专利名称：用来补救可液化的土壤的液化作用的装置和方法
技术领域：
本发明的背景一般说来，本发明涉及使土壤稳定，更具体地说，涉及补救可液化的土壤的液化作用，使因地震所造成的液化作用对所支承的结构或工程的破坏达到最小。
地壳中的突然断裂会造成地震。在世界的某些部分，地壳的一段与相邻的一段之间会出现连续的运动，造成在两段边界处应变的积累。当由这些应变发展的应力达到材料的强度时，在两部分地壳之间会出现滑移，且释放出巨大的能量。这种能量由地震的中心点或原点以弹性应力波的形式向外传播，可以携带着破坏性的能量传播几百英里。
这些应力波的破坏性最大的效应之一来自它们对饱和的松散细砂或粉砂的沉积物的作用，造成被称为液化作用的现象。当液化作用出现时，土壤团体完全失去了剪切强度，并且运动暂时象液体。剪切强度的这种暂时的失去对以这些沉积物为基础的地上工程或结构可能有灾难性的作用。大的滑坡、桥梁支撑的横向移动、建筑物的沉陷或倾斜以及岸边结构的损坏都已经在近年来观察到，并已经进行了越来越多的努力，目的在于开发防止或减少这类破坏的方法。
对地壳的上部或其内的任何冲击或震动都会使应力波通过土壤传播。多种不同类型的波中的任何一种或所有的种类是可能的，这些波中的在实际上出现的那些取决于震动或冲击的位置、类型和构形。地震学家区分出两类这样的地震波；通过物体的内部传播的体波和沿着表面传播的表面波。
体波通过介质的内部传播，并从一个扰动源在所有的方向上向外辐射。在一次地震中，初始的滑移在一个相对有限的区域内在地表面以下的岩床中出现，波前基本上是球形的。随着波的传播离波源越来越远，波前的曲率变得越来越小，在离波源非常远的距离，波前将与平面波无法区分。
两种类型的体波为被称为P波的压缩波或纵波和被称为S波的剪切波或横波。
表面波出现在弹性介质的表面上，或出现在有不同性质的两种弹性介质的交界面上。与这种类型的波相关的颗粒的运动被限制在靠近表面或交界面的一个相对较薄的区域内。表面波以一个圆形波前由波源向外传播。同样，随着波前的传播离波源越来越远，波前的曲率变得越来越小。
最有意义的表面波为Rayleigh波和Love波。被称为耦合波和水力波的另两种波随着它们由波源传播快速地衰减掉。
所传输的总能量几乎完全由Rayleigh波、S波和P波表示，Rayleigh波携带最大的能量，S波携带中等的能量，P波携带的能量最少。P波的速度几乎为Rayleigh波和S波的速度的两倍，而S波的速度只比Rayleigh波的速度稍微快一点。
在离开扰动源的某个距离处，在地面上的一个颗粒在P波到达时首先经受到振荡形式的移动，接着是一个相对安静的时期，跟着在S波和Rayleigh波到达时经受另一次振荡。这些事件被称为小震，和在Rayleigh波到达时的主震。
随着离波源的距离的增加，两次到达之间的时间间隔变大和振荡的振幅变小。另外，小震比主震衰减得更快。因此，很明显，Rayleigh波是沿着弹性的半空间的表面最主要的扰动，在离波源较远的距离，Rayleigh波可能是唯一可以明显感觉到的波。
由于均匀的弹性介质与实际的地面之间的不同，实际的地面运动实际上是非常复杂的。当弹性波碰到不同的弹性介质之间的交界面时，至少一部分能量由该交界面以反射波的形式反射回去。当存在多个交界面时，波的图形可能变得非常复杂。
还有，可以通过岩床本身传播相当大的能量，似乎在许多情况下，在地震的过程中，在该区域内作用到土壤上的主要作用力是由来自下面的岩石构造的剪切运动的向上的传播造成的那些作用力。虽然实际的波形可能非常复杂，但是由剪切波分量施加到土壤上所造成的重复和反向剪切变形是在饱和的细砂或粉砂沉积物中产生液化作用的主要原因。
当松散的砂经受反复的反向剪切应变时，随着每次反向，砂的体积将减小，尽管随着每个循环体积减小的量变得较小。如果砂是饱和的，并且，不容许由砂中排水，应理解，因为砂的体积正在减小，水的压力必然提高。随着水的压力变得较高，在砂中晶粒与晶粒之间的接触压力必然变得越来越小。当晶粒与晶粒之间的接触压力变为零时，整个砂团体将失去所有的剪切强度，并象一种液体一样作用。这种现象被称为液化作用，作为地震、爆破或其它冲击的结果这可能出现在松散的、饱和的砂沉积物中。
影响液化作用出现的因素为土的类型、土壤的密实程度、土壤的渗透率、应变反向的强度以及应变反向的次数。
无粘聚力的细土壤(细砂)或包括适量的粉的无粘聚力的细土壤最容易发生液化作用。有一些证据表明，颗粒均匀的材料比很好分级的材料更容易发生液化作用，并且对颗粒均匀的土壤，细砂比粗砂或带砾石的土壤更容易发生液化作用。适量的粉似乎使细砂更容易发生液化作用。虽然带有较大量的粉的细砂不是很容易发生液化作用，但是仍然是可能发生液化作用的。
最近的证据表明，含有高达20％粘土的砂也是可以液化的。
在表Ⅰ中示出了土壤渗透率的典型值。示出了对于各种材料的宽范围的渗透率。
表Ⅰ．渗透率的相对值相对渗透率k值(cm/sec) 典型的土壤非常容易渗透 大于1×10-1大砾石中等渗透率1×10-1到1×10-3砂、细砂低渗透率 1×10-3到1×10-5粉砂、不干净的砂非常低的渗透率1×10-5到1×10-7粉不透水低于1×10-7粘土为了修正成英尺/分钟，把上面的值乘以2；为了转换成英尺/天，把上面的值乘以3×103。
在地震过程中，在土壤中的剪切应变的反向主要由S波的通过而造成的。这些剪切应变的反向的强度和次数取决于地震的强度和时间长短。
由于这种剪切应变的反向，无粘聚力的土壤的体积将减小。在水位以下的沉积层中，体积的减小将造成水将由发生体积减小的地方附近流出。取决于土壤的渗透率大小，将会阻碍这种流动，造成在孔隙水中压力的提高。随着在孔隙水中压力变得较高，晶粒与晶粒之间的接触压力将变为零，土壤将失去所有剪切强度，即，出现液化。
