壩基覆蓋層土體地震液化評(píng)價(jià)與工程措施

王富強(qiáng)，張建民

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.清華大學(xué)土木水利學(xué)院，北京 100084)

0 引 言

隨著我國(guó)水能資源開發(fā)的不斷深入，水電工程建設(shè)面臨著越來越復(fù)雜的建壩條件，深厚覆蓋層地基上建壩即是水電工程技術(shù)難題之一。我國(guó)已在覆蓋層上修建了一批土心墻堆石壩、瀝青混凝土心墻堆石壩、混凝土面板堆石壩、混凝土閘壩等。小浪底(壩高160 m，覆蓋層最大厚度約70 m)、瀑布溝(壩高186 m，覆蓋層最大厚度77.9 m)、毛爾蓋(壩高147 m，覆蓋層最大厚度約50 m)和長(zhǎng)河壩(壩高240 m，覆蓋層最大厚度約50 m)等高土心墻堆石壩，以及察汗烏蘇(壩高110 m，覆蓋層最大厚度40 m)和九甸峽(壩高136.5 m，覆蓋層最大厚度65 m)等高混凝土面板堆石壩工程的成功建設(shè)，表明我國(guó)在覆蓋層上建壩方面已取得了顯著成績(jī)，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。隨著水電開發(fā)重點(diǎn)進(jìn)一步向我國(guó)西南和西藏地區(qū)轉(zhuǎn)移，強(qiáng)震區(qū)超深厚覆蓋層上筑壩出現(xiàn)了新的技術(shù)挑戰(zhàn)，例如西藏某高壩工程的初選壩址處覆蓋層深度超過500 m、地震設(shè)防烈度達(dá)到9度，工程設(shè)計(jì)和建設(shè)存在很大難度。

已有工程經(jīng)驗(yàn)表明，壩基覆蓋層土體多具有結(jié)構(gòu)松散、巖性不連續(xù)、成因復(fù)雜、物理力學(xué)性質(zhì)不均勻等特點(diǎn)。其中，透水層和不透水層通常相間分布，甚至出現(xiàn)較大體積的富含砂或粉細(xì)砂的透鏡體。一般認(rèn)為，飽和無粘性土屬于可液化土，如飽和砂土或粉土等，飽和砂土地震液化方面也取得了一系列研究成果[1]。當(dāng)然，也有文獻(xiàn)報(bào)道了砂礫土液化現(xiàn)象[2]。在地震的作用下，覆蓋層中富含砂土層或砂性透鏡體中孔隙水壓力會(huì)上升，甚至出現(xiàn)地震液化現(xiàn)象，從而產(chǎn)生強(qiáng)度弱化和較大的震動(dòng)變形，對(duì)壩體產(chǎn)生不利影響。

針對(duì)強(qiáng)震區(qū)覆蓋層上建壩，工程師主要關(guān)心3個(gè)問題：①壩基覆蓋層是否會(huì)發(fā)生地震液化，即液化判別的問題；②如果覆蓋層中地層或透鏡體發(fā)生了地震液化，其穩(wěn)定性和震動(dòng)變形會(huì)對(duì)大壩會(huì)產(chǎn)生何種影響，即壩基覆蓋層液化是否致災(zāi)；③針對(duì)覆蓋層液化問題，如何采取經(jīng)濟(jì)且有效的工程措施。因此，本文針對(duì)壩基覆蓋層地震液化問題，對(duì)液化判別方法進(jìn)行了梳理，對(duì)壩基覆蓋層液化對(duì)穩(wěn)定性和變形影響進(jìn)行了分析，并論述了壩基覆蓋層地震液化的處理措施。

1 壩基覆蓋層土體液化的判別方法

控制壩基覆蓋層土體地震液化的因素可歸結(jié)為動(dòng)力條件(地震烈度和持續(xù)時(shí)間等)和土性條件(成分、密度和有效固結(jié)壓力等)。液化判別即是比較動(dòng)力作用與覆蓋層土體極限抵抗能力的相對(duì)大小，當(dāng)動(dòng)力作用強(qiáng)度大于土體極限抵抗能力時(shí)，就可能發(fā)生液化，反之則不會(huì)。實(shí)際應(yīng)用中，液化判別方法較多，如經(jīng)驗(yàn)方法、臨界孔隙比法、振動(dòng)穩(wěn)定密度法、標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法、剪應(yīng)力法、剪應(yīng)變法、能量法等。標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法和剪應(yīng)力法在水電工程實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛，其中標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法已被我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[3]、水力發(fā)電工程地質(zhì)勘查規(guī)范[4]等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所采用。

