水利工程地震液化判定及計算探討

路 輝，李劍修，楊 鋒，宋 奎

(中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，安徽 合肥 230601)

地震液化是一種危害性較大的地質(zhì)問題，往往影響著工程設(shè)計及工程成本，因此，通過工程勘察獲得各類原位測試數(shù)據(jù)進(jìn)行地震液化判斷就顯得尤其重要，而目前各個行業(yè)的規(guī)范與國標(biāo)抗震規(guī)范對地震液化判斷的某些邊界條件存在分歧，因此，本文通過對某工程實(shí)例依據(jù)水利規(guī)范和國標(biāo)規(guī)范的判斷方法進(jìn)行計算研究，總結(jié)出不同規(guī)范計算結(jié)果的差異，從而進(jìn)一步認(rèn)識水利工程在地震液化判別與其他規(guī)范的異同。

目前，通用的地震液化判定工作分為初判和復(fù)判2個階段，初判首先排除不會發(fā)生地震液化的土層，對初判可能發(fā)生液化的土層，應(yīng)進(jìn)行復(fù)判，液化復(fù)判目前常用的方法是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)結(jié)合土工試驗(yàn)提供的黏粒含量依據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行復(fù)判，如復(fù)判液化則需進(jìn)行進(jìn)一步計算液化等級。

1 工程概況

某工程區(qū)位于淮北平原東部，地勢平坦，由西北向東南緩傾，水系發(fā)育，勘探深度內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖洪積地層，巖性主要為輕(中)粉質(zhì)壤土、輕粉質(zhì)砂壤土、粉質(zhì)黏土。工程正常運(yùn)行時各土層均位于地下水位以下。

2 地層巖性特征

工程沿線地層分布差異較大，地質(zhì)復(fù)雜，多見透鏡體，夾薄層，勘探深度范圍內(nèi)的主要地層如下。

2.1 第四系全新統(tǒng)

①素填土：主要由輕粉質(zhì)砂壤土、粉土、輕粉質(zhì)壤土構(gòu)成，結(jié)構(gòu)松散、稍濕，局部含有姜石。

②輕粉質(zhì)壤土：黃色，干～稍濕，軟塑狀態(tài)，夾中粉質(zhì)壤土，土性不均，搖振反應(yīng)迅速。

③輕粉質(zhì)砂壤土：淺灰色，松散，飽和，夾粉土、輕粉質(zhì)壤土薄層，土性不均，搖振反應(yīng)迅速。

④粉土：棕黃色、灰黃色，飽和，中密～密實(shí)，夾輕粉質(zhì)壤土，搖振反應(yīng)迅速。

⑤中粉質(zhì)壤土：灰黃色，濕，軟塑狀態(tài)，夾粉細(xì)砂和壤土透鏡體，稍有光澤，干強(qiáng)度高，韌性中等。

2.2 第四系上更新統(tǒng)

⑥粉質(zhì)黏土：灰色、灰黃色，可塑～硬塑狀態(tài)，稍濕，含砂礓，局部可塑偏軟，局部夾中、輕粉質(zhì)壤土薄層，稍有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高。

⑦輕粉質(zhì)壤土：黃、灰黃色，很濕，可塑～可塑偏硬狀態(tài)，土質(zhì)不均，夾粉細(xì)砂薄層，稍有光澤，干強(qiáng)度低。

⑧重粉質(zhì)壤土：灰色、灰黃色，可塑～硬塑狀態(tài)，稍濕，局部軟塑，夾中、輕粉質(zhì)壤土薄層，有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高。

⑨粉質(zhì)黏土：棕黃色、灰黃色，呈硬塑狀態(tài)，夾輕粉質(zhì)壤土，含砂礓及黑色粒狀鐵錳結(jié)核，有裂隙，有光澤，干強(qiáng)度高，韌性高，該層未揭穿。

3 原位測試及土工試驗(yàn)統(tǒng)計

該工程中某典型勘探孔的原位測試及土工試驗(yàn)統(tǒng)計成果見表1—2。

表1 某典型建筑物勘探點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)貫入數(shù)據(jù)

表2 某典型建筑物勘探點(diǎn)的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 地震液化判斷

該工程區(qū)基本動峰值加速度為0.10g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度，需要進(jìn)行液化判別，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱建筑抗震規(guī)范)和《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(以下簡稱水利勘察規(guī)范)附錄P均采用液化初判和液化復(fù)判的方法進(jìn)行液化判別，且液化初判和復(fù)判方法不盡相同。

4.1 液化初判

根據(jù)建筑抗震規(guī)范4.3.3，本工程覆蓋層范圍內(nèi)中粉質(zhì)壤土以上土層均為Q4，輕粉質(zhì)壤土的黏粒含量大于10，可判為不液化土，輕粉質(zhì)砂壤土和粉土的黏粒含量均小于10，因此輕粉質(zhì)壤土為不液化土，中粉質(zhì)壤土和粉土均為可能液化土，需要進(jìn)行液化復(fù)判。

根據(jù)水利勘察規(guī)范附錄P，本工程覆蓋層范圍內(nèi)中粉質(zhì)壤土以上土層均為Q4，土的粒徑小于5mm顆粒含量的質(zhì)量百分率均大于30%，且其中粒徑小于0.005mm的顆粒含量百分率相應(yīng)于地震動峰值加速度為0.10g時小于16%，工程正常運(yùn)用后各土層均位于地下水位以下，因此，輕粉質(zhì)壤土、中粉質(zhì)壤土和粉土均為可能液化土，需要進(jìn)行液化復(fù)判。

