發(fā)展的方法ROTOCOLUMN(服務(wù)標(biāo)記)生產(chǎn)非常干凈和無(wú)雜質(zhì)的柱。
把石柱以規(guī)則的模式裝在所處理的區(qū)域中，這些石柱將提供增強(qiáng)，使豎直方向上的負(fù)載能力提高，同時(shí)改進(jìn)復(fù)合的抗剪切能力。已經(jīng)使用石柱來(lái)改善范圍很寬的土壤，由非常松軟的粘土到剛剛適合于振浮壓實(shí)法或深度的振動(dòng)壓實(shí)法的材料。在混合的土壤中，可以在比較干凈的無(wú)粘聚力的材料中得到改善，同時(shí)這些柱使無(wú)法進(jìn)行振動(dòng)壓實(shí)的那些區(qū)域增強(qiáng)?？赏杆呢Q直石柱也為消散過(guò)高的孔隙水壓力提供了有效的排水路徑。
Seed和Booker首先定量地描述了石柱或礫石排水管在控制液化作用中防止危險(xiǎn)的孔隙水壓力的建立的概念(Seed,H.B.and J.R.Booker，“采用礫石排水管使?jié)撛诘乜赡芤夯饔玫纳俺练e層穩(wěn)定，”Journal of theSoil Mechanics and Foundations Division,A.S.C.E.,Vol.103,No.GT7,July,1977)。礫石排水管和石柱都以規(guī)則的模式裝在被處理的區(qū)域中，并使它們達(dá)到穿透可液化的土壤的深度。由這些柱的頂部設(shè)置把孔隙水排走的一個(gè)排水路徑。這通常為一個(gè)石頭層的形式，此層進(jìn)而把水排到下水道系統(tǒng)中，或“晾在”地表面上(見(jiàn)

圖1)。
用這種方法，在礫石柱或排水管中的過(guò)量水壓被維持在一個(gè)非常低的水平上。在插進(jìn)的土壤中產(chǎn)生的過(guò)高的孔隙水壓力將快速地消散，這是因?yàn)榈阶罱闹蚺潘艿呐潘窂捷^短。
在Seed-Booker的分析中，在柱或排水管中的過(guò)高的孔隙水壓被假定為零。在實(shí)際中這一條件不能?chē)?yán)格地滿足，這是因?yàn)闉榱税阉芍锱懦霰仨毎阎械乃簧叩降叵滤灰陨?。還有，水在石柱或礫石排水管中的豎直方向上的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生壓頭損失，產(chǎn)生反向壓力。
把圍繞每根柱的支流區(qū)域理想化為一個(gè)圓，其半徑被選為產(chǎn)生的一個(gè)圓，它的面積等價(jià)于實(shí)際的支流區(qū)域的面積。該分析考慮了在其中心包括一個(gè)礫石柱的一個(gè)土壤的圓柱中的排水和壓力條件。在該分析中，不容許橫截著這一土壤圓柱的外表面有排水，并把過(guò)量孔隙水壓認(rèn)為在它的內(nèi)徑上是零，或認(rèn)為在與礫石柱的交界面上為零。Seed-Booker的分析是以這些假設(shè)為基礎(chǔ)的，他們的分析給出了一系列圖表，用來(lái)設(shè)計(jì)對(duì)于各種強(qiáng)度和時(shí)間長(zhǎng)短的地震為了把過(guò)量孔隙水壓限制到一個(gè)想要的水平的礫石排水管。為了解這些方程，有一個(gè)計(jì)算機(jī)程序(商標(biāo)名為PROGRAMLARF)可供使用。
為了研究被排水管中的水流所產(chǎn)生的壓頭損失的效應(yīng)和在排水管中升高了的水位的效應(yīng)，已經(jīng)編出了另一個(gè)計(jì)算機(jī)程序(EQDRAIN)，此程序可以處理在可液化的土壤的表面以下可以改變的厚度和深度。正在試圖改進(jìn)此程序，使之適應(yīng)性質(zhì)隨深度改變的可液化的土壤。這一程序?qū)⒖梢杂脕?lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
典型的石柱的直徑范圍為由2英尺到5英尺，典型的礫石排水管的直徑范圍為由8英寸到18英寸。對(duì)于石柱的典型的間隔范圍為由4英尺到10或12英尺，礫石排水管的間隔范圍為由2英尺到6或7英尺。這些值的這樣寬的范圍反映了土壤材料的改變和設(shè)計(jì)用于的地震的嚴(yán)重程度的影響。
石柱的成本范圍為由大約每英尺$15.00到$30.00或更多。礫石排水管的成本范圍為由每英尺$2.50到$5.00。$3.50的每立方碼所處理的材料的成本等于對(duì)于石柱的$25.00到$30.00，而$2.00的成本等于對(duì)于礫石排水管的$15.00。另外，對(duì)于為了進(jìn)行排水的表面排水系統(tǒng)，或?qū)τ谑膽?yīng)力分配墊，必須添加每平方英尺表面積由$1.00到$3.00的成本。
本發(fā)明的概述用來(lái)處理可液化的土壤的裝置和方法，用來(lái)保護(hù)在其上面的結(jié)構(gòu)或工程不受地震的液化作用，該裝置包括以分離開(kāi)的間隔位于可液化的土壤中的多個(gè)基本上豎直的預(yù)先制作的復(fù)合的排水管，以及適宜于用來(lái)把由這些復(fù)合的排水管排出的水排放掉的一個(gè)蓄水結(jié)構(gòu)。目的是通過(guò)提供一敝開(kāi)的排水路徑使孔隙水壓由可液化的土壤中一系列分離開(kāi)的位置釋放掉，這些排水路徑盡可能有效地運(yùn)行，即為了使所要求數(shù)量的水的運(yùn)動(dòng)要求盡可能低的壓力。
被處理的可液化的土壤和最容易液化作用的土壤是細(xì)的無(wú)粘聚力的土壤(細(xì)砂)，或包括適量的粉的細(xì)的無(wú)粘聚力的土壤。更具體地說(shuō)，這種可液化的土壤的滲透率在1×10-2到1×10-6cm/sec的大致范圍內(nèi)，與之相對(duì)的是非常容易透水的土壤，比如滲透率大于1×10-1cm/sec的粗的礫石，或不透水的土壤，比如粘土，它的滲透率低于1×10-7cm/sec。
復(fù)合的排水管包括一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的塑料芯，在其中提供用來(lái)使水沿著它流動(dòng)的通道，并且，此芯被一種特殊的織物或過(guò)濾的織物纏繞著。特殊的織物的優(yōu)點(diǎn)在于，它將不會(huì)受到堵塞，或造成粉的聚集，這是因?yàn)橹钡綄?duì)于可液化的土壤出現(xiàn)實(shí)際的地震或其它嚴(yán)重的沖擊時(shí)才使用該排水管。這種特殊的織物的開(kāi)孔尺寸使得可以防止土壤顆粒進(jìn)入，但容許孔隙水自由地進(jìn)入。
