天津濱海吹填場地震陷評價方法及應用研究

劉　芳，陳宇坤，何　穎，呂麗君，高武平，付占嶺

(1.天津市地震局，天津 300201；2.天津城建大學，天津 300384)

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天津濱海吹填場地震陷評價方法及應用研究

劉芳1，陳宇坤1，何穎2，呂麗君2，高武平1，付占嶺1

(1.天津市地震局，天津 300201；2.天津城建大學，天津 300384)

摘要:震陷是導致地基失效的主要震害形式之一，選取天津濱海三個典型吹填場地，開展循環荷載下吹填土震陷特性研究，建立吹填軟土震陷量計算模型；依據分層總和法提出了吹填場地震陷評價方法，并給出震陷等級劃分標準，進行了吹填場地軟土震陷評價方法研究。利用提出的評價方法，對天津濱海吹填場地進行了50年超越概率10%和2%地震影響下的震陷評價和分區。研究結果可為場地地基處理、土地規劃和防災減災對策提供依據。

關鍵詞:濱海軟土，吹填土，震陷評價。

圍海造陸是當今沿海國家及城市開發獲取土地資源的重要措施，“天津濱海新區”被納入國家總體戰略后，加大了通過圍海吹填造陸獲取土地資源的力度，2010年累計填海面積312.78 km2，到2020年，濱海新區的總填海面積為425.94 km2。天津濱海吹填造陸的吹填物質有別于我國其他沿海地區吹填土，該土具有壓縮性強、含水量大、顆粒細、靈敏度高、強度低等特性，屬典型軟土，在地震作用下極易引發地基失效，從而對工程建構筑物產生十分不利的影響[1]。

1978 年唐山7.8級地震期間，天津沿海地區普遍出現了嚴重的震陷現象，很多場地產生了10～30 cm的震陷[2-3]，有些甚至造成了建構筑物的傾覆和倒塌。天津濱海地區吹填土為新近人工填土，較塘沽地區的軟土更易發生震陷破壞，在本地區Ⅶ～Ⅷ度地震烈度作用下，存在發生較嚴重震陷的條件和可能，因此需要對吹填場地震陷給予合理判別，給出震陷量及震陷危害程度，為場地地基處理、土地利用提供依據。地震作用和震陷機理的復雜性、影響因素的多樣性使得土體震陷研究起始較晚，國內外及現有相關規范對于軟土震陷的成因、影響因素和評判方法只給出了定性的、概略性的說明與判定，對于震陷量計算，震陷分級評價均未加以確切規定[4-5]，因此以典型的天津濱海吹填土為研究對象，通過實驗研究軟土震陷特性及判別方法，這對于探索解決上述問題具有重要的實踐意義。

本文在對天津濱海吹填土進行循環荷載下動應變實驗研究基礎上，提出吹填土震陷值計算公式，給出了吹填場地震陷的判別方法及評價標準，繪制出天津濱海吹填區域震陷分區圖，為天津吹填造陸地區國土資源利用、土地規劃、重大工程建設和綜合防災提供科學依據。

1吹填土震陷特性實驗

1.1　震陷實驗簡介

實驗采用美國GCTS公司的空心圓柱扭剪儀，儀器采用先進的伺服加載系統實現力和位移的靜態和動態加載。軸向加載可達到50 kN，圍壓可達到2 MPa，反壓可達到2 MPa，軸向位移最大至100 mm，徑向位移最大至75 mm，頻率最大為20 Hz。

實驗采用的試樣取自天津濱海旅游區、南港工業區和臨港工業區三個圍海造陸場地的吹填土，其取土深度在1~5 m之間，其基本物理力學參數如表1所示。

表1　土樣基本物理力學指標

表2　吹填土震陷實驗方案

震陷(殘余應變)的定義是指動荷載卸除土體產生的不可恢復的變形量，在動三軸實驗中則表現為動應力作用前后試件的高度差與動應力作用前試件高度之比，亦即動應力卸除后土試件的不可恢復應變，定義為殘余應變[6]。本實驗近似取σd=0時對應的應變為殘余應變εd。

