FLAC3D在地基砂土液化判別中的應(yīng)用

李大爭(zhēng)，金治雄，王理想

（1．華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450045;2．天津市引灤于橋水庫管理處，天津 301900）

對(duì)于飽和砂土液化的判別，目前《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）及《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）要求以標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)為主，以靜力觸探為輔，有經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)可采用剪切波速測(cè)試，但這些傳統(tǒng)的判別方法都有一定的局限性［1］．影響標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)精度的因素除鉆探的成孔質(zhì)量、泥漿的稠度、貫入的操作方法外，還存在一個(gè)重大的影響因素，即標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法未考慮上覆地層的巖性和厚度，上覆非液化土層厚度是影響液化的主要因素;并且標(biāo)準(zhǔn)貫入法采用的是“一點(diǎn)化段”，判別雖然細(xì)微，但不能反映土層的整體液化性狀．有限差分等數(shù)值模擬軟件可以有效、準(zhǔn)確地模擬材料的屈服、塑性流動(dòng)、軟化直至大變形過程［2］，這使得數(shù)值模擬方法在地基砂土液化判別領(lǐng)域有其明顯的優(yōu)勢(shì)．

南水北調(diào)中線工程引水干渠經(jīng)過的河南段存在大量的砂土，在地震或外荷載作用下，飽和砂土液化將引起干渠基礎(chǔ)的不均勻沉降，導(dǎo)致引水干渠發(fā)生開裂、失效，從而影響工程的正常運(yùn)營和穩(wěn)定．借助巖土工程數(shù)值分析軟件FLAC3D，對(duì)南水北調(diào)中線工程河南段引水干渠渠基進(jìn)行數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入法判別的液化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，彼此相互驗(yàn)證，分析數(shù)值模擬方法應(yīng)用于地基砂土液化判別的可行性和精度．

1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別砂土液化

1．1 激光法測(cè)定黏粒含量

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別土層液化時(shí)，需要進(jìn)行土的顆粒粒度分析．激光法因其測(cè)試速度快，測(cè)量粒徑范圍廣，穩(wěn)定性、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)［3－5］，在我國得到了廣泛的推廣應(yīng)用．在此，采用激光法測(cè)定黏粒含量．

激光法采用英國馬爾文儀器公司生產(chǎn)的MS2000激光粒度分析儀．在引水干渠液化區(qū)地質(zhì)鉆探3個(gè)孔間距為10 m 的鉆孔，編號(hào)為 1#，2#，3#，終孔深 8．15～8．45 m，取樣深度分別為：1．15 ～1．45 m，2．15 ～ 2．45 m，3．15 ～ 3．45 m，4．15 ～4．45 m，5．15 ～ 5．45 m，6．15 ～ 6．45 m，7．15 ～7．45 m，8．15 ～8．45 m．

在1#，2#，3#號(hào)鉆孔各深度共取土樣24個(gè)，用激光法重復(fù)測(cè)定土樣黏粒含量2次，然后取其各自的黏粒含量平均值作為土樣黏粒含量ρc的最終值．這里需要說明的是，對(duì)同一土樣進(jìn)行2次平行分析，要求2次平行分析黏粒含量互差在3%以內(nèi)，以保證排除人為誤差;重復(fù)測(cè)定土樣2次，取其平均值，是為了得到每個(gè)樣品更精確的黏粒含量，測(cè)定結(jié)果見表1．

表1 激光法測(cè)定土樣黏粒含量

1．2 標(biāo)準(zhǔn)貫入法

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008），當(dāng)實(shí)測(cè)飽和砂土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)（未經(jīng)桿長修正）小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值（N63．5＜Ncr）時(shí)，應(yīng)判為液化土層．當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入深度ds≤15 m時(shí)，選用以下公式：式中：Ncr為飽和砂土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值;N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，按表2取值;ds為標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度，m;dw為地下水位深度，m，實(shí)測(cè)地下水位dw為6．8 m;ρc為黏粒含量百分率，%，按表1取值，當(dāng)ρc＜3%時(shí)，取3%計(jì)算．