在一種形式下，復(fù)合的排水管結(jié)構(gòu)的細(xì)長(zhǎng)的塑料芯包括一種可以變形的窄條，它有橫向的隔開(kāi)突出部，在它們之間提供排水通道。在另一種形式中，可以把細(xì)長(zhǎng)的塑料芯的結(jié)構(gòu)做成波紋塑料管和被開(kāi)孔的塑料管，該管被特殊的織物纏繞著。在某些情況下，可以由被開(kāi)孔的波紋塑料管上省去特殊的織物。
在成形的塑料芯的情況下，大致尺寸的范圍為由1/2英寸到2英寸厚，4英寸到18英寸寬，在塑料管的情況下，內(nèi)徑由1.5英寸到8或10英寸。這些產(chǎn)品都可以在非常低的壓力梯度下傳送大量的水。
豎直的排水管的間隔的大致范圍為2到6英尺。這一間隔不僅取決于可液化的土壤的滲透率和可壓縮率，而且取決于在水由它進(jìn)入排水管的位置運(yùn)動(dòng)到它最后排放到蓄水結(jié)構(gòu)中所包括的壓頭損失。這顯然包括由于在排水管中的豎直方向上的流動(dòng)所帶來(lái)的壓頭損失。它也包括在進(jìn)入蓄水結(jié)構(gòu)時(shí)帶來(lái)的壓頭損失，并包括如果蓄水結(jié)構(gòu)的高度在穩(wěn)定的地下水位的高度以上時(shí)把水提升到蓄水結(jié)構(gòu)的高度所需要的壓頭。
適當(dāng)?shù)男钏Y(jié)構(gòu)可以為天然存在的可供使用的蓄水結(jié)構(gòu)的形式，或者，如果需要，可以是人造的蓄水結(jié)構(gòu)。例如，被處理的可液化的土層可能在高度滲透的土壤或粗砂的上面。在這種情況下，把豎直的復(fù)合排水管插進(jìn)的方式使得它們完全穿透可液化的土壤，并進(jìn)入下面的高度滲透的土層中。因此，當(dāng)在地震過(guò)程中在排水管中水壓或水頭壓力建立起來(lái)時(shí)，可以很快地被排放到下面的蓄水結(jié)構(gòu)中。
當(dāng)?shù)叵滤辉诳梢夯耐寥赖纳厦娴母叨韧杆耐寥乐谢蛐钏畬又袝r(shí)，出現(xiàn)另一種蓄水結(jié)構(gòu)，這種蓄水結(jié)構(gòu)在許多情況下很容易提供使用?？梢园沿Q直的排水管插入，使得可以把水排放進(jìn)這種天然存在的蓄水層中。在兩種情況下，當(dāng)出現(xiàn)由排水管排水時(shí)，地下水位將會(huì)暫時(shí)升高。
當(dāng)適當(dāng)?shù)奶烊淮嬖诘幕蚩晒┦褂玫男钏Y(jié)構(gòu)不存在時(shí)，常?？梢酝ㄟ^(guò)把地面上1英尺到4英尺的一層高度滲透的土壤或礫石放到可液化的土壤上構(gòu)造出一個(gè)蓄水結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)或工程就建在這一層透水的材料上。設(shè)置豎直的排水管，使得把被排出的水輸?shù)降孛妫谕杆畬觾?nèi)的空隙空間提供了所需要的蓄水結(jié)構(gòu)。在地震之后，積存在這些空隙空間中的水會(huì)隨后逐漸地滲漏出。
地面通常在穩(wěn)定的地下水位以上的某個(gè)距離，為了把水由地下水位提高到地面所需要的水頭壓力將作為反向壓力施加到將由可液化的土壤進(jìn)入排水管中的孔隙水上。很明顯，這將明顯地影響由土壤排出的水的數(shù)量，并進(jìn)而影響為了把土壤中的過(guò)量的孔隙水壓保持在所要求的水平所需要的豎直的排水管的間隔。可以容忍的反向壓力的大小與在設(shè)計(jì)中包括的所有其它因素有關(guān)。
通常給出土壤的滲透率和可壓縮率，設(shè)計(jì)將用于的地震的強(qiáng)度和時(shí)間長(zhǎng)短、安全因素或在可液化的土壤中將容許達(dá)到的過(guò)量孔隙水壓力的大小，并且，這些因素決定設(shè)計(jì)要求。隨后，實(shí)際的補(bǔ)救系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確定豎直排水管的尺寸或截面積(影響排水管中的水流的壓頭損失)、排水管間隔，以及對(duì)蓄水結(jié)構(gòu)的要求。選擇這些因素達(dá)到成本最有效的組合。通常，可以經(jīng)濟(jì)地把孔隙水提升到蓄水結(jié)構(gòu)的高度的實(shí)際限制為2到5或6英尺。
通過(guò)在每個(gè)排水管位置由地面向下鉆一個(gè)孔到地下水位，并把此孔用破碎的石頭或礫石，或其它多孔材料充滿也可以構(gòu)造出一個(gè)適當(dāng)?shù)牟⒊３Ｊ莾?yōu)選的蓄水結(jié)構(gòu)。在這種設(shè)置下，在穩(wěn)定的地下水位與蓄水結(jié)構(gòu)之間升高的壓頭差初始為零，僅只隨著水進(jìn)入蓄水結(jié)構(gòu)中才提高。在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到在蓄水結(jié)構(gòu)中水位的這一上升。所鉆的這一孔的直徑可以為2到4英尺。
在另一種形式中，此蓄水結(jié)構(gòu)可以由以豎直狀態(tài)埋在地下一段管構(gòu)成，它的下端在地下水面上。把排水管設(shè)置成它們的上端在這樣產(chǎn)生的蓄水結(jié)構(gòu)內(nèi)終止。用一個(gè)塞子或端部帽蓋把蓄水管的上端蓋住。雖然對(duì)于這樣的蓄水結(jié)構(gòu)可以使用幾種不同的材料，但波紋塑料管通常是優(yōu)選的。內(nèi)徑的范圍為由8英寸到2英尺。
當(dāng)與樁結(jié)合使用豎直的預(yù)先制作的排水管來(lái)補(bǔ)救液化作用時(shí)，可以把該樁的結(jié)構(gòu)做成在它的內(nèi)部包括蓄水空間。例如，可以使用鋼管樁。制作出帶有內(nèi)部的空隙空間的預(yù)先澆筑的混凝土樁也是一件容易的事。
在某些情況下，豎直的排水管里面在地下水位以上可以包括足夠的空白空間，足以做為一個(gè)成本有效的蓄水結(jié)構(gòu)。
作為一個(gè)附加的安全因素，也可以在插進(jìn)豎直的排水管之前或之后用傳統(tǒng)的方法把可液化的土壤壓實(shí)；或者，因?yàn)榕潘馨惭b設(shè)備常常采用振動(dòng)芯軸，使穿進(jìn)地層比較容易，所以改進(jìn)芯軸使得在安裝排水管的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)壓實(shí)是一件簡(jiǎn)單的事。為了實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)，在徑向上把3或4個(gè)翅片徑向地加到芯軸上。把楔子或凸出物添加到翅片上，幫助把振動(dòng)傳遞給土層，并因此實(shí)現(xiàn)壓實(shí)。另外，在翅片上開(kāi)出的一系列孔可以用來(lái)有效地傳遞振動(dòng)。
