新鄉市封丘縣農場跨河大橋地基地震液化評價——兼論不同規范中地基土地震液化評價的差異

符新閣，徐 峰，牛貝貝

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南鄭州 450003)

新鄉市封丘縣農場跨河大橋工程位于河南省新鄉市封丘縣陳橋鎮老齊寨村至封丘縣農場的大功河上，以解決南水北調中線一期工程丹江口水庫庫區移民安置新址——新鄉市封丘縣陳橋農場移民新址的交通問題。該橋連接移民新址與省道219線。橋梁距省道219線2.4 km，距封丘縣城約7.7 km。擬建大橋規劃長度66.0 m，跨度3 m×20 m，汽車荷載等級為汽-Ⅱ級。

《公路工程抗震規范》(JTG B02—2013)(新規范)于2014年2月1日實施，而本工程勘察時間為2009年，勘察報告中地震液化評價依據《公路工程抗震設計規范》(JTJ004—89)(舊規范)。新舊規范在評價方法及評價結果上都存在一定的差異。本文通過新舊公路工程抗震規范以及建筑抗震設計規范之間的對比，以期發現上述規范之間在地震液化評價上存在的差異，以期在今后公路工程勘察中有所裨益。

1 工程地質條件

擬建橋位于河南省封丘縣陳橋鎮老齊寨村至封丘縣農場的大功河上。大功河走向為南西—北東向，為上世紀人工開挖的引黃灌溉工程。河寬約50 m，兩岸有約3 m高的護堤，堤外(背河側)為耕地，河兩側距河約80 m各有一條引水渠。工程處微地貌屬黃河沖積漫灘及人工堆積土堤，地勢較開闊平坦。河兩岸護堤高程一般77.6 ～77.9 m，耕地高程一般 74.7 ～75.1 m，勘察期間橋位處河水面高程73.02 m。

①層:人工填土，黃褐色，稍濕—濕，以粉土為主，表層含植物根系，該層在兩岸河堤出露，填筑時間在30年以上，厚度約3.00 m。

② 粉土:黃色，稍濕—飽和，稍密。該層總厚度3.40 ～6.00 m。

②-1粉質粘土:呈透鏡體狀，黃色，可塑。該層僅在ZK01中揭露，厚1.30 m。

②-2粉砂:呈透鏡體狀，灰黃色，飽和，稍密。在ZK01中揭露厚度2.00 m，在ZK03中揭露兩層，厚度分別為 2.00 m 和 1.00 m。

③粉細砂:黃—灰黃色，飽和，中密—密實，局部含泥質。該層厚度7.00～8.20 m。

④-1粘土:灰色，可塑—硬塑，分布在左岸，向右岸逐漸尖滅。該層僅在ZK03中揭露，厚度6.9 m。

④-2粉土:灰色，飽和，稍密，ZK03中揭露厚度1.29 ～3.70 m。

⑤粉細砂夾薄層中砂:黃色、灰黃色、灰綠色，飽和，上部中密，局部稍密，中下部密實，局部含泥質。在ZK02、ZK03中見有鈣質結核及礫石層，含量約30%，其中ZK02中揭露厚度0.4 m，ZK03中揭露厚度0.8 m，未揭穿。本層揭露厚度14.45～15.60 m。

根據區域構造穩定性及地震地質資料，工程區是相對穩定區域。場區地震動峰值水平加速度為0.15 g，對應地震基本烈度為Ⅶ度。

橋位區地下水為第四系孔隙潛水。靜止水位埋深約為0 ～2.5 m，相應高程為72.30 ～73.53 m。地下水補給源主要為大氣降水及河水。水質分析成果表明:河水為 HCO3—SO4—Cl—Na—Ca—Mg 型水，pH 值為8.25;地下水為 HCO3—Na—Ca—Mg+型水，pH 值為7.28。

黃河下游橋涵地基土的主要地質問題是地震液化、沉降、滲透變形等［2］。

2 橋基土的地震液化評價

2.1 依據公路行業規范

2.1.1 《公路工程抗震設計規范》(JTJ004—89)

