海上風電地震液化評價中國內(nèi)國外兩類方法的思考

王 浩

（中國三峽集團上海勘測設計研究院有限公司，上海 200443）

引 言

風機基礎的造價是海上風電建設的主要成本之一。為降低基礎成本，海上風電建設中重力式、吸力桶等淺基礎的應用越來越多。海底震害調(diào)查表明，海床淺表層土結(jié)構(gòu)疏松，易于發(fā)生液化。海底坡度較緩甚至小于1°的海床也可發(fā)生側(cè)移破壞。當海底表層發(fā)生液化，在波浪及洋流作用下，液化土體易形成泥流，引起大規(guī)模的滑移，造成大規(guī)模海床土體突然滑坡。天然地基的淺基礎更易因地基液化而發(fā)生不均勻沉降，導致基礎失穩(wěn)。在國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范中，地震液化判別方法有多種，各種方法均是在一定的研究和工程經(jīng)驗下取得的。其中代表性的兩類分別為中國國家標準《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011）[1]所代表的標準貫入試驗法和以美國National Center for Earthquake Engineering Research（NCEER 1996）[2]為代表推薦的國外靜力觸探法。我國海域遼闊，海洋環(huán)境及海床地質(zhì)條件復雜。因此，按照我國沿海海上風電場地的特定條件和工程經(jīng)驗，選擇合理、可靠和適用的地震液化判別方法就顯得尤為關(guān)鍵。

1 國內(nèi)外海洋工程液化判別方法分析研究

1.1 國內(nèi)相關(guān)規(guī)范對地震液化判別的規(guī)定

1）基本方法

目前國內(nèi)海上風電勘察中地震液化分析評價主要執(zhí)行或參照國內(nèi)規(guī)范和行業(yè)標準，對地震液化判別規(guī)定見表1。

表1 不同規(guī)范對地震液化判別規(guī)定

從表1可見，除了《海上平臺場址工程地質(zhì)勘察規(guī)范》沒有就地震液化判別方法做具體規(guī)定外，其余規(guī)范均執(zhí)行《建筑抗震設計規(guī)范》。這種方法，在評價程序上是先進行初判，對于初判可能液化的情況，再進一步采用標準貫入試驗判別法，相應的判別公式為：

當Nm≤Ncr，則判別為不液化；

當Nm＞Ncr，則判別為液化。

式中：Ncr為液化判別標貫擊數(shù)臨界值；Nm為實測標貫試驗錘擊數(shù)；其他符號的意義參見文獻[1]。

應當說明的是，除了文獻[1]、文獻[3]到文獻[6]，國內(nèi)廣泛采用的地震液化標準貫入試驗判別法之外，在國標《巖土工程勘察規(guī)范》條文說明《鐵路工程抗震設計規(guī)范》和鐵路行業(yè)標準《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)范》及一些地方規(guī)范中也提出了采用靜力觸探成果進行地震液化判別的方法，其判別思路同標準貫入試驗判別法是一致的，即實測計算比貫入阻力小于液化比貫入阻力臨界值或?qū)崪y計算錐尖阻力小于液化錐尖阻力臨界值時判斷為液化，否則判斷為不液化。

2）存在問題

國內(nèi)規(guī)范中的標準貫入試驗判別法是根據(jù)國內(nèi)外大地震后陸域液化場地和非液化場地進行的對比性試驗數(shù)據(jù)建立起來的判別準則，并且這個標貫擊數(shù)是實驗的實際擊數(shù)，代入評價公式時不能經(jīng)過任何修正，也就是說對于影響標貫擊數(shù)實際效果的各種影響因素是不加考慮的。此外，根據(jù)我國相關(guān)規(guī)范，陸域液化判別的最大深度為工程建成后地坪以下20 m，因此，陸域勘探進行標準貫入試驗時，最大鉆桿長度一般也不會超過30 m。國內(nèi)對于采用靜力觸探成果進行地震液化判別，雖然在鐵路國標中作為正式條文提了出來，而更多的是作為行業(yè)標準或地方標準提出的，所以這種方法在國內(nèi)的適用范圍，目前還有很大的局限性。而且，在我國的海洋港口工程領域，在相關(guān)的規(guī)范中尚未見到用靜力觸探進行地震液化判別的規(guī)定。

