萊州灣濱海地區飽和液化砂土特征及液化評價

徐華

(山東省地質調查院，山東 濟南 250013)

0 引言

地震液化已經取得了很多成果[1]，飽和砂土的液化是地基基礎震害的主要原因之一[2]。如1966年的邢臺地震、1975年的海城地震、1976年的唐山地震、2008年的汶川地震[3-5]及1964年美國的阿拉斯加地震[6]和2010—2011年的新西蘭坎特佰雷地震序列[7]等，地震引起的砂土液化均對當地地基基礎產生了嚴重破壞。萊州灣地區歷史上曾有地震砂土液化災害的記載，在1668年郯城8.5級地震發生時，“沿海地裂涌水”(安丘)、“涌裂黑水”(平度)、“近濰堤處開裂、北絡莊平地開裂”(昌邑)、“白浪河近堤開裂”(濰縣)，噴砂冒水與地裂縫分布基本一致[8]。因此，對萊州灣沿岸濱海地區飽和砂土的液化趨勢進行研究及有效評估尤為重要。

1 濱海地區地貌及全新世地層特征

1.1 地貌

研究區總體地勢平緩，地貌界線的地表特征不明顯。該次研究采用遙感解譯、地面調查、人工淺鉆、工程地質鉆孔等綜合手段，以全新世淺部土層沉積相為依據，結合地形變化特征，將研究區劃分為剝蝕平原、山前沖積平原、三角洲平原和潮坪區4個大的地貌單元(圖1)。

1—三角洲下平原；2—三角洲上平原；3—潮坪；4—山前沖洪積平原；5—剝蝕平原；6—現代黃河三角洲平原圖1 萊州灣濱海地區地貌分區圖

剝蝕平原位于研究區東南部，地形呈舒緩起伏狀，大部分地區基巖裸露。山前沖積平原位于研究區南部，地表平坦，向海方向微傾。三角洲平原位于山前沖積平原以北，是由濰河、白浪河、彌河共同塑造的[9]，以全新世平均高潮位為界，分為三角洲上平原和三角洲下平原，前者為全新世平均高潮位以上部分，頂部發育泛濫平原相沉積；后者為全新世平均高潮位與平均低潮位之間的部分，頂部未見河流相沉積[10]。潮坪區位于萊州灣西岸，全新世潮坪相沉積，大致以老彌河一線為界與三角洲平原相鄰，其中小清河以北地表為黃河近代堆積，微地貌稱之為現代黃河三角洲平原。

1.2 全新世地層

研究區除東南部剝蝕平原外，全新世地層廣泛分布。

黑土湖組：位于全新世底部，濱海湖沼環境，層位穩定，地層厚度一般0.10～4.04m，其南部邊界線與三角洲平原南部邊界線基本吻合，巖性一般為暗棕色粉質黏土和黏土，局部發育泥炭。

濰北組：位于黑土湖組之上，海陸過渡相沉積，廣泛發育于三角洲平原、潮坪地貌區。巖性主要為黃棕色粉砂、粉土及橄欖棕色黏性土與粉土、粉砂互層沉積。

臨沂組：河流相沉積，在山前沖積平原和三角洲上平原區大面積出露。巖性主要為亮黃棕色粉質黏土、黏土夾透鏡體狀砂，厚度一般0.35～8.45m。

黃河組：現代黃河泛濫沖積物，廣泛分布于現代黃河三角洲平原。巖性一般為亮黃棕色粉土、粉砂、粉質黏土互層沉積，厚度0.55～8.45m。

白云湖組：陸相湖沼沉積，呈面狀分布于寒亭區泊子村兩側的湖積淺平洼地和濰河、彌河沖洪積扇前緣淺部。巖性以暗色粉質黏土、粉土為主，厚度一般0.5～5m。

沂河組：全新世晚期河床相沉積，分布于現代河床，與下伏濰北組或臨沂組呈侵蝕不整合接觸。巖性主要為黃棕色卵礫石、礫砂、中粗砂、粉細砂，厚度一般3～8m。

寒亭組：近代風成相堆積，呈不規則橢圓狀，主要沿濰河發育，巖性主要為黃棕色粉細砂、中砂。

2 萊州灣濱海地區全新世飽和砂土空間分布及顆粒特征

2.1 萊州灣濱海地區全新世飽和砂土空間分布特征

潮坪區和三角洲平原區發育全新世濰北組席狀分布的第Ⅰ海相層潮坪相砂體和海陸過渡相三角洲前緣砂體。砂體空間分布受全新世古地形控制，總體由西南向東北方向底板埋深逐漸變深，層厚逐漸變大(圖2)。該砂體層厚大、分布廣埋藏淺，易液化。