在地震荷載下飽和軟粘土幾乎不排水，因此實驗采用固結不排水剪切實驗模擬，具體實驗方案如表2所示。

1.2　實驗結果及分析

通過天津濱海吹填土震陷實驗研究，分別探討了圍壓、動應力比、振動頻率、靜偏應力對原狀土動應變的影響。實驗結果分別示于圖1～圖3。

(1)圖1為不同循環應力比的土樣殘余應變曲線圖，圖1(a)、圖1 (b)、圖1 (c)分別表示50 kPa、75 kPa和100 kPa的圍壓條件。圖1中顯示，殘余應變隨振動次數的增加而逐漸增大，動應力越大，土樣所發生的殘余應變就越大，土體圍壓增大動變形減小。相同固結條件和圍壓作用下，存在一個臨界循環動應力比，當動應力比大于或等于臨界循環動應力值時，土體動應變迅速增加達到破壞狀態[9]。根據實驗可得，吹填土的臨界循環動應力比在0.17左右。當動應力比小于臨界動應力比時，吹填土動變形屬于穩定型發展，試樣不會達到破壞狀態；當大于臨界循環應力比時，動變形屬于破壞型，變形在較小的振次下急劇增加。通過臨界循環應力比可估算出產生震陷的最小地震加速度值，臨界循環應力比0.17對應的最大地震加速度值約為0.13 g。當地震峰值加速度小于0.13 g時，可不考慮震陷影響，以此作為震陷初步判別的條件。

圖1　不同循環應力比的殘余應變曲線

(2)圖2為不同振動頻率作用下試樣的殘余應變曲線圖。圖2中顯示，隨著頻率的增加，相同振次下土樣的殘余變形逐漸減小。當頻率為0.2 Hz時應變增長很快，在很小的振次下就會破壞。當頻率大于0.5 Hz時在初始階段應變增長較快，之后出現轉折點，應變繼續增加，但是增加的幅度變緩。當振動頻率為5 Hz時，應變曲線振動初期，變形增長比較快，但很快就趨于穩定。這說明頻率越小，土樣變形增大越快。由此可以推斷，當天津濱海吹填場地遭遇地震時，長周期地震波比短周期的地震波更易造成震陷。

圖2　不同頻率的殘余應變曲線

(3)圖3為不同靜偏應力作用下的殘余應變曲線圖。由圖3可知，在靜偏應力作用下吹填土的殘余應變的發展速率比靜偏應力為零時快。隨著靜偏應力的增加，殘余應變逐漸增大，變化速率加快，而且殘余應變達到應變穩定的時間變長。這表明地震荷載的不規則性促使了殘余應變加速累積，應考慮地震荷載不規則性對震陷的影響。

圖3　不同偏應力下的殘余應變曲線

2吹填土震陷公式建立

對實驗數據進行整理，在一系列不同條件下的εd-N曲線中，取同一圍壓、固結比和頻率條件下不同εd下的σd-N曲線，從上找出應變為1%、2%、3%、4%、5%的點，可以發現當應變選定時，將點繪制在橫坐標為振次N，縱坐標為循環應力比σd/2σ3的雙對數坐標時呈直線狀。一系列應變值在雙對數坐標上接近平行的直線簇。

直線方程可表示為:

(1)

式中：S1是直線簇的斜率，C1是N等于10次產生某一εd值時的動應力σd值。

以C1/σ3作為縱坐標，εd作為橫坐標，繪制C1/σ3-εd曲線，在雙對數坐標上是一簇直線，直線方程表示為：

C1=C2εdS2。

(2)

把式(1)、式(2)合并得到估算殘余應變εd的經驗表達式如下：

(3)