然而，根據(jù)我國海上風電建設的有關(guān)資料統(tǒng)計，截止2016年底建設的海上風電場平均水深約28 m，目前在建的海上風電場最大水深接近 50 m。這樣一來，海上風電場地勘探中的鉆桿至少平均要達到48 m以上，最大長度可能需要達到70 m。如此深的試驗深度對標準貫入試驗錘擊數(shù)的影響多大，至今仍沒有研究清楚。而且，標準貫入試驗錘擊數(shù)還會受到勘探平臺的穩(wěn)定性、鉆桿的穩(wěn)定性及其直徑等因素的影響。因此，需要從這些方面來進一步研究標準貫入試驗地震液化判別法在海上風電工程中的適用性。

1.2 國外海洋工程砂土液化判別方法

1）基本方法

國外海洋工程中用于地震液化判別方法的是以T.L. Youd, I. M. Idriss[2]所述的美國National Center for Earthquake Engineering Research（NCEER 1996）推薦方法和英標/歐標British standards BS EN 1998-5:2004/Eurocode 8：Design of structures for earthquake resistance[11]的方法為代表。這兩種方法在本質(zhì)上均是先估算代表地震在可能液化土層作用效應的循環(huán)應力比（CSR），后估算代表相應土層地基抗力的周期應力比（CRR），然后比較周期應力比和循環(huán)應力比的相對大小，即計算抗液化安全系數(shù)FS=CRR/CSR的值。對于周期應力比的估算，二者的均提出采用標貫試驗法和靜力觸探法。

按照美國 National Center for Earthquake Engineering Research（NCEER 1996）的建議為：

其中：

當FS≥1，則判別為不液化；

當FS＜1，則判別為液化。

式中：CRR7.5為7.5級地震相應的周期應力比；MSF為相對于 7.5級地震的場地抗震設防震級修正比例系數(shù)；σv0為土體計算深度處豎向總應力；σv0’為與σv0相同深度處土體豎向有效應力；amax為地震動峰值加速度；g為重力加速度；rd為應力折減系數(shù)，其取值按以下方法：

其中：z表示地表以下的深度，以米為單位。

1）采用標貫試驗

按照T. L. Youd, I.M. Idriss[2]，National Center for Earthquake Engineering Research（NCEER 1996）的標貫試驗法如下：

對于(N1)60cs＜30：

對于(N1)60cs≥30，直接判別為不液化。

式中：α、β為與土中細粒組分含量有關(guān)的修正系數(shù)；Nm為實測標貫試驗錘擊數(shù)；CN為經(jīng)過相對于上覆有效土壓力為100 kPa的標貫試驗錘擊數(shù)歸一化系數(shù)；CE為標貫落錘錘擊能量與自由落體錘擊能量之比為 60 %的修正系數(shù)；CB、CR、CS分別為鉆孔直徑、桿長和貫入器規(guī)格等工藝有關(guān)的修正系數(shù)；(N1)60為經(jīng)過相對于上覆土壓力為100 kPa歸一化，標貫試驗工藝修正，標貫落錘錘擊能量與自由落體錘擊能量之比為 60 %的能量修正等綜合修正的標準貫入試驗錘擊數(shù)；(N1)60cs為在(N1)60基礎上再對標貫進行土質(zhì)修正后的標準貫入試驗錘擊數(shù)。

2）采用靜力觸探

采用靜力觸探CPT的周期阻力比法，需要對描述土質(zhì)或土類的參數(shù)Ic、Ic’先后進行三次循環(huán)計算，把粘質(zhì)土、粉質(zhì)土和粒質(zhì)土區(qū)分開來，對實測錐尖阻力進行歸一化處理，最后修正為等效的凈砂土的錐尖阻力來計算土的抗液化周期應力。按照T. L. Youd, I. M.Idriss[2]，并參考劉松玉[12]、Olsen R. S.[13]等，美國National Center for Earthquake Engineering Research（NCEER 1996）對關(guān)于靜力觸探CPT的周期阻力比法評價地震液化計算過程的介紹如下：

