孟加拉達舍爾甘地污水處理廠地基砂土液化分析

(中國電建集團 成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

隨著“一帶一路”倡議的不斷推進和深入，恒河流域的孟加拉國已成為我國重要的貿(mào)易伙伴，主要體現(xiàn)在鐵路、公路建設(shè)，水利水電開發(fā)及市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面。孟加拉國所在的恒河三角洲，沉積環(huán)境獨特，沉積旋回多變，沉積相變復(fù)雜，三角洲平原上廣泛分布著超深厚的沖積成因土層，主要為淤泥、黏土、粉細砂及細砂等軟弱土層。在深厚覆蓋層地區(qū)尤其是軟土地區(qū)開展工程建設(shè)，不可避免地要遇到軟土的低強度、高壓縮性、低承載力、觸變性、蠕變性及軟土震陷等工程地質(zhì)問題。

砂土液化是指飽和的砂土(特別是粉細砂)受振動后，其結(jié)構(gòu)和性狀發(fā)生嚴重變化而發(fā)生流動變形，以致抗剪強度和承載力嚴重下降，甚至完全喪失的現(xiàn)象，或在此過程中所引發(fā)的災(zāi)害，它是地基土失穩(wěn)的主要災(zāi)害之一。

本文以孟加拉國普遍采用的美國標準、歐洲標準為基準，并以中國建筑規(guī)范為參考，對恒河三角洲孟加拉國達舍爾甘地污水處理廠工程區(qū)軟土砂土液化情況進行分析，以期掌握地基土的性狀并選擇合理的加固處理手段，為我國開拓恒河地區(qū)國際市場打下堅實基礎(chǔ)。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 區(qū)域地震情況

孟加拉國東部和北部外圍有兩個地震高活動性地區(qū)，分別在緬甸和印度，結(jié)構(gòu)構(gòu)造也表明其活動性高。因此，該國的最北端和最東端受到這些地震帶的影響，但工程區(qū)遠離這些區(qū)域。

基于孟加拉國家建筑規(guī)范(BNBC 2015)，根據(jù)地面運動水平的不同，將孟加拉國分作4個地震區(qū)，其50 a超越概率2%的最大地震系數(shù)為 0.20，即最大地震動峰值加速度(PGA)為 0.2g。根據(jù)相關(guān)文獻分析資料，并類比美國規(guī)范UBC 1997(Uniform Building Code 1997)和IBC 2012(International Building Code 2012)，對同一地區(qū)不同超越概率下地震動峰值加速度的取值，經(jīng)過下列經(jīng)驗公式換算后，工程區(qū)50 a超越概率10%的地震動峰值加速度可近似為 0.1g。

A=10Llog2-0.107 2

(1)

式中，A為地震地面加速度，cm/s2；L為地震烈度。

1.2 工程地質(zhì)特征

達舍爾甘地污水處理廠是目前南亞擬建最大的污水處理廠，位于孟加拉國首都達卡市市郊Dasherkandi區(qū)。該項目由場外污水提升泵站(6 m3/s)、長約 4.8 km的輸水管線和污水處理廠(日均流量50萬t，日峰值流量60萬t)3個部分組成。

工程區(qū)被第四紀河流沉積物覆蓋，覆蓋層厚度較大，成因類型主要為人工填土(Q4ml)和沖積物(Q4al)。參考相關(guān)地質(zhì)資料，新生代地層厚超過200 m，覆蓋層由粘土和細砂交錯構(gòu)成。根據(jù)現(xiàn)場勘查和區(qū)域地質(zhì)資料，工程區(qū)土層主要分為4層。孟加拉處于亞熱帶地區(qū)，且海拔較低、地勢平緩，雨季時地下水位較高。為避免地面雨季時被水淹沒，在建筑物區(qū)，都會人工吹填一層粉細砂層。現(xiàn)將其巖性特征自上而下描述如下[1-2]：

