漢寧高速公路路基地震小區(qū)劃研究

熊山銘， 賈彥武， 李 萌

(1.江西省贛南公路勘察設(shè)計院，江西贛州341000；2.中國水電顧問集團西北勘測設(shè)計研究院，西安710065；3.陜西省高速公路建設(shè)集團公司漢寧分公司，陜西漢中723000)

0 引 言

漢寧高速是國家京昆高速陜西境內(nèi)的重要一段，起自洋縣金水河畔，止于陜川交界的寧強縣棋盤關(guān)，全長199.23 km. 穿越秦嶺山脈，地形地質(zhì)條件極其復雜，全線共設(shè)橋梁251 座，作為國內(nèi)重點山區(qū)高速公路的建設(shè)典范，工程技術(shù)要求高，施工難度極大. 漢寧高速穿越秦嶺—大巴山地震帶，沿線還分布數(shù)個小地震帶，如漢中地震帶等，其中寧強—城固—洋縣地震帶是四川龍門山地震帶的北延部分，在汶川和玉樹地震后其地震活動明顯加劇.

地震區(qū)的場地劃分，是工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計時的基本參照，不同區(qū)域設(shè)防烈度和抗震標準直接決定建筑物在震時的安全性能和使用性能，準確的地震小區(qū)劃是人民生命財產(chǎn)和構(gòu)筑物安全使用的重要保障. 近些年，在土體動力特性與本構(gòu)關(guān)系、地震反應分析、動力測試、振動液化機制、震害風險評估等內(nèi)容的研究都得到了重大進展[1-5]. 世界各國學者對地震小區(qū)劃工作進行了不少探索，日本學者Kanai 經(jīng)過研究表明， 地面脈動的周期與強震記錄分析結(jié)果基本符合， 并通過對地面脈動的測量得到的弱震譜也能進行詳細的小區(qū)劃分， 且運用該法對1985 年墨西哥地震進行了驗證， 說明在土層的反應可以用彈性理論來解釋具有一定的可靠性[6-7]. 我國學者對地震小區(qū)劃的研究是基于烈度區(qū)劃和場地小區(qū)劃上發(fā)展起來的，根據(jù)待劃區(qū)域內(nèi)的地震地質(zhì)構(gòu)造、地震活動性和區(qū)域地震動衰減特性等環(huán)境因素，估計該區(qū)的基巖地震輸入，用地震反應分析方法計算地面動參數(shù)，預測場地內(nèi)土體及水文對地震的影響，最后判斷發(fā)生地震災害的可能性[8-11]. 田勤虎等人基于GIS 平臺的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以ArcGIS 軟件為平臺建立了西安市地震小區(qū)劃數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，給地震小區(qū)劃研究提供了一種新的方法與思路[12].

文中以漢寧高速公路路基為研究對象，通過對土體在動荷載作用下的特性、場地地震反應譜及在地震作用后路基穩(wěn)定性和危害性進行研究分析與預測評估[13-16]，確保在今后的地震中結(jié)構(gòu)的安全使用，并為編制抗震防災規(guī)劃提供基礎(chǔ)資料.

1 工程地質(zhì)概況

漢寧高速穿越秦嶺山區(qū)和漢中平原區(qū)， 平原區(qū)沿河多為河流沖積形成，地形平坦，地下水位基本于地面同高. 沿線多沼澤、洼地，淤泥質(zhì)豐富，第四季地層厚300 m，通過多孔鉆探分析可知，地表25 m 以內(nèi)分為4 層.

Ⅰ層：1#土層，黃褐色粉質(zhì)黏土，由陸相沖積而成，可塑—軟塑，中壓縮性，厚1.7～3.4 m.

Ⅱ?qū)樱?#～6#土層，全新世紀淺海沉積，厚9～12 m，主要由淤泥及淤泥質(zhì)粉土構(gòu)成； 可分為5 個亞層，其中4#土層強度稍好，標準貫入值達到3.4～6.1，其余均表現(xiàn)為軟—流塑狀態(tài)，高壓縮性，在鉆進時甚至有自沉現(xiàn)象.

Ⅲ層：7#土層，全新世早期沉積，厚4～5 m. 主要為粉質(zhì)黏土，平均標準貫入值達到5.5～6.7.

Ⅳ層：8#土層， 黃色黏土與粉細砂. 上層為粉質(zhì)黏土—粉土互層，可塑，厚1.0～3.5 m；中層為中密粉細砂，厚4 ～5m；下層為黏土，可塑，厚3.1 m.

