遼寧省某海相地區(qū)軟土震陷量計算與分區(qū)

張 穎

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

1 軟土震陷計算原理

常見的震陷預估方法主要有簡化分層總和法、軟化模量法、有效應力法等。本文采用吹填土震陷簡化計算方法基于軟化模型概念及土力學中的分層總和法。

軟化模型是土動力學家提出的一個重要概念：土在動力作用下會產(chǎn)生一系列物理力學效應，如強度降低、變軟、模量降低、發(fā)生變形，這一現(xiàn)象就是震陷。

軟化模量是計算軟土震陷的一個重要指標，分層總和法對軟土震陷進行計算，可以通過震動前土的模量和震動過程中土的割線模量求得軟化模量Eip，即：

式中 Ei為震動前土的模量；Ep為與震動作用相應的擬割線模量為動應力；εp為殘余變形）。

計算εp過程中，其關系式為：

其中，S1，S2，S3，C3均為無量綱試驗常數(shù)， 其取值可根據(jù)楊英華等人對廈門軟土的研究成果得出的廈門地區(qū)淤泥土的試驗近似取值。

為了研究軟土震陷過程中變形量的非線性，本文采用工程實踐中常用的鄧肯—張模型，其中，震前土的模量Ei采用鄧肯參數(shù)。而計算震后模量時，采用理論較為成熟的震陷經(jīng)驗公式。

取粉土（密）為干重度大于等于16kN/m3的粉土；粉土（松）為土的干重度小于16kN/m3的粉土。

對于砂土，其密實狀態(tài)可按式（3）估計：

式中 Dr為相對密度；σv為有效上覆壓力（kPa）。

采用以靜力計算代替動力計算的思路，通過帶入震前模量Ei和震后Eip模量，利用分層總和法進行兩次簡單的靜力變形計算，得到震動前后的變形值，兩者的差值即為擬判定軟土層的震陷值，最后將各土層計算的震陷值累加，最終結果即為該場地軟土層在動力作用下的震陷量。

2 震陷簡化計算方法

文中采用的震陷簡化計算方法，其基本計算步驟簡述如下。

動力作用下建筑物或構筑物產(chǎn)生的震陷值可以簡化為結構和土共同作用產(chǎn)生的震陷與土在天然應力狀態(tài)下所產(chǎn)生震陷的差值，即：

式中 hj為建筑物作用下土的震陷值；hjt為建筑物動力作用下產(chǎn)生的震陷值；ht為土在天然應力狀態(tài)下產(chǎn)生的震陷值。

建筑物或構筑物在動力作用下對土層產(chǎn)生的震陷值計算如式（4b）：

式中 σz為土層附加應力；Eip為基礎下第i層土震后土的模量；Ei為基礎下第i層土震前土的模量；Δhi為基礎下第i層土的厚度；n為土層總數(shù)。

與hjt的計算類似，采用式（1）計算Eip值，同樣可以計算出土在天然應力狀態(tài)下產(chǎn)生的震陷值ht。

地震荷載作用下引起的土中剪應力的計算簡述如下。

天然土層在地震力作用下因土體慣性力而引起的剪應力可按Seed簡化公式計算，即：

其中：

式中 αmax為地面運動最大加速度，對烈度Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ可分別取0.125，0.25，0.4g（地震烈度按Ⅶ、Ⅷ考慮）；γd為影響系數(shù)；g為重力加速度；γi為土的天然重度，地下水位以下取有效重度；Δhi為第i層土厚度；hz為地面以下至深度z的距離。

根據(jù)GB50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》基礎底部水平剪力計算如式（7）：

式中 a1為相應于結構基本自振周期上的地震影響系數(shù)值，可按規(guī)范確定；Geq為結構等效總重力荷載，單質(zhì)點取代表值，多質(zhì)點取代表值的85%。

由于水平地震剪應力τd及動應力σd不能簡單地疊加，經(jīng)過反復試算，采用式（8）～式（9）效果較好。即：

在計算出土的靜應力狀態(tài)后， 可計算τt，τj及σd，并計算分層土的殘余應變εp，由此可確定震前、震后模量，由震前、震后模量即可計算出應變及變形，兩者之差即為結構和土共同作用下土的震陷值。

關于計算深度，研究結果表明，震陷作用對在基礎下10m范圍內(nèi)的土層作用明顯。而在15m以下時，條基和筏基的震陷量都顯著減小。

3 遼寧省某地吹填土震陷量計算

吹填土區(qū)域主要集中在盤錦沿海地區(qū)，選取沿海地區(qū)11個點。用簡化震陷計算方法計算吹填土的震陷量。

以下為宏佳旅館震陷量計算 （此區(qū)域基底附加應力統(tǒng)一為87.5kPa）

通過現(xiàn)場勘察，獲取該工點的物理力學參數(shù)如表1。

表1 物理力學參數(shù)

由式（6）計算影響系數(shù)γd，吹填土為頂層單層，即

由式（5）計算天然土體慣性力引起的水平地震剪應力τt和基地剪應力引起的水平地震剪應力τj。即：

求得水平地震剪切力：

動應力σd=2τd=2×27.909=55.818kPa

由關系式（2）參與變形εp=0.0000819。

由式（1）得到與震動作用相應的擬割線模量Ep=681.538MPa。

再由式（1）計算得到軟化后的模量Eip=2.660。

相似于式（4b）求hjt的方法，求得ht=0.0153m。

用上述方法求得所有工點的震陷值，如表2。

表2 填土震陷量

4 遼寧省某地吹填土震陷評價

4.1 Ⅰ級區(qū)在7級地震下，震陷量小于10mm

該區(qū)域為中央屯村衛(wèi)生所、和睦村等吹填土內(nèi)邊緣地區(qū)；在該區(qū)域內(nèi)進行建筑時，有條件地進行簡單的抗震處理即可。

4.2 Ⅱ級區(qū)在7級地震下，震陷量大于10mm小于30mm

遼寧省某地吹填土區(qū)域Ⅱ級區(qū)的劃分為：船舶基地消防總站、盤錦瑞德化工、大學城、盤錦職業(yè)技術學院圖書館、宏佳旅館、遼河石油勘探局設備制造總廠、遼濱海洋石油裝備基地等吹填土中間區(qū)域與河流邊緣區(qū)域；該區(qū)域內(nèi)在建造高層建筑時候需要做抗震處理。

4.3 Ⅲ級區(qū)在7級地震下，預計震陷量將有可能超過30mm

該級區(qū)域主要分布在海濱防堤、大連理工大學盤錦校區(qū)等吹填土邊緣區(qū)域，受海水影響較大，所以在進行工程建設時要進行較好的抗震陷處理。

5 結語

采用軟土震陷領域中的軟化模型理論，在研究環(huán)渤海地區(qū)吹填土震陷計算、分區(qū)的工程實例的基礎上，選取遼寧省某地的吹填土靶區(qū)，對該靶區(qū)內(nèi)的11個工點軟土場地的震陷量進行了計算并分區(qū)，分區(qū)計算結果與危險性分區(qū)吻合良好，驗證了本計算方法的正確性、合理性及實用性。

［1］GB50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范［S］.

［2］石兆吉，郁壽松，翁鹿年.塘沽新港地區(qū)震陷計算分析［J］.土木工程學報，1988，21（4）：24-34.

［3］黃芮，張延軍，李洪巖，等.遼河三角洲相沉積軟土動力特性試驗［J］.吉林大學學報（地球科學版），2010，40（5）：213-217.

［4］謝定義.土動力學［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［5］楊英華.廈門淤泥土震陷估算研究［J］.福建地震，1990（2）.