(1)吹填粉細砂層。該層系人工填土，但已固結(jié)10 a以上，棕黃色，結(jié)構(gòu)松散，標準貫入試驗錘擊數(shù)一般為2～4擊，厚4～7 m不等，主要分布在建筑物區(qū)域。

(2)軟粘土層。灰黑-灰色，呈軟塑狀態(tài)，主要分布在淺表層，一般厚4～8 m，在低洼和沼澤地區(qū)厚度較大。標準貫入試驗錘擊數(shù)一般為2～4擊。該層具有天然含水量較大、含有機質(zhì)、孔隙比大、高液限、高壓縮性、滲透性差以及承載力低等特點。

(3)粉細砂層。黃褐色，中等密實，局部夾粉質(zhì)粘土，一般厚5～12 m，標準貫入試驗錘擊數(shù)一般為15～30擊。該層在工程區(qū)分布不連續(xù)。

(4)粉質(zhì)粘土層。灰色-淺棕色，呈可塑-硬塑狀態(tài)，具中等壓縮性，一般分布在10 m深度以下，厚度變化較大，局部夾粉細砂層。標準貫入試驗錘擊數(shù)一般為15～30擊。該層在工程區(qū)廣泛分布。

1.3 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水類型主要為第四系松散層上層滯水、孔隙潛水和承壓水。上層滯水主要賦存于淺表粘土夾粉細砂層中，受地表水及大氣降水補給，動態(tài)變化較大，埋深一般2～4 m，而在目前待建場區(qū)范圍內(nèi)，雨季時場地基本被水淹沒。

2 國內(nèi)外砂土液化判別對比方法

2.1 歐洲規(guī)范《抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計》方法[3]

采用《歐洲規(guī)范8：抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計——第五部分：基礎(chǔ)、擋土墻結(jié)構(gòu)和巖土工程》(BS EN 1998-5)中的液化判別方法，分為例外條件和一般情況。

2.1.1 例外條件

(1)對于淺基礎(chǔ)上的建筑物,如果自地表以下大于15 m的深度內(nèi)發(fā)現(xiàn)有飽和砂土， 無需液化判別。

(2)當αS<0.15，并且至少滿足下列條件中的一個時，也可無需液化判別：①黏土含量超過20%且塑性指數(shù)PI>10的砂土；②淤泥含量超過35%，且覆蓋層效應(yīng)和能量比標準化的標準貫入錘擊數(shù)N1(60)>20的砂土；③N1(60)>30的純凈砂土。

2.1.2 一般情況

歐洲規(guī)范BS EN 1998-5中附錄B給出了平坦地面條件下，有關(guān)凈砂和粉土質(zhì)砂液化經(jīng)驗公式和圖表。當深度小于20 m時，可以按以下公式確定地震剪應(yīng)力τe：

τe=0.65αSσvo

(2)

式中，α為50 a超越概率10%的地震加速度，m/s2；S為根據(jù)場地類型取值，參考表1～3；σvo為上覆土總壓力，kPa。

圖1 對于面波震級(MS) 7.5地震引起液化的應(yīng)力比值與凈砂/粉土質(zhì)砂N1(60)值之間的關(guān)系為有效上覆土壓力，kPa)

當面波震級不等于7.5時，圖1所示曲線的縱坐標應(yīng)乘以表1給出的修正系數(shù)CM。

表1 系數(shù)CM值

表2 場地類型劃分[4]

2.2 美國NCEER方法[5]

美國國家地震工程研究中心(NCEER)的判別法是由美國學者提出的判別砂性土地震液化的簡化方法，該方法將飽和砂土的抗液化強度(CRR)與地震引起的等效循環(huán)應(yīng)力比(CSR)的比值定義為飽和砂土的抗液化安全系數(shù)Fs，若Fs>1.0可判別為不液化土層，F(xiàn)s<1.0則判別為可液化土層。

(3)

(4)

式中，z為砂土埋深，m。

(5)

