地震作用下岸坡土體影響分析

王鵬飛，呂亭豫

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100007)

分析地震下的岸坡穩(wěn)定主要須考慮地震作用對(duì)岸坡土體的影響。地震動(dòng)荷載會(huì)導(dǎo)致土體超凈孔隙水壓力增加，有效強(qiáng)度降低，甚至引起土體液化。在地震作用和土體強(qiáng)度降低的雙重影響下，岸坡容易發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)。同時(shí)，地震循環(huán)荷載加快了土體固結(jié)，進(jìn)而引發(fā)地基沉降。土體液化、岸坡失穩(wěn)、地基沉降之間相互關(guān)聯(lián)，通過(guò)對(duì)這三者進(jìn)行整體理解和分析，可以準(zhǔn)確判斷地震作用對(duì)岸坡土體的影響。

1 液化分析

1.1 水運(yùn)規(guī)范法

液化是造成地震災(zāi)害的重要因素，須額外關(guān)注砂土、低塑性粉土等易液化土體?！端\(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]首先根據(jù)地質(zhì)年代、土體粒徑進(jìn)行液化初步判別，并對(duì)初判可液化的土層，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步分析。水運(yùn)規(guī)范以Seed簡(jiǎn)化液化判別法為基礎(chǔ)，通過(guò)研究國(guó)內(nèi)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)，提出了臨界擊數(shù)Ncr的計(jì)算公式：

Ncr=N0β[ln(0.6ds+1.5)-0.1dw](3Mc)0.5

(1)

式中：N0為標(biāo)貫擊數(shù)基準(zhǔn)值；β為調(diào)整系數(shù)；ds為貫入點(diǎn)深度；dw為地下水位深度；Mc為黏粒(粒徑小于0.005 mm)含量百分率(不含%)，最低取3。

《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》以震級(jí)M=7.5、液化概率PL=0.32、水位2 m、埋深3 m為基準(zhǔn)，給出了不同地震加速度下的N0。規(guī)范按地震分組進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，對(duì)不同分組，β取值不同；對(duì)不同震級(jí)M，可按β=0.25M-0.89確定調(diào)整系數(shù)。

規(guī)范法計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便，不考慮細(xì)粒(粒徑小于0.074 mm)含量對(duì)抗液化的影響。當(dāng)標(biāo)貫實(shí)測(cè)值N63.5低于Ncr時(shí)，按規(guī)范判定為液化土。

1.2 簡(jiǎn)化液化判別法

Seed簡(jiǎn)化液化判別法是常用的液化判別方法，Youd等[2]對(duì)其進(jìn)行了完善。簡(jiǎn)化判別法通過(guò)計(jì)算抵抗液化的循環(huán)阻力比(cyclic resistance ratio，CRR)和地震下的循環(huán)應(yīng)力比(cyclic stress ratio，CSR)的比值得到液化安全系數(shù)FS，進(jìn)而判斷土體是否液化，公式為：

(2)

(3)

式(3)適用于(N1)60< 30擊的情況，當(dāng)(N1)60≥30擊時(shí)，認(rèn)為土體已足夠致密，不會(huì)液化。另外式(3)僅適用于7.5級(jí)地震，其他震級(jí)須通過(guò)比例系數(shù)MSF對(duì)CRR7.5進(jìn)行修正。

通過(guò)式(4)將實(shí)測(cè)擊數(shù)Nm等效為上覆壓力100 kPa、錘擊能量比60%時(shí)的修正擊數(shù)(N1)60：

(N1)60=NmCNCECBCRCS

(4)

式中：CN為上覆應(yīng)力修正系數(shù)；CE為錘擊能量比修正系數(shù)；CB為鉆孔口徑修正系數(shù)；CR為桿長(zhǎng)修正系數(shù)；CS為取土器修正系數(shù)。其中CN對(duì)(N1)60結(jié)果的影響比較大，可以通過(guò)式(5)、(6)計(jì)算：

(5)

(6)

式中：pa為大氣壓，近似取100 kPa。式(5)、(6)分別由Seed等、Kayen等提出。

引入系數(shù)α和β對(duì)(N1)60進(jìn)行修正以考慮土壤中的細(xì)顆粒含量FC：

(N1)60cs=α+β(N1)60

(7)

α=exp(1.76-190FC2)

(8)

