基于2種不同判別方法的深厚軟弱場地液化對比研究

程 藝,莊海洋,李兆焱,吳 琪

(1. 南京工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所,江蘇 南京 211816; 2. 中國地震局工程力學(xué)研究所 地震工程與工程振動重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150080; 3. 地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

近20 a來,我國發(fā)生的重大地震包括2003年Ms6.8巴楚地震、2008年Ms8.0汶川地震、2016年Ms6.7高雄地震及2020年Ms6.4伽師地震等[1]。地震災(zāi)害的發(fā)生層出不窮,對人民財產(chǎn)安全的影響也屢見不鮮,因為這些地震引發(fā)的次生災(zāi)害不勝枚舉。當(dāng)?shù)卣鹨鸬囊夯l(fā)生時,土體在地震作用下發(fā)生軟化,剛度和強度降低。因此,我國對于砂土液化及其進一步引起的公路裂縫、上部建筑物倒塌、農(nóng)田破壞及地下結(jié)構(gòu)變形等影響極為重視。

室內(nèi)外試驗分析法和經(jīng)驗分析法是進行砂土液化判別的主要方法。其中,室內(nèi)外試驗分析法是通過現(xiàn)場試驗或室內(nèi)試驗獲得相關(guān)參數(shù)進行液化判別,主要包括Seed簡化法、剪切波速法、靜力觸探法和動三軸試驗等。Seed簡化分析法是根據(jù)室內(nèi)試驗建立的,通過評估土層的地震需求和抗液化能力,判斷其液化敏感性,由美國國家地震工程研究中心(National Center for Earthquake Engineering Research, NCEER)收納更新[2]。目前,國內(nèi)外使用的大多土體液化判別方法,都是以其為基礎(chǔ),使用更新的地震液化數(shù)據(jù)基于其上進行修正,但因使用循環(huán)應(yīng)力比評估地震荷載時,其修正系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場案例綜合標(biāo)定,各學(xué)者采用的表達式各不相同,因此無法普遍適用[3]。剪切波速法不同砂樣在不同固結(jié)條件下剪切波速存在差異,靜力觸探法建立其公式的數(shù)據(jù)來源較為局限,可能發(fā)生誤判[4]。經(jīng)驗分析法是利用地震現(xiàn)場土壤液化震害調(diào)查的資料,建立或修正判別公式,包括標(biāo)準貫入試驗法、能量法等。我國目前通用的標(biāo)準貫入試驗判別方法是GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016年版),此規(guī)范的判別公式是根據(jù)河源地震、邢臺地震、通海地震、海城地震和唐山地震等現(xiàn)場勘查數(shù)據(jù)及經(jīng)驗公式共同整理形成[5]。在2008年汶川地震后做過局部修訂,于2010年修訂為現(xiàn)行通用版本。眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行規(guī)范的局限性并對其進行修正及補充。孫銳等[6]提出新的標(biāo)準貫入試驗判別公式是具有漸近線的雙曲線模型,有很好的連續(xù)性,不同深度范圍具有一致的統(tǒng)一表達,解決了我國現(xiàn)有規(guī)范淺層保守深層嚴重保守和Seed方法的深層不合理回彎的問題。張小玲等[7]考慮了液化臨界深度等因素對實測標(biāo)準貫入錘擊數(shù)提出修正,根據(jù)雙曲線模型建立了新的液化判別公式。中國地震局工程力學(xué)研究所研究了2011年新西蘭地震的液化現(xiàn)象及此次地震帶來的液化土層特征,袁曉銘等[8]完善了孫銳提出的雙曲線模型,解決了深層土液化是否具有合理性的難題,并收錄于CECS160∶2004《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則》(2019修訂版),具有樣本性質(zhì)。