式中：C2、S1和S2是土壤的震陷參數，由實驗確定。

按式(3)計算得到初始應變較大，不符合實際。應變曲線在雙對數坐標系中，以N=10為界呈現為折線，因此擬合直線分為兩段，N>10時為公式(3)，N<10時為以(1，ε1)和(10，ε10)兩點所確定的直線。ε1可取平均初始應變，本文中依據實驗數據取為0.006%；ε10為循環振動次數N=10對應的土體應變。

由實驗數據采用上述處理方法可分別得到天津濱海新區吹填土三個場地土的震陷參數，見表3。

表3　吹填場地震陷實驗參數

為了便于估算天津濱海新區吹填土在不同地震烈度下場地的震陷量，用上述三個不同場地的震陷公式求取不同地震烈度下的殘余應變曲線，進行平均處理，最終建立天津吹填場地的綜合震陷公式。

(4)

3吹填場地震陷評價方法

由震陷公式(4)可知，只需確定各土層的循環應力比σd/2σ3和等效循環振次N即可求得各土層動應變εdi。本文引入Seed和Idriss[7]估算地震剪應力和等效循環振次的方法確定上述參數。利用分層總和法將各土層震陷值累計求和，結果即為吹填場地的震陷量，具體步驟如下所示。

(1)根據工程勘察資料確定各軟土層的分布，設hi為第i分層厚度，分層總數為n。

(2)確定各土層循環應力比Rf，首先需要確定地震引起的剪應力τd。當地面最大加速度為αmax時，土柱底部單元所受的最大地震剪應力可用下式計算[7]：

(5)

其中γdi按下式確定[10]：

γdi=1.0-0.00765z，(z≤9.15m) ；

(6)

γdi=1.174-0.267z，(9.15

(7)

(8)

σ3為固結應力，表示為：

σ3=γ′h

(9)

將式(5)和式(9)代入式(8)中，得到循環應力比Rf計算公式：

(10)

(3)確定等效循環次數N。seed根據強震記錄的計算得出了不同震級對應的等效循環次數[7]，見表4。

表4　不同地震震級 對應的等效循環次數

根據我國1900年以來的152次地震資料，求得震級與烈度關系公式[11]：

M=0.66I0+0.98。

(11)

從中可以得到地震動峰值為0.10g(7度)、0.15g(7.5度)、0.20g(8度)、0.30g(8.5度)和0.40g(9度)時對應的等效振次分別為5、5、8、10和12。

(4)由式(4)求出各土層應變值εdi，利用公式：

(12)

求得吹填場地總震陷量S。

(5)依據震陷量大小提出吹填軟土震陷等級劃分標準。目前有關抗震規范還沒有建立完備的震陷評價體系，本文結合吹填軟土動力特性及規范[4-5]的相關規定，提出了吹填軟土震陷等級劃分標準，見表5。

表5　天津濱海吹填軟土震陷等級劃分標準

4天津濱海吹填場地震陷分區

天津濱海吹填區域廣泛分布著軟土層，主要以吹填土、淤泥質粉質粘土和淤泥質粘土組成，厚度在8～15 m之間[12]，本文利用上述震陷量計算方法及評判標準對天津濱海吹填場地進行震陷評價，評價范圍北至天津濱海旅游區，南至南港工業區的吹填區域。

依據地震危險性分析結果，評價區域按50年超越概率10%的地震峰值加速度值可分為0.1g、0.15 g和0.2 g三個區，按50年超越概率2%的地震峰值加速度值可分為0.2 g、0.3 g和0.4 g三個區。分別對10%(中震)和2%(大震)兩種概率水平下的震陷量進行計算。

結果顯示，中震影響下的震陷值在0.36～7.26 cm之間，其中0.1 g、0.15 g、0.2 g區域內震陷值分別在0.36～0.69 cm，0.96～1.7 cm，4.2～7.26 cm之間，依據表5全區可劃分為輕微震陷區和不震陷區，濱海旅游區北部為輕微破壞區，其余地區為不震陷區，見圖4(a)。

