利用剪切波速進(jìn)行地震液化判別淺析

于 卿

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068； 2.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100000)

1 概述

隨著我國(guó)城市進(jìn)程的加快，地下軌道交通已經(jīng)成為越來(lái)越多城市拓展交通運(yùn)輸能力的首選，在地鐵修建過(guò)程中對(duì)場(chǎng)地的抗震情況進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估是必不可少的程序，高烈度地區(qū)地震液化對(duì)地下結(jié)構(gòu)的危害也尤為明顯，因此在軌道交通建設(shè)前對(duì)建設(shè)場(chǎng)地的地震液化判別顯得尤為重要。本文結(jié)合北京地鐵新機(jī)場(chǎng)線某工點(diǎn)勘察成果，對(duì)該地區(qū)地基土剪切波速與地震液化的關(guān)系進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。

2 地震液化判別的主要方法

當(dāng)前現(xiàn)行規(guī)范中，對(duì)地基土地震液化判別主要采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行，如現(xiàn)行GB 50909—2014城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定中，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值可按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

其中，Ncr為判別標(biāo)準(zhǔn)貫入液化錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度,m；dw為地下水位,m；ρc為粘粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，取3；ηm為與設(shè)防地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期分區(qū)相關(guān)的調(diào)整系數(shù)。

采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果作為地震液化判別的唯一依據(jù)存在很大的缺陷，在實(shí)際勘察過(guò)程中，僅會(huì)對(duì)某一層的數(shù)個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)試，其試驗(yàn)成果不夠連續(xù)，不能完整的反映出場(chǎng)地的地震液化趨勢(shì)；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的實(shí)測(cè)擊數(shù)基本靠鉆機(jī)工人的記錄，人為因素影響過(guò)大，其結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠性不易得到保證；因此需要一種可以在一定程度上替代標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的可靠試驗(yàn)方法，以便對(duì)場(chǎng)地的地震液化判別提供準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)。

而在場(chǎng)地類別判定勘察過(guò)程中，土層的剪切波速是一個(gè)必須的指標(biāo)，因此可以通過(guò)剪切波速作為場(chǎng)地液化判別的依據(jù)且采用該指標(biāo)不增加勘察工作量。目前規(guī)范中，對(duì)于采用土層剪切波速對(duì)場(chǎng)地液化進(jìn)行判別主要有以下2種計(jì)算方法：

1)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)土層的剪切波速大于式(2)計(jì)算所得上限剪切波速時(shí)，可判為不液化。

(2)

其中，Vst為上限剪切波速度，m/s；KH為地震動(dòng)峰值加速度；Z為土層深度，m；rd為深度折減系數(shù)；其計(jì)算方法為：

Z=0 m～10 m，rd=1.0-0.01Z；Z=10 m～20 m，

rd=1.1-0.02Z；Z=20 m～30 m，rd=0.9-0.01Z。

2)《巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定：利用剪切波速對(duì)地面下15 m范圍內(nèi)飽和砂土和粉土的地震液化性狀進(jìn)行判別時(shí)，可采用式(3)進(jìn)行，當(dāng)場(chǎng)地實(shí)測(cè)剪切波速Vs大于計(jì)算臨界剪切波速時(shí)，可判為不液化。

(3)

其中，Vscr為飽和砂土或飽和粉土液化剪切波速臨界值，m/s；Vs0為與烈度、土類有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；ds為剪切波速測(cè)點(diǎn)深度,m；dw為地下水深度,m。

盡管上述規(guī)范所得公式是通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)所得，有其一定的適用性和可靠性，但由于地層的差異性，各個(gè)地區(qū)地層性狀區(qū)別很大，不加區(qū)分的對(duì)公式進(jìn)行套用也存在著較大的問(wèn)題。因此在單獨(dú)工點(diǎn)的應(yīng)用上還應(yīng)對(duì)其特殊性進(jìn)行把握，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)測(cè)并建立單獨(dú)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律以便提供更加可靠的指導(dǎo)性。

3 剪切波速對(duì)地震液化判別的應(yīng)用

本工程擬建場(chǎng)地位于北京市大興區(qū)，場(chǎng)地地形整體平坦，地貌上位于永定沖洪積扇中上部，屬于第四紀(jì)沖洪積平原區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探、原位測(cè)試及室內(nèi)土工試驗(yàn)成果綜合分析，擬建場(chǎng)地沉積相地層從上至下依次為人工填土層、新近沉積層、第四紀(jì)沖洪積層及古近紀(jì)基巖?？辈炱陂g鉆探深度范圍內(nèi)觀測(cè)到一層地下水，地下水類型為層間潛水～承壓水，主要含水層為卵石圓礫層及其以下砂土、卵石地層，地下水水位穩(wěn)定水位埋深為27 m～30 m，水位季節(jié)性變幅在2.0 m～3.0 m。根據(jù)GB 18306—2015中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖，擬建場(chǎng)地基本地震動(dòng)峰值加速度為0.20g，基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期分區(qū)值為0.40 s，地震抗震設(shè)防烈度值為8度。

表1 水位以下場(chǎng)地土類型、剪切波速值及液化判別結(jié)果

在罕遇地震作用條件下，場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度可增大1度按照9度進(jìn)行抗震設(shè)防考慮，根據(jù)GB 50909—2014城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)要求，地下水位按地面下5.0 m進(jìn)行判別，抗震設(shè)防地震動(dòng)分檔0.40g，設(shè)防地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期分區(qū)為0.40 s區(qū)時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)對(duì)場(chǎng)地土進(jìn)行液化判別，判別結(jié)果顯示，擬建場(chǎng)地地面下20 m深度范圍內(nèi)的部分飽和粉土及砂土存在地震液化，液化等級(jí)為輕微～中等。液化土層為②層砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土、②3層粉細(xì)砂、③層砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土、③3層粉細(xì)砂、④2層砂質(zhì)粉土黏質(zhì)粉土、④3層粉細(xì)砂。水位以下場(chǎng)地土類型、剪切波速值及液化判別結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出，場(chǎng)地內(nèi)粉土、砂土層當(dāng)剪切波速大于300 m/s時(shí)，土層基本不發(fā)生液化，因此對(duì)于該工點(diǎn)附近場(chǎng)地，可采用剪切波速300 m/s作為液化與否的閾值。但需要注意的是，該值僅可作為該工點(diǎn)附近場(chǎng)地土液化判別使用，是否可推廣至更大場(chǎng)地范圍仍需對(duì)更多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試、統(tǒng)計(jì)后方可確定。

參考文獻(xiàn):

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[2] GB 50909—2014，城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范(2009修訂版)[S].