在非常粗的砂或砾石中，水可以非常自由地流动，使得孔隙水的压力绝不会变成有危险性地高。在较深的深度，晶粒与晶粒之间的接触压力初始较高，为了出现液化，空隙水的压力必须变得更高。在密度高的材料中，必须出现更多的应变反向才会产生足够的体积减小，出现液化。
粘聚的材料(粘土)对剪切应变的响应不同，一般说来，是不容易液化的。最近的证据表明，在某些条件下，包含高至20％粘土的砂在地震过程中会丧失强度。
用于控制液化的处理方法为四种一般性的方法中的一种1．除去发生液化作用的材料，并用坚实的材料替代。
2．对下面的坚固的土壤地层提供结构支承，即打桩。
3．使材料密实，使它不容易发生液化。
4．设置排水管，防止孔隙水的压力升高，和/或使软的可液化的土壤的强度增强。
在物质上除去容易发生液化的土壤材料，并用坚实的材料代替它是控制液化的最可靠的方法。不幸的是，这也是最费钱的方法，常常使得无法这样作。出现很大的困难是因为这些沉积层总是在地下水位以下，常常深到50到60英尺。
对液化作用问题的另一种解决方案是把结构建在穿过容易液化的土壤打到牢固的下面的材料上的桩上。然而，这种牢固的下面的材料常常很深。除了费钱以外，这一方法不是完全令人满意的，这是因为在桩之间的土壤仍然能够液化的。如果出现这样的液化作用，桩就没有横向支撑了，存在发生弯曲的危险。
通常使用两种方法之一来进行密实，即，深度的振动夯实和动态夯实。
深度的振动夯实土壤的装置包括振浮压实装置，Terraprobe(商标名)，Vibro-wing(商标名)和其它装置，这些装置在干净的砂中是最有效的，并且，在适当的条件下，这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适宜于用深度的振动夯实处理，这是因为存在一定数量的粉或粘土使这一过程无效。石柱法可能被认为是振浮压实法的一个延伸。后面将讨论这一方法。深度的振动压实法的典型成本为每立方码所处理材料由$1.00到$5.00之间。已经对超过100英尺的深度实现了处理。
靠重复地由20到120英尺的高度把非常重的重量(4到35吨)反复降落到地面上实现动态夯实。虽然这种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。实现密实的深度取决于所使用的重量有多大。对于20到35吨的重量，在干净的砂中此过程被限制为30到35英尺，在包括大量的粉或粘土的材料中可能被限制为20英尺或更少。对于20吨以下的重量，在干净的砂中的深度的限制在15到20英尺的范围，在不干净的砂中可能只有10英尺左右。
对于大于20吨的重量需要非常大并且是专门的设备，移动成本和生产成本都猛烈地增加。这些大的重物只对非常大的工程才是实际的。
如果被处理的土壤非常软，或如果地下水床接近地面，为了把重量降落到其上，必须安装5到7英尺厚的粒状材料的“缓冲”垫。此缓冲垫把落下的重量的冲击负载分散到下面的被密实的土壤中，也把操作提高到保持所产生的凹坑在地下水位以上的一个高度。
此过程也被严格地限制在被密实的区域，因为当重量冲击到地面上时它的冲击对邻近的工程有不利的影响。
在适当的条件下，这一方法对成本节省有效，并且是可靠的。典型的成本可以为每立方码所处理材料由$0.50到$6.00。
石柱如其名称所显示的那样简单地是穿过松软的土壤的沉积层伸展的被压实的石头的竖直的柱子。安装石柱的最普通的方法是在50年代晚期在德国发展起来的，它是振浮压实过程的一个自然延伸，此法采用改型的振浮压实设备。最近在日本开展的另一种技术常常采用砂而不是石头。另一种最近发展的方法ROTOCOLUMN(服务标记)生产非常干净和无杂质的柱。
把石柱以规则的模式装在所处理的区域中，这些石柱将提供增强，使竖直方向上的负载能力提高，同时改进复合的抗剪切能力。已经使用石柱来改善范围很宽的土壤，由非常松软的粘土到刚刚适合于振浮压实法或深度的振动压实法的材料。在混合的土壤中，可以在比较干净的无粘聚力的材料中得到改善，同时这些柱使无法进行振动压实的那些区域增强。可透水的竖直石柱也为消散过高的孔隙水压力提供了有效的排水路径。
Seed和Booker首先定量地描述了石柱或砾石排水管在控制液化作用中防止危险的孔隙水压力的建立的概念(Seed,H.B.and J.R.Booker，“采用砾石排水管使潜在地可能液化作用的砂沉积层稳定，”Journal of theSoil Mechanics and Foundations Division,A.S.C.E.,Vol.103,No.GT7,July,1977)。砾石排水管和石柱都以规则的模式装在被处理的区域中，并使它们达到穿透可液化的土壤的深度。由这些柱的顶部设置把孔隙水排走的一个排水路径。这通常为一个石头层的形式，此层进而把水排到下水道系统中，或“晾在”地表面上(见
图1)。
用这种方法，在砾石柱或排水管中的过量水压被维持在一个非常低的水平上。在插进的土壤中产生的过高的孔隙水压力将快速地消散，这是因为到最近的柱或排水管的排水路径较短。
在Seed-Booker的分析中，在柱或排水管中的过高的孔隙水压被假定为零。在实际中这一条件不能严格地满足，这是因为为了把水由柱里排出必须把柱中的水位升高到地下水位以上。还有，水在石柱或砾石排水管中的竖直方向上的运动产生压头损失，产生反向压力。
把围绕每根柱的支流区域理想化为一个圆，其半径被选为产生的一个圆，它的面积等价于实际的支流区域的面积。该分析考虑了在其中心包括一个砾石柱的一个土壤的圆柱中的排水和压力条件。在该分析中，不容许横截着这一土壤圆柱的外表面有排水，并把过量孔隙水压认为在它的内径上是零，或认为在与砾石柱的交界面上为零。Seed-Booker的分析是以这些假设为基础的，他们的分析给出了一系列图表，用来设计对于各种强度和时间长短的地震为了把过量孔隙水压限制到一个想要的水平的砾石排水管。为了解这些方程，有一个计算机程序(商标名为PROGRAMLARF)可供使用。
