基于超重型動(dòng)力觸探判別礫石土液化在工程中的應(yīng)用

杜治洲, 張著彬, 呂康橋, 楊佳剛

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院,湖北 武漢 430064)

現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的砂土液化判別方法包括初判與復(fù)判,初判主要采用顆分法、地層時(shí)代判別法等,復(fù)判主要采用標(biāo)準(zhǔn)貫入法及相對(duì)密度法[1]。顆分法及地層時(shí)代法等均可用于飽和礫石土的液化初判;但由于礫石土中很難進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),取值難度很大,基于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的砂土液化判別方法對(duì)礫石土的適宜性很差;對(duì)于相對(duì)密度判別法而言,由于實(shí)測(cè)礫石土的天然密度存在諸多困難,導(dǎo)致該判別方法實(shí)用性亦不強(qiáng)。因此,礫石土的地震液化復(fù)判目前仍處在探索階段。

2008年汶川地震中大面積發(fā)生的礫石土地震液化現(xiàn)象,引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。2009年中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所袁曉銘等人在廣泛調(diào)查汶川地震礫石液化實(shí)例的基礎(chǔ)上,針對(duì)礫石液化開(kāi)展了專項(xiàng)研究,提出了基于超重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)判定礫石液化的計(jì)算模型與公式,經(jīng)對(duì)汶川地震砂礫石液化實(shí)例回判準(zhǔn)確性較高。在四川阿壩州俄日水電站工程閘基含粉土質(zhì)礫液化復(fù)判中引用了這一計(jì)算模型與公式,計(jì)算出不同深度處土體臨界錘擊數(shù)值,并實(shí)測(cè)礫石土超重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù),經(jīng)深度與水位校正后,通過(guò)繪制臨界錘擊數(shù)曲線與校正后實(shí)測(cè)錘擊數(shù)曲線并進(jìn)行比對(duì)分析,查明了閘基含粉土質(zhì)礫層的地震液化勢(shì),為閘基處理設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 工程概況

俄日水電站位于四川省阿壩州金川縣境內(nèi)的俄日河上,工程由首部閘壩、引水隧洞和發(fā)電廠房三部分組成。閘壩壩頂高程3 092.0 m,長(zhǎng)105.6 m,最大壩高17.0 m,總庫(kù)容44.4萬(wàn)m3,總裝機(jī)69 MW。閘首從左至右依次布置左岸擋水壩段、3孔泄洪沖沙閘、右岸擋水壩段和進(jìn)水口。泄洪閘沖沙閘布置于河床主流上,閘底高程為3 078.0 m,基本與河床平均高程一致;閘室建基面高程為3 075.0 m。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001),區(qū)內(nèi)未來(lái)50年超越概率10%的基巖地震動(dòng)峰值加速度為0.10g,地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s,相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度[2]。

2 閘首土體分布及物理力學(xué)性質(zhì)

閘基土體自上而下分布如下。

閘基土體分布情況詳見(jiàn)圖1,各土體物理力學(xué)參數(shù)建議值見(jiàn)表1[2]。

3 土體液化初判

依據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287—2016),結(jié)合室內(nèi)顆分成果,對(duì)各土層進(jìn)行了液化初判,初判結(jié)果如下。

②-1含砂卵礫石:該層粒徑<5 mm的礫砂平均含量14.1%,小于初判不液化標(biāo)準(zhǔn)的30%,初判不存在地震液化可能。

②-2含粉土質(zhì)礫:該層粒徑<5 mm的礫砂平均含量53.9%,大于初判不液化標(biāo)準(zhǔn)的30%,初判存在地震液化可能。

②-3中粗砂透鏡體:該層粒徑<5 mm的顆粒含量70.5%,大于初判不液化標(biāo)準(zhǔn)的30%,且無(wú)粒徑<0.005 mm的粘粒,初判存在地震液化可能。