1—砂體厚度等值線(m)；2—地質剖面及編號圖2 萊州灣濱海地區全新世砂體等厚線圖

2.1.1 潮坪區

濰北組砂體全區分布，其底板高程一般低于-5m，頂板埋深1.7～9.0m，厚度4.35～14.65m，總體上由西南向東北方向頂板埋深逐漸變深，厚度逐漸變大，最厚處位于羊口附近(圖3)。巖性以橄欖棕色和黃棕色粉土、粉砂與黏性土互層沉積為主，具水平紋理，含海相貝殼碎片，見動物潛穴和植物腐根。小清河以北濰北組之上為黃河組現代黃河三角洲沉積，底板埋深2.0～9.0m，厚度0.5～8.45m，總體厚度由南向北逐漸變大，最厚處位于潮坪區東北角。巖性以亮黃棕色粉土、粉質黏土為主，夾薄層粉砂，具水平層理，見海相貝殼、淡水螺殼碎片及植物根莖。

2.1.2 三角洲平原區

濰北組砂體全區分布，其底板高程一般低于0m，該層頂板埋深自0.5～3.9m，厚1.5～14.0m，總體上頂板埋深由南向北逐漸變淺，厚度逐漸變大，其三角洲下平原砂體厚度變化不大、絕大部分砂體厚度均在10m以上(圖4)。巖性主要為亮黃棕色、黃棕色，濁黃橙色粉砂、粉土，具水平層理，含海相貝殼碎片，偶見動物潛穴和未完全腐爛的植物根莖。

1—河流相；2—近代黃河三角洲；3—濱海湖沼；4—三角洲前緣；5—潮坪；6—人工填土；7—年代地層界線圖3 萊州灣西岸全新世地質剖面圖(24-24＇)

1—河流相；2—湖沼相；3—三角洲前相；4—人工填土；5—年代地層界線圖4 萊州灣南岸全新世地質剖面圖(5-5＇)

2.2 萊州灣濱海地區全新世飽和砂土顆粒特征

大量砂土顆粒分析表明：萊州灣沿岸第Ⅰ海相層砂土顆粒多數在0.02～0.2mm，砂體粒度累積曲線呈“S”型(圖5)，主要由粉土和粉砂組成，粒度分布以砂粒為主，砂粒含量40%～80%，顆粒均勻，分選性好，為不良級配土，砂土層透水性差，易發生液化。

圖5 萊州灣濱海地區第Ⅰ海相層砂土粒度累積曲線

3 萊州灣濱海地區地下水位埋深現狀

2015年淺層地下水位埋深圖表明(圖6)，萊州灣西岸地下水位埋深較淺，一般小于5m。南岸由于地下水長期超量開采致使地下水位持續下降，逐漸形成多個地下水降落漏斗，漏斗區地下水位埋深均大于10m。山東省鹵水資源的開采主要集中在萊州灣南岸，開采利用的均是埋藏深度在100m以淺的鹵水資源[11]，在三角洲平原鹵水分布區，持續不斷的大規模開采鹵水礦，形成了平行于海岸線的大面積的鹵水漏斗區，大致以大家洼—央子—下營一線為中心，中心水位埋深近40m左右，漏斗區面積約1090km2。

1—地下水位埋深(m)；2—地下鹵水分布邊界圖6 淺層地下水位埋深圖

4 砂土液化的評價

4.1 砂土液化的主要影響因素

已有研究表明，砂土液化與地基土地質年代、土顆粒粒徑、砂土密實度、上覆非液化土層厚度、地下水位埋深、地面震動強度和地面震動的持續時間等因素有關[12-17]。地層年代越新，砂土的相對密度越小、顆粒級配越好、顆粒粒徑越小、埋藏深度越淺、地下水位越淺、地震烈度越高的飽和砂土越容易液化。

4.2 砂土液化評價方法

鑒于土層液化的影響因素較多，我國規范建議采用標準貫入法、靜力觸探法、剪切波束法，但單一判別方法都有局限性和適用范圍，宜用各種方法綜合判別[18-19]。《山東半島藍色經濟區地質環境調查評價項目》在萊州灣沿岸地區施工了大量工程地質鉆孔且每個鉆孔旁邊亦同時施工靜力觸探孔。該次研究利用標準貫入試驗、靜力觸探資料，依據《建筑抗震設計規范GB50011—2010》[20]和《鐵路工程地質原位測試規程(TB10018—2003)》[21]，對萊州灣濱海地區進行現狀條件下和未來地下水限采條件下砂土液化綜合評價。評價原則就高不就低，無論哪種單一方法判別結果為液化，其綜合評價結果均為液化。

4.2.1 初判

研究區抗震設防烈度為7°，全新世砂土可判為液化土。區內淺基礎埋置深度一般2m左右，液化土特征深度為7m，除地下水位埋深大于6m的地區可不考慮液化的影響外，其他地區地面下20m范圍內全新世砂土采用靜力觸探法和標準貫入法進一步判別。

