新西蘭基督城地震宏觀液化特征及宏觀液化等級

李成河，王維銘

(黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150050)

地震液化是一種常見且富有爭議的自然現(xiàn)象，會導(dǎo)致嚴(yán)重的災(zāi)害，被學(xué)者們視為防震減災(zāi)的“毒瘤”，因此，地震中場地液化研究具有重要的工程意義，一直受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)和工程界的高度重視[1-6]。了解液化震害并揭示液化規(guī)律是發(fā)展工程抗液化理論和制定抗震害措施的基礎(chǔ)。自1964年美國阿拉斯加地震和日本新潟地震發(fā)生以來，地震液化引起的地基破壞成為國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員關(guān)注的問題，地基液化主要發(fā)生在國內(nèi)外破壞性地震中。在我國過去幾次震級較大的地震中，都發(fā)生了典型的液化現(xiàn)象，對工程結(jié)構(gòu)造成巨大的破壞，同時也為液化研究提供了相應(yīng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)場地液化調(diào)查資料，進(jìn)一步分析了場地沉積砂層宏觀特征，建立了規(guī)范中液化判別理論和方法，對工程液化減災(zāi)措施的實施起到至關(guān)重要的作用[7-11]。

2011年的新西蘭南島基督城地區(qū)發(fā)生里氏6.3級地震。這次地震給新西蘭帶來了重大損失，震源深度5 km,震中位于利特爾頓市，是一次典型的城市直下型地震，造成了巨大的工程結(jié)構(gòu)破壞和經(jīng)濟(jì)損失。此次地震引發(fā)大規(guī)模液化現(xiàn)象，這是自有地震液化調(diào)查以來液化影響最大的地震[12]。地震對新西蘭保險業(yè)的影響最大，新西蘭保險公司100 a來累計170億美元收益全部用于賠付，僅保險理賠費就占汶川地震直接損失的1/5。因此，深入分析新西蘭地震液化數(shù)據(jù)對砂土液化判別方法以及液化減災(zāi)技術(shù)具有重要意義。

在液化現(xiàn)場調(diào)查資料統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，提出宏觀液化指標(biāo)和等級[13]，對砂土液化的宏觀調(diào)查分析具有指導(dǎo)作用。雖然可以參考現(xiàn)有的地震現(xiàn)場調(diào)查規(guī)范如《中國地震烈度表》(GB/T 17742-2008)《地震現(xiàn)場工作》(GB/T 18208.3-2011)等，但對地震液化場地調(diào)查仍缺少指導(dǎo)性方案。地震液化現(xiàn)象和震害特征的定量研究一直是學(xué)者們努力的方向。王維銘等[13-14]通過對歷史地震液化數(shù)據(jù)資料的分析，提出了基于宏觀現(xiàn)象調(diào)查的液化等級概念及評價方法和標(biāo)準(zhǔn)，為液化場地調(diào)查等基礎(chǔ)工作提出一套具有可操作性的定量評價標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)地震液化場地調(diào)查。

文中對基督城地震液化的宏觀資料及現(xiàn)場調(diào)查資料進(jìn)行分析，提出本次地震的宏觀液化特征，并根據(jù)現(xiàn)有宏觀液化等級評價標(biāo)準(zhǔn)，對新西蘭基督城地震液化的宏觀液化等級進(jìn)行評價。

1 新西蘭地震液化宏觀特點

據(jù)報道，新西蘭地震期間，基督城市約有10 000棟房屋受到砂土液化的影響[15-16]。液化造成的地震破壞影響道路、農(nóng)場、建筑物、堤壩等。如圖1所示，液化噴出物覆蓋了基督城的街區(qū)，街道和建筑物被液化噴射水和砂土覆蓋，汽車等被噴砂掩埋。這次地震中的液化噴砂量在地震史上是罕見的。從液化規(guī)模和砂土液化所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)及生命線工程破壞來看，砂土液化特性十分顯著，因此，有學(xué)者認(rèn)為，地震液化調(diào)查有史以來，本次地震是以液化為主要震害的最嚴(yán)重的地震[12]。地震液化主要表現(xiàn)為涌砂、震陷和地表側(cè)移，這些現(xiàn)象都存在于地震液化中。如圖2所示，地震液化還會導(dǎo)致建筑物、道路、橋梁和其他基礎(chǔ)設(shè)施的側(cè)移破壞。