1.1 經(jīng)驗(yàn)方法

常用的經(jīng)驗(yàn)方法包括根據(jù)覆蓋層土體所處的地質(zhì)年代、粒徑級(jí)配、相對(duì)密度以及含水率情況進(jìn)行判別，還可根據(jù)土體的剪切波速等進(jìn)行判別。經(jīng)驗(yàn)方法多用于土體液化的初判[4]，其可靠性主要依賴于震害資料累積和統(tǒng)計(jì)分析等，有時(shí)還需要綜合考慮覆蓋層土體的埋深，即周圍壓力的影響。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法

該方法利用飽和土體的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N63.5與液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr的大小關(guān)系進(jìn)行液化判別。當(dāng)N63.5

1.3 剪應(yīng)力法

該方法由Seed和Idriss[5]提出的簡(jiǎn)化方法發(fā)展而來，以地震在土層中引起的動(dòng)剪應(yīng)力比(CSR)來表征動(dòng)力作用的大小，以一定振次下達(dá)到液化時(shí)所需的動(dòng)剪應(yīng)力比(CRR)來表征土抵抗液化的能力。地震在土層中引起的動(dòng)剪應(yīng)力可由動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算分析得到，也可采用文獻(xiàn)[5]中的簡(jiǎn)化公式計(jì)算，即

式中，amax為地表峰值水平加速度；g為重力加速度；τav為地震產(chǎn)生的平均循環(huán)剪應(yīng)力；σv0和σv0′分別為計(jì)算點(diǎn)的豎向總應(yīng)力和有效應(yīng)力；rd為應(yīng)力折減系數(shù)，其取值可參照美國(guó)國(guó)家地震委員會(huì)的建議?？挂夯魬?yīng)力比CRR可采用室內(nèi)試驗(yàn)和震害調(diào)查確定，室內(nèi)試驗(yàn)由于原位試樣取樣難度和代價(jià)較大應(yīng)用較少，震害調(diào)查則應(yīng)用相對(duì)較多。

1.4 液化判別方法的發(fā)展

上述液化判別方法更注重對(duì)天然地基土體的液化判別，對(duì)于上部結(jié)構(gòu)物的影響考慮較少。然而，對(duì)于大壩而言，壩基中的應(yīng)力條件與天然地基有明顯差別，其液化可能性也會(huì)有較大差別，因此門祿福等[6]曾提出一個(gè)用總應(yīng)力法分析建筑物地基液化的簡(jiǎn)化方法。對(duì)于壩基覆蓋層中可液化土體，除采用相關(guān)規(guī)范規(guī)定的方法進(jìn)行液化判別外，宜采用數(shù)值計(jì)算或震動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行研究，數(shù)值計(jì)算可結(jié)合剪應(yīng)力法進(jìn)行液化判別，也可基于有效應(yīng)力法計(jì)算。

2 壩基覆蓋層土體液化的影響

已有震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地震液化導(dǎo)致的破壞大致可以分為兩種類型：一種是流滑破壞，指的是在小于或等于靜剪切力的作用下，土體產(chǎn)生持續(xù)變形的現(xiàn)象；另一種是變形破壞，指的是在震動(dòng)過程中或震動(dòng)后產(chǎn)生了不可接受的較大永久變形。因此，地震液化影響主要包括2個(gè)方面：①液化穩(wěn)定問題，即液化對(duì)壩基和壩體穩(wěn)定性的影響，核心是評(píng)價(jià)地震作用時(shí)和作用后的土體強(qiáng)度；②液化變形問題，核心在于評(píng)價(jià)土體的動(dòng)力變形特性。

2.1 液化穩(wěn)定

圖1為不排水條件下土體應(yīng)力應(yīng)變曲線的兩種類型，圖1a、1b為單調(diào)剪切作用，圖1c、1d則為循環(huán)剪切作用。其中，第1類土密實(shí)度較低，為剪縮性土，當(dāng)震動(dòng)強(qiáng)度一旦超過其峰值強(qiáng)度，則土體發(fā)生漸進(jìn)性破壞，孔壓持續(xù)上升，抗剪強(qiáng)度持續(xù)減小以致達(dá)到殘余強(qiáng)度Sus，殘余強(qiáng)度小于靜剪切力時(shí)則出現(xiàn)流滑。第2類土密實(shí)度相對(duì)較高，為剪脹性土，隨著剪切變形的發(fā)展，其強(qiáng)度逐漸增加，在不排水條件下一般不會(huì)出現(xiàn)流滑現(xiàn)象。