2013年以前，公路工程地震液化評價依據《公路工程抗震設計規范》(JTJ004—89)(1990年1月1日實施)［3］。

(1)液化初判。當地面以下20 m范圍內有飽和砂土或飽和亞砂土時，可根據下列情況初步判定其是否可能液化。

當具備下列條件之一時，飽和砂性土可初判為不液化土，即:①Q3及以前地層，可判為不液化;②基本烈度7、8和9度區，亞砂土的黏粒(粒徑＜0.005 mm)含量百分率(按重量計)分別≥10、13、16時可判為不液化。③基礎埋置深度不超過2 m的天然地基，可根據圖1(規范圖2.2.2)中規定的上覆非液化土厚度du及地下水深度dw，判別土層是否考慮液化影響。

圖1 液化初判圖Fig.1 Initial criterion of liquefaction

經初判，②、③及⑤層不能排除液化可能，需進行復判。

(2)液化復判。經初步判定有可能液化的土層，可通過標準貫入試驗(有成熟經驗時，亦可采用其他方法)，進一步判定土層是否液化。當土層實測的修正標準貫入錘擊數N1小于按式(2)(規范式2.2.3-2)計算的修正液化臨界標準貫入錘擊數N0時，則判為液化，否則為不液化。

式中:Cn為標準貫入錘擊數的修正系數，按表1(規范表 2.2.3-1)采用;N63.5為實測的標準貫入錘擊數;Kh為水平地震系數，按表2(規范表1.0.7)采用;σ0為標準貫入點處土的總上覆壓力(kPa)，σ0=γudw+γd(dsdw);σe為標準貫入點處土的有效上覆壓力(kPa);σe=γudw+(γd－10)(ds－dw);γu為地下水位以上土的容重，砂土 γu=18.0(kPa)，亞砂土 γu=18.5(kPa);γd為地下水位以下土的容重，砂土γd=20.0(kPa)，亞砂土γd=20.0(kPa);ds為標準貫入點深度(m);dw為地下水位深度(m);Cv為地震剪應力隨深度的折減系數，按表3(規范表2.2.3-2)采用;ξ為黏粒含量修正系數，ξ=1 －0.17( Pc)0.5;Pc為黏粒含量百分率(%)。

表1 標準貫入錘擊數的修正系數CnTable 1 Standard blow number correction parameter Cn

表2 水平地震系數KhTable 2 Horizontal earthquake parameter Kh

表3 地震剪應力隨深度的折減系數CvTable 3 Reduce of earthquake shearing strength with depth Cv

復判結果顯示，第⑤層粉細砂3個試驗點中存在一個液化點［4］。

2.1.2 依據《公路工程抗震規范》(JTG B02—2013)

2014年以后，取代《公路工程抗震設計規范》(JTJ004—89)，公路工程地震液化評價依據《公路工程抗震規范》(JTG B02—2013)(2014年 2月 1日實施)［5］。

(1)液化初判。一般地基地面以下15 m，樁基和基礎埋置深度＞5 m的天然地基地面以下20 m范圍內有飽和砂土或飽和粉土(不含黃土)，符合下列條件之一時，可判定為不液化或不需考慮液化影響:①設計基本地震動峰值加速度為 0.10 g(0.15 g)、0.20 g(0.30 g)地區，且Q3及其以前地層;②設計基本地震動峰值加速度為 0.10 g(0.15 g)、0.20 g(0.30 g)和0.40 g的地區，粉土中黏粒(粒徑 ＜0.005 mm)含量分別不小于10%、13%、16%;③上覆非液化土層厚度或地下水埋藏深度符合下列條件之一:

式中:dw為地下水位深度(m)，按設計基準期內年平均最高水位采用，也可按近期年最高水位采用;du為扣除淤泥和淤泥質土層厚度后的上覆非液化土層厚度(m);db為基礎埋置深度(m)，不超過2 m時應采用2 m;d0為液化土特征深度(m)，可按表4(規范表4.3.2)采用。