式中，N1為標準貫入試驗錘擊數(shù)修正值，見公式(7)。

為考慮細粒含量對抗液化強度的影響，將含細粒砂土的N1值修正為等效純砂土N1,CS，修正公式為

N1,CS=α+βN1

(6)

式中，α，β為考慮細粒含量FC影響的修正系數(shù)，按下述規(guī)定確定: 當FC≤5%時,α=0，β=1.0；當5% ≤FC≤35% 時，α=exp(1.76-190/FC2)，β=0.99+FC1.5/1 000 ; 當FC≥35%時，α=5.0，β=1.2。

修正標準貫入錘擊數(shù)與實測標準貫入錘擊數(shù)N的換算關(guān)系如下：

N1=CNN

(7)

(8)

式中，Pa≈100 kPa；建議取CN的最大值為1.7。

2.3 中國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》方法[6]

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)中，將對砂土的液化影響分為初判和復(fù)判條件，若初判認為無液化，則不再進行復(fù)判。

2.3.1 初判條件

當上覆非液化土層厚度和地下水位深度符合公式(9)～(11)中條件之一時，可不考慮液化影響。

du>d0+db-2

(9)

dw>d0+db-3

(10)

du+dw>1.5d0+2db-4.5

(11)

式中，dw為地下水位深度，m，宜按設(shè)計基準期內(nèi)年平均最高水位采用，也可按近期內(nèi)年最高水位采用；du為上覆非液化土層厚度，m，計算時宜將淤泥和淤泥質(zhì)土層扣除；db為基礎(chǔ)埋置深度，m，不超過2 m時應(yīng)采用2 m；d0為液化土特征深度，m，可參照表5取值。

表5 液化土特征深度 m

2.3.2 復(fù)判條件

當滿足N63.5

(12)

式中，Ncr為液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值，可參照表6取值；ds為飽和土標準貫入點深度，m；ρc為黏粒含量百分率，當小于3或為砂土時，應(yīng)采用3；β為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

2.4 中、美、歐3種液化判別方法的對比

如前文所述,砂土液化的影響因素主要包括地震動特性，土體的物理力學特性、初始應(yīng)力條件，地層巖性的構(gòu)成以及地下水的賦存情況。但中、美、歐3種液化方法在參數(shù)的選取和計算時也存在較大差異。

(1)動峰值加速度。歐標、中標中的地震動峰值加速度α采用50 a超越概率10%的設(shè)計地震動峰值加速度，而美標則采用50 a超越概率2%的最大考慮地震動峰值加速度。兩者有且僅能通過一些經(jīng)驗公式進行換算。

(2)地震參數(shù)。3種標準計算液化時選用的地震參數(shù)不同，歐標、中標選用面波震級Ms，美標選用矩震級Mw，而中標選用地震基本烈度為計算依據(jù)。這3種參數(shù)不能相互轉(zhuǎn)換，僅能基于一些經(jīng)驗公式進行近似換算。查閱相關(guān)文獻，矩震級與面波震級的轉(zhuǎn)化可按下式換算[7]：

Ms=1.13Mw-1.046 1

(13)

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，對同一個地震不同的震級標度，在8級以下，Mw>Ms；在8級以上Ms≥Mw。在 7～9級范圍內(nèi)，矩震級和面波震級基本沒有系統(tǒng)偏差。

(3)場地類型。3種標準中，歐標、中標考慮了場地類型，但規(guī)定的場地類型分類有所不同，美標計算時沒有考慮場地類型。

(4)標貫錘擊數(shù)。歐標、美標標準貫入試驗錘擊數(shù)均取修正值，而中標取實測值。

(5)其他指標。中標間接考慮了黏粒含量所占比例，美標間接考慮了細粒的含量。

3 工程區(qū)砂土液化分析

該工程的設(shè)計按Ⅶ遠震區(qū)域考慮，相當于面波震級 5.5級[8-10]，工程區(qū)土層大致分為4層，經(jīng)過初步判斷，第一層吹填粉細砂層和第三層粉細砂層存在砂土液化的可能。根據(jù)勘探試驗結(jié)果，共采集45組試驗數(shù)據(jù)進行液化分析判斷，列出部分典型試驗結(jié)果，分別采用中、美、歐3種標準的標貫試驗方法對液化情況進行分析。

