泵站基礎液化判別方法分析

趙志江

(北京市水利規劃設計研究院，北京 100048)

泵站工程一般布設在臨近河流和湖泊的區域。我國河流眾多，含砂粉土的成因使其在河流沿岸廣泛存在。[1]因此，在工程設計時，很大一部分中小型泵站的地基基礎位于存在液化可能的粉土和砂土地層之上。王英豪等[2]在泵站地下水位升降對土層液化的影響進行了分析，并得出在液化的前提下，水位的升降對液化指數的影響呈現一定的規律性，其對數趨勢線關系為ILE=-6.6534ln(dw)+28.18；許成順等[3]研究了循環加載頻率對砂土液化模式的影響，得出液化砂土在低頻荷載作用下，均呈現出顯著的剪脹特性，而在高頻荷載作用下，均呈現出顯著的剪縮特性；邢明源等[4]對應變循環加載下飽和含礫砂土的液化特性進行了研究；袁近遠等[5]；提出了一種土層液化概率評價的半經驗半理論方法與新的計算公式；張林[6]選取國外某港口項目的原位試驗數據，采用美國地震工程研究中心(NCEER)推薦的液化判別方法與Boulanger和Idriss判別法進行對比分析；楊凱等[7]針對飽和砂土壩基的動力響應和液化規律，開展了兩組超重力振動臺試驗，分析了飽和砂土地基在壩閘荷載作用下的地震響應規律；高清材等[8]分別利用剪切波測試方法及標準貫入試驗結果進行了砂土液化判別，并對判定結果的可靠性進行了評估；董青等[9]針對飽和砂土液化大變形條件下的動力反應分析，基于不排水循環三軸試驗數據分析得到的飽和砂土液化后大變形應力-應變行為的規律，提出適用于飽和砂土液化后大變形的加卸載準則，并得到能定量描述飽和砂土液化大變形途徑的大變形本構；朱俊高等[10]利用某土壩作為算例，模擬了土石壩土體在出現液化后單元應力重新分配，以及液化區逐漸擴大的過程；耿飛[11]以吉林西部松花江流域的典型含砂粉土為研究對象，開展了循環荷載下吉林西部含砂粉土動力特性及不良地質堤防地震響應研究。

這些科技論文對砂土液化的機理、砂土液化判別的方法以及動荷載對砂土液化的影響都有涉及，但結合現行工程勘察設計規范中砂土液化判別方法對比的涉及較少。泵站工程是水利工程中較為特殊的一種，近些年往往在市政工程中也經常應用，其既可以歸納為水利工程，也可以按市政排水工程進行勘察設計。本文通過分析現行主要規范砂土液化判別的原理，以某河道中排澇泵站為例，分別采用不同的方法對泵站基礎地層的進行液化判別，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某河道治理工程擬在河道末端修建一座排澇泵站，達到區域內防洪排澇標準。擬建泵站寬約8m，長約10m，主廠房高約4m，水泵置于現狀地面以下約3m。廠房附加荷載按10000kN考慮，水泵靜荷載按3000kN考慮，水泵運行荷載按4500kN考慮，水泵最大荷載按5200kN考慮。工程位置如圖1所示。

圖1 工程位置圖示意圖

泵站場區地面高程約42～43m，地面以下20m深度范圍內地層分布基本為填土層、粉土層和黏性土層。地下水埋藏類型主要為潛水，含水層主要為粉土層，水位埋深約5～6m，水位高程約37～38m。場區歷史最高水位為自然地表，高程為42.7m。泵站啟泵水位為40.00m，最高運行水位為40.40m。

擬建泵站置于存在液化可能的②層砂質粉土之上，泵站基礎高程約39.5m，基礎持力層②層砂質粉土呈褐黃色～灰黃色，稍濕～飽和，中密～密實，含云母、氧化鐵，揭露一般層厚約4m，層底高程約36m。該層分部較均勻，承載力標準值fka=160kPa，經深寬修正后該層承載力滿足設計要求，可作為良好的基礎持力層。工程位置地層結構如圖2所示。

圖2 工程位置地層剖面示意圖

2 不同標準地基液化判別方法分析

為定量分析不同標準下地基液化程度，該泵站工程區地震動峰值加速度按0.20g考慮，抗震基本烈度按8度考慮。泵站場區鉆孔內②層砂質粉土標準試驗成果見表1。

表1 ②層砂質粉土標準試驗成果表

2.1 水利抗震規范地基液化判別方法

依據GB 50487—2008對泵站基礎進行液化判別，依據該規范，針對可能發生液化的地層進行復判計算公式如下[12]。

(1)

式中，N′—實測標準貫入錘擊數；ds—工程正常運用時，標準貫人點在當時地面以下的深，m；dw—工程正常運用時，地下水位在當時地面以下的深度，m，運行時地面淹沒于水面以下，取0；ds′—標準貫入試驗時，標準貫入點在當時地面以下的深度，m；dw′一標準貫入試驗時，地下水位在當時地面以下的深度，取勘察時鉆孔水位埋深。

(2)

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，取10；當標準貫入點ds在地面以下5m以內的深度時，校正后采用5m計算；ρc為土的黏粒含量質量百分率，取6.5；場區②層砂質粉土液化計算成果見表2。