這種沒(méi)有中心安裝芯軸的探頭的設(shè)置與通常用于土壤層壓實(shí)的多種類(lèi)型的振動(dòng)探頭類(lèi)似。由插進(jìn)一個(gè)單一的探頭造成的土壤層壓實(shí)，或壓實(shí)部位靠該探頭非常近，并隨著徑向距離而減小。在通常的振動(dòng)壓實(shí)中，希望此被影響的區(qū)域盡可能地大。因此，次數(shù)不多的插入可以覆蓋一個(gè)給定的區(qū)域，使成本達(dá)到最低。為了有效地實(shí)現(xiàn)此目的，通常與功率大的振動(dòng)錘一起使用非常大的探頭。
每個(gè)插入件留在地里的時(shí)間也影響所造成的壓實(shí)。通常通過(guò)對(duì)每個(gè)工程的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)找到探頭尺寸、壓實(shí)部位的間隔以及在每個(gè)位置所花費(fèi)的時(shí)間的最有效的組合。間隔越小，壓實(shí)的程度越高，但是，成本較高。
在這里的情況下，壓實(shí)位置的間隔將由排水的要求決定，并將比正常的振動(dòng)壓實(shí)的間隔要小得多。因此，用較小的探頭將可能實(shí)現(xiàn)有效的壓實(shí)，并且，每個(gè)壓實(shí)位置可以用較少的時(shí)間。如前面所提到的那樣，這種類(lèi)型的壓實(shí)只在相對(duì)較干凈的無(wú)粘聚力的土壤層中有效?？梢灶A(yù)期到，在包括數(shù)量較大的粉或粘土的土壤中壓實(shí)將不會(huì)有效。然而，復(fù)合的排水管所提供的排水在比較不干凈的材料中將是有效的。對(duì)于有混合的土壤狀況的工地，這應(yīng)該是有利的。對(duì)有關(guān)的芯式排水管先有技術(shù)的描述本發(fā)明的預(yù)先制作的排水管補(bǔ)救土壤的方法和裝置在許多方面與豎直排水管(有時(shí)被稱為“芯式”排水管)的方法類(lèi)似，豎直排水管方法通常用來(lái)加快松軟的粘土的固化。這些松軟的粘土不是可液化的土壤，也不是受到地震液化作用的土壤，因此，不是可用于本發(fā)明的內(nèi)容的。下面先簡(jiǎn)短地討論“芯式”排水管。
當(dāng)把負(fù)載置放在松軟的飽和的粘土沉積層上時(shí)，由于粘土材料的壓縮，常常造成大的沉陷。這種沉陷只有當(dāng)孔隙水被排出時(shí)才可能發(fā)生，并且，因?yàn)檎惩恋臐B透能力非常低，這一過(guò)程發(fā)生得非常慢。幾米的總沉陷是普通的，并且，常常要用幾年的時(shí)間發(fā)生。這種與時(shí)間有關(guān)的過(guò)程被稱為固化。在這些情況下自從20年代初期以來(lái)一直采用一種被稱作砂排水管和疊載的過(guò)程。見(jiàn)D.E.Moran的專利文件No.1598300(1926)。在這一過(guò)程中，穿過(guò)被處理的松軟的粘土層安裝砂排水管或柱。以與圖1中所示的礫石排水管排布相同的方式按一種規(guī)則的模式設(shè)置這些砂排水管或柱。典型的間隔范圍為由4英尺到12英尺，砂排水管的直徑典型地為1英尺，有時(shí)可以高至2英尺。
在安裝砂排水管之后，在這些排水管上設(shè)置1到3英尺厚的砂排水墊，使得水由這些排水管流走。在此砂墊上設(shè)置一個(gè)土的填方。計(jì)算這一填方或疊載的厚度，使得產(chǎn)生的負(fù)載大約比對(duì)于該工程所計(jì)劃的預(yù)先考慮的最后的設(shè)計(jì)負(fù)載大10％。因?yàn)橛烧惩亮鞒龅呐潘F(xiàn)在可以流進(jìn)砂排水管，排水路徑大大變短，且固化會(huì)出現(xiàn)得快得多。疊載保留在其位置，直到固化過(guò)程接近完成為止，典型地用6個(gè)月或短一些。隨后移去該疊載，繼續(xù)進(jìn)行該工程。
在60年代末期和70年代初期，發(fā)展了豎直芯式排水管，用來(lái)替代砂排水管。豎直芯式排水管不是真實(shí)的芯，而是由一種擠壓的塑料芯構(gòu)成的復(fù)合排水管，當(dāng)把此芯纏繞在一種特殊的織物中時(shí)其形狀提供排水通道。那種織物是一個(gè)過(guò)濾織物，其結(jié)構(gòu)帶有開(kāi)孔，其尺寸使得防止土壤顆粒的進(jìn)入，但是容許孔隙水可以自由地進(jìn)入。成品的芯式材料為大約1/8到1/4英寸厚，典型地為4英寸寬的帶狀。以包括800到1000英尺排水管的卷的形式設(shè)置。芯式排水管的一個(gè)示例性的制作者為美國(guó)北卡羅來(lái)納州的American Wick Drain Corporation of Matthews公司(AMERDRAIN tm)。
借助于專門(mén)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)安裝，該設(shè)備由裝在一個(gè)吊車(chē)上的裝著一個(gè)特殊的安裝芯軸的豎直桿(見(jiàn)圖6)構(gòu)成。直接把包括排水管的該芯軸由桿的底部壓擠進(jìn)地里。在達(dá)到所要求的深度之后，把芯軸抽回進(jìn)入桿中，把未受損壞的排水管留在土里的位置。例如，見(jiàn)美國(guó)專利No.5213449。
豎直芯式排水管的典型間隔為由3英尺到9或10英尺。這一方法是成本非常有效的，并已經(jīng)實(shí)際上替代了老的砂排水管方法。
所安裝的豎直芯式排水管的每英尺典型的成本范圍為由$0.35到$1.00。這一數(shù)目相當(dāng)于所處理的材料每平方碼的成本由$0.15到$2.00。必須加上表面或水平排水系統(tǒng)的成本和疊載的成本。
附圖的簡(jiǎn)要描述在下面的說(shuō)明和權(quán)利要求中給出其它的目的和好處。
