水利水電工程地震液化等級(jí)劃分及處理措施

任 葦

(中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

地震液化是指在強(qiáng)烈地震作用下，處于地下水位以下的砂土等抗剪能力顯著降低直至為零，表現(xiàn)出類似液體特征的現(xiàn)象[1]。對(duì)于砂土液化判別，國內(nèi)普遍按初判和復(fù)判兩個(gè)階段開展工作，初判一般按照年代法、粒徑法、地下水位法進(jìn)行初判，在初判為不液化土后即可不進(jìn)行復(fù)判；液化復(fù)判方法包括GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)法、GB 50021-2001《巖土工程勘察規(guī)范》靜力觸探試驗(yàn)(CPT)法、基于室內(nèi)試驗(yàn)的剪應(yīng)力(SEED簡(jiǎn)化法)等。事實(shí)上,不僅地震會(huì)引起砂土液化，爆炸、機(jī)械振動(dòng)等都可以引起砂土產(chǎn)生液化現(xiàn)象。砂礫石也存在液化現(xiàn)象，在2008年“5·12”汶川大地震震后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，約20%～30%的地表噴出物為中砂、粗砂，而礫、卵石噴出場(chǎng)地有十余處[2]，為此程汝恩等提出了采用重型動(dòng)力觸探擊數(shù)N63.5進(jìn)行砂礫石液化判別的方法[3]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國地震研究不斷取得新進(jìn)展，GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中，通過計(jì)算液化指數(shù)，將液化分為輕微、中等、嚴(yán)重3個(gè)級(jí)別，同時(shí)結(jié)合工程設(shè)防類別，規(guī)定了不同設(shè)防類別、不同液化等級(jí)的抗液化措施。水利水電行業(yè)相關(guān)規(guī)范中，對(duì)液化判別方法提出了明確規(guī)定，回答了砂土是否發(fā)生液化的問題，但沒有明確液化等級(jí)劃分，工程設(shè)計(jì)中，對(duì)不同液化程度的判別及處理評(píng)價(jià)缺乏統(tǒng)一規(guī)定。本文將通過分析不同液化程度表征參數(shù)的特點(diǎn)，提出適用于水利水電工程的地震液化等級(jí)劃分方法及對(duì)應(yīng)措施。

1 水利水電工程液化嚴(yán)重程度分析研究現(xiàn)狀

在部分水利水電工程實(shí)踐中，已經(jīng)開展了相關(guān)各具特色的研究工作，目前，對(duì)于液化嚴(yán)重程度，基本形成了液化指數(shù)法、震陷量計(jì)算、液化度法3種。

1.1 液化指數(shù)法

液化指數(shù)法除在建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用外，也用于風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中的液化等級(jí)劃分，梁海,趙志祥,楊飛等以平原風(fēng)電場(chǎng)為例[4]，詳細(xì)分析了標(biāo)貫試驗(yàn)和雙橋靜探試驗(yàn)在液化判別的中差異,認(rèn)為雙橋靜探試驗(yàn)影響因素小,提出雙橋靜探試驗(yàn)法計(jì)確定液化指數(shù)和液化等級(jí)的方法思路。水利水電行業(yè)與此類似，液化指數(shù)常作為評(píng)判液化程度的指標(biāo)，如符曉對(duì)大渡河丹巴水電站工程地基土開展了初判、復(fù)判[5]，認(rèn)為③層砂層透鏡體存在局部液化可能，④層粉土質(zhì)砂是主要的可能液化土層，為了進(jìn)一步分析主要液化土層液化程度，進(jìn)行了液化指數(shù)分析，計(jì)算數(shù)值在0.38～9.81，認(rèn)為屬輕微～中等液化。荊海峰對(duì)石佛寺水庫開展液化評(píng)價(jià)，認(rèn)為可能液化為中部不良級(jí)配砂，經(jīng)計(jì)算液化指數(shù)在14.33～17.12[6]，屬中等液化。謝洪毅對(duì)大渡河硬梁包工程地基砂層液化進(jìn)行研究[7]，根據(jù)初判認(rèn)為②、④層堰塞沉積細(xì)粒土是主要的可能液化土層，由于第②層深度超過液化指數(shù)計(jì)算范圍，僅對(duì)④層分析計(jì)算液化指數(shù)在0.19～10.54，屬輕微～中等液化。

