上海某工程場地砂土液化不同判別方法對比分析

郝少雷，張 兵，陳夢瑞

(昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引 言

砂土地震液化[1]是飽水的疏松粉、細(xì)砂土在周期荷載的往復(fù)振動(dòng)下，顆粒骨架重新排列導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，滲透性變差，如果沒有有效排水，則孔隙水壓力將迅速上升，當(dāng)孔隙水壓力直至接近或小于總應(yīng)力后，有效應(yīng)力將會(huì)趨近于0，土樣將完全喪失抗剪切能力，出現(xiàn)顆粒懸浮在水中的現(xiàn)象。噴砂冒水、地基沉陷、建筑物傾斜、開裂等是砂土地震液化最直觀的現(xiàn)象，所造成的破壞將嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全和市政設(shè)施的正常運(yùn)行。因此，在地震條件下，判別場地內(nèi)砂土層液化與否，是評價(jià)地基土穩(wěn)定的關(guān)鍵一環(huán)[2-3]。

由于歷史及行業(yè)習(xí)慣原因，建筑、鐵路、公路等行業(yè)在液化判別式及有關(guān)規(guī)定上存在一定的差異。目前，我國砂土地震液化判別主要依據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“《建筑抗規(guī)》”)[4]、GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“《鐵路抗規(guī)》”)[5]、JTG/T B02—01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》以及JTG C20—2011《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》等進(jìn)行評價(jià)。不同行業(yè)的評價(jià)結(jié)果的差異性是客觀存在的，但都合乎規(guī)矩[6-7]。本文以上海包頭路沉管搶修工程為例，采用現(xiàn)行規(guī)范《建筑抗規(guī)》和《鐵路抗規(guī)》中的液化判別法，對地基土進(jìn)行液化評價(jià)，分析了2種規(guī)范砂土液化判別的差異，并對研究區(qū)砂土液化判別結(jié)果進(jìn)行探討。

1 研究區(qū)概況

1.1 工程概況

本文沉管搶修工程位于上海市楊浦區(qū)，北起市光路，南至國和路，全長約380 m。根據(jù)上海區(qū)域地質(zhì)資料及臨近工程地質(zhì)資料[8]，研究區(qū)場地淺層有粉性土分布，厚度大于10 m。該層土極易發(fā)生管涌、流砂，且具有中等～嚴(yán)重液化特性。

圖1 研究區(qū)典型地質(zhì)剖面

1.2 研究區(qū)液化土工程地質(zhì)特性

為探明包頭路段(市光路～國和路)砂質(zhì)粉土層分布規(guī)律及工程地質(zhì)特性，進(jìn)行了鉆探、原位測試及室內(nèi)等一系列試驗(yàn)。研究區(qū)地層20 m以內(nèi)的砂質(zhì)粉土層呈灰色，以粉粒為主；研究區(qū)土層天然含水率高，平均達(dá)31.2%，飽和度均值達(dá)95%；容重均值為18.4 kN/m3，平均比重2.7，孔隙比高，均值達(dá)0.887；壓縮系數(shù)均值為0.23 MPa-1，壓縮模量均值為8.47 MPa，屬中等壓縮性土層。研究區(qū)砂質(zhì)粉土層不同深度黏粒含量見圖2。

圖2 研究區(qū)不同深度黏粒含量百分比

1.3 研究區(qū)抗震指標(biāo)

研究區(qū)淺部發(fā)育全新世(淤泥質(zhì))軟土，砂質(zhì)粉土液化現(xiàn)象明顯，屬于對建筑抗震不利地段。根據(jù)《建筑抗規(guī)》，包頭路段建筑抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，屬于第二組設(shè)計(jì)地震分組，即研究區(qū)為Ⅳ類建筑場地。