表4 液化土特征深度d0Table 4 Characteristic depth of liquefied soil d0 單位;m

經初判，②、③及⑤層不能排除液化可能，需進行復判。

(2)液化復判。當不能判別為不液化或不需考慮液化影響，需進一步進行液化判別時，應采用標準貫入試驗進行地面下15 m深度范圍內土的液化判別;采用樁基或基礎埋深＞5 m的基礎時，還應進行地面下15～20 m深度范圍內土的液化判別。當飽和土標準貫入錘擊數(未經桿長修正)小于液化判別標準貫入錘擊數臨界值Ncr時，應判為液化土。有成熟經驗時，也可采用其他判別方法。液化判別標準貫入錘擊數臨界值的計算，應符合下列規定。

①在地面下15 m深度范圍內，液化判別標準貫入錘擊數臨界值可按下式計算:

②在地面下15～20 m深度范圍內，液化判別標準貫入錘擊數臨界值可按下式計算:

式中:Ncr為修正的液化判別標準貫入錘擊數臨界值;N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值，應按表5(規范表 4.3.3)采用;ds為飽和土標準貫入點深度(m);ρc為黏粒含量百分率(%)，當＜3或為砂土時，應采用3。

工程區地震動峰值加速度為0.15 g，特征周期為0.40 s，查表 N0取 10。

表5 液化判別標準貫入錘擊數基準值N0Table 5 Assessment standard blow number of liquefaction N0

復判結果顯示，第⑤層粉細砂3個試驗點都為液化點。

(3)液化指數。經計算，鉆孔ZK01液化指數為0.4，ZK02 和 ZK03 液化指數皆為 0.0，說明液化等級為輕微。

2.2 依據《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)

《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2001)［6］判別方法與《公路工程抗震規范》(JTG B02—2013)同。本節重點介紹《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)［7］判別方法。

(1)液化初判。飽和砂土或粉土(不含黃土)，符合下列條件之一時，可判定為不液化或可不考慮液化影響:①Q3及其以前地層7、8度時，可判為不液化;②粉土的黏粒(粒徑＜0.005 mm，采用六偏磷酸鈉作為分散劑測定)含量百分率，對應7、8和9度分別≥10、13和16時，可判為不液化;③淺埋天然地基，上覆非液化土層厚度或地下水埋藏深度符合下列條件之一:

式中:dw為地下水位深度(m)，按設計基準期內年平均最高水位采用，也可按近期年最高水位采用;du為扣除淤泥和淤泥質土層厚度后的上覆非液化土層厚度(m);db為基礎埋置深度(m)，不超過2 m時應采用2 m;d0為液化土特征深度(m)，可按表6(規范表4.3.2)采用。

表6 液化土特征深度d0Table 6 Characteristic depth of liquefied soil d0

經初判，②、③及⑤層不能排除液化可能，需進行復判。

(2)液化復判。當飽和砂土、粉土初步判別認為需進一步進行液化判別時，應采用標準貫入試驗判別法判別地面下20 m深度范圍內土的液化判別;但對本規范第4.2.1條規定可不進行天然地基及基礎的承載力驗算的各類建筑，可只判別地面下20 m深度范圍內的液化。當飽和土標準貫入錘擊數(未經桿長修正)小于或等于液化判別標準貫入錘擊數臨界值時，應判為液化土。當有成熟經驗時，尚可采用其他判別方法。

在地面下20 m深度范圍內，液化判別標準貫入錘擊數臨界值可按下式計算:

式中:Ncr為修正的液化判別標準貫入錘擊數臨界值;N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值，應按表7(規范表 4.3.4)采用;ds為飽和土標準貫入點深度(m);ρc為黏粒含量百分率(%)，當＜3或為砂土時，應采用3;β為調整系數，設計地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取 1.05。