为了研究被排水管中的水流所产生的压头损失的效应和在排水管中升高了的水位的效应，已经编出了另一个计算机程序(EQDRAIN)，此程序可以处理在可液化的土壤的表面以下可以改变的厚度和深度。正在试图改进此程序，使之适应性质随深度改变的可液化的土壤。这一程序将可以用来进行设计。
典型的石柱的直径范围为由2英尺到5英尺，典型的砾石排水管的直径范围为由8英寸到18英寸。对于石柱的典型的间隔范围为由4英尺到10或12英尺，砾石排水管的间隔范围为由2英尺到6或7英尺。这些值的这样宽的范围反映了土壤材料的改变和设计用于的地震的严重程度的影响。
石柱的成本范围为由大约每英尺$15.00到$30.00或更多。砾石排水管的成本范围为由每英尺$2.50到$5.00。$3.50的每立方码所处理的材料的成本等于对于石柱的$25.00到$30.00，而$2.00的成本等于对于砾石排水管的$15.00。另外，对于为了进行排水的表面排水系统，或对于石柱的应力分配垫，必须添加每平方英尺表面积由$1.00到$3.00的成本。
本发明的概述用来处理可液化的土壤的装置和方法，用来保护在其上面的结构或工程不受地震的液化作用，该装置包括以分离开的间隔位于可液化的土壤中的多个基本上竖直的预先制作的复合的排水管，以及适宜于用来把由这些复合的排水管排出的水排放掉的一个蓄水结构。目的是通过提供一敝开的排水路径使孔隙水压由可液化的土壤中一系列分离开的位置释放掉，这些排水路径尽可能有效地运行，即为了使所要求数量的水的运动要求尽可能低的压力。
被处理的可液化的土壤和最容易液化作用的土壤是细的无粘聚力的土壤(细砂)，或包括适量的粉的细的无粘聚力的土壤。更具体地说，这种可液化的土壤的渗透率在1×10-2到1×10-6cm/sec的大致范围内，与之相对的是非常容易透水的土壤，比如渗透率大于1×10-1cm/sec的粗的砾石，或不透水的土壤，比如粘土，它的渗透率低于1×10-7cm/sec。
复合的排水管包括一个细长的塑料芯，在其中提供用来使水沿着它流动的通道，并且，此芯被一种特殊的织物或过滤的织物缠绕着。特殊的织物的优点在于，它将不会受到堵塞，或造成粉的聚集，这是因为直到对于可液化的土壤出现实际的地震或其它严重的冲击时才使用该排水管。这种特殊的织物的开孔尺寸使得可以防止土壤颗粒进入，但容许孔隙水自由地进入。
在一种形式下，复合的排水管结构的细长的塑料芯包括一种可以变形的窄条，它有横向的隔开突出部，在它们之间提供排水通道。在另一种形式中，可以把细长的塑料芯的结构做成波纹塑料管和被开孔的塑料管，该管被特殊的织物缠绕着。在某些情况下，可以由被开孔的波纹塑料管上省去特殊的织物。
在成形的塑料芯的情况下，大致尺寸的范围为由1/2英寸到2英寸厚，4英寸到18英寸宽，在塑料管的情况下，内径由1.5英寸到8或10英寸。这些产品都可以在非常低的压力梯度下传送大量的水。
竖直的排水管的间隔的大致范围为2到6英尺。这一间隔不仅取决于可液化的土壤的渗透率和可压缩率，而且取决于在水由它进入排水管的位置运动到它最后排放到蓄水结构中所包括的压头损失。这显然包括由于在排水管中的竖直方向上的流动所带来的压头损失。它也包括在进入蓄水结构时带来的压头损失，并包括如果蓄水结构的高度在稳定的地下水位的高度以上时把水提升到蓄水结构的高度所需要的压头。
适当的蓄水结构可以为天然存在的可供使用的蓄水结构的形式，或者，如果需要，可以是人造的蓄水结构。例如，被处理的可液化的土层可能在高度渗透的土壤或粗砂的上面。在这种情况下，把竖直的复合排水管插进的方式使得它们完全穿透可液化的土壤，并进入下面的高度渗透的土层中。因此，当在地震过程中在排水管中水压或水头压力建立起来时，可以很快地被排放到下面的蓄水结构中。
当地下水位在可液化的土壤的上面的高度透水的土壤中或蓄水层中时，出现另一种蓄水结构，这种蓄水结构在许多情况下很容易提供使用。可以把竖直的排水管插入，使得可以把水排放进这种天然存在的蓄水层中。在两种情况下，当出现由排水管排水时，地下水位将会暂时升高。
当适当的天然存在的或可供使用的蓄水结构不存在时，常常可以通过把地面上1英尺到4英尺的一层高度渗透的土壤或砾石放到可液化的土壤上构造出一个蓄水结构。结构或工程就建在这一层透水的材料上。设置竖直的排水管，使得把被排出的水输到地面，在透水层内的空隙空间提供了所需要的蓄水结构。在地震之后，积存在这些空隙空间中的水会随后逐渐地渗漏出。
地面通常在稳定的地下水位以上的某个距离，为了把水由地下水位提高到地面所需要的水头压力将作为反向压力施加到将由可液化的土壤进入排水管中的孔隙水上。很明显，这将明显地影响由土壤排出的水的数量，并进而影响为了把土壤中的过量的孔隙水压保持在所要求的水平所需要的竖直的排水管的间隔。可以容忍的反向压力的大小与在设计中包括的所有其它因素有关。
通常给出土壤的渗透率和可压缩率，设计将用于的地震的强度和时间长短、安全因素或在可液化的土壤中将容许达到的过量孔隙水压力的大小，并且，这些因素决定设计要求。随后，实际的补救系统的设计确定竖直排水管的尺寸或截面积(影响排水管中的水流的压头损失)、排水管间隔，以及对蓄水结构的要求。选择这些因素达到成本最有效的组合。通常，可以经济地把孔隙水提升到蓄水结构的高度的实际限制为2到5或6英尺。