圖4　不同超越概率震陷分區圖

大震影響下的震陷值在4.2～81.7 cm之間，其中0.2 g、0.3 g、0.4 g區域內震陷值分別在4.2～7.26 cm，21.1～38.2 cm，46.9～81.7 cm之間，依據表5可劃分為輕微震陷區、嚴重震陷區和破壞區，破壞區分布在臨港工業區南部、臨港產業區及濱海旅游區北部，南港工業區為輕微震陷區，其余地區為嚴重破壞區，見圖4(b)。

據唐山地震現場調查資料，1976年唐山地震時自然地面的震陷值約為8 cm，在塘沽北塘糖果食品倉庫，震后發現原與地面相平的樁頭露出地表約12 cm[3]。上述地區在1976年唐山地震時烈度為Ⅷ度，與本文地震峰值加速度0.2 g時的震陷值吻合，證明本文提出的震陷評價方法是合理的。

5結論

通過一系列天津濱海吹填土循環荷載下的震陷實驗，得到殘余應變隨動應力比、振動頻率及靜偏應力的變化規律，并推導出震陷計算公式。提出吹填場地震陷的判別方法和等級劃分標準，對吹填場地進行了震陷區劃，主要結論如下所示。

(1)震陷實驗表明，殘余應變隨振動次數的增加而逐漸增大，動應力越大，土樣所發生的殘余應變就越大，土體圍壓增大動應變越小。隨著頻率的增加，相同振次下土樣的殘余變形逐漸減小。隨著靜偏應力的增加，殘余應變也逐漸增大。

(2)利用三個典型吹填場地實驗結果，建立吹填場地震陷公式。

(3)依據分層總和法的思路，計算出吹填場地總的震陷量，根據吹填軟土震陷等級劃分標準，對吹填場地震陷程度進行評價。

(4)對天津吹填場地進行震陷評價和分區，分區結果顯示在50年超越概率10%地震影響時濱海旅游區北部為輕微破壞區，其余地區為不震陷區；在50年超越概率2%地震影響時，破壞區分布在臨港工業區南部、臨港產業區及濱海旅游區北部，南港工業區為輕微震陷區，其余地區為嚴重破壞區。

(5)本文提出的評價方法參數確定簡單方便快捷，操作性強。給出的濱海吹填造陸地區震陷分區結果，可為天津近海域和吹填造陸地區的土地規劃、產業布局和綜合防災提供科學依據。

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Evaluation Method and Application of Seismic Settlement on Dredger Fill Ground in Tianjin Binhai Area

Liu Fang1, Chen Yukun1, He Ying2, Lv Lijun2, Gao Wuping1and Fu Zhanling1

(1.EarthquakeAdministrationofTianjinMunicipality,Tianjin300201,China;

2.TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China)

Abstract:Seismic settlement is one of the earthquake damage forms of foundation failure. Based on three sites in Tianjin Binhai area, we built a seismic settlement computation model of dredger fill ground and did a research on seismic settlement of dredger fill under cyclic loading. An evaluation method of seismic settlement in dredger fill ground is established based on layer summation method and the division standard of seismic settlement grade also proposed, and we also studied the evaluation method of seismic settlement in soft soil site. According to the method, we obtained the seismic settlement of dredger fill ground in Tianjin Binhai area under the earthquake intensity with a 10% and 2% exceeding probability in the future 50 years. The results can be used as a reference in foundation treatment, land planning and earthquake disaster reduction.

Key words:Binhai area soft soil; dredger fill; evaluation of seismic settlement

作者簡介：劉芳(1974-)，女，天津人，高級工程師，主要從事地震災害防御工作.E-mail：jiliufang@qq.com

基金項目：地震科技星火計劃項目(XH13002)

收稿日期：2015-07-08修回日期：2015-09-06

中圖分類號：X43

文獻標志碼：A

文章編號：1000-811X(2016)01-0045-05

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.010