4.2.2 靜力觸探法判別

區內地震動峰值加速度萊州灣南岸為0.15g、西岸為0.10g，根據鐵路工程地質原位測試規程(TB10018—2003)宜使用靜探方法判斷砂土液化。當實測計算貫入阻力qcca小于或等于雙橋靜探液化臨界貫入阻力qc′時，判為液化土。

液化臨界貫入阻力qc′

qc′=qc0·α1·α3·α4

α1=1-0.065(dw-2)

α3=1-0.05(du-2)

式中：α1—地下水位埋深dw(m)修正系數，地面常年有水且與地下水有水力聯系時，α1=1.13；α3—上覆非液化土層厚度du(m)修正系數；對于深基礎，恒取α3=1；α4—黏粒含量百分比修正系數，qc0—dw=2m，du=2m，α4=1時依據規范取值。

4.2.3 標準貫入法判別

當飽和土實測錘擊數小于或等于液化判別標準貫入錘擊數臨界值時，判為液化土。液化判別標準貫入錘擊數臨界值可按下式計算：

式中:Ncr—液化判別標準貫入錘擊數臨界值；N0—液化判別標準貫入錘擊數基準值；ds—飽和土標準貫入點深度(m)；dw—地下水位埋深(m)；ρc—黏粒含量百分率，當小于3或為砂土時，應采用3；β—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。

根據《建筑抗震設計規范GB50011—2010》附錄A，萊州灣南岸液化判別標準貫入錘擊數基準值為10，調整系數取0.95；西岸基準值為8，調整系數取1.05。

對存在液化土的地基，按下式計算每個鉆孔的液化指數，并按表1綜合劃分地基的液化等級。

式中:IiE—液化指數；n—在判別深度范圍內每個鉆孔標準貫入試驗點的總數；Ni,Ncri—分別為i點標準貫入錘擊數的實測值和臨界值，當實測值大于臨界值時應取臨界值；di—i點所代表的土層厚度(m)，可采用與該標貫實驗點相鄰的上、下兩標準貫入試驗點深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；wi—i土層單位土層厚度的層位影響權函數值(m-1)。當該層中點深度不大于5m時，應采用10，等于20m時應采用0值，5～20m時應按線性內插法取值。

表1 液化等級與液化指數的對應關系

4.3 現狀條件下砂土液化評價結果

研究區共有鉆孔257個，其中全新世砂體分布區189個，對全新世砂體分布區的189個鉆孔進一步評價結果表明：其中100個為液化孔，占全新統砂體分布區鉆孔的59%。潮坪區地下水位埋深均小于5m，區內44個鉆孔，均為液化孔，全新世砂土的厚度較大，液化級別為嚴重、中等，是研究區現狀條件下砂土液化最嚴重的區域。三角洲平原區中部因地下鹵水開采強度大，形成了地下水降落漏斗，漏斗區大部分地區地下水位埋深大于10m,全新世砂性土基本被疏干，不具備砂土液化的條件，僅在近海岸地帶、鹵水開采漏斗和淺層淡水開采漏斗之間的地下水分水嶺附近存在砂土液化，前者液化級別為嚴重、中等，后者以輕微液化為主(圖7)，液化區總面積779km2，占三角洲平原區陸域面積的34.8%。

4.4 未來地下鹵水限采條件下砂土液化評價

三角洲平原地下鹵水漏斗區在鹵水開采前水位埋深一般在2m左右，大體與目前的萊州灣西岸相同。隨著漏斗規模的逐漸擴大，地下鹵水將面臨枯竭的局面。未來必將壓縮地下鹵水的開采量，萊州灣南岸地下水位將逐步回升。原先未飽和的砂土體變為飽和，有效重度降低，砂土產生液化的超孔隙水壓力相應減少，當遭受同樣能量的地震荷載作用時，砂土層更易產生液化變形，必然加劇砂土液化災害。

1—嚴重液化；2—中等液化；3—輕微液化；4—三角洲平原邊界線圖7 現狀條件下砂土液化評價圖

4.4.1 非飽和砂土在未來飽水條件下靜探阻力和標貫擊數估算

飽和砂土中，地下水對標準貫入擊數值有影響早已被人們所接受，我國目前尚未見有成熟的地下水校正方法[17]。靜力觸探試驗與標準貫入試驗原理一致，同樣地下水對靜力觸探數值亦有影響。研究區三角洲平原內同一時代，相同沉積環境、相同巖性特征的同層砂體，飽水狀態下，其工程地質力學性質應相同或相近[22]，因而可通過對比分析同層砂體的靜探數據和標貫數據，采用數理統計方法，建立非飽和砂土對飽和砂土的靜探錐尖阻力與錐尖阻力、標貫擊數與標貫擊數的相關關系式，求取地下水對靜探錐尖阻力與標貫擊數得影響值。