通过在每个排水管位置由地面向下钻一个孔到地下水位，并把此孔用破碎的石头或砾石，或其它多孔材料充满也可以构造出一个适当的并常常是优选的蓄水结构。在这种设置下，在稳定的地下水位与蓄水结构之间升高的压头差初始为零，仅只随着水进入蓄水结构中才提高。在设计过程中考虑到在蓄水结构中水位的这一上升。所钻的这一孔的直径可以为2到4英尺。
在另一种形式中，此蓄水结构可以由以竖直状态埋在地下一段管构成，它的下端在地下水面上。把排水管设置成它们的上端在这样产生的蓄水结构内终止。用一个塞子或端部帽盖把蓄水管的上端盖住。虽然对于这样的蓄水结构可以使用几种不同的材料，但波纹塑料管通常是优选的。内径的范围为由8英寸到2英尺。
当与桩结合使用竖直的预先制作的排水管来补救液化作用时，可以把该桩的结构做成在它的内部包括蓄水空间。例如，可以使用钢管桩。制作出带有内部的空隙空间的预先浇筑的混凝土桩也是一件容易的事。
在某些情况下，竖直的排水管里面在地下水位以上可以包括足够的空白空间，足以做为一个成本有效的蓄水结构。
作为一个附加的安全因素，也可以在插进竖直的排水管之前或之后用传统的方法把可液化的土壤压实；或者，因为排水管安装设备常常采用振动芯轴，使穿进地层比较容易，所以改进芯轴使得在安装排水管的过程中实现压实是一件简单的事。为了实现这一任务，在径向上把3或4个翅片径向地加到芯轴上。把楔子或凸出物添加到翅片上，帮助把振动传递给土层，并因此实现压实。另外，在翅片上开出的一系列孔可以用来有效地传递振动。
这种没有中心安装芯轴的探头的设置与通常用于土壤层压实的多种类型的振动探头类似。由插进一个单一的探头造成的土壤层压实，或压实部位靠该探头非常近，并随着径向距离而减小。在通常的振动压实中，希望此被影响的区域尽可能地大。因此，次数不多的插入可以覆盖一个给定的区域，使成本达到最低。为了有效地实现此目的，通常与功率大的振动锤一起使用非常大的探头。
每个插入件留在地里的时间也影响所造成的压实。通常通过对每个工程的现场试验找到探头尺寸、压实部位的间隔以及在每个位置所花费的时间的最有效的组合。间隔越小，压实的程度越高，但是，成本较高。
在这里的情况下，压实位置的间隔将由排水的要求决定，并将比正常的振动压实的间隔要小得多。因此，用较小的探头将可能实现有效的压实，并且，每个压实位置可以用较少的时间。如前面所提到的那样，这种类型的压实只在相对较干净的无粘聚力的土壤层中有效。可以预期到，在包括数量较大的粉或粘土的土壤中压实将不会有效。然而，复合的排水管所提供的排水在比较不干净的材料中将是有效的。对于有混合的土壤状况的工地，这应该是有利的。对有关的芯式排水管先有技术的描述本发明的预先制作的排水管补救土壤的方法和装置在许多方面与竖直排水管(有时被称为“芯式”排水管)的方法类似，竖直排水管方法通常用来加快松软的粘土的固化。这些松软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，不是可用于本发明的内容的。下面先简短地讨论“芯式”排水管。
当把负载置放在松软的饱和的粘土沉积层上时，由于粘土材料的压缩，常常造成大的沉陷。这种沉陷只有当孔隙水被排出时才可能发生，并且，因为粘土的渗透能力非常低，这一过程发生得非常慢。几米的总沉陷是普通的，并且，常常要用几年的时间发生。这种与时间有关的过程被称为固化。在这些情况下自从20年代初期以来一直采用一种被称作砂排水管和叠载的过程。见D.E.Moran的专利文件No.1598300(1926)。在这一过程中，穿过被处理的松软的粘土层安装砂排水管或柱。以与图1中所示的砾石排水管排布相同的方式按一种规则的模式设置这些砂排水管或柱。典型的间隔范围为由4英尺到12英尺，砂排水管的直径典型地为1英尺，有时可以高至2英尺。
在安装砂排水管之后，在这些排水管上设置1到3英尺厚的砂排水垫，使得水由这些排水管流走。在此砂垫上设置一个土的填方。计算这一填方或叠载的厚度，使得产生的负载大约比对于该工程所计划的预先考虑的最后的设计负载大10％。因为由粘土流出的排水现在可以流进砂排水管，排水路径大大变短，且固化会出现得快得多。叠载保留在其位置，直到固化过程接近完成为止，典型地用6个月或短一些。随后移去该叠载，继续进行该工程。
在60年代末期和70年代初期，发展了竖直芯式排水管，用来替代砂排水管。竖直芯式排水管不是真实的芯，而是由一种挤压的塑料芯构成的复合排水管，当把此芯缠绕在一种特殊的织物中时其形状提供排水通道。那种织物是一个过滤织物，其结构带有开孔，其尺寸使得防止土壤颗粒的进入，但是容许孔隙水可以自由地进入。成品的芯式材料为大约1/8到1/4英寸厚，典型地为4英寸宽的带状。以包括800到1000英尺排水管的卷的形式设置。芯式排水管的一个示例性的制作者为美国北卡罗来纳州的American Wick Drain Corporation of Matthews公司(AMERDRAIN tm)。
借助于专门的设备实现安装，该设备由装在一个吊车上的装着一个特殊的安装芯轴的竖直杆(见图6)构成。直接把包括排水管的该芯轴由杆的底部压挤进地里。在达到所要求的深度之后，把芯轴抽回进入杆中，把未受损坏的排水管留在土里的位置。例如，见美国专利No.5213449。
竖直芯式排水管的典型间隔为由3英尺到9或10英尺。这一方法是成本非常有效的，并已经实际上替代了老的砂排水管方法。
所安装的竖直芯式排水管的每英尺典型的成本范围为由$0.35到$1.00。这一数目相当于所处理的材料每平方码的成本由$0.15到$2.00。必须加上表面或水平排水系统的成本和叠载的成本。
附图的简要描述在下面的说明和权利要求中给出其它的目的和好处。
