飽和砂土地基地震液化深度的試驗研究

胡慶, 湯勇, 朱萌, 楊鋼

(1. 中國地震局地震研究所(地震預(yù)警湖北省重點實驗室), 武漢 430071; 2. 武漢地震工程研究院有限公司, 武漢 430071; 3.水利部長江勘測技術(shù)研究所, 武漢 430071)

土層地震液化會造成地基部分失去或全部失去抗剪力,進一步導(dǎo)致地基失效,從而對上部建筑結(jié)構(gòu)造成破壞。中國在1966年邢臺Ms6.8地震[1]后開始重視土壤地震液化研究,而1975年海城Ms7.3地震和1976年唐山Ms7.8地震[2]推動了地震液化的研究和應(yīng)用。近些年來國內(nèi)外數(shù)次大地震,如汶川地震[3-4]、新西蘭地震[5-6]等因地震液化問題帶來的損失愈發(fā)嚴重,因此地震液化一直是巖土地震工程學(xué)的熱點課題。為了防范地震液化對地基和上部結(jié)構(gòu)帶來的破壞,需要評判在設(shè)定地震烈度下場地土液化的可能性。中國現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范的液化判別方法以標貫擊數(shù)為主要參數(shù),數(shù)據(jù)來源于唐山地震等數(shù)次地震的現(xiàn)場液化調(diào)查結(jié)果,適用于埋深20 m以內(nèi)飽和砂土和粉土液化判別[7]。隨著城市地下空間的開發(fā)利用,越來越多開挖較深的城市地下重大工程,如過江隧道、城市軌道交通工程等,需要對埋深超過20 m以下的飽和砂土液化問題進行專門研究,以確定地基土的液化可能性及液化深度,進而采取合理的抗液化措施。

震害調(diào)查結(jié)果表明,埋深超過20 m的深層砂土地震液化現(xiàn)象是客觀存在的[3-4]。對此,不少學(xué)者嘗試尋求比較可靠的深層土液化判別方法,并取得了較有代表性的研究成果[8-9]。中國學(xué)者早在20世紀50年代就倡導(dǎo)利用動三軸儀進行液化研究。黃宣維等[10]對淤泥質(zhì)砂土進行動三軸液化試驗,分析了砂顆粒粒徑、級配和淤泥含量對淤泥質(zhì)砂土抗液化性能的影響。董策等[11]通過共振柱試驗,研究了松原液化砂的動力特性及其抗震性能。王鸞等[12]通過大粒徑動三軸試驗,建立了人工場地吹填珊瑚土抗液化強度的估計方法。由此可見,利用動三軸試驗在進行特定地區(qū)土層液化性能研究中是行之有效的。

砂土因成分、成因、埋藏環(huán)境等不同,其物理力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出較大的地域差異性。古漢口地區(qū)河汊縱橫,第四紀全新世以來堆積了較厚的松散砂層。由于埋深超過20 m的砂土地震液化客觀存在,且地震時地下結(jié)構(gòu)的存在會加大可液化土體的地層變形[13],但中國抗震規(guī)范規(guī)定的液化判別深度最大深度20 m,使得工程實踐中埋深超過20 m的砂土層往往被忽視其可液化性,這無疑對工程安全是不利的。此前對漢口地區(qū)的深層飽和砂土的地震液化研究鮮有報道[14],且地震時深層砂土因約束作用不會出現(xiàn)典型噴砂冒水等液化現(xiàn)象而難以識別是否液化[1]。鑒于此,基于穿越漢口地區(qū)的某城市軌道交通工程場地,利用動三軸儀,通過選取不同埋深的飽和砂土,在不同動應(yīng)力水平下開展動三軸試驗,獲得各循環(huán)振動次數(shù)下試樣抗液化應(yīng)力比,探討本地區(qū)深層飽和砂土的液化可能性及液化深度,為本地區(qū)工程實踐抗液化處理深度提供有價值的參考。