1.2 震陷量分析及評(píng)價(jià)

我國岷江上游修建的映秀灣、太平驛、福堂、姜射壩等閘壩工程，其壩基均為夾有砂層的深厚覆蓋層基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)時(shí)工程區(qū)基本地震烈度為Ⅶ度或Ⅷ度，地質(zhì)勘探結(jié)論為砂層在經(jīng)受該地震烈度時(shí)均為可液化土層，建設(shè)過程中對(duì)該可液化砂層采取了挖除置換或圍封等處理措施。根據(jù)“5·12”汶川地震后對(duì)其12座工程進(jìn)行調(diào)查成果，多表現(xiàn)為飛石砸損、邊坡崩塌等破壞，主體工程基本完好，震中的映秀灣、耿達(dá)兩座工程出現(xiàn)不均勻震陷現(xiàn)象，其中映秀灣5號(hào)泄洪閘和右岸混凝土門庫擋水壩段縫間豎向錯(cuò)動(dòng)約20 cm、上下游錯(cuò)動(dòng)約5 cm，耿達(dá)電站運(yùn)行后右岸軟硬過渡壩段水平錯(cuò)動(dòng)由震前8 cm增加至20 cm。

對(duì)于軟基閘壩工程而言，液化的危害主要來自不均勻震陷，而由于抗剪參數(shù)降低導(dǎo)致抗滑失穩(wěn)的情況尚未出現(xiàn)。震陷量主要決定于土層的液化程度和上部結(jié)構(gòu)的荷載，由于液化指數(shù)不能反映上部結(jié)構(gòu)的荷載影響，開展采用震陷量來評(píng)價(jià)液化的危害程度也是有效的方法，但筆者尚未收集到水利水電行業(yè)開展該方面研究的成果。在GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中，依據(jù)實(shí)測(cè)震陷、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及有限元法對(duì)一系列典型液化地基計(jì)算得出的震陷變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)震陷量取決于液化土的密度(或承載力)、基底壓力、基底寬度、液化層底面和頂面的位置和地震烈度等因素，提出估計(jì)砂土與粉土液化平均震陷量的經(jīng)驗(yàn)方法，但該方法是否對(duì)水利水電工程適用，值得進(jìn)一步開展研究，而進(jìn)一步根據(jù)震陷量計(jì)算作為判斷液化程度評(píng)價(jià)依據(jù)，尚待進(jìn)一步研究實(shí)踐。

1.3 液化度概念及實(shí)踐

有效應(yīng)力法定義液化度為振動(dòng)超靜孔隙水壓力與上覆有效荷載的比值。

(1)

公式(1)中：Δu為超靜孔隙水壓力，kPa；σd為上覆有效荷載，kPa。

總應(yīng)力法不考慮孔隙水壓力增長時(shí)砂土剪切剛度特性的變化，以Seed法為代表，采用總應(yīng)力法定義液化度公式為：

(2)

公式(2)中:(τd)l為土體抗液化動(dòng)剪應(yīng)力，kPa；(τd)eff為單元實(shí)際動(dòng)剪應(yīng)力，kPa。

應(yīng)該說，儀式感是對(duì)生活的重視，有儀式感的人，會(huì)將儀式感更多地體現(xiàn)在生活的細(xì)枝末節(jié)之中。比如出門前擦擦皮鞋，比如進(jìn)餐時(shí)洗洗手，比如古人讀書前的沐浴焚香等等?？梢哉f，儀式是在制造一種認(rèn)知環(huán)境；而儀式感，是營造良好的認(rèn)知環(huán)境的先導(dǎo)?？雌饋矸睆?fù)的儀式感，是一種內(nèi)在和外在的約束，正是這樣一種約束，讓一個(gè)人能變得更從容、強(qiáng)大、有張力。

根據(jù)公式(2)，容易推導(dǎo)如下：

(3)

可以看出，兩者內(nèi)涵一致。

若IL>1.0，則認(rèn)為會(huì)發(fā)生液化；一般認(rèn)為IL>0.8即發(fā)生液化可能性逐漸增大，為可能液化區(qū)，需采取一定抗液化措施；IL<0.6不會(huì)發(fā)生液化[8]；若液化度在0.6～0.8時(shí)，產(chǎn)生局部液化。因此，采用液化度來評(píng)價(jià)液化等級(jí)，是行之有效的方法，需要開展試驗(yàn)研究，結(jié)合動(dòng)力分析計(jì)算作為依據(jù)。