表2 液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值

1．3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判定液化結(jié)果

南水北調(diào)中線工程河南段引水干渠位于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)對(duì)3個(gè)鉆孔的24個(gè)土樣進(jìn)行渠基砂土液化判別時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度取個(gè)點(diǎn)錘擊深度的平均值，判別液化結(jié)果見表3．

表3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別液化結(jié)果

從表3中可以看出：在這3個(gè)鉆孔的24次試驗(yàn)中，18次判為液化的占72．5%;鉆孔區(qū)整體土層的0．0 ～1．3 m 判定為非液化土層，1．3 ～7．3 m 范圍內(nèi)隨深度分布的輕粉質(zhì)砂壤土、砂土、重粉質(zhì)砂壤土幾乎全部液化，7．3～8．3 m深度內(nèi)土層判定為非液化土層．

2 FLAC3D判別砂土液化

現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)將2．15～7．45 m砂性土層幾乎100%判定為液化土層（表3），數(shù)值模擬主要對(duì)這一土層進(jìn)行模擬和監(jiān)測(cè)．由于引水干渠正常運(yùn)行時(shí)渠基處于地下水位以下，因此，數(shù)值模擬假定土體為完全飽和砂土，符合工程實(shí)際．

2．1 模型建立

將0．0～8．0 m 深度的土層進(jìn)行分層，0～1 m土層為Ⅰ層，2～7 m土層為Ⅱ?qū)樱?～8 m土層為Ⅲ層．模型尺寸為10 m×10 m×8 m，即在X方向上為10 m，Y方向上10 m，Z方向上8 m．對(duì)工程區(qū)進(jìn)行鉆孔取土，在大量土工基礎(chǔ)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到模型計(jì)算參數(shù)見表4．

表4 模型計(jì)算參數(shù)

2．2 模擬過程及結(jié)果

2．2．1 靜力計(jì)算

首先進(jìn)行靜力計(jì)算，利用摩爾－庫侖模型更改強(qiáng)度參數(shù)的彈塑性求解法使土體在重力作用下達(dá)到平衡，得到初始應(yīng)力場(chǎng)．豎向應(yīng)力云圖如圖1所示．

由圖1可以看出，計(jì)算出來的土體最底層豎向應(yīng)力值為151．7 kPa，而其理論值為150．5 kPa，可認(rèn)為初始豎向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果是可靠的．

圖1 初始豎向應(yīng)力云圖

2．2．2 動(dòng)力計(jì)算

動(dòng)力計(jì)算耦合形式采用動(dòng)力－滲流耦合，進(jìn)行動(dòng)力與滲流耦合分析的計(jì)算過程中，采用Finn模型的Byrne模式模擬砂土在動(dòng)力作用下的孔壓積累直至土體液化的過程．在模型底部水平方向（X方向）輸入一個(gè)振幅為0．2 g、頻率為5 Hz的加速度，并且只考慮地震剪切波沿X方向垂直傳入模型．加速度峰值在2 s內(nèi)達(dá)到0．2 g，從15 s開始逐漸減小，17 s時(shí)減小到0．0 g，計(jì)算時(shí)間截止到20 s．模型周圍采用自由場(chǎng)邊界條件吸收地震波在邊界上的反射，并通過主體網(wǎng)格與自由場(chǎng)網(wǎng)格的耦合作用來近似模擬地震過程中自由場(chǎng)地振動(dòng)情況．設(shè)定自由場(chǎng)邊界后的網(wǎng)格如圖2所示．

圖2 設(shè)定自由場(chǎng)邊界后的網(wǎng)格

監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在Ⅱ?qū)?，具體位置如圖3所示．其中a1位于3．15 ～3．45 m 土層，a2 位于 5．15 ～5．45 m土層，a3位于7．15～7．45 m 土層．監(jiān)測(cè)的變量為超孔壓比，監(jiān)測(cè)點(diǎn)a1，a2，a3的孔壓比時(shí)程曲線如圖4所示．