为了给出示例的目的，附图示出了本发明或它的权利要求，而对本发明没有限制，一些实际的实施例示出了本发明的原理，在附图中图1为正面和竖直剖面的一个示意性图，示出了被支承在可液化的土壤上的一个建筑物结构，已经用先有技术的砾石排水管或石柱技术补救了此可液化的土壤；图2为正面和竖直剖面的一个示意性图，示出了被支承在可液化的土壤上的一个建筑物结构，已经用按照本发明的预先制作的竖直复合排水管处理或补救了此可液化的土壤；图3为一个蓄水结构的竖直剖面的一个示意性图，该蓄水结构由用石头或其它粒状材料充满所钻的孔构成；图4为另一个蓄水结构的竖直剖面的一个示意性图，该蓄水结构由一段波纹塑料管或其它管构成；图5为正面和竖直剖面的一个示意性图，示出了用按照本发明对可液化的土壤用竖直的复合排水管与自然存在的蓄水结构相结合所进行的补救处理；图6为一个典型的芯式排水管安装设备的示意性图，此设备适宜于用来安装用于补救液化作用的竖直的预先制作的排水管；以及图7为一个剖面图，示出了装有“翅片”的一个安装芯轴，用来压实土壤，同时进行排水管安装。
对优选实施例的详细描述参见图2，按照本发明处理渗透率大约为1×10-2到1×10-6cm/sec的可液化的土壤10，用来在其上竖立起建筑物结构或工程11之前进行地震液化作用的防护。
多个基本上竖直的预先制作的复合排水管12穿透可液化的土壤10的整个深度13。
预先制作的复合排水管12包括细长的塑料芯，它们提供沿着它们用来通过水的通道，过滤织物或特殊织物缠绕着这些芯。在市场上很容易买到这些复合的排水管，但它们不是为了补救土壤的液化作用的目的。
自80年代初期以来，已经发展了结构类似于竖直芯式排水管的多种复合排水产品，它们也可以在本发明的装置和方法中以适当的形式使用。这些产品的结构也是由一种特殊的织物缠绕着的塑料芯，但是截面积比普通的芯式排水管要大。这些产品的使用范围由围绕地下室的排水管到高速公路的边缘排水管。一种这样的复合排水管由前面提到的American WickDrain Corporation公司制作，商标为AKWADRAIN。AKWADRAIN的细长的塑料芯的结构为一种可变形的塑料窄条，它有横向的突出部分，在它们之间提供了排水通道。另一个制作商为加拿大的安大略省的BurcanManufacturing Inc.of Whitby公司，此公司以“HITEK”的商标制作一种类似的产品。
另一种最近发展的产品是波纹塑料管。这种产品是穿孔的或开狭缝的和被缠绕在一种特殊的织物中的。在预期只在地震期间水才流进排水管的情况下，可以省去特殊的织物。在地震期间被携带进排水管的少量土壤细粒只是在以后沉淀出来，并只堵塞该排水管底部的几英寸。出现明显的堵塞可能需要几次地震。两种示例产品由美国的俄亥俄州的Hancor,Inc.of Findlay公司和美国的俄亥俄州的Advanced Drainage Systems,Inc.of Columbus(ADS)公司制作。可以把已经有的竖直排水管安装设备改型成安装这些产品中的任何一种，做为竖直排水管。
用在图2中示意性地示出的预先制作的复合排水管12代表任何一种上面提到的传统的预先制作的复合排水管，或它们的任何新的设计。
在图2中的预先制作的排水管12在建筑物结构11的下面的可液化的土壤10的整个区域中均匀地隔离开。这一间隔将由大约2英尺到6英尺变化，取决于可液化的土壤10的渗透率和可压缩率，设计将会承受的地震的强度和时间长短、安全因素以及所采用的预先制作的排水管12的类型。土壤8是不可液化的土壤层，它在可液化的土壤10的上面。
用本发明的处理装置或方法，也必须与竖直的预先制作的排水管结合采用一个蓄水结构，该结构适用来把由复合排水管排出的水排放掉。此蓄水结构可以是人造的，或者当可供使用时，可以利用自然存在的蓄水结构。在图2中，示出了一个人造的蓄水结构14，把它的结构做成一层压实的砾石。在砾石内的空隙空间形成该蓄水结构。设置了排水管15来保持砾石处在被排水的状态，使得如果出现地震，蓄水结构的空间将可供使用。在某些情况下，在该蓄水结构上设置一个不透水的薄膜(塑料薄膜或其它薄膜)来防止外面的水进入将是有利的。
这样，当出现地震和在复合排水管12中建立起水头压力时，水有一个立即排走的自由排水装置，并可以排放到蓄水结构14中。
示出了初始的静压水位19。距离20表示水为了由排水管12进入蓄水结构14所必须克服的升高水头。实现这一升高的压力必须由在可液化的土壤10中的附加的过量孔隙水压提供。这一附加的过量孔隙水压的有害效应在其极限以内可以通过减小排水管12的间隔补偿。然而，如果距离20太大，所要求的间隔可能变得如此之小，以至于是不实际的或是不经济的，因为需要大量的排水管。确实，所要求的过量的水压甚至可能比在可液化的土壤中的最大可容许的孔隙水压还大。
图3示出了另一种形式的人造蓄水结构，破碎的石头或其它多孔的材料把在每根排水管12的一个被钻出的孔21充满。这些多孔材料的空隙形成蓄水结构14。在上面的结构或工程11可以直接建立在这样产生的蓄水结构的顶部上，或放置在完全覆盖此蓄水结构的一层的顶面上。在这种情况下，在蓄水结构的顶面上设置一个不透水的薄膜，防止对多孔材料的污染。
在发生地震时，初始的状态由蓄水结构14中的水位在初始的稳定地下水位19开始，提升排出的水所需要的附加的过量孔隙水压将为零。在地震过程中，流进蓄水结构的流量将超过可以被分散出的水量，在蓄水结构中的水位将提高。还有，静态的地下水位会一年四季地随着其他因素的影响逐渐改变。蓄水结构的必不可少的体积必须在最高的预期的地下水位以上。在设计过程中确定此体积和所钻的孔21的所需要的直径。在地震后，在蓄水结构中积存的水将逐渐排出，并逐渐返回到水位19。
图4示出了类似地产生的人造蓄水结构。在这一情况下，在每个排水的位置把一段管22嵌入地里。把排水管12设置成它们的上端在此管的内部终止。此管的顶部设有一个端部帽盖或塞子23。上面的结构或工程11可以放置在填充物24的一个插进层上，或者直接放置在所嵌入的管22的顶部上。管22可以由任何材料制成，但是通常由波纹塑料管构成。此蓄水结构的运行在所有其它方面与前面描述的相同。