深軟場地受到地震的影響嚴重,其根本原因是遭受震害的土體結(jié)構(gòu)自振周期接近地震動周期,同時,深軟場地對長周期地震動有顯著放大作用[9]。蘇州城區(qū)存在深厚松軟場地,且因距離蘇州主城區(qū)約400 km的郯廬地震帶在未來被預(yù)測可能遭遇8.0級以上遠場特大地震[10],深入開展蘇州地區(qū)可能發(fā)生的液化區(qū)域研究是十分有必要的。基于GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016年版)和CECS160∶2004《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則》(2019修訂版)中液化判別方法的差異性,本文對收集到的蘇州市部分地區(qū)(120°28′E～120°50′E, 31°08′N～31°25′N)的地下30 m以內(nèi)存在的飽和粉土層、粉砂層和粉砂夾粉土層,使用標(biāo)準貫入試驗判別法開展了可能發(fā)生液化的土層進行液化判別,使用2種判別方法得到的結(jié)果進行對比分析,探明二者的區(qū)別及聯(lián)系,并繪制液化分區(qū)圖。

1 研究區(qū)概況

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)來源于蘇州地區(qū)巖土工程勘察報告。通過對蘇州軌道交通2號線、3號線、4號線和5號線及部分其他區(qū)域的鉆孔數(shù)據(jù)進行整理,并利用Excel和Matlab編程進行計算,可以提取出在地震作用下180個可能發(fā)生液化的鉆孔的標(biāo)準貫入試驗數(shù)據(jù),鉆孔分布如圖 1所示。勘察報告中的鉆孔坐標(biāo)為蘇州市獨立坐標(biāo)系,本文利用ArcMap中投影變換功能將蘇州市獨立坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為目前通用的2000國家大地坐標(biāo)系,比例尺為1∶100萬。

1.2 區(qū)域場地特性

分析中國地震局工程力學(xué)研究所提供的巖土工程勘察報告可知,研究區(qū)在地下5 m左右開始存在液化層,有6層不同物理學(xué)性質(zhì)的土層可能發(fā)生液化,見表 1,重度、含水率和孔隙比為平均值。其中,3-3層粉土層、4-1層粉土夾粉砂層和4-2層粉砂夾粉土層在軌道沿線大有分布,層底標(biāo)高極差大于15 m。4-3層粉土、5-2層粉砂和6層粉土零星分布。地下穩(wěn)定水位埋深在0～3 m,由于受沉積環(huán)境及水動力作用影響,勘察場地地基土層存在不均勻性,具體體現(xiàn)在同一深度范圍內(nèi)土層的特性存在一定差異性,以及勘察場地同一土層存在著不連續(xù)性。

圖1 研究區(qū)可能發(fā)生液化鉆孔分布圖

蘇州地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計地震分組為第一組,而目前國內(nèi)外已發(fā)生的地震表明,部分深軟場地區(qū)發(fā)生的地震震級明顯高于該地區(qū)的抗震設(shè)防烈度[8]。因此,本文不僅要考慮蘇州地區(qū)7度設(shè)防下的液化問題,同時也將8度設(shè)防下震害引起的液化影響納入研究范圍。

表1 可液化土層基本物理力學(xué)性質(zhì)

2 液化判別結(jié)果對比分析

2.1 液化判別方法

砂土液化判別方法選用了我國現(xiàn)行GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016年版,簡稱規(guī)范)與中國地震局工程力學(xué)研究所編制的CECS 160∶2004《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則》(2019修訂版,簡稱通則)的判別方法。將2種方法計算出的液化判別結(jié)果對比,探討在蘇州地區(qū)2種計算方法的差異性及適應(yīng)性,分析研究區(qū)砂土液化的空間分布特征。

1)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016年版)

在地下20 m深度范圍內(nèi),液化判別標(biāo)準貫入錘擊數(shù)臨界值公式[11]:

(1)

對存在液化的土層計算每個鉆孔的液化指數(shù):

(2)

式中:N0為標(biāo)準貫入錘擊數(shù)基準值;β為調(diào)整系數(shù),按設(shè)計地震分組,第一組、第二組、第三組分別取0.80、0.95、1.05;ds為標(biāo)貫點深度(m);dw為地下水位深度(m);ρc為黏粒含量百分率;Ncr為標(biāo)準貫入錘擊數(shù)臨界值;di為i點所代表土層厚度;Wi為i土層單位厚度土層的層位影響權(quán)函數(shù)值;IlE為液化指數(shù)。

通過對巖土工程勘察報告的分析,對地表以下20 m深區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)液化的鉆孔采用標(biāo)準貫入試驗判別法,根據(jù)式(1)計算標(biāo)準貫入錘擊數(shù)臨界值并和實測標(biāo)貫值進行對比,以判別是否液化。對于液化的鉆孔使用式(2)計算砂土液化指數(shù)。