表2 水利規范液化判別成果表

判別結果表明，抗震基本烈度8度、運行時地面淹沒于水面以下時，②砂質粉土層存在液化問題，且校正后標貫擊數遠遠小于臨界標貫擊數，已不具有可代表性。原始標貫擊數、修正后標貫擊數和臨界液化標貫擊數如圖3所示。

圖3 水利規范標貫擊數對比圖

2.2 建筑抗震規范地基液化判別方法

將泵站按市政工程考慮地震液化，依據GB 50011—2010進行液化判別，針對可能發生液化的地層進行復判計算公式如下[13]：

(3)

式中，N0—液化判別標準貫入錘擊數基準值，取12；ds—飽和土標準貫人點深；dw—地下水位，m；ρc—土的黏粒含量質量百分率，取6.5；β—調整系數，取0.95；場區地下水位按最高運行水位為40.40m計算時，②層砂質粉土液化計算成果見表3。

表3 建筑抗震規范液化判別成果表

建筑抗震規范對標準貫入試驗擊數不進行修正，直接采用原始標貫擊數，同一場地，同一地層的液化計算所臨界液化標貫擊數與原始標貫擊數如圖4所示。

圖4 建筑抗震規范臨標貫擊數對比圖

3 影響砂土地基液化因素分析

根據GB 50487—2008和GB 50011—2010的計算方法可知，影響砂土液化計算的主要有以下兩點：

(1)地下水位dw取值不同，水利規范一般取工程正常運用時的深度，運行時地面淹沒于水面以下時取0。而建筑抗震規范，dw宜按設計基準期內年平均最高水位采用，也可按近期內年最高水位采用。

(2)水利規范對標貫擊數需根據運行時水位和標準貫入試驗深度進行修正，而建筑抗震規范不進行修正。

3.1 地下水深度取值的影響

勘察時泵站場區地下水位埋深約5.4～5.9m，分別采用鉆探時水位、最高運行水位和歷史最高水位3種工況計算場區②砂質粉土液化程度，計算結果見表5。

表5 建筑抗震不同水位取值液化指數計算成果表

由計算結果可知，GB 50011—2010計算地層液化中地下水位的影響較大。若按鉆探時水位計算，不存在液化問題；采用最高運行水位計算，液化等級為輕微；采用歷史最高水位計算，液化等級為中等。

工程場區砂土液化計算中，按GB 50487—2008計算時地下水位dw取值較為明確。而采用GB 50011—2010進行計算時，dw取值受主觀因素影響較大，若按現狀水位取值計算值偏小，若取歷史高水位時計算結果又趨于保守，只適用于極限工況下液化判別。

3.2 有效應力修正標貫擊數的影響

考慮基礎開挖對標貫點處有效應力的影響，依據現行GB 50487—2008中對試驗標準貫入錘擊數進行校正，若上覆有效應力增大，校正后的試驗標準貫入錘擊數偏大，高估了土體的抗液化能力，導致液化判別結果偏于不安全。若上覆有效應力減小，校正后的標準貫入錘擊數偏小，低估了土體的抗液化能力，導致液化判別結果過于保守[14]。

由于泵站基礎荷載一般大于上覆土體自重，實際增加了試驗標準貫入錘擊處的有效應力。按照GB 51247—2018，當工程正常運行時標準貫人點深度和地下水位深度與進行標準貫入試驗時的貫入點深度和地下水位深度不同時，實測標準貫入擊數修正公式如下：

N=N′(σv/σvw′)0.5

(5)

式中，σv—工程正常運行時標準貫人點有效上覆垂直應力；σv′—進行標準貫入試驗時標準貫人點有效上覆垂直應力，不小于35kPa，且不大300kPa。

水利工程與市政工程相比，水利水電工程一般地處偏遠地區，不能直接采用現行國標地震分組結果，按照GB 51247—2018地震分區調整系數一般取1。

(6)

以本文泵站工程為例，泵站基礎埋深為地面下3m，場區上覆土天然重度按19kN/m3計算，飽和浮重度按10kN/m3計算，泵站基底附加荷載190kPa計算，dw按運行時地下水位深度0m計算，N0取12計算，地下水按進行標準貫入修正取值及計算結果見表6。

表6 有效應力修正標準貫入試驗計算成果表

原始標貫擊數、按有效應力修正后的標貫擊數和臨界液化標貫擊數如圖5所示。

按照GB 51247—2018《水工建筑物抗震設計標準》對標準貫入擊數進行修正后的計算結果結論與GB 50011—2010中按最高運行水位為40.40m計算時的結果較為接近，工程場區的液化等級為輕微。

4 結語

(1)在泵站砂土地基基礎液化判別計算中，在對標準貫入試驗進行修正時，應考慮上覆有效應力的作用。若僅考慮鉆探時和運行時的試驗深度和水位深度，容易低估了土體的抗液化能力，導致液化判別結果過于保守。

(2)對泵站砂土地基采用GB 50011—2010計算其液化程度，地下水位應根據設計工況取合理的數值。

(3)針對泵站等此類既是水利工程也是市政工程的建筑物，依據GB 51247—2018來計算液化即考慮了有效應力對標準貫入試驗修正的影響，也考慮到了水工建筑物水位變化較大的特殊性。

(4)本文泵站附加荷載按水泵最大荷載按5200kN考慮，并未充分考慮泵站運行時循環荷載對基底液化的影響。同時本文也未考慮在多臺水泵同時運行時其功率對基礎液化的影響。在以后的研究中，可以充分研究一下多臺水泵循環荷載下形成的震動波對地基液化的影響。