圖1 基督城地震引起土壤液化噴出物

圖2 液化側(cè)移引起道路破壞

地震發(fā)生后，新西蘭政府成立了震害專項地質(zhì)調(diào)查組，對基督城地區(qū)液化與非液化場地進(jìn)行現(xiàn)場勘查與測試，包括SPT、CPT、現(xiàn)場鉆孔勘察、剪切波速等測試，并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，為液化研究提供了良好的數(shù)據(jù)庫(http://www.nzgd.org.nz)。

2 地震液化場地數(shù)據(jù)特征

文中從新西蘭巖土地震數(shù)據(jù)中心收集184組液化數(shù)據(jù)，建立了液化研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。表1所示為新西蘭地震液化數(shù)據(jù)資料庫統(tǒng)計信息，包括分別收集的飽和砂層埋深、地下水位、SPT擊數(shù)(N)和地表峰值加速度(PGA)數(shù)據(jù)各184例，共736例，其中，444例為液化場地數(shù)據(jù)，292例為非液化場地數(shù)據(jù)。

表1 新西蘭基督城地震液化數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計 例

圖3所示為新西蘭地震期間場地密實度分布，砂的密實度是影響其抗液化強度的重要指標(biāo)。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021-2001)[17]，基于SPT擊數(shù)的砂土密實程度分類如圖3(a)所示，液化場地的松散層約為總場地的55%，稍密層約為25%，中密層約20%。液化主要發(fā)生在非密實土層，密實場地沒有液化。如圖3(b)所示，非液化場地約70%為密實砂土場地，中密場地約占30%。從密實度來看，本次地震液化場地主要集中在松散砂土層中，密實砂土層未發(fā)生液化，這一結(jié)論與現(xiàn)有的液化理論是一致的。

圖3 液化數(shù)據(jù)庫的密實程度統(tǒng)計

圖4所示為新西蘭地震中飽和砂層的埋深分布，根據(jù)圖4(a)液化場地資料，飽和砂層埋深主要在10 m以內(nèi)，約占全部數(shù)據(jù)的80%，而集中在2～4 m 范圍內(nèi)約為40%。值得注意的是，本次地震發(fā)生了砂層埋深超過20 m的場地液化，約占4%。如圖4(b)所示，在非液化場地，飽和砂層埋深分布在2～20 m范圍內(nèi)，埋深0～10 m范圍內(nèi)約占40%。其中埋深分布在4～6 m范圍內(nèi)約為17%，埋深大于20 m的場地約占7%。

圖4 液化數(shù)據(jù)庫飽和砂層埋深分布

這次地震中一個值得注意的現(xiàn)象是埋深超過10 m的深層砂土液化。埋深超過10 m的深層土液化問題一直是人們關(guān)注的課題[18]，目前，工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)埋置深度超過10 m非常普遍。我國抗震設(shè)計規(guī)范中，基于SPT擊數(shù)的液化判別方法的建設(shè)所用數(shù)據(jù)主要來自唐山、海城地震液化數(shù)據(jù)，而液化土層埋深數(shù)據(jù)主要集中在10 m以內(nèi)，只有少數(shù)幾個液化點砂層埋深大于10 m[19]。因此，基督城地震液化資料可為深層砂土液化研究提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖5所示為新西蘭地震中液化和非液化場地之間水位埋深分布的比較。如圖5(a)所示，液化場地99%以上的場地水位在3 m以下，主要集中在1～2 m 范圍內(nèi)，約占50%，其次為2～3 m。如圖5(b)所示，非液化場地內(nèi)水位主要集中在0～3 m內(nèi)，約占80%,3～4 m范圍內(nèi)水位所占比例超過10%。

圖5 液化數(shù)據(jù)庫的水位埋深分布

地下水位深度是影響砂土液化的另一重要因素，地下水位越深，土的液化勢越小，以往地震調(diào)查數(shù)據(jù)表明，液化主要發(fā)生在淺水層。對比圖5(a)和圖5(b)可以看出液化場地與非液化場地水位范圍比較相似，主要集中在0～4 m范圍內(nèi)，但兩者水位埋深集中區(qū)域有所不同，液化場地水位主要集中在1～2 m范圍內(nèi)，非液化場地主要集中在2～3 m范圍內(nèi)，略深于液化場地。同時，非液化場地3～4 m范圍內(nèi)的水位比例比液化場地高約10%。圖6所示為地下水位和飽和砂層埋深的散點分布，液化主要集中在砂層埋深10 m及地下水位0～4 m范圍內(nèi)，最深液化土層埋深近30 m，在歷次地震中砂土液化非常罕見。