軟弱土層是該區(qū)域的突出問題， 其中2#、3#和5#土層問題最為顯著. 含水量高達35 %～57 %，孔隙比為1.11～1.49， 壓縮系數(shù)達到0.067～0.131，標準貫入值為3 左右. 各土層物理力學指標見表1.

表1 各土層物理力學指標

2 土的動力特性

2.1 剪切波速

在沿線范圍內(nèi)選取8 個孔測定土體剪切波速，通過試驗得出剪切波速沿深度變化規(guī)律如圖1 所示. 從圖1 中可以看出，頂層軟土的剪切波速基本在100 m/s 左右，隨著深度的增加，波速也逐漸增大，底部黏土及粉土層的剪切波速則高達500 m/s，中間層位的細、 粉砂波速約為300～400 m/s. 通過理論回歸分析，得到剪切波速隨深度的變化規(guī)律如下：

圖1 剪切波速沿深度變化規(guī)律

式（1）中：vs為剪切波速（m/s）；H 為深度（m）；b0、b1及b2為回歸系數(shù)，各類土回歸系數(shù)取值見表2.

表2 各類土波速回歸系數(shù)

2.2 土模量與阻尼系數(shù)

動壓縮模量Ed由動三軸試驗測得， 一般表達式為：

式（2）中：a、b 為待定系數(shù)，εd為動軸向應變.

在平面受力狀態(tài)下， 動壓縮模量Ed與剪切模量G、泊松比μ 有下列關(guān)系：

式（4）中：τd、γd與σd分別為動剪應力、剪應變與動軸向力.

將式（3）改寫成下面形式：

表3 各類土動模量及阻尼比回歸系數(shù)

阻尼比ξ 按下式進行計算：

式（6）中：d1、d2為回歸系數(shù)，取值見表3；γ 為土體重度（kN/m3）. 剪應變與模量比、阻尼比的關(guān)系如圖2 所示.

圖2 剪應變與模量比、阻尼比的關(guān)系

孔隙水壓力與振動次數(shù)有如下關(guān)系：

式（7）、式（8）中：γu為孔壓比，N1為液化振動次數(shù)，s 為液化強度. 當α=0.967，c1=2.116，c2=1.345 時，回歸曲線如圖3 所示.

圖3 粉細砂土孔壓比回歸曲線

3 場地地震反應分析與劃分

3.1 場地地震波的合成

根據(jù)大量地震危險分析結(jié)果，選用50 年超越概率0.1 作為人工合成地震動的危險水平. 文獻[6]中經(jīng)過統(tǒng)計計算結(jié)果，指出地震持續(xù)時間有如下關(guān)系：

式（9）中：t 為地震持續(xù)時間（s）；R 為震中距（km）；V=0 或1，分別表示水平向振動或垂直向振動；S=0或1，分別表示土層或巖石.

根據(jù)近些年25 個地震的107 跳記錄統(tǒng)計得出的持續(xù)時間與震級的關(guān)系，見表4.

表4 地震持續(xù)時間與震級的關(guān)系

取震中距R=50 km， 震級7 級為基本地震標準，根據(jù)公式（9）和表4 所列結(jié)果進行評估，得到該地區(qū)地震持續(xù)時間t≈15 s.

3.2 加速度反應譜

依據(jù)地震波的計算，可求得任意土層的地震反應. 采用一維多質(zhì)點分析體系，根據(jù)質(zhì)點剪應變與剪應力關(guān)系可得到土層邊界處的速度計算公式，整理后n+1 個質(zhì)點在t+Δt 時刻的速度用下式表示：

通過對待劃分區(qū)域8 個地震鉆孔資料及計算分析， 得到了該區(qū)域的地震反應與地面反應譜，如圖4 和圖5 所示. 從圖4 各圖看出：動力放大系數(shù)在周期開始初期增值很大，在0.6 s 過后，動力放大系數(shù)降至0.5 左右，說明在地震發(fā)生后，地震波的作用在逐漸衰減；地震加速度值在地表表現(xiàn)出較大值，6 m 深度后，隨著深度的增加，其值變化不大；土體最大應力則沿深度的增加逐漸增大，近似于線性增長. 從圖5 看出：在地震作用下，地表加速度隨時間呈現(xiàn)震蕩波動形態(tài)，并在2～3 s 時加速度值達到最大值，在11 s 過后逐漸減弱消失.