為了給出示例的目的，附圖示出了本發(fā)明或它的權(quán)利要求，而對(duì)本發(fā)明沒(méi)有限制，一些實(shí)際的實(shí)施例示出了本發(fā)明的原理，在附圖中圖1為正面和豎直剖面的一個(gè)示意性圖，示出了被支承在可液化的土壤上的一個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)，已經(jīng)用先有技術(shù)的礫石排水管或石柱技術(shù)補(bǔ)救了此可液化的土壤；圖2為正面和豎直剖面的一個(gè)示意性圖，示出了被支承在可液化的土壤上的一個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)，已經(jīng)用按照本發(fā)明的預(yù)先制作的豎直復(fù)合排水管處理或補(bǔ)救了此可液化的土壤；圖3為一個(gè)蓄水結(jié)構(gòu)的豎直剖面的一個(gè)示意性圖，該蓄水結(jié)構(gòu)由用石頭或其它粒狀材料充滿所鉆的孔構(gòu)成；圖4為另一個(gè)蓄水結(jié)構(gòu)的豎直剖面的一個(gè)示意性圖，該蓄水結(jié)構(gòu)由一段波紋塑料管或其它管構(gòu)成；圖5為正面和豎直剖面的一個(gè)示意性圖，示出了用按照本發(fā)明對(duì)可液化的土壤用豎直的復(fù)合排水管與自然存在的蓄水結(jié)構(gòu)相結(jié)合所進(jìn)行的補(bǔ)救處理；圖6為一個(gè)典型的芯式排水管安裝設(shè)備的示意性圖，此設(shè)備適宜于用來(lái)安裝用于補(bǔ)救液化作用的豎直的預(yù)先制作的排水管；以及圖7為一個(gè)剖面圖，示出了裝有“翅片”的一個(gè)安裝芯軸，用來(lái)壓實(shí)土壤，同時(shí)進(jìn)行排水管安裝。
對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述參見(jiàn)圖2，按照本發(fā)明處理滲透率大約為1×10-2到1×10-6cm/sec的可液化的土壤10，用來(lái)在其上豎立起建筑物結(jié)構(gòu)或工程11之前進(jìn)行地震液化作用的防護(hù)。
多個(gè)基本上豎直的預(yù)先制作的復(fù)合排水管12穿透可液化的土壤10的整個(gè)深度13。
預(yù)先制作的復(fù)合排水管12包括細(xì)長(zhǎng)的塑料芯，它們提供沿著它們用來(lái)通過(guò)水的通道，過(guò)濾織物或特殊織物纏繞著這些芯。在市場(chǎng)上很容易買(mǎi)到這些復(fù)合的排水管，但它們不是為了補(bǔ)救土壤的液化作用的目的。
自80年代初期以來(lái)，已經(jīng)發(fā)展了結(jié)構(gòu)類(lèi)似于豎直芯式排水管的多種復(fù)合排水產(chǎn)品，它們也可以在本發(fā)明的裝置和方法中以適當(dāng)?shù)男问绞褂?。這些產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)也是由一種特殊的織物纏繞著的塑料芯，但是截面積比普通的芯式排水管要大。這些產(chǎn)品的使用范圍由圍繞地下室的排水管到高速公路的邊緣排水管。一種這樣的復(fù)合排水管由前面提到的American WickDrain Corporation公司制作，商標(biāo)為AKWADRAIN。AKWADRAIN的細(xì)長(zhǎng)的塑料芯的結(jié)構(gòu)為一種可變形的塑料窄條，它有橫向的突出部分，在它們之間提供了排水通道。另一個(gè)制作商為加拿大的安大略省的BurcanManufacturing Inc.of Whitby公司，此公司以“HITEK”的商標(biāo)制作一種類(lèi)似的產(chǎn)品。
另一種最近發(fā)展的產(chǎn)品是波紋塑料管。這種產(chǎn)品是穿孔的或開(kāi)狹縫的和被纏繞在一種特殊的織物中的。在預(yù)期只在地震期間水才流進(jìn)排水管的情況下，可以省去特殊的織物。在地震期間被攜帶進(jìn)排水管的少量土壤細(xì)粒只是在以后沉淀出來(lái)，并只堵塞該排水管底部的幾英寸。出現(xiàn)明顯的堵塞可能需要幾次地震。兩種示例產(chǎn)品由美國(guó)的俄亥俄州的Hancor,Inc.of Findlay公司和美國(guó)的俄亥俄州的Advanced Drainage Systems,Inc.of Columbus(ADS)公司制作?？梢园岩呀?jīng)有的豎直排水管安裝設(shè)備改型成安裝這些產(chǎn)品中的任何一種，做為豎直排水管。
用在圖2中示意性地示出的預(yù)先制作的復(fù)合排水管12代表任何一種上面提到的傳統(tǒng)的預(yù)先制作的復(fù)合排水管，或它們的任何新的設(shè)計(jì)。
在圖2中的預(yù)先制作的排水管12在建筑物結(jié)構(gòu)11的下面的可液化的土壤10的整個(gè)區(qū)域中均勻地隔離開(kāi)。這一間隔將由大約2英尺到6英尺變化，取決于可液化的土壤10的滲透率和可壓縮率，設(shè)計(jì)將會(huì)承受的地震的強(qiáng)度和時(shí)間長(zhǎng)短、安全因素以及所采用的預(yù)先制作的排水管12的類(lèi)型。土壤8是不可液化的土壤層，它在可液化的土壤10的上面。
用本發(fā)明的處理裝置或方法，也必須與豎直的預(yù)先制作的排水管結(jié)合采用一個(gè)蓄水結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)適用來(lái)把由復(fù)合排水管排出的水排放掉。此蓄水結(jié)構(gòu)可以是人造的，或者當(dāng)可供使用時(shí)，可以利用自然存在的蓄水結(jié)構(gòu)。在圖2中，示出了一個(gè)人造的蓄水結(jié)構(gòu)14，把它的結(jié)構(gòu)做成一層壓實(shí)的礫石。在礫石內(nèi)的空隙空間形成該蓄水結(jié)構(gòu)。設(shè)置了排水管15來(lái)保持礫石處在被排水的狀態(tài)，使得如果出現(xiàn)地震，蓄水結(jié)構(gòu)的空間將可供使用。在某些情況下，在該蓄水結(jié)構(gòu)上設(shè)置一個(gè)不透水的薄膜(塑料薄膜或其它薄膜)來(lái)防止外面的水進(jìn)入將是有利的。
這樣，當(dāng)出現(xiàn)地震和在復(fù)合排水管12中建立起水頭壓力時(shí)，水有一個(gè)立即排走的自由排水裝置，并可以排放到蓄水結(jié)構(gòu)14中。
示出了初始的靜壓水位19。距離20表示水為了由排水管12進(jìn)入蓄水結(jié)構(gòu)14所必須克服的升高水頭。實(shí)現(xiàn)這一升高的壓力必須由在可液化的土壤10中的附加的過(guò)量孔隙水壓提供。這一附加的過(guò)量孔隙水壓的有害效應(yīng)在其極限以內(nèi)可以通過(guò)減小排水管12的間隔補(bǔ)償。然而，如果距離20太大，所要求的間隔可能變得如此之小，以至于是不實(shí)際的或是不經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)樾枰罅康呐潘?。確實(shí)，所要求的過(guò)量的水壓甚至可能比在可液化的土壤中的最大可容許的孔隙水壓還大。