圖1 方案1壩右0+220 m剖面壩基砂層(τd)eff/(τd)l分布

由圖1可以看出，根據(jù)動(dòng)力分析計(jì)算的液化度成果不僅能反映地震作用與地基土特性、而且考慮了上部結(jié)構(gòu)壓覆荷載的抗液化作用，其成果能更清晰的表征砂土液化的平面位置、深度以及液化程度，為進(jìn)一步采取措施提供更為精確的指導(dǎo)。如賈巍,杜慧超針對(duì)巴塘瀝青混凝土心墻堆石壩壩基砂層地震液化研究中[10]，通過壩基三維有限元?jiǎng)恿Ψ磻?yīng)分析表明，壩后不設(shè)壓坡體情況下，設(shè)計(jì)地震情況時(shí)下壩基Ⅲ巖組液化度約為 0.79，校核地震情況下該巖組液化度達(dá)到 0.94，得到需要采取抗液化措施的結(jié)論。符曉在 “深厚覆蓋層攔河閘壩基礎(chǔ)特性分析及處理研究”一文中，對(duì)液化處理方案開展三維有限元?jiǎng)恿τ?jì)算分析表明，處理后建筑液化度小于0.6，僅在閘右0+10.00 m和閘右0+136.00 m斷面的上下游模型邊界、遠(yuǎn)離建筑物的區(qū)域出現(xiàn)局部小于0.8的液化區(qū)，同時(shí)認(rèn)為第③層中的砂層透鏡體不會(huì)對(duì)壩體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，不對(duì)其進(jìn)行抗液化處理。王麗艷等在采用液化度進(jìn)行液化程度基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建議把液化度作為地震沉陷變形的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)某沉箱基礎(chǔ)砂土液化開展進(jìn)行了研究[11]。

2 水利水電工程液化等級(jí)劃分原則

結(jié)合上述分析可以發(fā)現(xiàn)，震陷量計(jì)算方法尚待進(jìn)一步深入研究，目前不宜作為液化等級(jí)劃分依據(jù)；液化指數(shù)法只需要通過鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)即可計(jì)算，具有簡(jiǎn)便易行、成本低廉的特點(diǎn)，雖然不能反映上部結(jié)構(gòu)的相互作用，但已作為建筑行業(yè)規(guī)范普遍采用的方法、經(jīng)驗(yàn)較多，在水利水電行業(yè)也積累了部分實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；液化度評(píng)判方法需要開展三軸動(dòng)力試驗(yàn)取得動(dòng)力參數(shù)，并進(jìn)一步建立二維或三維動(dòng)力模型進(jìn)行分析，其成本較高，其成果不僅能反映地震作用與地基土特性、而且考慮了上部結(jié)構(gòu)壓覆荷載的抗液化作用，可以獲得砂土液化平面位置、深度以及液化程度等較為精確的成果。

筆者在結(jié)合上述方法特點(diǎn)基礎(chǔ)上，借鑒《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提出對(duì)于設(shè)防類別、液化程度均較低的工程，采用液化指數(shù)開展等級(jí)劃分，而對(duì)于設(shè)防類別、液化程度高的工程，采用液化指數(shù)、液化度雙指標(biāo)劃分方法，為水利水電工程液化處理提供參考，具體劃分方法見表1。

表1 液化等級(jí)劃分及工程處理要求

3 基于液化等級(jí)劃分的地基處理

水利水電工程土石壩抗液化措施中，采用下游壓坡體反壓是常見措施，如巴塘瀝青混凝土心墻堆石壩經(jīng)分析，屬于表1中甲類中等工程，設(shè)置下游壓坡體后,設(shè)計(jì)、校核地震情況下下液化度分別降低到0.46、0.74；多布水電站土工膜防滲砂礫石壩屬于乙類中等工程，在增加下游壓坡體同時(shí)，采取下游坡腳振沖碎石樁方案，進(jìn)一步提高抗液化效果，地震情況下下液化度降低到0.58，均滿足表1處理要求。本文結(jié)合GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)照上表處理措施，針對(duì)具有地基液化問題的閘壩建筑物，初步提出處理原則如下：