式中：qc為實測錐尖阻力；fs為實測側(cè)壁摩阻力。

當Ic＞2.6時，表明土富含粘土或具塑化，不易液化。

當Ic＜2.6時，

式中：σv0′、qc、pa的單位須統(tǒng)一，其中pa=0.1 MPa=100 kPa。

當Ic′＞2.6 時，則qc1N=(qc/pa)×(pa/σv0′)0.7；

當Ic′＜2.6 時，則qc1N=(qc/pa)×(pa/σv0′)0.5；

若Ic′≤1.64 時，則Kc=1.0；若 1.64＜Ic′＜2.4 且F＜0.5 %，則Kc=1.0；

若Ic′＞1.64 時，

若Ic′≥2.6，則判別為不液化。

若 50≤(qc1N)cs＜160，則：

若(qc1N)cs＜50，則：

如果CRR7.5/CSR7.5≥1，則可判別為不液化，如果CRR7.5/CSR7.5＜1，則可判別為液化。

1.3 國內(nèi)國外兩類標貫判別方法的比較

根據(jù)有關(guān)文獻[14]，我國規(guī)范所采用的地震液化標準貫入試驗臨界擊數(shù)判別法是我國的研究人員根據(jù)地震震害調(diào)查資料建立發(fā)展起來的一種經(jīng)驗公式法，該方法是以實際資料為基礎，采用了統(tǒng)計學的方法，自1978年被《工業(yè)與民用建筑抗震設計規(guī)范》（TJ 11-78）納入規(guī)范時的公式如式（18）所示，在該規(guī)范修訂為《建筑抗震設計規(guī)范》（GBJ 11-1989）時，為了考慮對輕亞粘土判別的需要，增加了粘粒含量修正項，公式修正為式（19）形式。后隨著資料的積累和研究的深入，演變?yōu)槭剑?）所示的形式。

分析《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011）[1]，我國的標準貫入試驗判別地震液化的方法可以看出，與地震液化臨界錘擊數(shù)Ncr進行比較的Nm為標貫試驗的實際擊數(shù)，代入評價公式時是不能經(jīng)過任何修正的，也就是說對影響標貫擊數(shù)實際效果的各種影響因素是不加考慮的。顯然，我國的標準貫入試驗判別地震液化的方法，有較強的實用性和針對性，也很簡單易于操作，但很明顯這種方法比較粗略一些。

National Center for Earthquake Engineering Research（NCEER 1996）[2]建議的標貫試驗法，是在seed和Iddriss（1971）[17]提出的簡化方法的基礎上經(jīng)過多次改進得來的，雖然其最初的依據(jù)是實驗室內(nèi)對38個樣品試驗的結(jié)果統(tǒng)計分析。但是，在采用標貫試驗成果判斷時，要對實測錘擊數(shù)Nm經(jīng)過土質(zhì)修正、標貫試驗工藝修正、試驗落錘實際錘擊能量修正以及有效上覆土壓力的歸一化處理等修正。因此，同樣是采用標貫擊數(shù)，該方法更為科學。

1.4 國內(nèi)國外兩類靜力觸探方法的比較

從國內(nèi)對于采用靜力觸探成果進行地震液化判別方法的規(guī)范要求和適用范圍來看，主要是作為行業(yè)標準或地方標準出現(xiàn)的，國標《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011）[1]沒有采納這種方法，水運工程、海洋平臺和海上風電等海洋水運工程有關(guān)的抗震設計類規(guī)范也沒有采納這種方法。

國外海洋工程勘察中，靜力觸探得到了廣泛應用，到目前海床式CPTU和井下式CPTU的測試水平已經(jīng)很高，用CPTU等靜力觸探數(shù)據(jù)判別砂土液化的研究比較深入，積累了豐富的經(jīng)驗，測試指標錐側(cè)摩阻力、錐端阻力、孔隙水壓力等為隨深度變化的連續(xù)曲線，數(shù)據(jù)量也比要比標準貫入試驗多很多，這樣就不會出現(xiàn)漏判的情況。相對于國內(nèi)的少數(shù)規(guī)范中靜力觸探判別地震液化判別中，簡單的采用計算實測比貫入阻力或錐尖貫入阻力與臨界比貫入阻力或臨界錐尖阻力相對大小比較得出液化結(jié)論的方法而言，國外的靜力觸探液化判別法，在使用靜力觸探數(shù)據(jù)時，要對數(shù)據(jù)從土質(zhì)和上覆土壓力等方面進行修正，來盡可能地消除了各種因素對試驗成果的影響。

從以上分析比較可以看出，雖然國內(nèi)的地震液化標準貫入試驗法，簡單易行，在國內(nèi)使用效果也很好，但相對來說，國內(nèi)規(guī)范對試驗數(shù)據(jù)的處理比較粗略。另一方面，從評價程序來看，國外的地震液化評價方法，采用了地震作用力和地基土抗液化的抗力以及安全系數(shù)的概念，在概念上更加清晰，理論上更加嚴謹，而且在國外的廣大的海洋工程中得到了更廣泛的工程實踐檢驗。因此，本文主要就是利用某海上風電的勘察成果為基礎，分別采用國內(nèi)的地震液化標準貫入試驗法和國外的地震液化靜力觸探法，通過工程案例，對兩種判別方法結(jié)果進行比較分析，以期找出更適宜我國沿海的海上風電工程液化判別方法。