圖3示出了另一種形式的人造蓄水結(jié)構(gòu)，破碎的石頭或其它多孔的材料把在每根排水管12的一個(gè)被鉆出的孔21充滿。這些多孔材料的空隙形成蓄水結(jié)構(gòu)14。在上面的結(jié)構(gòu)或工程11可以直接建立在這樣產(chǎn)生的蓄水結(jié)構(gòu)的頂部上，或放置在完全覆蓋此蓄水結(jié)構(gòu)的一層的頂面上。在這種情況下，在蓄水結(jié)構(gòu)的頂面上設(shè)置一個(gè)不透水的薄膜，防止對(duì)多孔材料的污染。
在發(fā)生地震時(shí)，初始的狀態(tài)由蓄水結(jié)構(gòu)14中的水位在初始的穩(wěn)定地下水位19開(kāi)始，提升排出的水所需要的附加的過(guò)量孔隙水壓將為零。在地震過(guò)程中，流進(jìn)蓄水結(jié)構(gòu)的流量將超過(guò)可以被分散出的水量，在蓄水結(jié)構(gòu)中的水位將提高。還有，靜態(tài)的地下水位會(huì)一年四季地隨著其他因素的影響逐漸改變。蓄水結(jié)構(gòu)的必不可少的體積必須在最高的預(yù)期的地下水位以上。在設(shè)計(jì)過(guò)程中確定此體積和所鉆的孔21的所需要的直徑。在地震后，在蓄水結(jié)構(gòu)中積存的水將逐漸排出，并逐漸返回到水位19。
圖4示出了類(lèi)似地產(chǎn)生的人造蓄水結(jié)構(gòu)。在這一情況下，在每個(gè)排水的位置把一段管22嵌入地里。把排水管12設(shè)置成它們的上端在此管的內(nèi)部終止。此管的頂部設(shè)有一個(gè)端部帽蓋或塞子23。上面的結(jié)構(gòu)或工程11可以放置在填充物24的一個(gè)插進(jìn)層上，或者直接放置在所嵌入的管22的頂部上。管22可以由任何材料制成，但是通常由波紋塑料管構(gòu)成。此蓄水結(jié)構(gòu)的運(yùn)行在所有其它方面與前面描述的相同。
如前面所表明的那樣，也可以使用自然存在的蓄水結(jié)構(gòu)，替代圖2、3和4的人造的蓄水結(jié)構(gòu)14。在圖5中示意地示出了這種情況。
圖5示出了自然存在的蓄水結(jié)構(gòu)，其形式為在被處理的可液化的土壤10的下面的一個(gè)高度透水的土壤層或蓄水層16，或者，替代地，一個(gè)高度透水的土壤層或蓄水層17可能在所處理的可液化的土壤層的上面。圖5企圖表示這些自然存在的蓄水結(jié)構(gòu)中的任何一種，在一個(gè)給定的地方不總是可能兩個(gè)這樣的自然存在的蓄水結(jié)構(gòu)同時(shí)可供使用。在所處理的可液化的土壤10與下面的蓄水層16或者上面的蓄水層17之間可能存在一層或多層不透水的土壤層18。穩(wěn)定的地下水位可能在，也可能不在上面的蓄水層中。
預(yù)先制作的復(fù)合排水管12穿透可液化的土壤10，并繼續(xù)進(jìn)一步穿透下面的蓄水層16的頂部，比如粗砂。這樣，當(dāng)在可液化的土壤10中在地震過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)量的孔隙水壓時(shí)，這些過(guò)量的水壓可以通過(guò)水向下流進(jìn)自然存在的蓄水結(jié)構(gòu)16中很容易地釋放掉，因此，防止了非常高的過(guò)量孔隙水壓建立起來(lái)，導(dǎo)致液化作用。
以類(lèi)似的方式，當(dāng)下面的蓄水層16不是可供使用的時(shí)，在可液化的土壤10的上方可能自然存在一個(gè)高度透水的土壤層17，可以把孔隙水向上通過(guò)預(yù)先制作的排水管12排放掉。
在兩種情況下，因?yàn)樵诘卣鸬拈_(kāi)始時(shí)存在水動(dòng)力學(xué)的平衡，為了把水積存在蓄水結(jié)構(gòu)中，初始將不需要任何附加的過(guò)量壓力。隨著水進(jìn)入蓄水結(jié)構(gòu)16或17中，將產(chǎn)生反向壓力，為了使水持續(xù)地流進(jìn)蓄水結(jié)構(gòu)中，必須施加上一個(gè)額定數(shù)量的附加壓力。此附加的壓力的數(shù)量將取決于流進(jìn)蓄水結(jié)構(gòu)的水的數(shù)量，并取決于蓄水結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)存系數(shù)。應(yīng)該在設(shè)計(jì)過(guò)程中確定或估算出此儲(chǔ)存系數(shù)，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到此儲(chǔ)存系數(shù)。
圖2、3、4和5的預(yù)先制作的復(fù)合排水管也可以與傳統(tǒng)的混凝土樁或鋼樁結(jié)合起來(lái)使用，這些樁至少部分地與復(fù)合的排水管12共同伸展。例如，可以把復(fù)合排水管放進(jìn)帶有I形橫梁截面構(gòu)形的樁的側(cè)面通道中，或者可以把它們嵌入預(yù)先成形的混凝土樁中，或把它們?cè)O(shè)置在水泥或混凝土中。也可以把它們嵌入在現(xiàn)場(chǎng)制作的石柱內(nèi)。為了滿足全部或部分的蓄水結(jié)構(gòu)的要求，可以采用多種樁的構(gòu)形。為此目的可以使用鋼管樁的內(nèi)部。特殊設(shè)計(jì)的預(yù)制的混凝土樁也可以包括用于此目的的空白空間。
為了進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)可液化的土壤的液化作用的補(bǔ)救，也可以用傳統(tǒng)的裝置在豎直的排水管12安裝之前或之后把可液化的土壤壓實(shí)。壓實(shí)也可以與安裝排水管的同時(shí)進(jìn)行。在圖6中示出了一種傳統(tǒng)的芯式排水管安裝裝備25，它適宜于用來(lái)補(bǔ)救液化作用的安裝豎直的復(fù)合排水管。如圖所示，在某種傳統(tǒng)的建筑設(shè)備32上帶有安裝桿31。該桿31在桿的每一側(cè)裝有滾輪鏈26的一個(gè)連續(xù)的環(huán)。一臺(tái)馬達(dá)27驅(qū)動(dòng)這些滾輪鏈環(huán)。一個(gè)傳統(tǒng)的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器28裝在桿31的前面，可以在豎直方向上滑動(dòng)。通過(guò)特殊的彈性體36把此振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器連接到滾輪鏈環(huán)26上。這些彈性體把作用力施加到振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器上使得它在豎直方向上運(yùn)動(dòng)，但是隔絕振動(dòng)，使振動(dòng)不能達(dá)到鏈、桿和攜帶裝備。安裝芯軸29被直接裝到振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器28上。