2)CECS 160∶2004《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則》(2019修訂版)

與規(guī)范方法不同,在地下30 m深度范圍內(nèi),砂土和粉土液化判別標(biāo)準貫入錘擊數(shù)臨界值公式[12]:

(3)

對存在可液化的砂土、粉土層,按式(4)、式(5)計算液化指數(shù):

(4)

(5)

式中:amax為設(shè)計地震加速度(g);N為實測標(biāo)準貫入試驗錘擊數(shù);PLi為i點土層液化概率。

對地面下30 m深度范圍內(nèi)的砂土、粉土層,按照式(3)計算標(biāo)貫臨界值,使用式(4)和式(5)計算液化指數(shù)。

2.2 液化判別結(jié)果

在抗震設(shè)防烈度為7度時,表2中列出了在規(guī)范方法中被判別為液化的鉆孔在2種不同判別方法下計算的液化指數(shù)和液化等級,原因是在通則方法下被判別為液化的鉆孔,在規(guī)范方法中也被判別為液化。當(dāng)液化指數(shù)IlE≤6時,鉆孔液化等級為輕微液化;當(dāng)液化指數(shù)618時,鉆孔液化等級為嚴重液化。規(guī)范方法判別條件下部分輕微液化鉆孔在通則方法中被判別為不液化;部分鉆孔在2種判別方法下判別結(jié)果相同均為輕微液化,但液化指數(shù)通則方法比規(guī)范方法明顯偏小;規(guī)范方法判別為中等液化的鉆孔在通則方法中被判別為嚴重液化。

表2 抗震7度設(shè)防部分鉆孔在2種判別方法下的液化指數(shù)和液化等級

本文計算可能發(fā)生液化的鉆孔共180個,如表3所示,在7度設(shè)防下,規(guī)范方法有16個鉆孔被判別為液化,而通則方法僅有4個鉆孔被判別為液化,且前者不存在嚴重液化鉆孔,后者不存在中等液化鉆孔。在20～30 m超過規(guī)范方法判別范圍的深度區(qū)間,使用通則方法判別不存在液化點。

表3 抗震7度設(shè)防液化鉆孔數(shù)目

為了適應(yīng)國內(nèi)外抗震設(shè)防可能偏低的現(xiàn)狀以及通過蘇州地區(qū)液化鉆孔尋找液化普遍規(guī)律,本文計算了在8度設(shè)防下,對研究區(qū)內(nèi)的180個可能發(fā)生液化的鉆孔,使用2種液化方法計算液化指數(shù)并劃分液化等級,如表4所示。因篇幅所限,采用等距抽樣法抽取鉆孔僅作展示,分段間隔為5,從Z5鉆孔作為第一個個體,抽取了36個鉆孔。

表4 抗震8度設(shè)防部分鉆孔在2種判別方法下的液化指數(shù)和液化等級

表5 抗震8度設(shè)防不同液化等級的鉆孔占比

可以發(fā)現(xiàn)基本規(guī)律與7度設(shè)防下相似,并補充了7度設(shè)防下缺少的中等液化及嚴重液化鉆孔數(shù)據(jù),使尋找的規(guī)律更加可靠。8度設(shè)防下,研究區(qū)內(nèi)場地液化判別的鉆孔數(shù)量如圖 2(a),鉆孔液化程度如圖 2(b)所示。收集到的180組數(shù)據(jù)中,在我國現(xiàn)行的規(guī)范方法的判別公式下,未液化的鉆孔為54個,發(fā)生液化的鉆孔為126個,其中有72個為輕微液化,48個為中等液化,6個為嚴重液化。從表 5中可知,分別占液化總數(shù)的57.1%,38.1%,4.8%;在通則方法的判別公式下,未液化的鉆孔為119個,發(fā)生液化的鉆孔為61個,其中有24個為輕微液化,20個為中等液化,17個為嚴重液化,分別占液化總數(shù)的39.3%,32.8%,27.9%。