表7 液化判別標準貫入錘擊數基準值N0Table 7 Assessment standard blow number of liquefaction N0

工程區地震動峰值加速度為0.15 g，查表 N0取10;工程區為設計地震第二組，β取0.95。

復判結果顯示，第⑤層粉細砂存在液化點。

(3)液化指數。經計算，ZK01液化指數為0.4，ZK02和ZK03液化指數皆為0.0，說明液化等級為輕微。

3 各規范評價方法對比

3.1 公路工程新舊抗震規范對比

公路工程新抗震規范液化判別較舊規范改動差別較大。

(1)評價范圍(深度)。舊抗震規范規定20 m;新抗震規范規定，一般地基地面以下15 m，樁基和基礎埋置深度＞5 m的天然地基地面以下20 m范圍。

(2)液化初判。新舊抗震規范都把判定為不液化或可不考慮液化條件分為3個，第①、②項條件相同，第③項條件變化較大。

舊規范中，第③項條件考慮基礎的埋深不超過2 m情況下上覆非液化土厚度du及地下水深度dw;新規范中，考慮上覆非液化土厚度du及地下水深度dw外，還引入液化土特征深度概念，但沒有考慮基礎埋深即淺埋條件。

(3)液化復判。首先，舊規范中，標準貫入錘擊數需要修正，新規范不作修正;第二，臨界標準貫入錘擊數的計算涉及水平地震系數、上覆壓力等，其中水平地震系數用地震剪應力隨深度變化系數修正，最后又用黏粒含量修正系數修正。總之，舊規范判別公式較新規范復雜。

另外，與《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2001)對應，新規范采用地震動參數代替烈度;土的名稱，與新土工試驗規程對應，亞砂土改為粉土。

3.2 建筑工程新舊抗震規范對比

建筑工程新舊抗震規范液化判別主要變化是液化復判公式，表現在舊規范用折線表示液化臨界錘擊數隨深度的變化，新規范用對數曲線表示。

3.3 公路工程抗震規范與建筑工程抗震規范對比

(1)評價方法上，從前述分析可知，公路工程抗震規范與建筑工程抗震規范之間的差異主要有3點:①建筑工程新舊抗震規范的差異，即前者用折線表示液化臨界錘擊數隨深度的變化，后者則用對數曲線表示;②確定液化判別標準貫入錘擊數基準值時，前者還考慮了區劃圖上的特征周期;③前者不再用烈度概念，而是與《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2001)對應，新規范采用地震動參數代替烈度;而后者除在確定液化判別標準貫入錘擊數基準值時采用了地震動加速度概念，其他敘述時仍沿用了烈度概念。

表8 液化判別對比表Table 8 Assessment liquefaction comparisons

(2)評價結果上，有2點相同:①液化初判結果相同。本工程僅局限在一個小區域內，代表性不強，若改變上覆非液化土厚度du及地下水深度dw，如令du=6.5、dw=5.5，其他條件不變，舊的公路工程抗震規范則初判為可能液化，而新公路規范和建筑規范則初判為不需考慮液化影響。②液化復判結果顯示，舊的公路規范僅判別有1個液化點，舊的建筑規范及新公路規范相同，判別有8個液化點，新建筑規范判別有7個液化點，兩新規范復判結果相近。液化判別對比見表8。

4 結語

(1)橋址地處河流沖積平原，地貌單一，場地平坦開闊。地基土巖性以粉土、粉質黏土、砂層為主。場區地震動峰值水平加速度為0.15 g，地震基本烈度為Ⅶ度，是相對穩定區域。

(2)通過新舊公路工程抗震規范之間的對比發現，兩規范之間在地震液化評價方法及評價結果上都存在較大的差異;評價結果顯示，新的公路工程抗震規范評價的可能液化點明顯多于舊規范，即新規范評價結果偏于安全。新的公路工程抗震規范與建筑抗震設計規范之間的差異則較小。

［1］ 李金都.黃河下游涵閘的主要工程地質問題［J］.人民黃河，2001，23(9):12－13.

［2］ 馬國彥，王喜彥.黃河下游河道工程地質分析及淤積物物源分析［M］.鄭州:黃河水利出版社，1997.

［3］ JTG B02—98，公路工程抗震規范［S］.

［4］ 新鄉市封丘縣陳橋農場移民新址大功橋橋位工程地質勘察報告［R］.鄭州:黃河勘測規劃設計有限公司，2009.

［5］ JTG B02—2013，公路工程抗震規范［S］.

［6］ GB 50011—2001，建筑抗震設計規范［S］.

［7］ GB 50011—2010，建筑抗震設計規范［S］.