如前面所表明的那样，也可以使用自然存在的蓄水结构，替代图2、3和4的人造的蓄水结构14。在图5中示意地示出了这种情况。
图5示出了自然存在的蓄水结构，其形式为在被处理的可液化的土壤10的下面的一个高度透水的土壤层或蓄水层16，或者，替代地，一个高度透水的土壤层或蓄水层17可能在所处理的可液化的土壤层的上面。图5企图表示这些自然存在的蓄水结构中的任何一种，在一个给定的地方不总是可能两个这样的自然存在的蓄水结构同时可供使用。在所处理的可液化的土壤10与下面的蓄水层16或者上面的蓄水层17之间可能存在一层或多层不透水的土壤层18。稳定的地下水位可能在，也可能不在上面的蓄水层中。
预先制作的复合排水管12穿透可液化的土壤10，并继续进一步穿透下面的蓄水层16的顶部，比如粗砂。这样，当在可液化的土壤10中在地震过程中产生过量的孔隙水压时，这些过量的水压可以通过水向下流进自然存在的蓄水结构16中很容易地释放掉，因此，防止了非常高的过量孔隙水压建立起来，导致液化作用。
以类似的方式，当下面的蓄水层16不是可供使用的时，在可液化的土壤10的上方可能自然存在一个高度透水的土壤层17，可以把孔隙水向上通过预先制作的排水管12排放掉。
在两种情况下，因为在地震的开始时存在水动力学的平衡，为了把水积存在蓄水结构中，初始将不需要任何附加的过量压力。随着水进入蓄水结构16或17中，将产生反向压力，为了使水持续地流进蓄水结构中，必须施加上一个额定数量的附加压力。此附加的压力的数量将取决于流进蓄水结构的水的数量，并取决于蓄水结构的储存系数。应该在设计过程中确定或估算出此储存系数，并在设计过程中考虑到此储存系数。
图2、3、4和5的预先制作的复合排水管也可以与传统的混凝土桩或钢桩结合起来使用，这些桩至少部分地与复合的排水管12共同伸展。例如，可以把复合排水管放进带有I形横梁截面构形的桩的侧面通道中，或者可以把它们嵌入预先成形的混凝土桩中，或把它们设置在水泥或混凝土中。也可以把它们嵌入在现场制作的石柱内。为了满足全部或部分的蓄水结构的要求，可以采用多种桩的构形。为此目的可以使用钢管桩的内部。特殊设计的预制的混凝土桩也可以包括用于此目的的空白空间。
为了进一步增强对可液化的土壤的液化作用的补救，也可以用传统的装置在竖直的排水管12安装之前或之后把可液化的土壤压实。压实也可以与安装排水管的同时进行。在图6中示出了一种传统的芯式排水管安装装备25，它适宜于用来补救液化作用的安装竖直的复合排水管。如图所示，在某种传统的建筑设备32上带有安装杆31。该杆31在杆的每一侧装有滚轮链26的一个连续的环。一台马达27驱动这些滚轮链环。一个传统的振动驱动器28装在杆31的前面，可以在竖直方向上滑动。通过特殊的弹性体36把此振动驱动器连接到滚轮链环26上。这些弹性体把作用力施加到振动驱动器上使得它在竖直方向上运动，但是隔绝振动，使振动不能达到链、杆和携带装备。安装芯轴29被直接装到振动驱动器28上。
在芯轴或插入管29的里面携带着排水管12，把它们向下驱动进入地下，达到所要求的深度。当达到这一深度时，把芯轴抽出。在芯轴底部上的一个特殊的牺牲的尖端35留在地下的位置，此尖端装到复合排水管12上，并把该管保持在其位置。当把芯轴抽出时，在滚轮34上把附加的排水材料送进一个开孔33中，送到芯轴29的内部。当把芯轴的底部由地下抽出时，把暴露的排水材料12切断，把另一个牺牲的尖端放在其位置上，在下一个位置重复此过程。
在传统的芯式排水管的安装中，在安装过程中可以使用，也可以不用振动驱动器。如果容纳排水管的土壤足够软，可以通过芯轴29的静态挤压实现穿透。硬层常常与松软的土混在一起，或在松软的土的上面，使穿透很困难或是不可能的。在这些情况下，可以接通振动驱动器，使得容易穿透这些硬层。
在本发明中，把翅片30附加到芯轴29上。在图7中以剖面图示出了这一情况。示出了三个翅片，但是可以使用两个或多个翅片。这些翅片的目的是把振动运动传递给土壤，因此与安装排水管的同时进行压实。
为了使振动运动容易传递到土壤，在翅片上可以添加上“楔子”或突出部37。另外，为此目的可以把孔38切进翅片中，如图6中所示。性能分析前面描述的先有技术的预先制作的芯式排水管被设计用来并非常好地用于实现进行得很慢的排水。甚至在这种很慢的排水的情况下，由于在排水管中水的流动所造成的压头损失在通过非常厚的松软土壤沉积层伸展的排水管中可能是一个问题。
考虑7英尺的排水管的间隔。如果在3个月中出现4英尺的沉陷，通过排水管的平均流速将为大约0.0013立方英尺/分钟。
为了得到在这些条件下在排水管中压头损失的某些概念，可以参考联邦高速公路管理局出版物FHWA/RD-86/168。由此参考材料可以看到，对于一个“平均的”芯式排水管，在30psi的围压下，大约600立方米/年的排水速率或流量将产生大约1的水压梯度。对于缓慢固化的排水管的情况，0.0013立方英尺/分钟等于大约19立方米/年，对于大多数芯式排水管来说，水压梯度大约为0.03ft/ft。
在地震的过程中，比如说1英寸的沉陷可能在60秒中出现(如果所引起的孔隙压力比大约为0.6到0.7，体积应变将为0.3％到0.4％的量级)。对于30英尺的厚度来说，这相当于大约1英寸的沉陷。
对于地震的情况，如果排水管的间隔为7英尺，通过该排水管的平均流速大约为3.5立方英尺/分钟。这等于大约52000立方米/年，并且，水压梯度大约为87ft/ft。这样的压头损失显然是不能容忍的，使用任何传统的芯式排水管是不可行的。