β=0.99+FC1.51 000

(9)

式中：(N1)60cs為考慮土壤中的細(xì)顆粒含量時(shí)(N1)60的修正值。

對(duì)式(8)、(9)，F(xiàn)C須在5%～35%，F(xiàn)C< 5%時(shí)α=0、β=1，F(xiàn)C> 35%時(shí)α=5、β=1.2。

美國(guó)國(guó)防部手冊(cè)[3]建議取液化安全系數(shù)FS=1.2作為液化判別基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中FS通常取1.0～1.2。

1.3 塑性影響

以上計(jì)算均基于土塑性較低的情況，地震下孔隙水壓力上升，土體強(qiáng)度降低。對(duì)塑性更大的土，地震下孔壓上升幅度減緩，土體的延性增加，抵抗剪切應(yīng)變的能力增強(qiáng)。對(duì)高塑性的土，土的靈敏度是決定強(qiáng)度的控制因素。

黏粒含量是進(jìn)行液化初判的關(guān)鍵指標(biāo)。Seed等[4]基于汪聞韶[5]的研究提出液化須滿足以下3個(gè)條件：黏粒(小于0.005 mm)含量CC<

15%、液限ωL< 32%、土壤含水率w> 0.9ωL。Andrews等[6]重新評(píng)估了汪聞韶的地震案例，并結(jié)合后續(xù)的地震數(shù)據(jù)，修正了初判條件：液限ωL≥32%、黏粒(小于0.002 mm)含量CC≥10%，不會(huì)液化；液限ωL< 32%、CC< 10%，對(duì)液化敏感；其他情況須進(jìn)行進(jìn)一步分析。水運(yùn)規(guī)范對(duì)液化的初判也基于黏粒(小于0.005 mm)含量。

后續(xù)研究表明，高塑性土在地震下強(qiáng)度也可能會(huì)下降，但強(qiáng)度下降主要是由大剪切應(yīng)變而非孔隙水壓力造成。靈敏度愈高的土，受擾動(dòng)后強(qiáng)度降低得愈多。高塑性土強(qiáng)度下降與低塑性土液化的原理不同，地震下土體反應(yīng)的類(lèi)型與其塑性程度有關(guān)。對(duì)于塑性較高的細(xì)粒土，可參考Boulanger等[7]提出的循環(huán)軟化判別方法。

而由于土中黏粒不一定表現(xiàn)出塑性，黏粒含量與土壤塑性間沒(méi)有必然聯(lián)系。Seed等[8]認(rèn)為傳統(tǒng)基于土中黏粒含量進(jìn)行液化判別的方法可能不保守，對(duì)含有一定比例細(xì)顆粒的土體，提出基于液限ωL和塑性指數(shù)IP的液化判別標(biāo)準(zhǔn)：1)ωL< 37%、IP< 12%，若土壤含水率wc> 0.8ωL，對(duì)液化敏感；2)ωL< 47%、IP< 20%，若土壤含水率wc> 0.85ωL，可能發(fā)生液化；3)其他情況不易液化，但靈敏度高的土可能因?yàn)橹厮芑蚣羟袘?yīng)變積累發(fā)生強(qiáng)度下降。

1.4 殘余強(qiáng)度

《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定可不計(jì)液化土層強(qiáng)度；當(dāng)有經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)論證時(shí)可基于抗液化指數(shù)IN=N63.5Ncr對(duì)液化土層的樁側(cè)摩阻力指標(biāo)進(jìn)行折減。在IN≤0.6、ds≤10 m時(shí)，不考慮該層強(qiáng)度。

采用簡(jiǎn)化判別法計(jì)算FS，ASCE 61[9]規(guī)定在FS≥1.4時(shí)可不考慮孔隙水壓力對(duì)土體強(qiáng)度的影響；Seed等[10]認(rèn)為在FS≥1.4時(shí)可采用75%的排水強(qiáng)度，F(xiàn)S≤1.1時(shí)采用殘余不排水強(qiáng)度，其間進(jìn)行差值處理。

(10)

(11)

圖1 殘余強(qiáng)度sr與(N1)60cs的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

2 岸坡穩(wěn)定

2.1 岸坡安全系數(shù)

