地震液化分區(qū)法評價機理與應用

宋五朋 王先忠 王 偉

（1.河南省水利勘測有限公司 鄭州 450008 2.河南省特殊巖土環(huán)境控制工程技術(shù)研究中心鄭州 450008）

砂（粉）土液化是地震中時有發(fā)生的主要震害之一，地基土層液化既能引起地面塌陷、滑坡、地裂和噴水冒漿等地表破壞現(xiàn)象，又會對建筑物產(chǎn)生不同程度的危害。地震液化是地質(zhì)勘察過程中經(jīng)常遇到的問題，對工程更具體、更精確的液化判別，是地質(zhì)勘察工作的重點。

1 砂土液化機理

飽和砂（粉）土液化的形成是飽和的砂（粉）土體在地震或其他動力荷載的振動作用下土顆粒發(fā)生移動并逐漸變密，因短時間內(nèi)排水不暢，荷載從土骨架轉(zhuǎn)向水，孔隙水壓力便會快速增大，當孔隙水壓力大至與總應力相等時，有效應力就降為零，土顆粒呈懸浮狀態(tài)，直接導致土體完全喪失抗剪強度的情形，即砂（粉）土體發(fā)生液化。

2 液化判別及液化等級劃分

2.1 地震液化判別

當?shù)卣鹆叶取? 度時，需進行液化判別，并按初判和復判兩階段進行。

初判主要考慮的因素有地層時代、土體中粘粒含量、地下水位以及土層的剪切波速等。

當初判為可能液化土層時，需進行復判，復判一般采用標貫法，其判定條件為：N

對于水利工程，Ncr的計算方法有2 個，地面以下15m 內(nèi)采用式（2）計算，15～20m 則采用式（3）計算：

式（1）～（3）中各參數(shù)的含義詳見相關(guān)規(guī)范。

2.2 地震液化等級劃分

地震液化等級按照液化指數(shù)分為三級：輕微、中等、嚴重。表1 為液化等級與液化指數(shù)的對應關(guān)系。

表1 液化等級與液化指數(shù)的對應關(guān)系表

3 地震液化分區(qū)法的提出

分析砂（粉）土液化產(chǎn)生機理可知，液化的主要影響因素包括地震、顆粒成分、密實程度、地下水，即對應地震液化判別中的地震烈度、粘粒含量、標貫擊數(shù)、地下水埋深。由于存在地震區(qū)劃、巖相差異、物性差異及地下水的分區(qū)性等特征，故砂（粉）土液化亦存在分區(qū)性。

3.1 地震區(qū)劃

我國地震區(qū)劃圖將地震動峰值加速度分為6 個區(qū)，即0.05g、0.10g、0.15g、0.20g、0.30g、0.40g。表2 為地震烈度與各分區(qū)地震加速度值的對應關(guān)系。

表2 地震烈度與地震動加速度值的對應關(guān)系

多次震害調(diào)查表明：地震烈度愈高，地面運動愈強烈，就愈容易發(fā)生液化。

3.2 巖相差異

根據(jù)液化初判條件，可能產(chǎn)生液化的地層地質(zhì)年代為第四系全新統(tǒng)（Q4）。就河南省而言，第四系（Q）廣泛分布于平原、山間盆地及山前丘陵一帶。

河流形成過程中，河床兩岸多形成上細下粗的二元相韻律沉積地層結(jié)構(gòu)。同一時期在不同地區(qū)沉積的地層巖性不同，而巖性相同的地層則呈現(xiàn)厚度不一、分布不連續(xù)等差異。

3.3 土體物性差異

對于少粘性土，在一定范圍內(nèi)，粘粒含量越低，液化可能性越大；對于砂性土，液化可能性具有隨砂粒粒徑變小而增大的趨勢。而級配均勻的比級配良好的砂容易液化，松砂比密砂容易液化。

3.4 地下水的分區(qū)性

地下水位淺的比深的更易液化。對于液化地層為砂土的區(qū)域，地下水埋深的界限值一般為4m。而對液化地層為粉土的區(qū)域，當?shù)卣鹆叶葹? 度、8 度、9 度區(qū)時，地下水埋深分別小于1.5m、2.5m、6.0m，容易液化。

4 地震液化分區(qū)（段）的應用

本文以趙口引黃灌區(qū)二期工程為實例對液化分區(qū)（段）法進行驗證分析。

4.1 工程概況

該工程涉及鄭州、開封、周口、商丘等4 個地市。

場區(qū)地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)（Q4）粉質(zhì)壤土、砂壤土和粉細砂。上游地層巖性主要為砂壤土、粉細砂，下游地層巖性主要為粉質(zhì)壤土，局部為砂壤土、粉砂。

場區(qū)地震動峰值加速度西北部為0.10～0.15g，東南部為0.05g。

場區(qū)地下水埋深：西北部6.0～8.0m，中部偏西4.0～6.0m，中部及西南部8.0～10.0m，東南部6.0～8.0m。

4.2 液化平面分區(qū)

根據(jù)相關(guān)液化判別條件，該工程僅需對地震動峰值加速度0.10～0.15g（地震烈度為Ⅶ度）的地區(qū)進行液化判別。在同一地震烈度范圍內(nèi)，受地層巖性、地層厚度和地下水埋深等因素的影響，不同區(qū)域內(nèi)的液化等級不一。以分布在地震動峰值加速度為0.10g 區(qū)域內(nèi)的四條干渠為例進行分析，其地層巖性、地下水埋深及其液化等級匯總見表3。

表3 各干渠地質(zhì)情況及液化等級表

由表3 可知，0.10g 區(qū)域內(nèi)存在液化分區(qū)情形，西北部多為嚴重液化區(qū)段，中部偏北段多為中等液化區(qū)段，東南部多為輕微液化區(qū)段；圖1 為工程區(qū)0.10g 地震動加速度區(qū)內(nèi)液化分區(qū)圖。

圖1 工程區(qū)0.10g 地震動加速度區(qū)內(nèi)液化分區(qū)圖

4.3 液化線性分段

不同地段同一時期的地層沉積厚度及垂直方向上地層巖性差異較大，導致液化深度不同，故在垂直方向亦存在可分區(qū)性。

以總干渠樁號20+200～25+800 段為例，其液化判別結(jié)果見表4，根據(jù)列表可將其按照垂直方向進行液化等級及深度分段。按液化等級分，樁號20+200～21+300、21+300～24+400、24+400～25+350、25+350～25+800 段分別為嚴重、中等、嚴重及中等；從液化深度分析，樁號20+200～21+300、21+300～23+150、23+150～25+300 及25+300～25+800段液化深度依次為20m、17m、13m 和9m。

表4 總干渠20+200～25+790 段地震液化判別結(jié)果表

5 結(jié)論與建議

（1）飽和砂土液化影響因素，主要包括地震、顆粒成分、密實程度、地下水。

（2）對于范圍較大的工程，可進行地震液化等級分區(qū)評價，而對于線性工程應進行地震液化等級及深度分段評價。

（3）地震液化的分區(qū)、分段有利于設(shè)計采取針對性的抗液化措施，并利于節(jié)省工程投資。

（4）勘察過程中，對于存在地震液化的場區(qū)，宜適當增加液化判別孔數(shù)量以提高液化分段的精確性，“異常段”更應重點分析評價