2 某海上風電場的工程地質(zhì)條件

某海上風電風場區(qū)水下地形總體較平坦，水深5～9 m。擬采用單樁基礎，每個風機位布置2個勘探孔，其中鉆孔和靜探孔各1個，二者相距8 m左右。共選擇了風場區(qū) 14臺風機勘察的標貫試驗成果和靜力觸探成果進行分析。對埋深在20 m范圍內(nèi)，分布較穩(wěn)定的②層粉砂進行液化判別。

場地設計基本地震加速度為0.10g，設計地震第三組。風場區(qū)周邊150～200 km范圍內(nèi)歷史上發(fā)生地震的最大震級為8.5。

3 兩種方法液化判別成果比較

3.1 準貫入試驗判別法

鉆探采用以改裝船舷側(cè)搭設鉆探平臺方式，其中10臺風機標準貫入試驗采用的鉆桿直徑為42 mm；4臺風機標準貫入試驗采用的鉆桿直徑為50 mm。標準貫入試驗采用63.5 kg機械式自動下落的穿心錘，自由落距 76 cm，貫入器為對開式，標貫試驗時先預擊15 cm，然后每打10 cm計數(shù)一次，以最后30 cm的貫入度計錘擊總擊數(shù)。

按《建筑抗震設計規(guī)范》第4.3條對②層粉砂進行液化判別。液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值為 7，地下水位dw為0，粘粒含量百分率ρc取3。

3.2 CPTU周期阻力比法

采用多功能CPTU，探頭錐角為60°，錐底截面積10 cm2，摩擦套筒面積150 cm2，孔壓傳感器安裝在探頭錐頭肩部以上5 cm處。根據(jù)上述公式和原則，對各風機位的靜探孔分別進行判別。

3.3 兩種方法判別結(jié)果對比分析

兩種判別方法成果對比見表5。從表5可見，14臺風機中有3臺風機判別結(jié)果基本一致，約占21 %；有11臺風機判斷結(jié)果不一致，約占79 %。在不一致的11臺風機位，有6臺風機標準貫入試驗判別的結(jié)果比CPTU判別結(jié)果液化程度嚴重或液化土層占比大；有 4臺風機標準貫入試驗判別結(jié)果為不液化，CPTU判別成果是液化或部分土液化。

在6臺標準貫入試驗結(jié)果比CPTU嚴重的，標準貫入試驗時均采用 42 mm鉆桿，與規(guī)范要求是一致的。在4臺CPTU判斷結(jié)果比標準貫入試驗判別結(jié)果差異嚴重的中，有2臺風機標準貫入試驗時采用直徑為50 mm的鉆桿，說明鉆桿直徑大造成標準貫入擊數(shù)偏高，與一些學者進行42 mm鉆桿與50 mm鉆桿進行標準貫入試驗對標準貫入擊數(shù)影響的研究成果一致。

在判別結(jié)果一致的3臺風機中，2臺標準貫入試驗時鉆桿直徑為42 mm，1臺標準貫入試驗時鉆桿直徑為50 mm。

表5 兩種方法判別結(jié)果對比分析

4 結(jié) 語

通過對國內(nèi)外兩類地震液化分析評價方法的理論分析和工程案例比較表明：

1）國內(nèi)的標準貫入試驗判別法，以陸域地震災害調(diào)查的資料為基礎，簡單易行，但采用的是實測標貫擊數(shù)，沒有考慮錘擊效率、桿長和土質(zhì)等因素影響。而海上風電項目一般海水有一定深度，標準貫入試驗時鉆桿長度遠大于陸上標準貫入試驗時鉆桿長度。國外的靜力觸探 CPTU能夠直接較準確地測得錐端阻力、側(cè)壁摩阻力等指標及其隨深度的變化，而且利用其進行液化判別評價時，以試驗為基礎，概念明確，理論方面更為嚴謹，通過循環(huán)計算排除土質(zhì)的影響，借助計算機或簡單的軟件，計算過程方便快捷，在國外海上項目經(jīng)過了廣泛的應用和檢驗。

2）通過某海上風電工程14臺風機勘察成果，采用國內(nèi)標準貫入試驗判別法和國外CPTU周期阻力比法進行液化判別比較可以看出，液化判別成果有很大的差別，有86 %判別結(jié)果不一致，標準貫入試驗判別的結(jié)果比CPTU判別結(jié)果液化程度嚴重或液化土層占比大。

綜上所述，需要進一步研究國內(nèi)標準貫入試驗判別法在海上風電工程中的適用性問題，建議國內(nèi)沿海項目海上風電項目的地震液化評價目前階段以采用國外的靜力觸探CPTU法為宜。