圖2 抗震8度設(shè)防液化鉆孔判別結(jié)果

研究區(qū)內(nèi)場地液化鉆孔的埋深及其液化等級散點圖如圖 3所示,從圖中可見,液化等級為輕微液化,規(guī)范方法判定的液化點埋深在[5,10)m、[10,15)m、[15,20]m間的數(shù)目分布均勻,液化等級為中等液化時,液化點埋深集中于10～20 m間,部分接近20 m埋深的鉆孔被判別為嚴重液化。通則方法和規(guī)范方法在10 m內(nèi)淺層液化判別結(jié)果基本一致,但同時也可以看出,對于10 m深度范圍外,2種判別方法差異較大。主要體現(xiàn)于規(guī)范方法在淺層判別保守,深層嚴重保守,在規(guī)范方法中被判別為輕微液化的鉆孔由于通則方法拋棄了過于保守性,部分輕微液化的鉆孔被判別為不液化。規(guī)范方法局限于判別20 m深度范圍內(nèi),而地鐵車站埋深存在20 m以下,且經(jīng)眾多研究和現(xiàn)場震害調(diào)查發(fā)現(xiàn),目前的地震震害調(diào)查中已發(fā)現(xiàn)液化深度超過20 m的現(xiàn)象,因此通過通則方法能夠給出該深度范圍內(nèi)的液化預(yù)估結(jié)果。

圖3 抗震8度設(shè)防液化土層埋深

圖4 不同烈度2種判別方法的鉆孔液化程度

2.3 不同設(shè)防烈度的液化判別對比

圖 4 展示了7度設(shè)防下被判別為液化的16個鉆孔在8度設(shè)防下液化程度的變化。根據(jù)經(jīng)驗,烈度越大液化程度越高,同時可以看出,當(dāng)烈度增大時,通則方法比規(guī)范方法液化程度變化大。同樣的鉆孔,7度設(shè)防下在規(guī)范方法判別條件下為輕微液化,在通則方法判別條件下為不液化或輕微液化;8度設(shè)防下在規(guī)范方法為中等液化,在通則方法中為嚴重液化,即同樣的鉆孔烈度從7度到8度在規(guī)范方法下完成了輕微液化向中等液化過渡,在通則方法下完成了不液化向嚴重液化的過渡。

3 基于ArcGIS圖的液化分區(qū)對比

綜合考慮之前研究者的文獻及成果[13-16],選取了克里金插值法(Kriging)來分析液化空間分布特征。克里金插值法是一種最佳線性無偏估計內(nèi)插法,以法國學(xué)者D.G.Krige名字命名[17],可以根據(jù)一定數(shù)量的已知測點數(shù)據(jù)預(yù)測附近未知測點的相關(guān)屬性,具有無偏、最優(yōu)內(nèi)插的優(yōu)點,適用范圍較廣,已被證實基于已知測點數(shù)據(jù)估計未知測點數(shù)據(jù)具有足夠的準確性[15]。在ArcGIS中計算液化等級的空間自相關(guān)的全局莫蘭指數(shù)(Moran’s I)為0.130,因此,數(shù)據(jù)之間不存在明顯的正相關(guān)性,且插值區(qū)域連續(xù),此時適合使用普通克里金插值。由于檢驗數(shù)據(jù)趨勢分析圖投影到垂直平面呈現(xiàn)出的趨勢始終為倒置的“U”形,因此,使用二階多項式用作全局趨勢模型。

抗震設(shè)防烈度為8度時,使用規(guī)范方法圖 5(a)和通則方法圖 5(b)判別結(jié)果繪制的液化分區(qū)圖中,規(guī)范方法對輕微液化的判別偏于保守,而對中等和嚴重液化的判別又偏于不完全;通則方法的中等液化和嚴重液化區(qū)域較規(guī)范方法范圍更大,這是因為通則方法考慮到了一旦發(fā)生液化不可低估其嚴重性。而如研究區(qū)西北部在規(guī)范方法中被判別為輕微液化,通則方法被判別為不液化,這是因為規(guī)范方法在經(jīng)新西蘭地震數(shù)據(jù)檢測后被發(fā)現(xiàn)在低烈度區(qū)10 m以內(nèi)表現(xiàn)良好,8度區(qū)及以上表現(xiàn)出保守或嚴重保守[8],將很多不會發(fā)生液化的地區(qū)判定為輕微液化,而通則方法表現(xiàn)良好,與表 4展現(xiàn)出的規(guī)律相同,同時證明了克里金插值結(jié)果的合理性。我國現(xiàn)行的規(guī)范方法是一種經(jīng)驗法,分析的歷次地震資料在15 m以內(nèi),其15～20 m對不液化和輕微液化的判別方法因此十分保守,這就導(dǎo)致了可能不會發(fā)生液化的地區(qū)仍被判別為輕微液化,造成資源的浪費。經(jīng)多方查證,規(guī)范方法采用的液化概率判別公式因為只考慮了標(biāo)貫比,會低估液化發(fā)生概率偏大的砂土粉土層的危害,并且規(guī)范方法液化概率判別公式極易因不同勘察方式而產(chǎn)生較大誤差,而通則方法的液化概率基本是不會受到勘察方式的影響[12]。因此,蘇州地區(qū)對于通則方法中的判別方法適應(yīng)良好。