與正常工況不同，地震時(shí)允許岸坡產(chǎn)生一定幅度的位移。對(duì)于建立在岸坡上的樁基結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮地震時(shí)岸坡土體位移對(duì)樁基的影響。水運(yùn)規(guī)范采用圓弧滑動(dòng)面法驗(yàn)算整體穩(wěn)定，在靜力的基礎(chǔ)上再加上按0.25倍水平向地震系數(shù)計(jì)算的地震慣性力，以考慮地震作用。

國(guó)際上主要基于安全系數(shù)FSslope判斷岸坡穩(wěn)定。ASCE 61要求正常工況FSslope≥1.5，地震后和地震時(shí)FSslope≥1.1。對(duì)地震工況，用擬靜力法分析，考慮12地面峰值加速度系數(shù)kmax。正常工況或地震后瞬時(shí)若FSslope達(dá)不到要求，須重新進(jìn)行岸坡設(shè)計(jì)；地震時(shí)若FSslope< 1.1，應(yīng)考慮岸坡土體位移對(duì)樁基的影響。美國(guó)國(guó)家公路合作研究項(xiàng)目的NCHRP Report 611[13]要求計(jì)算正常工況和地震工況下的FSslope，并引入系數(shù)α，考慮岸坡高度對(duì)kmax的影響。

土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)會(huì)隨地震產(chǎn)生的孔隙水壓力和循環(huán)剪切應(yīng)變等因素而變化。對(duì)于不液化的情況，可采用靜不排水強(qiáng)度指標(biāo)。

2.2 滑動(dòng)位移

岸坡上樁基結(jié)構(gòu)在地震時(shí)承受的荷載主要有慣性力和岸坡土體滑動(dòng)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)力(kinematic load)，其中運(yùn)動(dòng)力與土體位移的大小有關(guān)。在采用12kmax、FSslope≥1.1進(jìn)行岸坡穩(wěn)定判斷時(shí)，允許岸坡發(fā)生微小地震位移(25～50 mm)。該位移樁基可以承受，不需要計(jì)算。

地震工況下FSslope< 1.1，可采用Newmark滑塊分析法計(jì)算岸坡位移：

lgd=b0+b1lg(kykmax)+b2lg(1-kykmax)+

b3lgkmax+b4lgPGV

(12)

式中：d為岸坡位移；b0、b1、b2、b3、b4為系數(shù)，通過(guò)對(duì)以往地震案例的分析計(jì)算確定，美洲地區(qū)可參考NCHRP回歸分析的結(jié)果；ky為屈服加速度系數(shù)，即用擬靜力法，采用地震荷載水平下的土體參數(shù)，計(jì)算岸坡穩(wěn)定FSslope=1時(shí)對(duì)應(yīng)的加速度系數(shù)；kmax為地面峰值加速度系數(shù)，須考慮岸坡高度影響；PGV為地面峰值速度，用下式確定(單位為ins)：

PGV=0.393 7×100.434C1

(13)

C1=4.82+2.16lgS1+0.013(2.3lgS1+2.93)2

(14)

式中：S1為1 s譜加速度。

3 地震造成的土體沉降

在地震作用下土體會(huì)發(fā)生沉降，對(duì)樁基結(jié)構(gòu)，地震沉降還會(huì)造成對(duì)樁的下拉荷載。土體液化后沉降最嚴(yán)重，飽和砂土的循環(huán)應(yīng)力比、不飽和砂土的循環(huán)剪切應(yīng)變是決定地震沉降的主要因素。Tokimatsu等[14]提出了計(jì)算地震沉降的簡(jiǎn)便算法，適用于無(wú)細(xì)顆粒的砂土。對(duì)壓實(shí)填土，可參考Stewart等[15]的研究，還考慮了不同細(xì)顆粒含量和塑性的影響。

(15)

式中：γeff為有效剪切應(yīng)變；Geff為相應(yīng)應(yīng)變水平下的土體有效剪切模量；Gmax為小應(yīng)變下的最大剪切模量；其他參數(shù)同式(2)。

圖2 體積應(yīng)變?chǔ)與與各參數(shù)關(guān)系

4 工程算例

某高樁碼頭岸坡如圖3所示，在斜坡處設(shè)有塊石護(hù)面，下部為原狀土，土層分布見(jiàn)表1。震級(jí)M=6.8，地面峰值加速度PGA=0.41g，分析地震作用對(duì)岸坡的影響。