在芯軸或插入管29的里面攜帶著排水管12，把它們向下驅(qū)動(dòng)進(jìn)入地下，達(dá)到所要求的深度。當(dāng)達(dá)到這一深度時(shí)，把芯軸抽出。在芯軸底部上的一個(gè)特殊的犧牲的尖端35留在地下的位置，此尖端裝到復(fù)合排水管12上，并把該管保持在其位置。當(dāng)把芯軸抽出時(shí)，在滾輪34上把附加的排水材料送進(jìn)一個(gè)開(kāi)孔33中，送到芯軸29的內(nèi)部。當(dāng)把芯軸的底部由地下抽出時(shí)，把暴露的排水材料12切斷，把另一個(gè)犧牲的尖端放在其位置上，在下一個(gè)位置重復(fù)此過(guò)程。
在傳統(tǒng)的芯式排水管的安裝中，在安裝過(guò)程中可以使用，也可以不用振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。如果容納排水管的土壤足夠軟，可以通過(guò)芯軸29的靜態(tài)擠壓實(shí)現(xiàn)穿透。硬層常常與松軟的土混在一起，或在松軟的土的上面，使穿透很困難或是不可能的。在這些情況下，可以接通振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，使得容易穿透這些硬層。
在本發(fā)明中，把翅片30附加到芯軸29上。在圖7中以剖面圖示出了這一情況。示出了三個(gè)翅片，但是可以使用兩個(gè)或多個(gè)翅片。這些翅片的目的是把振動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳遞給土壤，因此與安裝排水管的同時(shí)進(jìn)行壓實(shí)。
為了使振動(dòng)運(yùn)動(dòng)容易傳遞到土壤，在翅片上可以添加上“楔子”或突出部37。另外，為此目的可以把孔38切進(jìn)翅片中，如圖6中所示。性能分析前面描述的先有技術(shù)的預(yù)先制作的芯式排水管被設(shè)計(jì)用來(lái)并非常好地用于實(shí)現(xiàn)進(jìn)行得很慢的排水。甚至在這種很慢的排水的情況下，由于在排水管中水的流動(dòng)所造成的壓頭損失在通過(guò)非常厚的松軟土壤沉積層伸展的排水管中可能是一個(gè)問(wèn)題。
考慮7英尺的排水管的間隔。如果在3個(gè)月中出現(xiàn)4英尺的沉陷，通過(guò)排水管的平均流速將為大約0.0013立方英尺/分鐘。
為了得到在這些條件下在排水管中壓頭損失的某些概念，可以參考聯(lián)邦高速公路管理局出版物FHWA/RD-86/168。由此參考材料可以看到，對(duì)于一個(gè)“平均的”芯式排水管，在30psi的圍壓下，大約600立方米/年的排水速率或流量將產(chǎn)生大約1的水壓梯度。對(duì)于緩慢固化的排水管的情況，0.0013立方英尺/分鐘等于大約19立方米/年，對(duì)于大多數(shù)芯式排水管來(lái)說(shuō)，水壓梯度大約為0.03ft/ft。
在地震的過(guò)程中，比如說(shuō)1英寸的沉陷可能在60秒中出現(xiàn)(如果所引起的孔隙壓力比大約為0.6到0.7，體積應(yīng)變將為0.3％到0.4％的量級(jí))。對(duì)于30英尺的厚度來(lái)說(shuō)，這相當(dāng)于大約1英寸的沉陷。
對(duì)于地震的情況，如果排水管的間隔為7英尺，通過(guò)該排水管的平均流速大約為3.5立方英尺/分鐘。這等于大約52000立方米/年，并且，水壓梯度大約為87ft/ft。這樣的壓頭損失顯然是不能容忍的，使用任何傳統(tǒng)的芯式排水管是不可行的。
為了得到先進(jìn)的預(yù)先制作的排水管產(chǎn)品(AKWADRAIN,HITEK,ADS等)如何做為按照本發(fā)明用來(lái)補(bǔ)救液化作用的豎直排水管起作用的某些概念，為了與礫石排水管或石柱比較，考慮由Seed和Booker提出的示例性問(wèn)題。此示例考慮了滲透率k=10-5m/s(3.25×10-5ft/s，這相當(dāng)于非常細(xì)的砂或粉砂，見(jiàn)表Ⅰ)和mB(體積壓縮率的系數(shù))=2×10-6平方英尺/磅(相當(dāng)于松散的土壤)的一個(gè)土壤層。此土壤層經(jīng)受一次地震，該地震可以被考慮為在70秒的時(shí)間內(nèi)施加24次均勻的應(yīng)力循環(huán)。這種土壤的特征為如果沒(méi)有設(shè)置排水管，在12次循環(huán)之后可能出現(xiàn)液化作用。
假設(shè)問(wèn)題的幾何構(gòu)形如圖2所示?？梢夯耐寥?0的厚度13被取為30英尺。假設(shè)上面的不可液化的土壤層8的厚度9為5英尺，假設(shè)穩(wěn)定的地下水位19為在可液化的土壤層以上2英尺(即，厚度20為3英尺)。在松軟的土壤層的頇部上的初始的有效過(guò)負(fù)載被取為800磅/平方英尺。
使用計(jì)算機(jī)程序EQDRAIN得到結(jié)果。此程序所采用的方法是把可液化的土壤層分成一些子層。對(duì)于每個(gè)子層按照與在LARF(如Seed和Booker所提出的那樣)程序中采用的相同的方案計(jì)算由于地震產(chǎn)生的孔隙水壓。監(jiān)視由每個(gè)子層流進(jìn)排水管中的流量，并計(jì)算出由在排水管中累積的豎直水流所產(chǎn)生的壓頭損失。也監(jiān)視排水管在可液化的土壤層以上的部分中的壓頭損失，以及在排水管或蓄水結(jié)構(gòu)中的水位。計(jì)算這些反向壓力的源的累積效應(yīng)，并把此效應(yīng)應(yīng)用到每個(gè)子層。假設(shè)在地震活動(dòng)的開(kāi)始時(shí)時(shí)間為零。初始假設(shè)穩(wěn)定的地下水條件，在排水管中的水位在高度19。在零時(shí)刻進(jìn)行上述計(jì)算，對(duì)于某個(gè)預(yù)先確定的時(shí)間間隔重復(fù)此計(jì)算。對(duì)于任何要求的時(shí)間長(zhǎng)度繼續(xù)此過(guò)程。
在可能的范圍內(nèi)把由EQDRAIN程序的結(jié)果與由程序LARF得到的結(jié)果核對(duì)。符合得極好。