圖5 抗震8度設(shè)防2種不同判別方法得到的液化分區(qū)圖

孫銳等[6]使用形成規(guī)范公式的原始數(shù)據(jù)進行回判后發(fā)現(xiàn),規(guī)范方法采用的對數(shù)曲線受淺層10 m內(nèi)數(shù)據(jù)點控制,深層為對數(shù)曲線順延,將深層不液化的點判別為液化,明顯發(fā)生誤判。因此,提出合理的臨界標(biāo)準貫入曲線應(yīng)滿足淺層內(nèi)曲率快速變化,到深層時變化明顯變緩且應(yīng)有漸近線存在。而通則方法采用雙曲線模型,由于雙曲線本身的特性,當(dāng)自變量為深度,隨著深度的增加,臨界標(biāo)準貫入曲線的曲率能夠達成淺層快速深層緩慢這一需求,規(guī)避了規(guī)范方法中對數(shù)曲線持續(xù)增大的特性,顯然通則方法的判別公式合理性比起規(guī)范方法有所提升。袁曉銘等[8]對2011年新西蘭地震液化數(shù)據(jù)進行分析,發(fā)現(xiàn)我國現(xiàn)行規(guī)范方法對于PGA>0.4g的劇烈地震動下判別超過10 m的砂層判別結(jié)果均為保守,PGA>0.15g時嚴重保守;通則方法在新西蘭地震的液化數(shù)據(jù)檢驗下,對于埋深超20 m的砂層彌補了規(guī)范判別方法的不足。本文意在展示其在國內(nèi)地區(qū)的普適性,從計算結(jié)果和判別公式本身分析來看,獲得的基本規(guī)律與預(yù)期一致,通則方法判別結(jié)果可以做到淺層準確,深層合理的需求,在蘇州地區(qū)兼具先進性及適應(yīng)性,且有一定的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

基于目前GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016年版)中砂土液化判別方法存在的明顯不足,以及CECS 160∶2004《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則》(2019修訂版)中液化判別方法的改進。采用上述2種方法對蘇州部分地區(qū)深厚場地液化進行判別,對比分析了2種不同方法判別結(jié)果存在的差異性,主要結(jié)論如下:

1)針對蘇州研究區(qū),按照7度抗震設(shè)防要求,規(guī)范方法有16個鉆孔被判別為液化,而通則方法只有4個鉆孔被判別為液化。按照8度抗震設(shè)防要求,規(guī)范方法判別的液化鉆孔為126個,通則方法判別的液化的鉆孔為61個,通則方法判別液化的鉆孔數(shù)約占規(guī)范方法判別結(jié)果的50%。

2)規(guī)范方法與通則方法的液化判別結(jié)果存在明顯的差異,在是否液化的判別上(即輕微液化判別)規(guī)范方法判別結(jié)果更加地保守。同時,當(dāng)2種方法都判別為液化的鉆孔,通則方法對中等液化和嚴重液化的判別液化程度明顯會比規(guī)范方法的更高。上述結(jié)論基本與袁曉銘等[8]的研究結(jié)論相一致。

3)通過ArcGIS使用空間插值法繪制液化分區(qū)圖,可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)嚴重液化和中等液化區(qū)域分布面積明顯比規(guī)范方法的要大,而輕微液化區(qū)明顯比規(guī)范方法判別區(qū)域要小,進一步驗證2種判別方法的差異性。