圖1 不排水剪切條件下土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的兩種類型

對(duì)于第1類土，穩(wěn)定分析中的液化土層宜采用不排水殘余強(qiáng)度Sus。對(duì)于第2類土，地震作用下一般表現(xiàn)為孔隙水壓力增大和有效應(yīng)力的降低，出現(xiàn)地震液化或弱化現(xiàn)象，隨著剪切變形的發(fā)展，該類土?xí)霈F(xiàn)剪脹和剪切吸水現(xiàn)象[7]。因此，第2類土在穩(wěn)定分析中應(yīng)考慮孔隙水轉(zhuǎn)移對(duì)強(qiáng)度和變形的影響，對(duì)其不排水強(qiáng)度進(jìn)行一定程度的降低。

2.2 液化變形

數(shù)值分析方法是評(píng)價(jià)壩基震動(dòng)變形的有效手段，用于地震液化分析的數(shù)值方法主要是動(dòng)力反應(yīng)分析方法。根據(jù)所采用的本構(gòu)模型，動(dòng)力反應(yīng)分析可分為等效線性分析和非線性分析。等效線性分析將土視為粘彈性體，僅適用于小變形、非線性和超靜孔壓不顯著的情況，在模擬地震液化及液化后大變形方面存在局限。

非線性分析根據(jù)本構(gòu)模型不同可分為直接非線性分析和彈塑性分析，根據(jù)超靜孔隙水壓力的考慮方式不同，又可分為總應(yīng)力分析、擬有效應(yīng)力分析和動(dòng)力固結(jié)分析?？倯?yīng)力分析不考慮振動(dòng)過程中孔隙水壓力的增長(zhǎng)、擴(kuò)散和消散過程及其對(duì)土的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變特性的影響，無法模擬地震液化及液化后大變形現(xiàn)象。擬有效應(yīng)力分析則在等效線性動(dòng)力反應(yīng)分析基礎(chǔ)上，將不排水條件下的動(dòng)荷載作用的孔壓發(fā)展模式與固結(jié)理論耦合，固結(jié)分析與動(dòng)力反應(yīng)分析交替進(jìn)行、相互分離。

在基于Biot動(dòng)力固結(jié)方程的動(dòng)力固結(jié)分析中，孔隙水壓力的產(chǎn)生、消散和擴(kuò)散與土體應(yīng)力變形是完全耦合的，可以模擬實(shí)際的地震中土體變形與孔壓發(fā)展及消散情況，其模擬能力主要取決于本構(gòu)模型的有效性。文獻(xiàn)[1]介紹了一種砂土震動(dòng)液化大變形本構(gòu)模型與相應(yīng)算法。

2.3 覆蓋層土體內(nèi)部孔隙水轉(zhuǎn)移的影響

已有震害調(diào)查分析表明，地基或者構(gòu)筑物發(fā)生的流滑破壞，有時(shí)并不是發(fā)生在地震過程中，而是發(fā)生在地震結(jié)束后的某一時(shí)段。例如，1971年美國(guó)圣菲爾南多地震中，圣菲爾南多壩的上游壩坡的流滑破壞大約發(fā)生在震動(dòng)停止后約半分鐘[8]；1964年日本新瀉地震中由于地基土體的側(cè)向流動(dòng)在震動(dòng)后持續(xù)發(fā)展，Showa橋在震后約1 min發(fā)生了橋面垮塌[9]；1975年我國(guó)海城地震主震過后約數(shù)十分鐘，石門嶺土壩上游坡體才發(fā)生滑坡[10]。上述震害的共同特點(diǎn)是流滑破壞均發(fā)生在地震結(jié)束后的某一時(shí)段，震動(dòng)引起的超孔隙水壓力的消散、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移是延遲破壞的影響因素。

目前，一般采用不排水條件的剪切試驗(yàn)評(píng)價(jià)地震液化中的土體狀態(tài)，這可能高估了土體強(qiáng)度同時(shí)低估了變形，在實(shí)際工程中由于部分排水引起的小范圍的體積膨脹也會(huì)使常規(guī)評(píng)價(jià)方法得到的結(jié)果偏于危險(xiǎn)。壩基覆蓋層中常常呈現(xiàn)透水層和不透水層相間分布，土體的排滲條件對(duì)其是否液化及震后變形有很大影響。如圖2a為成層地基中地震作用下孔隙水轉(zhuǎn)移的情形，由于上覆粉土層滲透性相對(duì)很低，中間砂層可認(rèn)為處于整體不排水條件，而在地震動(dòng)過程中和結(jié)束后的一段時(shí)間內(nèi)由于存在孔壓梯度，孔隙水發(fā)生滲流，下部砂層(單元A)就會(huì)向上部砂層(單元B)滲流。那么，對(duì)于土單元A而言，其邊界條件就為部分排水，而土單元B則處于孔隙水流入的邊界條件或者稱為吸水條件。圖2b為該現(xiàn)象的極端情況，在一維管振動(dòng)試驗(yàn)中的砂層和粉土層之間出現(xiàn)“水膜”現(xiàn)象[11]?？紫端D(zhuǎn)移甚至水膜現(xiàn)象的出現(xiàn)，對(duì)成層地基的穩(wěn)定性和變形非常不利，因此，在液化穩(wěn)定和變形分析中考慮孔隙水轉(zhuǎn)移是非常必要的。