按照Darcy定律對(duì)于石柱或礫石排水管計(jì)算由于在排水管中水流所產(chǎn)生的壓頭損失，按照Manning方程對(duì)于波紋管計(jì)算該壓頭損失，對(duì)于AKWADRAIN按照下列公式計(jì)算(1)i=ClQn其中c1和n是實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)。按照制造者公布的透水率數(shù)據(jù)計(jì)算由于流過(guò)特殊的織物的壓頭損失．用下式計(jì)算在穿孔的管的情況下通過(guò)狹縫或孔的壓頭損失(2)hj=v22g]]>其中v是通過(guò)狹縫或孔的流速，g是重力常數(shù)。對(duì)于波紋管的情況，Manning的n值取為0.015。對(duì)于所有情況，認(rèn)為特殊的織物為Amoco4545型特殊的織物，其透水率為O.333ft3/sec/ft2/ft。對(duì)于4英寸直徑的波紋管，把狹縫的孔隙面積取為1.90平方英寸/英尺管長(zhǎng)。對(duì)于2″×12″的AKWADRAIN，把等價(jià)直徑取為其圓周長(zhǎng)等于排水管的周長(zhǎng)的圓的直徑，即0.74英尺，按照制造者，經(jīng)驗(yàn)性的流量常數(shù)為(3) i=19.30Q1.8其中Q的單位為cfs。對(duì)于芯式排水管，以上面提到的聯(lián)邦高速公路管理局出版物FHWA/RD-86/168為基礎(chǔ)估計(jì)參數(shù)值。干凈的礫石的滲透率的范圍可以由1到100cm/sec。取決于安裝方法，在構(gòu)造石柱或礫石排水管的過(guò)程中礫石材料可能發(fā)生明顯的污染。因此，對(duì)于這些材料選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)臐B透率是困難的。為了比較的目的，對(duì)于滲透率1,10和100cm/sec進(jìn)行了計(jì)算。
通常豎直的排水管的間隔被設(shè)計(jì)成把最大的孔隙壓力比rω限制為0.6。在任何一點(diǎn)的此孔隙壓力比被定義為孔隙水壓力u被初始等效過(guò)負(fù)載應(yīng)力σv’除。
表Ⅱ．為了產(chǎn)生0.6的(rμ)max排水管的間隔地震等價(jià)于循環(huán)次數(shù)=24土壤k=0.325×10-4ft/sec期間=70秒m=0.2×10-5平方英尺/秒產(chǎn)生液化作用的循環(huán)次數(shù)=12排水管三角形間70秒沉陷排水管中每平方英隔(英尺)(英寸) 水的高度尺的成本3英尺直徑石柱 7.540.86 2$10.35k=1cm/sec3英尺直徑石柱 8.170.95 2.59 8.82k=10cm/sec3英尺直徑石柱 8.240.96 2.67 8.67k=100cm/sec1英尺直徑石柱 3.290.89 3.06 9.63k=1cm/sec1英尺直徑石柱 4.861.02 3.17 4.41k=10cm/sec1英尺直徑石柱 5.141.07 3.19 3.93k=100cm/sec4英寸內(nèi)徑波紋管4.141.08 3.22 2.622″×12″AKWA 4.681.07 3.20 2.531/8″×4″芯式 0.650.88 3.15 33.04排水管表Ⅱ列出這些計(jì)算的結(jié)果。每平方英尺處理成本基于以下的典型成本算出的3英尺直徑石柱典型成本$17.00/英尺1英尺直徑礫石排水管3.00/英尺4英寸內(nèi)徑波紋管1.30/英尺
2″×12″AKWA排水管1.60/英尺芯式排水管0.40/英尺對(duì)于石柱和礫石排水管，礫石材料的滲透率的改變的強(qiáng)烈影響是明顯的，特別是對(duì)于1英尺直徑礫石排水管是如此。對(duì)于這種情況，每平方英尺處理成本對(duì)于3英尺直徑石柱由$10.35變到$8.67，對(duì)于1英尺直徑礫石排水管由$9.63變到$3.93。在制作這些產(chǎn)品過(guò)程中的質(zhì)量控制是很重要的，但是在實(shí)際中常常很難實(shí)現(xiàn)。把一個(gè)復(fù)合的排水管裝在石柱或礫石排水管的中心能確保實(shí)現(xiàn)所要求的流動(dòng)能力。例如，如果4英寸的波紋塑料管被裝在1英尺直徑的礫石排水管中，間隔可以增加到大約5.2英尺，盡管礫石材料的滲透率為1cm/sec或更低。
高級(jí)排水管產(chǎn)品的效率也是明顯的，對(duì)于AKWA排水管的每平方英尺的處理成本為$2.53，而對(duì)于波紋管的每平方英尺的處理成本為$2.62。對(duì)于芯式排水管的非常高的成本是由于它們的非常低的流動(dòng)能力使得必須有很小的間隔。
表Ⅱ只給出了一種特殊情況的結(jié)果的比較，可以預(yù)期到對(duì)于其它條件的結(jié)果會(huì)劇烈地變化。例如，如果距離20比大約3到6英尺大，在預(yù)先制作的排水管產(chǎn)品中的水的升高變成相對(duì)較高。這在力圖進(jìn)入排水管中的孔隙水上施加更高的反向壓力，并使更小的排水管間隔是必須的。在這種情況下，使用在圖3或4中示出的那種類(lèi)型的蓄水結(jié)構(gòu)可能是成本有效的。
這一途徑的新穎之處包括使用復(fù)合的排水管來(lái)補(bǔ)救液化作用的概念，蓄水結(jié)構(gòu)(人造的或天然的)的概念，可以用于復(fù)合的排水管，也可以用于礫石或砂排水管，復(fù)合排水管與礫石或砂排水管可能一起的使用，以及通過(guò)一個(gè)改進(jìn)的探頭的豎直振動(dòng)把土壤的壓實(shí)與排水管的安裝結(jié)合起來(lái)。
權(quán)利要求
1．一種用來(lái)處理可液化的土壤的裝置，用來(lái)保護(hù)在其上面的地面上或在地面以下的結(jié)構(gòu)或工程不受地震的液化作用，在土壤中的初始的穩(wěn)定地下水位在所述地面以下，該裝置包括多個(gè)以分離開(kāi)的間隔位于可液化的土壤中的基本上豎直的預(yù)先制作的排水管，以及一個(gè)位于所述上面的地面以下的蓄水結(jié)構(gòu)，用來(lái)把由所述排水管排出的水排放掉。
2．按照權(quán)利要求1所述的裝置，所述可液化的土壤的滲透率在1×10-1到1×10-7cm/sec的大致范圍內(nèi)。
3．按照權(quán)利要求2所述的裝置，所述排水管包括一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的塑料芯，在其中提供用來(lái)使水流動(dòng)的通道。
4．按照權(quán)利要求3所述的裝置，所述細(xì)長(zhǎng)的塑料芯由過(guò)濾的織物纏繞著。
5．按照權(quán)利要求4所述的裝置，所述細(xì)長(zhǎng)的塑料芯包括一種可變形的窄條，它有橫向隔開(kāi)突出部，在它們之間提供排水通道。