圖3 高樁碼頭岸坡(尺寸：mm；高程：m)

表1 土層分布

按水運(yùn)規(guī)范(IN)和Youd簡(jiǎn)化液化判別法(FS)進(jìn)行液化判別，結(jié)果見(jiàn)圖4。

水運(yùn)規(guī)范未考慮黏粒含量影響，N0取19擊，計(jì)算抗液化指數(shù)IN；簡(jiǎn)化法考慮上覆壓力、細(xì)顆粒含量影響，計(jì)算液化安全系數(shù)FS。結(jié)果顯示，水運(yùn)規(guī)范對(duì)于較深土體的計(jì)算偏于保守，特別是對(duì)細(xì)顆粒含量高、標(biāo)貫擊數(shù)高的情況。以簡(jiǎn)化法液化結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行后續(xù)分析。

圖4 液化判別結(jié)果

分析地震對(duì)土體強(qiáng)度的影響：對(duì)液化土取殘余強(qiáng)度；對(duì)未液化土取靜不排水強(qiáng)度。分別以淺層(取10 m處)和深層(取30 m處)液化土為例，計(jì)算殘余強(qiáng)度sr，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 殘余強(qiáng)度計(jì)算

考慮到碼頭樁基對(duì)穩(wěn)定性和承載力的要求，對(duì)胸墻后方一定范圍的原狀土進(jìn)行振沖碎石樁加固，消除該部分液化。采用GeoStudio軟件的SLOPE模塊進(jìn)行整體穩(wěn)定計(jì)算，正常工況下和地震后FSslope=2.009(滑弧未經(jīng)過(guò)液化土，孔隙水壓力可迅速消散，地震后土體參數(shù)不受影響)，地震工況下FSslope=1.25。岸坡穩(wěn)定滿足要求，地震時(shí)可能發(fā)生微小位移(25～50mm)，不需要額外計(jì)算。

按Tokimatsu等的簡(jiǎn)便算法計(jì)算地震沉降，見(jiàn)表3。根據(jù)標(biāo)貫擊數(shù)對(duì)土層進(jìn)行劃分，相似擊數(shù)的按同一層計(jì)算?？梢钥闯?，液化土產(chǎn)生的體積應(yīng)變?chǔ)與最大，地震沉降最嚴(yán)重；而對(duì)不液化的砂土，在NSR< 0.5時(shí)基本不產(chǎn)生地震沉降。

表3 地震沉降計(jì)算

5 結(jié)論

1)通過(guò)建立標(biāo)貫擊數(shù)與抗液化水平的關(guān)系，判斷土體是否液化。Seed簡(jiǎn)化法適用于砂土，完善后的方法引入了上覆應(yīng)力、細(xì)粒含量、震級(jí)等系數(shù)對(duì)計(jì)算進(jìn)行修正。水運(yùn)規(guī)范法對(duì)于較深土體，以及細(xì)顆粒含量高、標(biāo)貫擊數(shù)高的情況計(jì)算結(jié)果偏保守。

2)土中黏粒不一定表現(xiàn)出塑性，黏粒含量與土壤塑性間沒(méi)有必然聯(lián)系。傳統(tǒng)基于黏粒含量的液化初判標(biāo)準(zhǔn)不保守，建議通過(guò)液限ωL和塑性指數(shù)IP判斷土體對(duì)液化的敏感性。

3)分析地震下土體強(qiáng)度時(shí)，未液化土可取靜不排水強(qiáng)度，液化土可根據(jù)液化程度確定折減系數(shù)或采用液化殘余強(qiáng)度sr。

4)殘余強(qiáng)度sr各算法間結(jié)果差異明顯，應(yīng)用時(shí)可取加權(quán)平均值。

5)地震時(shí)允許岸坡產(chǎn)生一定變形。地震工況下FSslope< 1.1，須計(jì)算岸坡位移。

6)飽和砂土可通過(guò)循環(huán)應(yīng)力比CSR計(jì)算地震沉降，不飽和砂土或干砂的地震沉降可通過(guò)循環(huán)剪切應(yīng)變?chǔ)糜?jì)算。液化砂土體積應(yīng)變?chǔ)與最大，量級(jí)為10-2；部分液化砂土εc量級(jí)為10-3；干砂εc的量級(jí)為10-4～10-2。