圖2 地震作用下覆蓋層土體中孔隙水轉(zhuǎn)移現(xiàn)象

因此，只有在充分認(rèn)識(shí)土體液化的物理機(jī)制基礎(chǔ)上，采用可以統(tǒng)一描述飽和砂土初始液化前后應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的彈塑性循環(huán)本構(gòu)模型及相應(yīng)算法，并基于三維化和高效的計(jì)算模型，才能真正模擬覆蓋層土體的地震液化現(xiàn)象、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)液化對(duì)壩體和壩基穩(wěn)定和變形的影響，進(jìn)而可論證工程措施的有效性。

3 壩基覆蓋層土體液化的工程對(duì)策

對(duì)于判別為可能液化的壩基覆蓋層土體，一般可采取挖除、置換、加密、壓重、封閉等方法。對(duì)于重要工程，宜優(yōu)先采用挖除或置換處理，當(dāng)液化土層埋深較深、挖除困難或不經(jīng)濟(jì)時(shí)可考慮加密等其他措施。加密措施包括振沖、振動(dòng)加密、擠密碎石樁、強(qiáng)夯等，由于土體加密以及局部碎石樁形成豎向排水通道等作用，可有效提高基礎(chǔ)承載力和砂層抗液化能力，降低液化影響。上、下游壓重也是處理壩基覆蓋層土體液化的常用措施，一方面增加壓重可以增強(qiáng)壩基土體的抗液化能力，另一方面也可增加壩體和壩基整體抗滑穩(wěn)定性。

我國(guó)在水電工程建設(shè)中積累了處理液化土層的豐富經(jīng)驗(yàn)。長(zhǎng)河壩礫石土心墻堆石壩壩基埋深4～30 m范圍內(nèi)存在厚0.75～12.5 m的可液化砂層，經(jīng)研究采取了全部挖除方案；獅子坪碎石土心墻堆石壩對(duì)心墻及下游堆石區(qū)基礎(chǔ)中的含碎礫石粉砂層進(jìn)行了8～15 m深的振沖處理；龍頭石心墻壩針對(duì)壩基砂層采取了振沖碎石樁處理；黃金坪瀝青混凝土心墻堆石壩對(duì)壩基可液化砂層采取了基本挖除并設(shè)置下游壓重。硬梁包大壩分為閘壩和面板堆石壩兩部分，針對(duì)壩基覆蓋層中的可液化砂層，閘壩壩基擬采用振沖碎石樁、混凝土連接壩基礎(chǔ)采用地下連續(xù)墻方案，面板堆石壩擬采用振沖碎石樁與壓重結(jié)合的處理方案。對(duì)于混凝土壩，有時(shí)還可采用穿過液化土層的樁基，以降低液化對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié) 語

(1)對(duì)于壩基覆蓋層中的可液化土體，除采用規(guī)范規(guī)定方法進(jìn)行液化判別外，為了分析上部壩體附加應(yīng)力的影響，宜采用數(shù)值方法等開展液化判別。

(2)覆蓋層土體液化的主要影響包括液化穩(wěn)定問題和液化變形問題。對(duì)于剪縮性可液化土層，其地震穩(wěn)定性分析中宜采取不排水殘余強(qiáng)度；對(duì)于剪脹性可液化土層，其地震穩(wěn)定性分析中宜考慮地層中孔隙水轉(zhuǎn)移對(duì)強(qiáng)度和變形的影響，對(duì)其不排水強(qiáng)度進(jìn)行一定程度的降低。

(3)只有在充分認(rèn)識(shí)土體液化的物理機(jī)制基礎(chǔ)上，采用可以統(tǒng)一描述飽和砂土初始液化前后應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的彈塑性循環(huán)本構(gòu)模型及相應(yīng)算法，并基于三維化和高效的計(jì)算模型，才能真正模擬覆蓋層土體的地震液化現(xiàn)象、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)液化對(duì)壩基和壩體變形的影響。

(4)我國(guó)在水電工程建設(shè)中積累了可液化土層處理的豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)處理措施的有效性仍缺乏定量的分析，隨著三維、高效的飽和砂土液化計(jì)算模型的建立和應(yīng)用，液化處理措施的有效性和定量化評(píng)價(jià)將成為可能。