安慶市某地區(qū)液化場(chǎng)地判別研究

于仕達(dá)，張延軍，李云峰

1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130026；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京 210016

0 引言

砂土液化是指飽和松散粉、細(xì)砂土在振動(dòng)作用下，孔隙水不能及時(shí)排除，水壓瞬間升高，導(dǎo)致土體的有效應(yīng)力迅速減小，當(dāng)土體的有效應(yīng)力降至0時(shí)，會(huì)喪失其原有的強(qiáng)度而轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w狀態(tài)，繼而發(fā)生液化[1]。在發(fā)生砂土液化時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)土體噴砂冒水、地面上浮、建筑物下陷甚至倒塌等現(xiàn)象。在20世紀(jì)六、七十年代發(fā)生的幾次大地震中如美國(guó)阿拉斯加地震、日本新潟地震、中國(guó)唐山地震，均產(chǎn)生了大面積的砂土液化，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，砂土液化問題吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2--3]。

Seed et al.依據(jù)美國(guó)阿拉斯加和日本新潟地震的研究，認(rèn)為顆粒大小處于0.02～2 mm范圍內(nèi)占50%以上的飽和土可能發(fā)生液化，提出了砂土液化判別方法，稱為Seed判別法[4]。1996—1998年美國(guó)國(guó)家地震委員會(huì)分析總結(jié)近20年的研究成果，形成了NCEER法。該法考慮地方震級(jí)、基本地震加速度值和地下水位等因素，認(rèn)為地方震級(jí)<5級(jí)、基本地震加速度值<0.1 g和地下水位以上的土體無需考慮液化。需要考慮液化的土體，通過比較砂土中由于振動(dòng)產(chǎn)生的剪應(yīng)力比CSR和產(chǎn)生液化的所需的剪應(yīng)力比CRR的大小，當(dāng)后者小時(shí)，將會(huì)發(fā)生液化，反之則不發(fā)生[5]。Iwasaki et al.等在這兩種方法的基礎(chǔ)上改進(jìn)提出了LPI判別法，更好地評(píng)價(jià)土體總體的液化風(fēng)險(xiǎn)[6]。中國(guó)學(xué)者們借鑒了Seed判別法的思想，結(jié)合唐山、海城地震和國(guó)外大地震得到的液化數(shù)據(jù)，總結(jié)出標(biāo)貫錘入法和靜力觸探法等經(jīng)驗(yàn)公式的判別方法，稱之為規(guī)范法[7--8]。

本文將對(duì)安慶市的宜秀區(qū)、迎江區(qū)、大觀區(qū)和懷寧縣面積為820余km2面積地表以下20 m淺深度以內(nèi)存在的飽和砂土層、粉砂層和粉土層等可能液化的土層，綜合采用標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探等手段結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行砂土液化判別，并提出合理的工程建議。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，氣候溫和、日照充足、雨量充沛、四季分明,多年平均氣溫16.5℃，多年平均降水量1 419.0 mm。研究區(qū)位于安慶市中心西北，西至月山鎮(zhèn)，北至高河鎮(zhèn)。地貌屬于江北低山丘陵平原區(qū)。以頭坡大斷裂、獨(dú)秀山、郯廬斷裂為界，區(qū)內(nèi)地貌可劃分為低山丘陵區(qū)、平原區(qū)及波狀平原區(qū)，東南部主要為沿江沖積平原區(qū)，西北部為波狀平原區(qū)，中部主要為低山丘陵。本次研究區(qū)域依據(jù)野外調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，砂土和粉土主要分布在長(zhǎng)江沖積平原上(圖1)。

圖1 研究區(qū)域位置示意圖

研究區(qū)內(nèi)第四紀(jì)全新世蕪湖組工程地質(zhì)層廣泛分布，地層頂埋深 0～5.71 m，高程在-4.48～-5.26 m之間，地下水位埋深在0.5～3 m之間，地層由上至下為：雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、圓礫和角礫巖。目前鉆孔已揭露的最大深度達(dá)到80 m，砂土、粉砂和粉土層最大厚度達(dá)到 32.47 m，平均 18.5 m，典型地質(zhì)剖面圖如圖2所示。

2 研究區(qū)淺部液化土工程地質(zhì)特性

為探明研究區(qū)工程地質(zhì)情況、液化土層工程特性及分布規(guī)律，進(jìn)行了大量鉆探、靜力觸探、室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，在研究區(qū)域選取27個(gè)鉆探孔和15個(gè)靜力觸探孔，鉆孔位置如圖3、4所示。

圖3 鉆孔分布圖

圖4 靜力觸探孔分布圖

經(jīng)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)研究區(qū)砂土主要以細(xì)砂、粉砂為主，灰黃色，松散飽和，礦物以石英、云母為主，分選好，級(jí)配差。現(xiàn)場(chǎng)砂土物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。粉土呈灰黃色，以粉粒為主，天然含水率高，粉土的平均含水率31.1%，孔隙比高、天然密度低，孔隙比均值達(dá)0.9，天然密度分布范圍為1.36～1.8 g/cm3，均值為1.59 g/cm3；壓縮性高，壓縮系數(shù)均值為0.86，屬于高壓縮性土；抗剪強(qiáng)度低，快剪黏聚力的均值為4.67 kPa，內(nèi)摩擦角的均值為11.56°。粉土工程地質(zhì)特性指標(biāo)如表2所示。