圖6 數(shù)據(jù)庫中地下水位和飽和砂層埋深分布

圖7所示為新西蘭地震液化場地和非液化場地的區(qū)域烈度對比。此處烈度主要根據(jù)轉(zhuǎn)換《我國地震規(guī)范動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 183062015)[20]中烈度與PGA對應(yīng)關(guān)系獲得，PGA值由通過回歸記錄得到的衰減關(guān)系估算。由圖7(a)可以看出，液化主要發(fā)生在VIII度、IX度和X度區(qū)域，其他烈度區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)液化。同時，80%以上的液化發(fā)生在IX度區(qū)域，在X度區(qū)域不到5%。如圖7(b)所示，非液化場地中勘察點均在烈度VIII度和IX度區(qū)域，且集中在IX度區(qū)域，占90%。由于液化場地勘察主要集中在基督城市及其周圍，地震動強度比較高，抗震烈度大，因此，大部分?jǐn)?shù)據(jù)收集于高烈度區(qū)域。

圖7 液化數(shù)據(jù)庫烈度數(shù)據(jù)分布

3 特征參數(shù)與液化的相關(guān)性分析

文中采用相關(guān)系數(shù)分析方法比較了場地液化數(shù)據(jù)特征參數(shù)與地震液化數(shù)據(jù)的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)可以表征兩個特征變量之間相關(guān)程度。相關(guān)系數(shù)是介于正負(fù)1.0之間的數(shù)值。其中，“1.0”表示兩個變量之間密切相關(guān)，為正相關(guān)；“-1.0”表示它們之間存在負(fù)相關(guān)；中間“0”表示它們之間沒有相關(guān)性。結(jié)合表2與圖8特征參數(shù)與液化相關(guān)系數(shù)對比，得出以下結(jié)論：地下水位、埋深深度和SPT擊數(shù)(N)與液化呈負(fù)相關(guān)，PGA與液化呈正相關(guān)，SPT擊數(shù)(N)與液化的相關(guān)性最強，其次為飽和砂層埋深和地下水位,PGA指數(shù)的相關(guān)性最小。

表2 特征參數(shù)與液化相關(guān)系數(shù)

圖8 場地特征參數(shù)與液化相關(guān)系數(shù)對比

4 宏觀液化等級

根據(jù)王維銘等[14]提出的宏觀液化指數(shù)和宏觀液化等級評價標(biāo)準(zhǔn)(見表3)，以本次地震地表沉降和地裂縫的地面損害程度、液化涌出和噴砂覆蓋面積等噴水噴砂程度、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷和功能喪失，以及修復(fù)難度和相應(yīng)成本為主要參考指標(biāo)，對本次地震液化宏觀現(xiàn)象等級進(jìn)行評價。

表3 宏觀液化指數(shù)與等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)地震后現(xiàn)場調(diào)查報告[15]，基督城市中心商業(yè)區(qū)內(nèi)場地出現(xiàn)噴水冒砂現(xiàn)象占80%,液化對城區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重破壞,部分地區(qū)民用房屋傾斜，水管設(shè)施下沉7～9 cm，地面位移變形超過10 cm。根據(jù)宏觀液化指數(shù)及等級的評價標(biāo)準(zhǔn)，基督城市區(qū)宏觀液化指數(shù)為0.96，宏觀液化等級為V級，液化程度為非常嚴(yán)重，這些現(xiàn)象與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)論一致。

5 結(jié)束語

通過對新西蘭基督城地震液化資料的收集整理，分析了基督城地震宏觀液化現(xiàn)象及參數(shù)特征，并指出此次地震液化破壞是自液化記錄以來引起

砂土液化的最嚴(yán)重地震。通過液化宏觀參數(shù)與液化的相關(guān)分析，提出了特征參數(shù)與液化的相關(guān)系數(shù)，得出地下水位、液化土層埋深和SPT擊數(shù)與液化呈負(fù)相關(guān)，PGA與地震液化呈正相關(guān)，SPT擊數(shù)與液化的相關(guān)性最強，其次為地下水位、飽和砂層埋深,PGA相關(guān)性最小。利用已有的宏觀液化等級評價標(biāo)準(zhǔn)，給出了基督城地震宏觀液化等級的評價結(jié)果。文中分析結(jié)果可為基督城地震液化的宏觀認(rèn)識提供參考，同時，本次地震宏觀液化特征也為我國液化研究和相關(guān)規(guī)范的改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。