綜上，根據(jù)建筑抗震規(guī)范初判輕粉質(zhì)壤土為不液化土，中粉質(zhì)壤土和粉土均為可能液化土；而根據(jù)水利勘察規(guī)范初判輕粉質(zhì)壤土、中粉質(zhì)壤土和粉土均為可能液化土。原因是由于水利相關(guān)規(guī)范和建筑行業(yè)規(guī)范對土的分類標(biāo)準(zhǔn)不同，而水利相關(guān)規(guī)范對細(xì)粒土的分類采用三角坐標(biāo)法，所以導(dǎo)致根據(jù)2種不同規(guī)范進(jìn)行液化初判的結(jié)果也產(chǎn)生差異。

4.2 液化復(fù)判

液化初判可能液化的土體需要進(jìn)行液化復(fù)判，建筑抗震規(guī)范的判別方法僅標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)判別法一種，且對復(fù)判液化的土層進(jìn)行液化指數(shù)計算，并根據(jù)液化指數(shù)綜合劃分液化等級；水利勘察規(guī)范對土的地震液化復(fù)判有標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法、相對密度復(fù)判法和相對含水率或液性指數(shù)復(fù)判法3種。本次僅針對2種規(guī)范中均采用的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)法進(jìn)行對比。

建筑抗震規(guī)范一般只判斷地面下20m深度范圍內(nèi)的土體，采用如下公式：

(1)

(2)

式中，N0—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊標(biāo)準(zhǔn)值，本工程取7擊；ds—飽和土的標(biāo)準(zhǔn)貫入深度；dw—地下水位，本工程取2.0m；ρc—黏粒含量百分率，當(dāng)小于3%或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3%；β—調(diào)整系數(shù)，本工程取0.80；di—i點(diǎn)所代表的土層厚度；Wi—i點(diǎn)所代表的土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值。

根據(jù)式(1)(2)計算結(jié)果見表3。

表3 建筑抗震規(guī)范液化判斷及計算表

水利勘察規(guī)范中土的地震液化復(fù)判標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊法只適用于標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)地面以下15m以內(nèi)的深度，大于15m的深度內(nèi)有飽和砂或者飽和少黏性土采用其他方法。具體液化判別公式如下：

(3)

式中：N0—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊標(biāo)準(zhǔn)值，本工程取6擊；ds—飽和土的標(biāo)準(zhǔn)貫入深度，ds<5m時，取5m；其余變量含義同前所述。

(4)

本工程標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時，地下水位為2.0m，工程正常運(yùn)用時浸沒于水面以下，根據(jù)式(3)(4)計算結(jié)果見表4。

表4 水利勘察規(guī)范液化判斷表

綜上，按照建筑抗震規(guī)范中液化計算方法③層砂壤土為液化土，②層輕粉質(zhì)壤土、④粉土判為不液化，而按照水利勘察規(guī)范附錄P②層輕粉質(zhì)壤土、③層砂壤土均為液化土，究其原因，一是水利勘察規(guī)范根據(jù)工程運(yùn)用時地下水位變化對標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行了修正，二是水利勘察規(guī)范根據(jù)土的三角坐標(biāo)法對土類進(jìn)行劃分，導(dǎo)致2種規(guī)范對黏粒含量在10%～15%之間的土層判別存在差異。

5 液化等級及抗震措施

根據(jù)前文，本工程按照建筑抗震規(guī)范進(jìn)行計算的液化等級為嚴(yán)重，應(yīng)采取相應(yīng)的處理措施，按照水利勘察規(guī)范判斷②、③層土為液化土，應(yīng)采取相應(yīng)的抗震措施。不同規(guī)范對液化土層進(jìn)行處理的相關(guān)措施也存在差異。

根據(jù)建筑抗震規(guī)范，本工程建筑抗震設(shè)防類別為丙類，地基的液化等級為嚴(yán)重，應(yīng)采取全部消除液化沉陷，或部分消除沉陷且對基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理。本工程如果全部消除地基液化沉陷宜采用樁基礎(chǔ)或加密法，由于地層液化土層較深厚，不宜采用全部替換非液化土的措施。

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》本工程可采用振沖加密、強(qiáng)夯擊實(shí)等人工加密或振沖擠密碎石樁等復(fù)合地基或樁體以及混凝土連續(xù)墻或其他方法圍封可液化地基。

綜上可以得出，建筑抗震規(guī)范根據(jù)液化土體的液化等級和建筑的抗震設(shè)防類別對液化土體采用相應(yīng)的處理措施，如果地基土液化等級輕微或抗震設(shè)防類別較低可不采用任何處理措施；而水工抗震標(biāo)準(zhǔn)對所有復(fù)判液化的地基土層均采取相應(yīng)的抗震措施，《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對地基土液化的處理偏于嚴(yán)格。

6 結(jié)語

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》給出了可能液化土層地震液化判別的方法以及處理的措施，而水利工程由于其對土類劃分標(biāo)準(zhǔn)的特殊性，《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》對可能液化土層的地震液化判別更具體、更有針對性，從而導(dǎo)致土層地震液化判斷結(jié)果的差異。其次，兩種規(guī)范地震液化復(fù)判采用的方法和公式也不完全相同，《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》則充分考慮了工程實(shí)際運(yùn)用時的水位對地層液化的影響，更有針對性。最后，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》按照抗震設(shè)防類別和地基土液化等級綜合給出相應(yīng)的地震液化處理措施，而《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》則對所有液化復(fù)判為液化土的土層均采用地震液化處理措施，對地震液化的處理更于嚴(yán)格和保守，且兩種標(biāo)準(zhǔn)采用的地震液化處理措施也不盡相同。