为了得到先进的预先制作的排水管产品(AKWADRAIN,HITEK,ADS等)如何做为按照本发明用来补救液化作用的竖直排水管起作用的某些概念，为了与砾石排水管或石柱比较，考虑由Seed和Booker提出的示例性问题。此示例考虑了渗透率k=10-5m/s(3.25×10-5ft/s，这相当于非常细的砂或粉砂，见表Ⅰ)和mB(体积压缩率的系数)=2×10-6平方英尺/磅(相当于松散的土壤)的一个土壤层。此土壤层经受一次地震，该地震可以被考虑为在70秒的时间内施加24次均匀的应力循环。这种土壤的特征为如果没有设置排水管，在12次循环之后可能出现液化作用。
假设问题的几何构形如图2所示。可液化的土壤10的厚度13被取为30英尺。假设上面的不可液化的土壤层8的厚度9为5英尺，假设稳定的地下水位19为在可液化的土壤层以上2英尺(即，厚度20为3英尺)。在松软的土壤层的顸部上的初始的有效过负载被取为800磅/平方英尺。
使用计算机程序EQDRAIN得到结果。此程序所采用的方法是把可液化的土壤层分成一些子层。对于每个子层按照与在LARF(如Seed和Booker所提出的那样)程序中采用的相同的方案计算由于地震产生的孔隙水压。监视由每个子层流进排水管中的流量，并计算出由在排水管中累积的竖直水流所产生的压头损失。也监视排水管在可液化的土壤层以上的部分中的压头损失，以及在排水管或蓄水结构中的水位。计算这些反向压力的源的累积效应，并把此效应应用到每个子层。假设在地震活动的开始时时间为零。初始假设稳定的地下水条件，在排水管中的水位在高度19。在零时刻进行上述计算，对于某个预先确定的时间间隔重复此计算。对于任何要求的时间长度继续此过程。
在可能的范围内把由EQDRAIN程序的结果与由程序LARF得到的结果核对。符合得极好。
按照Darcy定律对于石柱或砾石排水管计算由于在排水管中水流所产生的压头损失，按照Manning方程对于波纹管计算该压头损失，对于AKWADRAIN按照下列公式计算(1)i=ClQn其中c1和n是实验确定的常数。按照制造者公布的透水率数据计算由于流过特殊的织物的压头损失．用下式计算在穿孔的管的情况下通过狭缝或孔的压头损失(2)hj=v22g]]>其中v是通过狭缝或孔的流速，g是重力常数。对于波纹管的情况，Manning的n值取为0.015。对于所有情况，认为特殊的织物为Amoco4545型特殊的织物，其透水率为O.333ft3/sec/ft2/ft。对于4英寸直径的波纹管，把狭缝的孔隙面积取为1.90平方英寸/英尺管长。对于2″×12″的AKWADRAIN，把等价直径取为其圆周长等于排水管的周长的圆的直径，即0.74英尺，按照制造者，经验性的流量常数为(3) i=19.30Q1.8其中Q的单位为cfs。对于芯式排水管，以上面提到的联邦高速公路管理局出版物FHWA/RD-86/168为基础估计参数值。干净的砾石的渗透率的范围可以由1到100cm/sec。取决于安装方法，在构造石柱或砾石排水管的过程中砾石材料可能发生明显的污染。因此，对于这些材料选择一个适当的渗透率是困难的。为了比较的目的，对于渗透率1,10和100cm/sec进行了计算。
通常竖直的排水管的间隔被设计成把最大的孔隙压力比rω限制为0.6。在任何一点的此孔隙压力比被定义为孔隙水压力u被初始等效过负载应力σv’除。
表Ⅱ．为了产生0.6的(rμ)max排水管的间隔地震等价于循环次数=24土壤k=0.325×10-4ft/sec期间=70秒m=0.2×10-5平方英尺/秒产生液化作用的循环次数=12排水管三角形间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英尺直径石柱 7.540.86 2$10.35k=1cm/sec3英尺直径石柱 8.170.95 2.59 8.82k=10cm/sec3英尺直径石柱 8.240.96 2.67 8.67k=100cm/sec1英尺直径石柱 3.290.89 3.06 9.63k=1cm/sec1英尺直径石柱 4.861.02 3.17 4.41k=10cm/sec1英尺直径石柱 5.141.07 3.19 3.93k=100cm/sec4英寸内径波纹管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列出这些计算的结果。每平方英尺处理成本基于以下的典型成本算出的3英尺直径石柱典型成本$17.00/英尺1英尺直径砾石排水管3.00/英尺4英寸内径波纹管1.30/英尺
2″×12″AKWA排水管1.60/英尺芯式排水管0.40/英尺对于石柱和砾石排水管，砾石材料的渗透率的改变的强烈影响是明显的，特别是对于1英尺直径砾石排水管是如此。对于这种情况，每平方英尺处理成本对于3英尺直径石柱由$10.35变到$8.67，对于1英尺直径砾石排水管由$9.63变到$3.93。在制作这些产品过程中的质量控制是很重要的，但是在实际中常常很难实现。把一个复合的排水管装在石柱或砾石排水管的中心能确保实现所要求的流动能力。例如，如果4英寸的波纹塑料管被装在1英尺直径的砾石排水管中，间隔可以增加到大约5.2英尺，尽管砾石材料的渗透率为1cm/sec或更低。
高级排水管产品的效率也是明显的，对于AKWA排水管的每平方英尺的处理成本为$2.53，而对于波纹管的每平方英尺的处理成本为$2.62。对于芯式排水管的非常高的成本是由于它们的非常低的流动能力使得必须有很小的间隔。
表Ⅱ只给出了一种特殊情况的结果的比较，可以预期到对于其它条件的结果会剧烈地变化。例如，如果距离20比大约3到6英尺大，在预先制作的排水管产品中的水的升高变成相对较高。这在力图进入排水管中的孔隙水上施加更高的反向压力，并使更小的排水管间隔是必须的。在这种情况下，使用在图3或4中示出的那种类型的蓄水结构可能是成本有效的。