三角洲平原地下水漏斗區，非飽和砂土共涉及全新世三角洲平原平原海陸過度相上部砂體、中部砂體、下部砂體和全新世河流相砂體4個砂體層。統計整理上述4層砂體層各層的靜探錐尖阻力與標貫數據，求取各層飽和砂土和非飽和砂土的靜探錐尖阻力和標貫實測擊數算術平均值(表2)。

靜探錐尖阻力與標貫擊數相關關系圖(圖8)所示：非飽和砂土和飽和砂土靜探錐尖阻力與標貫擊數均存在正相關關系，相關性系數均大于0.95，表明該次研究所用靜探與標貫數據較為真實可靠。

表2 各工程地質層靜探錐尖阻力與標貫擊數統計

錐尖阻力及標貫擊數相關關系圖表明(圖9)：非飽和砂土與飽和砂土的靜探錐尖阻力與錐尖阻力、標貫擊數與標貫擊數均存在正相關關系，相關性極高；地下水使砂性土錐尖阻力值及標貫擊數變大，其變化值見如下相關方程式：

qc(非飽和和砂土)=1.0qc(飽和砂土)+0.84R=0.99

N(非飽和砂土)=1.08N(飽和砂土)+5.7R=0.98

4.4.2 未來地下水限采條件下砂土液化評價及結果

在未來地下鹵水限采條件下，預估三角洲平原區地下水位將恢復至鹵水大規模開采前的2m左右。依據上述非飽和砂土在水位恢復后估算的靜探和標貫數據，采用標準貫入和靜力觸探綜合判別法再次對萊州灣濱海地區飽和砂土進行評價。

萊州灣西岸砂土液化分布沒有變化。南岸三角洲平原區區內145個鉆孔中134個判定為砂土液化孔，砂土液化區面積2062km2，占三角洲平原區面積的92%，其中嚴重、中等和輕微液化區面積分別占區內總面積的57.9%、20.6%和13.5%，其液化等級區分布由海向陸依次為嚴重—中等—輕微—不液化(圖10)。

圖8 靜探錐尖阻力與標貫擊數相關關系圖

圖9 錐尖阻力及標貫擊數相關關系圖

1—嚴重液化；2—中等液化；3—輕微液化；4—三角洲平原邊界線圖10 未來地下鹵水限采條件下砂土液化評價圖

5 砂土液化的防御措施

萊州灣濱海地區飽和砂土液化區的工程建設必須充分重視飽和砂層的液化問題，采取相應的預防措施，提高建筑物的抗震穩定性。

(1)當可液化砂土厚度較薄(<3m)、埋藏較淺(<5m)時，采用全部清除換土處理[23]。

(2)當可液化砂土厚度較大(>5m)時，可采用地基加固法，如振沖、振動加密、砂樁擠密、強夯、化學注漿等方法處理可液化地基。

(3)當不具備加固條件時，可采用樁基，樁長應穿過可液化層，樁端伸入液化層以下穩定土層中的長度(不包括樁尖部分)應按計算確定，對碎石土、礫砂、中粗砂、堅硬土應不小于0.5m，其他非巖石土層就不少于2.0m。

(4)根據建筑物類型等級，通過對建筑物的地基基礎和上部結構的調整和優化，減輕砂土液化對基礎和結構的影響。

6 結論

萊州灣濱海地區由東南向西北地貌單元依次為剝蝕平原、山前沖積平原、三角洲平原和潮坪區，三角洲平原和潮坪區內發育全新世席狀分布的第Ⅰ海相層潮坪相砂體和海陸過渡相三角洲前緣砂體。采用數理統計方法，建立了三角洲平原區非飽和砂土對飽和砂土的靜探錐尖阻力與錐尖阻力、標貫擊數與標貫擊數的相關關系式。砂土液化評價結果表明：現狀條件下，整個潮坪區均為砂土液化區，液化級別為嚴重、中等。三角洲平原區砂土液化面積779km2，占三角洲平原區陸域面積的34.8%，中部地下水位漏斗區不液化。未來地下水限采條件下，三角洲平原區砂土液化區面積將達2062km2，占三角洲平原區面積的92%，其中嚴重、中等和輕微液化區面積分別占區內總面積的57.9%、20.6%和13.5%。根據砂土液化治理效果、經濟效益分析，液化砂土厚度較薄時，采用全部清除換土處理，液化砂土厚度較大(大于5m)時，可采用地基加固法，如振沖、振動加密、砂樁擠密、強夯、化學注漿等方法處理，當不具備加固條件時，可采用樁基。