圖4中的3條曲線從下至上分別為監(jiān)測(cè)點(diǎn)a1，a2，a3的孔壓比時(shí)程曲線．由圖4可知：5．15～5．45 m土層（用 a2 表示）和7．15 ～7．45 m 土層（用a3表示）的孔壓比最終都超過 0．9，3．15 ～3．45 m土層（用a1表示）的孔壓比最終超過0．7．根據(jù)劉茜等［6］提出的土體液化破壞開始的標(biāo)志——粉土孔壓比為 0．68、粉砂土孔壓比為 0．87，該工程區(qū)3．15～7．54 m的土層已經(jīng)完全液化．

2．3 數(shù)值模擬與標(biāo)準(zhǔn)貫入法結(jié)果對(duì)比

由現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判定土層液化結(jié)果可知，2．15～7．45 m砂性土層為液化土層．由圖4可以看出FLAC3D的模擬監(jiān)測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)貫入法判定的結(jié)果一致．由圖4還可以看出，地震開始時(shí)（2 s以內(nèi)），a1土層液化土孔壓比上升速度最快，a2土層次之，a3土層最慢;地震中期，a3土層孔壓比的上升速度最快，a2土層次之，a1土層最慢;a3土層最先液化，a2土層次之，a1土層的孔壓比明顯小于其他兩土層，說明上層液化的程度沒有中層和下層嚴(yán)重．

通過對(duì)比數(shù)值模擬方法與現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的判定結(jié)果可知，數(shù)值模擬方法不僅能應(yīng)用到地基砂土液化的判別中，而且能夠?qū)Φ卣鹱饔孟碌鼗巴恋囊夯^程進(jìn)行時(shí)程監(jiān)測(cè)，反映土層的整體液化性狀，從而對(duì)不同土層的液化情況，提出針對(duì)性的治理措施．

3 結(jié)語

1）應(yīng)用FLAC3D判別地基砂土液化，其結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)貫入法判定液化的結(jié)果一致，表明數(shù)值模擬能夠很好地應(yīng)用到地基砂土液化的判別中．

2）數(shù)值模擬方法不僅能對(duì)地基砂土液化進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)和分析，而且能夠?qū)Φ卣鹱饔孟碌鼗巴烈夯^程進(jìn)行時(shí)程監(jiān)測(cè)，反映土層的整體液化性狀，掌握工程中的薄弱環(huán)節(jié)，根據(jù)不同土層的液化情況，選取合理的砂土液化治理措施，為工程的設(shè)計(jì)、施工提供科學(xué)依據(jù)．

［1］趙克榮．飽和砂土液化判別方法的局限性及綜合應(yīng)用實(shí)例［J］．中國煤田地質(zhì)，2007，19（5）：54 －57．

［2］張雪楓，劉林，楊慶山，等．近斷層地震下可液化場(chǎng)地土反應(yīng)的數(shù)值模擬［J］．世界地震工程，2010，26（z）：124－128．

［3］吳然，趙壽剛．激光粒度分析儀穩(wěn)定性分析［J］．黑龍江科技信息，2011（11）：9－10．

［4］譚立新，余志明，蔡一湘．激光粒度法測(cè)試結(jié)果與庫爾特法、沉降法的對(duì)比［C］∥中國顆粒學(xué)會(huì)第六屆學(xué)術(shù)年會(huì)暨海峽兩岸顆粒技術(shù)研討會(huì)論文集．北京：中國顆粒學(xué)會(huì)，2008：76－79．

［5］李蘭，石玉成．激光粒度分析儀測(cè)量黃土粉體粒度的應(yīng)用研究［J］．甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21（4）：46 －50．

［6］劉茜，鄭西來，劉紅軍，等．黃河三角洲粉土液化的試驗(yàn)研究［J］．世界地震工程，2007，23（2）：161 －166．