1 試驗方法

1.1 試驗材料和試驗設(shè)備

本項工作4件試樣均為飽和粉細砂,取自漢口某地同一鉆孔中埋深20～30 m的砂層,試驗的基本物理力學(xué)指標見表1。

試驗在中國地震局工程力學(xué)研究所土動力實驗室完成,試驗儀器為GDS(global digital systems)雙向動三軸系統(tǒng),該系統(tǒng)可施加軸向荷載最大值為10 kN,工作頻率0.01～5 Hz,軸向位移100 mm,孔壓量程2 MPa,軸向力控制精度為0.1%,位移控制精度為0.07%。該設(shè)備采用ADVDPC型高精度壓力控制系統(tǒng),配備自適應(yīng)動態(tài)加載功能模塊,試驗動應(yīng)力在整個循環(huán)加載過程中可基本保持等幅狀態(tài),能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定輸出正弦模式動荷載。以往動三軸伺服電機在加載過程中多出現(xiàn)動應(yīng)力隨孔壓增加而明顯衰減的現(xiàn)象,該儀器系統(tǒng)可以克服這一缺點。

表1 土樣基本物理力學(xué)指標Table 1 Main physical-mechanical indexes of the samples

1.2 試驗方案

試驗參照《土工試驗方法標準(GB/T 50123—2019)》[15]關(guān)于振動三軸試驗的規(guī)定進行。不同試樣按控制統(tǒng)一干密度1.51 g/cm3制成,制樣時對土樣進行分層壓實至指定干密度,制成的試樣尺寸為 Ф50 mm×h100 mm(直徑×高度)實心圓柱體。對試樣進行CO2沖洗、水頭飽和、反壓飽和等操作,最后一級反壓設(shè)置為280 kPa。當(dāng)孔隙水壓力系數(shù)B(即孔隙水壓力增量與圍壓增量的比值)達到0.95以上并持續(xù)保持穩(wěn)定,視為飽和完成。

飽和完成后,在試驗前對試樣進行固結(jié),有效固結(jié)壓力為100 kPa,固結(jié)時間4 h。試驗在GDS系統(tǒng)自動控制下完成,對試樣施加應(yīng)力幅值恒定的正弦波的振動荷載,振動頻率為0.5 Hz。當(dāng)軸向應(yīng)變大于等于5%或孔隙水壓力大于等于周圍壓力時,視為試樣液化,終止加載。利用GDS雙向動三軸儀開展試驗如圖1所示。

對所選4件砂樣開展循環(huán)振動液化試驗,每件砂樣均分為4個試樣,分別在4個不同的動應(yīng)力水平下進行,本次研究完成4組共16個試樣的振動液化試驗,試驗時對各試樣施加的動應(yīng)力比列入表2中。

圖1 GDS雙向動三軸儀試驗Fig.1 Test by GDS Bidirectional dynamic triaxial apparatus

表2 各試樣施加動荷載水平Table 2 The dynamic load strength of each sample

2 試驗結(jié)果

對所選取每件試樣分別在表2中4個動應(yīng)力水平下施加動荷載,進行循環(huán)振動液化試驗,記錄的主要試驗數(shù)據(jù)有:孔隙水壓力u、有效圍壓力σ0、動應(yīng)力σd、動應(yīng)變ε、液化循環(huán)振動次數(shù)Nf,孔壓比u/σ0和抗液化應(yīng)力比σd/(2σ0)′等。

圖2為4組粉細砂試樣的典型液化試驗曲線,包含動應(yīng)力、動應(yīng)變、孔壓比時程曲線,對應(yīng)試驗施加的應(yīng)力比均為0.10。

圖2中對于動應(yīng)力,在施加循環(huán)荷載的過程中,動應(yīng)力基本可以保持等幅狀態(tài),較完整模擬了等頻、等幅的正弦循環(huán)模式。對于動應(yīng)變和孔壓比,動應(yīng)變在施加荷載的初期和中期變化幅度不大,孔隙水壓力隨著循環(huán)次數(shù)的增加而累計增加,孔壓比也逐步上升;到了施加荷載后期,動應(yīng)變迅速增大至5%以上,之后繼續(xù)急劇增大,伴隨著孔隙水壓力也繼續(xù)上升直至達到有效圍壓力,即孔壓比u/σ0達到1左右,表明試樣已達到初始液化的破壞狀態(tài),終止試驗。不同埋深的各試樣在試驗過程中均發(fā)生了典型的液化破壞現(xiàn)象,初始判別為液化。在所有動應(yīng)力水平下,4組16個試樣都能達到試驗初始液化狀態(tài)。

圖2 各試樣動應(yīng)力、動應(yīng)變和孔壓比時程曲線Fig.2 Time history of dynamic stress, dynamic strain and pore pressure ratio for each sample