圖4 典型加速度反應譜沿深度的反應

圖5 加速度時程曲線

3.3 地震動參數(shù)分析

在待劃分的道路沿線具有代表性的區(qū)域進行鉆孔，根據(jù)鉆孔情況，對該地區(qū)地震動參數(shù)進行分析.

3.3.1 地面最大加速度與速度

通過分析得知，在全區(qū)域地面最大加速度值在0.11～0.17 g 之間，相差不到一度，加速度值反映了在該地區(qū)土層的相對均勻性. 根據(jù)鉆孔情況和加速度值的分布情況，將地面最大加速度值分成兩個檔：低檔為0.11～0.14 g；高檔0.14～0.17 g，并由此給出其相應的地震系數(shù)K，見表5；地面最大速度值在7.7～10.4 cm/s 之間變化，可分為兩個區(qū)：低值區(qū)7.7～9.0 cm/s， 區(qū)內(nèi)速度相當于7 度強； 高值區(qū)9.0～10.4 cm/s，區(qū)內(nèi)速度相當于7 度弱.

表5 地震動參數(shù)取值

3.3.2 規(guī)準加速度譜及土層最大應變

為了反映出地區(qū)不同點的情況，給出了各點的規(guī)準加速度反應譜（β 譜），它反映結(jié)構(gòu)質(zhì)點加速度相對于地面加速度的放大作用， 其值在2～4 之間，符合一般常規(guī).

計算表明，土層在地震作用時產(chǎn)生的最大應變在淤泥層，最大可達13×10-4量級，根據(jù)量值將全區(qū)分為兩個檔次：高應變區(qū)8×10-4～13×10-4，低應變區(qū)4×10-4～8×10-4. 高應變區(qū)的土體穩(wěn)定性較差， 表示在地震作用下地基發(fā)生失穩(wěn)的機率更大.

地面最大加速度和規(guī)準反應譜的分區(qū)特征是用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重要依據(jù)，規(guī)準譜的拐點周期如圖6 所示，它表征該區(qū)域地面的卓越周期，對應兩個分區(qū)周期取值分別為0.52 s 和0.63 s. 地震影響系數(shù)α 的定義如下：

式（11）中：T 為結(jié)構(gòu)自振基本周期；K 為表5 中的地震系數(shù)；β 值是根據(jù)場區(qū)周期的變化值， 可參照表5 取值.

圖6 設(shè)計規(guī)準譜

4 液化判別及預防

鉆孔資料顯示，本場區(qū)砂層較少，多為粉土層.從全球現(xiàn)有的地震災害統(tǒng)計可以得出，在地震發(fā)生時， 場區(qū)及其周邊發(fā)生的噴冒現(xiàn)象均為粉土層，在作分析時，值考慮粉土的液化性.

待劃分區(qū)域多屬全新世沉積，土層厚度為20 m左右，且粉土黏粒含量在7 %～9 %，小于規(guī)范10 %的要求，加之地下水埋深也不能滿足初判是否液化的條件，故續(xù)按照標準貫入試驗作進一步判別. 具體液化結(jié)果判別與等級判定見表6.

表6 各類土動模量及阻尼比回歸系數(shù)

從表6 中可以看出，全線大部分地區(qū)為輕微液化區(qū)， 后段龍亭至勉縣段個別路段為中等液化區(qū).結(jié)合前段高速公路穿越山嶺重丘區(qū)，可將全線劃分為中等液化區(qū)，在公路橋梁抗震設(shè)計及防治時按中等液化考慮，確保結(jié)構(gòu)物在地震中能夠安全使用.

5 結(jié) 語

文中通過對陜西省漢寧高速沿線8 個鉆孔資料的分析得知全線軟弱土層較多， 標準貫入值低；土層從上至下分為3 個土層，頂層軟土、中間層位的細、粉砂和底部粘土及粉土層，其剪切波速分別在100 m/s，300～400 m/s 和500 m/s 范圍內(nèi)； 結(jié)合對土體地震反應的分析可將全線分為兩個分區(qū)，不同的區(qū)域的土體動參數(shù)特征明顯不同，最終根據(jù)分區(qū)特征將全線劃分為輕微液化區(qū)和中等液化區(qū)，在該地區(qū)進行結(jié)構(gòu)物抗震設(shè)計時，考慮到處于地震帶中，則按照中等液化考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計.

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