(1)對(duì)粗實(shí)線以上部分工程，要求對(duì)可能液化土層全部進(jìn)行液化處理、全部消除液化沉陷。工程措施深度、平面范圍等布置方案宜采用動(dòng)力分析開展液化度評(píng)價(jià)確定，采取工程措施后IL應(yīng)滿足表1中要求。工程措施具體建議如下：

1)采用樁基時(shí)，樁端伸入液化深度以下穩(wěn)定土層中的長度(不包括樁部分)，應(yīng)按計(jì)算確定，且對(duì)碎石土，礫、粗、中砂，堅(jiān)硬粘性土和密實(shí)粉土尚不應(yīng)小于0.5 m，對(duì)其他非巖石土尚不宜小于1.5 m。

2)采用深基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)底面應(yīng)埋入液化深度以下的穩(wěn)定土層中，其深度不應(yīng)小于0.5 m。

3)采用加密法(如振沖、振動(dòng)加密、擠密碎石樁、強(qiáng)夯等)加固時(shí)，應(yīng)處理至液化深度下界，振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)不宜小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值。用非液化土替換全部液化土層.采用加密法或換土法處理時(shí)，在基礎(chǔ)邊緣以外的處理寬度，應(yīng)超過基礎(chǔ)底面下處理深度的1/2且不小于基礎(chǔ)寬度的1/5。

(2)對(duì)粗實(shí)線以上部分開展動(dòng)力分析評(píng)價(jià)后，認(rèn)為液化土層難以全部進(jìn)行液化處理的工程，應(yīng)綜合采取上部結(jié)構(gòu)等措施調(diào)整方案后復(fù)核，調(diào)整后動(dòng)力分析液化度成果仍應(yīng)滿足表1要求，綜合采取上部結(jié)構(gòu)措施可包括：

1)選擇合適的基礎(chǔ)埋置深度；

2)調(diào)整上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)底面積，降低重心位置，減少基礎(chǔ)偏心；

3)加強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，減輕荷載；

4)合理設(shè)置沉降縫，必要時(shí)縫間填塞減震材料，避免采用對(duì)不均勻沉降敏感的結(jié)構(gòu)形式；

5)電氣電纜、金屬結(jié)構(gòu)、管道穿過建筑處應(yīng)預(yù)留足夠尺寸并采用柔性連接。

(3)對(duì)表1中“采取基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)措施部分消除液化”部分，宜借鑒《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中液化指數(shù)計(jì)算方法，部分消除地基液化沉陷，應(yīng)符合下列要求：

1)處理深度應(yīng)使處理后的地基液化指數(shù)減少，當(dāng)判別深度為15 m時(shí)，其值不宜大于4，當(dāng)判別深度為20 m時(shí)，其值不宜大于5，同時(shí)不應(yīng)小于基礎(chǔ)底面下液化土特征深度和基礎(chǔ)寬度的較大值。

2)采用振沖或擠密碎石樁加固后，樁間土的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)不宜小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值，基礎(chǔ)邊緣以外的處理寬度，應(yīng)超過基礎(chǔ)底面下處理深度的1/2且不小于基礎(chǔ)寬度的1/5。

(4)工程措施選擇時(shí)，閘壩工程對(duì)判定為可能液化的土層，如果液化深度小于3 m，用采用挖除置換的措施；對(duì)于大于3 m，或上部有小于3 m的薄層砂礫石等非液化土，宜用振沖、砂石樁、強(qiáng)夯等方法加密，對(duì)于埋深大于3 m以上的液化土層，可采用旋噴樁、振沖樁進(jìn)行處理。上部結(jié)構(gòu)承載力要求需要設(shè)置混凝土灌注樁時(shí)，可結(jié)合液化要求復(fù)核灌注樁長、間距等布置。

4 結(jié) 語

本文通過分析，初步提出了液化指數(shù)、液化度雙指標(biāo)分區(qū)液化等級(jí)劃分方法，同時(shí)初步出了全部或部分消除液化的地基處理措施要求，為水利水電工程不同抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、液化程度、工程處理方案制定提供了思路。