圖3為以抗液化應(yīng)力比σd/(2σ0)′和循環(huán)振動次數(shù)Nf之間的關(guān)系來表示的液化試驗結(jié)果。可以通過抗液化應(yīng)力比曲線得到在不同地震烈度下粉細砂樣抗液化應(yīng)力比,此處不同地震烈度對應(yīng)不同等效循環(huán)振次[16],結(jié)果見表3。隨著抗液化應(yīng)力比σd/(2σ0)′增加,土樣液化所需要的循環(huán)振動次數(shù)Nf減小;相同循環(huán)振動次數(shù)Nf下,土樣埋深越大,達到液化所施加的抗液化應(yīng)力比σd/(2σ0)′越大。

圖3 各試樣抗液化應(yīng)力比和液化循環(huán)振次的關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves of liquefaction-resistance stress ratio and liquefaction cyclic vibration numbers for each sample

表3 不同地震烈度下試樣抗液化應(yīng)力比Table 3 Liquefaction stress ratio of samples during different intensities of earthquake

3 試樣液化深度分析

3.1 液化判別方法

中國現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范規(guī)定的最大液化判別深度為20 m,故該方法對于本次研究所選深度的試樣是不適用的。陳國興等[17]回顧總結(jié)了數(shù)十年來土壤液化評估的研究、發(fā)展和實踐經(jīng)驗,國際上具有代表性的液化判別方法是循環(huán)剪應(yīng)力判別法[18-19],其原理是將砂土中由振動作用產(chǎn)生的地震剪應(yīng)力比(cyclic stress ratio,CSR)和土體抗液化強度(cyclic resistance ratio,CRR)進行比較。利用Seed等[18]提出的以動三軸試驗參數(shù)為指標建立的循環(huán)剪應(yīng)力判別方法,分析不同深度處砂樣的液化可能性。同時,利用Youd等[19]以標貫擊數(shù)為指標的循環(huán)剪應(yīng)力法對判別結(jié)果進行比較驗證。

3.1.1 基于動三軸試驗的判別方法

Seed等[18]首先提出了飽和無黏性土固結(jié)不排水的動三軸試驗判別液化的方法,稱為Seed-Idriss簡化法。該方法通過比較地震剪應(yīng)力比(CSR)和土體抗液化強度(CRR)來判別土層地震液化的可能性,若CSR≥CRR,判別該土層可能液化,反之判別為不液化。

地震剪應(yīng)力比CSR表達式[18]為

(1)

式(1)中:τav為地震時土層遭受的剪應(yīng)力,kPa;γd為動應(yīng)力折減系數(shù);g為重力加速度,cm/s2;σv為上覆土豎向總靜應(yīng)力,kPa;σ′v為上覆土豎向有效靜應(yīng)力,kPa;αmax為地表水平向峰值加速度,cm/s2,本文設(shè)定地震烈度為Ⅵ、Ⅵ+、Ⅶ和Ⅷ時,取值分別50、75、125、200 cm/s2。

其中,動應(yīng)力折減系數(shù)γd的計算方法[18]為

(2)

土體抗液化強度CRR表達式[18]為

CRR=Crσd/(2σ′0)

(3)

式(3)中:Cr為應(yīng)力校正系數(shù),據(jù)Seed-Idriss簡化法取值0.65,本文中振動三軸試驗結(jié)果需要此項修正,其他試驗如循環(huán)扭剪試驗等則不需要修正;σd/(2σ′0)是通過動三軸試驗得到的試樣抗液化應(yīng)力比,見表3。

3.1.2 基于標貫擊數(shù)的判別方法

Youd等[19]在Seed-Idriss簡化法基礎(chǔ)上提出了改進的液化判別方法,簡稱NCEER標貫判別法。該方法考慮了土層的標貫擊數(shù),其原理也是比較地震剪應(yīng)力比(CSR)和土體抗液化強度(CRR)的大小。

NCEER標貫判別法中,地震剪應(yīng)力比(CSR)的表達式同式(1),土體抗液化強度(CRR)以標貫擊數(shù)為主要參數(shù),計算式[19]為

(4)

式(4)中:(N1)60為上覆壓力為100 kPa、錘擊能為60%的標貫擊數(shù)修正值。鉆孔標貫原位測試并經(jīng)修正后得到各試樣土層從上至下標貫擊數(shù)分別為7、8、12、15。