表1 砂土基本物理力學(xué)特性指標(biāo)

3 研究區(qū)砂土液化判別

3.1 砂土液化初步判別

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)[9]，利用地層年代、黏粒含量、地下水埋深對(duì)飽和土層進(jìn)行初步判斷。安慶市抗震設(shè)防烈度為7°，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g。土層地質(zhì)年代為第四紀(jì)晚全新世(Q4)且黏粒中(粒徑<0.005 mm的顆粒)百分含量<10%。滿足需要進(jìn)行液化判別的條件。上覆非液化土層為雜填土、粉質(zhì)黏土，厚度為2.0～5.0 m，地下水位埋深在0.5～3 m之間。根據(jù)規(guī)范計(jì)算，也需要考慮液化影響。

表2 粉土工程地質(zhì)特性指標(biāo)

3.2 砂土液化復(fù)判

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別

在地面下20 m深度范圍內(nèi)，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值計(jì)算公式為：

(1)

式中：Ncr為標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值，N0為標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值。

(2)

式中：IlE為液化指數(shù)；Ni和Ncri為標(biāo)貫實(shí)測(cè)和標(biāo)貫臨界值。

根據(jù)研究區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)鉆探結(jié)果，對(duì)地表以下20 m內(nèi)可能液化土層做標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，按照式(1)、(2)計(jì)算結(jié)果顯示，27個(gè)鉆孔中的10個(gè)判定為液化。按照式(1)和(2)計(jì)算液化指數(shù)，并劃分了液化等級(jí)，判別結(jié)果如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法液化判別表

3.2.2 靜力觸探判別

依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001,2009版)[10]，若靜力觸探實(shí)測(cè)錐尖阻力實(shí)測(cè)值小于液化錐尖阻力臨界值qccr，則判定土層液化。具體計(jì)算公式為：

qccr=qc0αwαuαp

(3)

αw=1-0.065(dw-2)

(4)

αu=1-0.05(du-2)

(5)

式中：αw為地下水埋深影響系數(shù)；αu為上覆非液化土層修正系數(shù)；αp為阻摩比有關(guān)的土性修正系數(shù)；dw為地下水位深度；du為上覆非液化土層厚度。

根據(jù)研究區(qū)15個(gè)靜力觸探實(shí)驗(yàn)資料，對(duì)存在20 m深度以內(nèi)的砂土層、粉砂層、粉土層，按式(3)～(5)計(jì)算判別，靜力觸探判別結(jié)果如表4所示，除試驗(yàn)點(diǎn)G01判定結(jié)果為不液化之外，其余14個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均為液化。

表4 靜力觸探判別結(jié)果表

4 處理措施建議

基于以上兩種判別方法，分別判別出27個(gè)地質(zhì)鉆孔中10個(gè)孔液化，15個(gè)靜力觸探孔中14個(gè)孔液化，證實(shí)了研究區(qū)存在砂土液化現(xiàn)象。根據(jù)鉆孔和靜力觸探孔的位置，可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)在靠長(zhǎng)江沿岸一帶的迎江區(qū)、宜秀區(qū)液化現(xiàn)象明顯，懷寧縣也存在輕微液化現(xiàn)象。砂土液化現(xiàn)象一旦發(fā)生極易造成地基液化沉陷，針對(duì)這種不良危害的影響程度應(yīng)采用合理的抗液化措施，如換填法、樁基法、深基礎(chǔ)法和加密法等措施可全面消除液化影響；而增加上覆非液化土層的厚度，改良周圍的排水條件等措施可部分消除液化影響；最后，為減輕對(duì)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的液化影響，可提高基礎(chǔ)整體性和剛度，基礎(chǔ)埋置深度設(shè)置要合理，調(diào)整基礎(chǔ)的底面積，盡量避免基礎(chǔ)偏心。對(duì)于在施工過程中采用打樁的工程也應(yīng)考慮振動(dòng)荷載作用誘發(fā)砂土液化的影響。

5 結(jié)論

(1)在現(xiàn)有資料的條件下，通過標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法判別出研究區(qū)的27個(gè)地質(zhì)鉆孔中10個(gè)孔液化，靜力觸探判別法判別出15個(gè)靜力觸探孔中14個(gè)孔液化，證實(shí)了研究區(qū)存在砂土液化現(xiàn)象，迎江區(qū)、大觀區(qū)等長(zhǎng)江沿岸地帶淺部土層極易液化，懷寧縣局部地區(qū)亦存在輕微液化現(xiàn)象。

(2)在實(shí)際工程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)砂土液化的嚴(yán)重程度選用合理的抗液化措施來完全消除、部分消除或減輕對(duì)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的液化影響，從而保證工程的推進(jìn)與生命財(cái)產(chǎn)的安全。