这一途径的新颖之处包括使用复合的排水管来补救液化作用的概念，蓄水结构(人造的或天然的)的概念，可以用于复合的排水管，也可以用于砾石或砂排水管，复合排水管与砾石或砂排水管可能一起的使用，以及通过一个改进的探头的竖直振动把土壤的压实与排水管的安装结合起来。
权利要求
1．一种用来处理可液化的土壤的装置，用来保护在其上面的地面上或在地面以下的结构或工程不受地震的液化作用，在土壤中的初始的稳定地下水位在所述地面以下，该装置包括多个以分离开的间隔位于可液化的土壤中的基本上竖直的预先制作的排水管，以及一个位于所述上面的地面以下的蓄水结构，用来把由所述排水管排出的水排放掉。
2．按照权利要求1所述的装置，所述可液化的土壤的渗透率在1×10-1到1×10-7cm/sec的大致范围内。
3．按照权利要求2所述的装置，所述排水管包括一个细长的塑料芯，在其中提供用来使水流动的通道。
4．按照权利要求3所述的装置，所述细长的塑料芯由过滤的织物缠绕着。
5．按照权利要求4所述的装置，所述细长的塑料芯包括一种可变形的窄条，它有横向隔开突出部，在它们之间提供排水通道。
6．按照权利要求3所述的装置，所述细长的塑料芯包括波纹塑料管和被开孔的塑料管。
7．按照权利要求3所述的装置，所述排水管彼此的间隔在大约2到6英尺的范围内。
8．按照权利要求7所述的装置，所述排水管穿透所述可液化的土壤。
9．按照权利要求1所述的装置，所述蓄水结构由天然的可供使用的蓄水结构构成。
10．按照权利要求9所述的装置，所述天然的可供使用的蓄水结构包括在所述被处理的可液化的土壤的下面的高度渗透的土壤。
11．按照权利要求9所述的装置，所述天然的可供使用的蓄水结构包括在所述被处理的可液化的土壤的上面的高度渗透的土壤。
12．按照权利要求1所述的装置，所述蓄水结构包括施加到所述可液化的土壤上的一层高度渗透的土壤。
13．按照权利要求1所述的装置，所述排水管包括细长的桩，在一种组合中它与所述排水管相结合，所述排水管包括塑料芯材料，此塑料芯选择性地被过滤织物缠绕着。
14．一种用来处理可液化的土壤的方法，用来保护在其上面的地面上或在地面以下的结构或工程不受地震的液化作用，在土壤中的初始的稳定地下水位在所述地面以下，该方法包括如下步骤以基本上竖直的方式把预先制作的排水管以预先确定分离开的间隔插进可液化的土壤中，以及把在地震过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个蓄水结构中。
15．按照权利要求14所述的方法，其特征在于，被处理的可液化的土壤的渗透率在1×10-1到1×10-7cm/sec的大致范围内。
16．按照权利要求15所述的方法，其包括制作所述排水管的步骤，此管有一个细长的塑料芯，在其中提供用来使水流动的通道。
17．按照权利要求16所述的方法，其包括用过滤的织物缠绕所述细长的塑料芯的步骤。
18．按照权利要求17所述的方法，其包括由可变形的窄条制作所述细长的塑料芯的步骤，该窄条有横向隔开的突出部，在它们之间提供排水通道。
19．按照权利要求16所述的方法，其包括用波纹塑料管和被开孔的塑料管制作所述细长的塑料芯的步骤。
20．按照权利要求16所述的方法，其包括以彼此的间隔在大约2到6英尺的范围内分离开所述排水管的步骤。
21．按照权利要求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骤。
22．按照权利要求14所述的方法，其包括以天然的可供使用的蓄水结构的形式提供所述蓄水结构的步骤。
23．按照权利要求22所述的方法，其特征在于，所述天然的可供使用的蓄水结构的形式为在被处理的可液化的土壤的下面的高度渗透的土壤。
24．按照权利要求22所述的方法，其特征在于，通过利用在被处理的可液化的土壤的上面的天然的高度渗透的土壤，提供所述天然的可供使用的蓄水结构。
25．按照权利要求14所述的方法，其包括通过在所述排水管上施加蓄水结构提供所述蓄水结构的步骤。
26．按照权利要求25所述的方法，其特征在于，通过在所述排水管上施加不太透水的土壤层实现所述蓄水结构。
27．按照权利要求25所述的方法，其特征在于，通过使蓄水结构管的位置在所述排水管以上和在所述地面以下实现所述的蓄水结构，使所述管的相当一部分在所述土壤的初始的稳定地下水位以上。
28．按照权利要求14所述的方法，其特征在于，通过在所述可液化的土壤的上面提供一层高度透水的土壤构造所述蓄水结构。
29．按照权利要求14所述的方法，其包括在一种组合中使所述排水管与细长的桩相结合的步骤。
30．按照权利要求14所述的方法，其包括在插进所述排水管之前或之后把所述可液化的土壤压实的步骤。
31．按照权利要求14所述的方法，其包括在插进所述排水管的过程中把所述可液化的土壤压实的步骤。
全文摘要
为了地震的液化作用对可液化的土壤(10)进行处理,用来保护在其上面的地面上或在地面以下的结构或工程(11)。以分离开的间隔在可液化的土壤(10)中设置多个基本上竖直的预先制作的排水管(12),并且,设置一个蓄水结构(14),用来把在地震过程中由排水管(12)排出的水排放掉。排水管(12)通常包括一个细长的塑料芯材料,此材料提供用来排水的通道或使水沿着它流动的通道,并且,当要求提供一种复合的排水管时,此芯有时或选择性地被过滤的织物缠绕着。
文档编号E02D3/00GK1221466SQ97195382
公开日1999年6月30日 申请日期1997年4月8日 优先权日1996年4月9日
发明者R·R·高夫努尔 申请人:地球技术美国公司