3.1 歐洲標準

根據(jù)工程區(qū)波速測試結(jié)果，并參考標準貫入試驗錘擊數(shù)，確定工程區(qū)為場地類型為C類，因此取S=1.15。其50 a超過概率10%的動峰值加速度為0.1g。經(jīng)初步判斷，排除例外條件的土層亞層，將可能存在液化的砂土亞層進行進一步液化分析，并取CM=2.86,λ=0.8，其計算結(jié)果見表7。

根據(jù)分析，用歐標、中標標準貫入試驗方法，當按Ⅶ度遠震區(qū)域考慮時，不存在砂土液化現(xiàn)象。

3.2 美國標準

根據(jù)公式(13)，工程區(qū)的矩震級Mw可近似為5.79級。根據(jù)表4，此次計算時取MSF=2.2。其50 a超過概率10%的動峰值加速度為 0.2g。

將試驗結(jié)果代入表8進行液化計算。根據(jù)分析，用美標、中標標準貫入試驗方法，當按Ⅶ度遠震區(qū)域考慮時，不存在砂土液化現(xiàn)象。

表7 歐標方法計算砂土液化

表8 美標方法計算砂土液化

3.3 中國標準

由于地下水位較高，經(jīng)計算，工程區(qū)基本不滿足初判條件要求，需進行復(fù)判。將試驗結(jié)果代入表9進行液化計算。

根據(jù)分析，用中標標準貫入試驗方法，當按Ⅶ度遠震區(qū)域考慮時，工程區(qū)存在部分砂土液化現(xiàn)象。

3.4 對比分析

綜合分析工程區(qū)宏觀地質(zhì)條件，以及現(xiàn)場載荷試驗、靜力觸探等原位試驗及其他室內(nèi)試驗的結(jié)果，初步認為歐、美標準對工程區(qū)液化判定結(jié)果相似，即達舍爾甘地污水處理廠工程區(qū)按Ⅶ度設(shè)防時基本不存在砂土液化的可能，而由中國標準判斷出的部分液化的結(jié)果與前兩者不完全一致。

表9 中標方法計算砂土液化

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)大量勘察及試驗結(jié)果，用中、美、歐3種標準中的標準貫入試驗方法對孟加拉達舍爾甘地污水處理廠工程區(qū)土層進行了液化分析，判斷工程區(qū)當按Ⅶ度設(shè)防時地基基本不存在砂土液化的可能。

(2) 通過對中、美、歐3種標準液化判定結(jié)果的對比，初步認為在孟加拉地區(qū)，歐、美標準液化判定結(jié)果相似，而中國標準判定結(jié)果與前兩者不完全一致。

(3) 由于不同標準在進行液化分析時采用的參數(shù)不同，在進行液化計算時，應(yīng)注意參數(shù)的選取和取值，避免結(jié)果發(fā)生偏差。特別是在地震動峰值和地震震級的選取時，應(yīng)注意其使用范圍和條件。對于地震動峰值加速度：中、歐標準選用50 a超越概率10%的設(shè)計地震加速度；而美標選用50 a超越概率2%的最大地震加速度。對于地震震級：中、歐標準選用的面波震級Ms不能等同于美標選用的矩震級Mw，而此參數(shù)在以往的計算時大多被混淆。

(4)對于面波震級和矩震級的關(guān)系，現(xiàn)階段的研究還十分稀少，還需要通過大量的統(tǒng)計和分析工作佐證其轉(zhuǎn)換關(guān)系，希望將來在相關(guān)方向的研究能有所突破。

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