3.2 不同深度試樣液化分析

結(jié)合表1和式(2),得到動應(yīng)力折減系數(shù)γd、上覆土豎向總靜應(yīng)力σv和上覆土豎向有效靜應(yīng)力σ′v,進而利用式(1)得到各試樣在不同地震烈度下的地震剪應(yīng)力比CSR,將結(jié)果列入表4中。

結(jié)合表3和式(3),表5得到本文動三軸試驗對應(yīng)的各試樣在不同地震烈度下的抗液化強度CRR;根據(jù)式(4),得到NCEER判別法以標貫擊數(shù)為參數(shù)的土體抗液化強度值CRR。

表4 各試樣地震剪應(yīng)力比Table 4 Seismic shear stress ratio for each sample

表5 各試樣抗液化強度Table 5 Liquefaction-resistance for each sample

通過比較表4和表5中CSR和CRR的大小,可判別各試樣是否液化。為更直觀地表現(xiàn)各試樣的液化可能性,利用Juang等[20]定義的抗液化安全系數(shù)Fs,表達式如下,

Fs=CRR/CSR

(5)

若Fs<1,土層可能液化;若Fs≥1,土層不液化。

表6列出了不同深度處試樣的液化判別結(jié)果,可見兩種判別方法結(jié)果相差不大。圖4為動三軸試驗判別方法和標貫判別方法的抗液化安全系數(shù),即在豎直線Fs=1左側(cè)為液化,右側(cè)為不液化。結(jié)合表6和圖4知,當(dāng)?shù)卣鹆叶葹棰龆取ⅱ?度時,各埋深的砂層均不發(fā)生液化;當(dāng)?shù)卣鹆叶娶鞫葧r,動三軸試驗判別土層最大液化深度至少為25 m,而標貫擊數(shù)判別認為最大液化深度至少為22 m;當(dāng)?shù)卣鹆叶娶葧r,前者判別土層液化深度達30 m,而后者判別最大液化深度達25 m。

表6 試樣液化可能性和液化深度Table 6 Liquefaction possibility and liquefaction depth for each sample

圖4 各地震烈度時不同判別方法的抗液化安全系數(shù)Fig.4 Liquefaction-resistance safety factor of different discrimination methods at different seismic intensities

無論哪種判別方法,對于同一埋深的砂土層,隨著地震烈度的提高,Fs相應(yīng)減小,代表土層的液化的可能性增大;對于相同強度的地震烈度,隨著埋深的增加,Fs對應(yīng)增大,表明液化的可能性隨埋深增大而減小。

4 結(jié)論

采用漢口某城市軌道交通工程場地埋深超過20 m的深層飽和粉細砂土為試驗材料,進行室內(nèi)動三軸液化試驗,分析了深層粉細砂土地基的液化可能性和液化深度。得到如下主要結(jié)論。

(1)通過室內(nèi)動三軸試驗,分析了漢口某場地深層飽和粉細砂樣液化特性,實驗驗證了深層飽和砂土動三軸試驗可發(fā)生典型的液化破壞現(xiàn)象,可初始判別為液化。

(2)基于動三軸試驗的液化判別原理與方法,探討了深層粉細砂土地基的液化可能性和液化深度,并將判別結(jié)果與NCEER推薦的標貫擊數(shù)判別結(jié)果進行比較驗證,證明了動三軸液化試驗結(jié)果的合理性,表明漢口該項目場地埋深超過20 m的飽和砂土地基存在地震液化風(fēng)險,就本次研究4組共16個試樣而言,其液化深度在地震烈度Ⅶ度(約50年超越概率2%)、Ⅷ度(約100年超越概率2%)時分別至少可達到22 m和25 m。

由于飽和砂土取樣擾動及實驗室重塑制樣的不確定性,可能導(dǎo)致試驗結(jié)果及判別結(jié)果存在一定的誤差。研究表明,漢口某場地埋深超過20 m的飽和砂土在罕遇地震動作用下存在砂土液化的可能性,對于本地區(qū)飽和砂土的可能最大液化深度,后續(xù)還需要積累更多的試驗樣本綜合確定。本文結(jié)論僅為本地區(qū)抗液化處理深度提供參考,特別是對于重要的地下工程應(yīng)引起足夠重視。