6．按照權(quán)利要求3所述的裝置，所述細(xì)長(zhǎng)的塑料芯包括波紋塑料管和被開(kāi)孔的塑料管。
7．按照權(quán)利要求3所述的裝置，所述排水管彼此的間隔在大約2到6英尺的范圍內(nèi)。
8．按照權(quán)利要求7所述的裝置，所述排水管穿透所述可液化的土壤。
9．按照權(quán)利要求1所述的裝置，所述蓄水結(jié)構(gòu)由天然的可供使用的蓄水結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
10．按照權(quán)利要求9所述的裝置，所述天然的可供使用的蓄水結(jié)構(gòu)包括在所述被處理的可液化的土壤的下面的高度滲透的土壤。
11．按照權(quán)利要求9所述的裝置，所述天然的可供使用的蓄水結(jié)構(gòu)包括在所述被處理的可液化的土壤的上面的高度滲透的土壤。
12．按照權(quán)利要求1所述的裝置，所述蓄水結(jié)構(gòu)包括施加到所述可液化的土壤上的一層高度滲透的土壤。
13．按照權(quán)利要求1所述的裝置，所述排水管包括細(xì)長(zhǎng)的樁，在一種組合中它與所述排水管相結(jié)合，所述排水管包括塑料芯材料，此塑料芯選擇性地被過(guò)濾織物纏繞著。
14．一種用來(lái)處理可液化的土壤的方法，用來(lái)保護(hù)在其上面的地面上或在地面以下的結(jié)構(gòu)或工程不受地震的液化作用，在土壤中的初始的穩(wěn)定地下水位在所述地面以下，該方法包括如下步驟以基本上豎直的方式把預(yù)先制作的排水管以預(yù)先確定分離開(kāi)的間隔插進(jìn)可液化的土壤中，以及把在地震過(guò)程中由所述排水管中排出的水排放到位于在所述上面的地面以下的一個(gè)蓄水結(jié)構(gòu)中。
15．按照權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，被處理的可液化的土壤的滲透率在1×10-1到1×10-7cm/sec的大致范圍內(nèi)。
16．按照權(quán)利要求15所述的方法，其包括制作所述排水管的步驟，此管有一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的塑料芯，在其中提供用來(lái)使水流動(dòng)的通道。
17．按照權(quán)利要求16所述的方法，其包括用過(guò)濾的織物纏繞所述細(xì)長(zhǎng)的塑料芯的步驟。
18．按照權(quán)利要求17所述的方法，其包括由可變形的窄條制作所述細(xì)長(zhǎng)的塑料芯的步驟，該窄條有橫向隔開(kāi)的突出部，在它們之間提供排水通道。
19．按照權(quán)利要求16所述的方法，其包括用波紋塑料管和被開(kāi)孔的塑料管制作所述細(xì)長(zhǎng)的塑料芯的步驟。
20．按照權(quán)利要求16所述的方法，其包括以彼此的間隔在大約2到6英尺的范圍內(nèi)分離開(kāi)所述排水管的步驟。
21．按照權(quán)利要求20所述的方法，其包括用所述排水管完全穿透所述可液化的土壤的步驟。
22．按照權(quán)利要求14所述的方法，其包括以天然的可供使用的蓄水結(jié)構(gòu)的形式提供所述蓄水結(jié)構(gòu)的步驟。
23．按照權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述天然的可供使用的蓄水結(jié)構(gòu)的形式為在被處理的可液化的土壤的下面的高度滲透的土壤。
24．按照權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，通過(guò)利用在被處理的可液化的土壤的上面的天然的高度滲透的土壤，提供所述天然的可供使用的蓄水結(jié)構(gòu)。
25．按照權(quán)利要求14所述的方法，其包括通過(guò)在所述排水管上施加蓄水結(jié)構(gòu)提供所述蓄水結(jié)構(gòu)的步驟。
26．按照權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，通過(guò)在所述排水管上施加不太透水的土壤層實(shí)現(xiàn)所述蓄水結(jié)構(gòu)。
27．按照權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，通過(guò)使蓄水結(jié)構(gòu)管的位置在所述排水管以上和在所述地面以下實(shí)現(xiàn)所述的蓄水結(jié)構(gòu)，使所述管的相當(dāng)一部分在所述土壤的初始的穩(wěn)定地下水位以上。
28．按照權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，通過(guò)在所述可液化的土壤的上面提供一層高度透水的土壤構(gòu)造所述蓄水結(jié)構(gòu)。
29．按照權(quán)利要求14所述的方法，其包括在一種組合中使所述排水管與細(xì)長(zhǎng)的樁相結(jié)合的步驟。
30．按照權(quán)利要求14所述的方法，其包括在插進(jìn)所述排水管之前或之后把所述可液化的土壤壓實(shí)的步驟。
31．按照權(quán)利要求14所述的方法，其包括在插進(jìn)所述排水管的過(guò)程中把所述可液化的土壤壓實(shí)的步驟。
全文摘要
為了地震的液化作用對(duì)可液化的土壤(10)進(jìn)行處理,用來(lái)保護(hù)在其上面的地面上或在地面以下的結(jié)構(gòu)或工程(11)。以分離開(kāi)的間隔在可液化的土壤(10)中設(shè)置多個(gè)基本上豎直的預(yù)先制作的排水管(12),并且,設(shè)置一個(gè)蓄水結(jié)構(gòu)(14),用來(lái)把在地震過(guò)程中由排水管(12)排出的水排放掉。排水管(12)通常包括一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的塑料芯材料,此材料提供用來(lái)排水的通道或使水沿著它流動(dòng)的通道,并且,當(dāng)要求提供一種復(fù)合的排水管時(shí),此芯有時(shí)或選擇性地被過(guò)濾的織物纏繞著。
文檔編號(hào)E02D3/00GK1221466SQ97195382
公開(kāi)日1999年6月30日 申請(qǐng)日期1997年4月8日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月9日
發(fā)明者R·R·高夫努爾 申請(qǐng)人:地球技術(shù)美國(guó)公司