③第四系上更新統(tǒng)漂(塊)卵礫石層:根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287—2016),地層年代為第四紀(jì)晚更新世(Q3)或以前時(shí),可判定為不液化。因此,初判該層不存在地震液化可能。

圖1 俄日水電站閘基工程地質(zhì)橫剖面圖Fig.1 Transverse section of engineering geology of sluice foundation of Eri hydropower station

土層及巖性(代號(hào))天然容重/(kN·m-3)承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk/kPa變形模量E0/MPa抗剪強(qiáng)度凝聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)滲透系數(shù)K/(cm·s-1)允許比降(J允)②-1含砂卵礫石層(Qal4)21.052026.9036.02.1×10-10.2②-2粉土質(zhì)礫(Qal4)20.559031.0036.99.6×10-20.25～0.4②-3中粗砂層(Qal4)17.617610.5029.71.2×10-20.5③漂(塊)卵礫石層(Qfgl3)22.072542.8040.73.5×10-30.25～0.4

4 土體液化復(fù)判

根據(jù)初判,閘基②-2含粉土質(zhì)礫和②-3中粗砂透鏡層均存在地震液化的可能,需要對(duì)其進(jìn)行復(fù)判。②-3中粗砂透鏡層按標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法復(fù)判即可,在此不做介紹。本文重點(diǎn)就應(yīng)用超重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)法對(duì)②-2含粉土質(zhì)礫層的地震液化復(fù)判進(jìn)行論述。

由于②-2含粉土質(zhì)礫層礫石含量高達(dá)48%,且埋藏于河床以下4～7 m,受礫石含量及埋藏等條件限制,既不能對(duì)該土層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),也很難測(cè)定其相對(duì)密度,導(dǎo)致采用標(biāo)準(zhǔn)貫入臨界錘擊數(shù)法及相對(duì)密度法判定其地震液化遇到了困難。經(jīng)查閱附近類似工程研究資料,2009年中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所袁曉銘等人在廣泛調(diào)查汶川地震礫石液化實(shí)例的基礎(chǔ)上,提出了基于超重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)判定礫石液化的計(jì)算公式?？紤]到本工程區(qū)與汶川同屬川西高原峽谷地貌,地理位置較為接近,礫石土沉積環(huán)境具有相似性,因此本工程也采用這一計(jì)算公式對(duì)②-2含粉土質(zhì)礫層進(jìn)行液化復(fù)判。

超重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)判定含粉土質(zhì)礫液化的臨界錘擊數(shù)計(jì)算公式為[3]:

Ncr=N0[0.95+0.05(ds-dw)]×[1+0.5(p5-50%)]

式中:Ncr為貫入30 cm的臨界動(dòng)探擊數(shù);N0為臨界動(dòng)探擊數(shù)基準(zhǔn)值,7度區(qū)N0取9;ds為工程正常運(yùn)用時(shí),動(dòng)探試驗(yàn)點(diǎn)在當(dāng)時(shí)地面以下深度;dw為工程正常運(yùn)用時(shí)的地下水深度,本工程dw取0;p5為含礫量,即<5 mm顆粒的百分含量。

考慮到動(dòng)探試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)時(shí)的深度不同于工程正常運(yùn)用時(shí)的深度,需對(duì)實(shí)測(cè)動(dòng)探錘擊數(shù)進(jìn)行校正。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008),校正公式為[4]:

根據(jù)對(duì)ZK02和ZK03兩個(gè)試驗(yàn)孔的超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)值分別進(jìn)行校正并對(duì)照臨界動(dòng)探錘擊數(shù),其各深度處校正錘擊數(shù)與臨界錘擊數(shù)曲線圖見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 ZK02校正錘擊數(shù)與臨界錘擊數(shù)曲線圖Fig.2 Curve of correction hammer number and critical hammer number of ZK02

由圖2可知,鉆孔ZK02內(nèi)僅高程3 075～3 073.5 m范圍內(nèi)校正錘擊數(shù)小于臨界錘擊數(shù),判定為可液化土層;高程3 073.5 m以下校正錘擊數(shù)均大于臨界錘擊數(shù),判定為不液化土層。

圖3 ZK03校正錘擊數(shù)與臨界錘擊數(shù)曲線圖Fig.3 Curve of correction hammer number and criticalhammer number of ZK03

由圖3可知,鉆孔ZK03所有校正錘擊數(shù)均大于臨界錘擊數(shù),判定為不液化土層。

根據(jù)基于超重型動(dòng)力觸探臨界錘擊數(shù)對(duì)②-2含粉土質(zhì)礫的地震液化判別表明,除ZK02上部1.5 m范圍存在地震液化可能外,其它部位均為不液化土層。綜合本工程實(shí)際分析,由于②-2含粉土質(zhì)礫層為中密狀態(tài),上覆②-1含砂卵石層透水性均較好,有利于超孔隙水壓力的消散,且在壩體對(duì)地基土層的附加應(yīng)力作用下,將有效約束土體的豎向變形,有利于提高土體抗液化作用,因此,綜合判定②-2含粉土質(zhì)礫層為非液化土。

5 應(yīng)用可靠性評(píng)估分析

本文引用的超重型動(dòng)力觸探臨界錘擊數(shù)判別公式是中國(guó)地震局基于汶川地震砂礫石液化實(shí)例提出的。該判別公式由動(dòng)探擊數(shù)基準(zhǔn)值、含礫量、砂礫土埋深、地下水深度和地震烈度等5個(gè)參數(shù)組成。根據(jù)汶川地震液化砂礫土埋深及地下水位變化范圍較大的特點(diǎn),采用歸一化方法導(dǎo)出動(dòng)探擊數(shù)基準(zhǔn)值,利用優(yōu)化方法推導(dǎo)出砂礫土深度及地下水位的影響系數(shù),較全面地考慮了砂礫土液化的影響因素,經(jīng)汶川地震液化實(shí)例回判成功率較高,且與現(xiàn)有規(guī)范中標(biāo)貫錘擊數(shù)判別法具有明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此,該判別公式在理論上基本適用于礫石土地震液化復(fù)判。

由于俄日水電站所處位置金川縣與汶川同屬川西地槽區(qū),為橫斷山系高山峽谷地形,地理位置接近,礫石土沉積環(huán)境具有相似性,因此,在本工程閘首含粉土質(zhì)礫液化復(fù)判中引用了該公式,且已將液化復(fù)判結(jié)果應(yīng)用于閘基處理設(shè)計(jì)優(yōu)化中。但該判別公式尚未收錄進(jìn)相關(guān)規(guī)范,說(shuō)明其普適性有待進(jìn)一步論證。其他類似工程在參考、引用該判別公式時(shí),仍需在區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、沉積環(huán)境、礫石土特征、地震震級(jí)、地下水位特征等方面仔細(xì)斟酌,如有條件,可根據(jù)場(chǎng)區(qū)附近砂礫石液化實(shí)例對(duì)公式相關(guān)系數(shù)進(jìn)行修正。

6 結(jié)論

飽和礫石土存在地震液化的可能,從有利于工程安全計(jì),需采取措施消除其液化影響。在既不能對(duì)飽和礫石土進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),又難以檢測(cè)其相對(duì)密度的條件下,均無(wú)法采用現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)貫入臨界錘擊數(shù)法和相對(duì)密度法對(duì)地震液化進(jìn)行復(fù)判。通過(guò)本工程的應(yīng)用實(shí)踐表明,基于超重型動(dòng)力觸探臨界錘擊數(shù)的判別方法解決了礫質(zhì)土地震液化判別的困難,且具有操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)連續(xù)、成果可靠等優(yōu)點(diǎn),為類似工程飽和礫石土液化判別具有很好的參考作用。