2 砂土層液化判別方法

2.1 《建筑抗規(guī)》

對場地內(nèi)飽和砂土、粉土進(jìn)行液化初判，對不滿足發(fā)生液化條件的砂質(zhì)粉土層，可判定為不液化土層或不考慮其造成的液化影響[9]。當(dāng)研究區(qū) 20 m 以內(nèi)揭露飽和砂土、粉土且需要進(jìn)一步進(jìn)行液化判別時(shí)，按下式計(jì)算液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值

(1)

式中，Ncr為標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，研究區(qū)取值為7；β為調(diào)整系數(shù)，研究區(qū)為第二組設(shè)計(jì)地震，取0.95；ds為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)深度；dw為地下水埋深；ρc為黏粒含量百分比，當(dāng)ρc<3(或?yàn)樯巴?時(shí)，取3。

2.2 《鐵路抗規(guī)》

對場地內(nèi)飽和砂土、粉土進(jìn)行液化初判，然后對需要進(jìn)一步液化判別的砂土、粉土，按下式進(jìn)行判定

Ncr=N0α1α2α3α4

(2)

α1=1-0.065(dw-2)

(3)

(4)

α3=1-0.05(du-2)

(5)

(6)

式中，α1為地下水位埋深修正系數(shù)；α2為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)深度修正系數(shù)；α3為上覆非液化土層厚度修正系數(shù)；α4為黏粒含量百分比修正系數(shù)。

2.3 規(guī)范法原理對比

在砂土地震液化判別上，《建筑抗規(guī)》與《鐵路抗規(guī)》都采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，即當(dāng)飽和砂土、粉土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N63.5≤Ncr時(shí)，判定為土層發(fā)生液化。其中，《鐵路抗規(guī)》液化判別式為錘擊數(shù)基準(zhǔn)值N0與多個(gè)修正系數(shù)的乘積，計(jì)算結(jié)果較分散，而《建筑抗規(guī)》為擬合曲線的對數(shù)和差公式，相比而言更為合理[10]。2種規(guī)范的砂土液化判別式在不同的設(shè)計(jì)基本加速度上，其N0值有一定差別。根據(jù)《建筑抗規(guī)》，研究區(qū)建筑抗震設(shè)防烈度為7，設(shè)計(jì)基本加速度為0.10g，而同等條件下《鐵路抗規(guī)》規(guī)定第一區(qū)建筑抗震設(shè)防烈度為6，第二、三區(qū)為8。2種規(guī)范N0值對比見表1。

表1 2種規(guī)范N0值對比

為探明2種規(guī)范對同一設(shè)計(jì)基本加速度給出不同N0值的原因，將影響Ncr值的修正因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2。從表2可知，《鐵路抗規(guī)》判別式將上覆非液化土層厚度進(jìn)行了修正，對換填地基液化評價(jià)有促進(jìn)作用。因此，在計(jì)算砂土液化Ncr值時(shí)，《鐵路抗規(guī)》較《建筑抗規(guī)》考慮得更全面。

表2 2種規(guī)范Ncr值修正因素對比

3 研究區(qū)砂土液化判別

將研究區(qū)數(shù)據(jù)代入《建筑抗規(guī)》與《鐵路抗規(guī)》中的判別式，即可求得各測試點(diǎn)的標(biāo)貫擊數(shù)臨界值Ncr。圖3給出了各點(diǎn)處土層N63.5與Ncr隨貫入深度變化情況，當(dāng)N63.5位于Ncr左側(cè)時(shí)，表明土層受到的地震荷載大于土層的抗液化強(qiáng)度，即土層發(fā)生液化?；?種不同方法的判別結(jié)果，根據(jù)研究區(qū)項(xiàng)目所在地區(qū)要求(上海市《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》)，選取《建筑抗規(guī)》判定結(jié)果為研究區(qū)地基土液化性評價(jià)依據(jù)。

圖3 研究區(qū)N63.5和Ncr隨土層深度的變化

從圖3可知，研究區(qū)實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)N63.5大部分小于臨界標(biāo)貫擊數(shù)Ncr，其中地表以下2～10 m范圍內(nèi)發(fā)生局部液化概率較大，10～20 m范圍內(nèi)發(fā)生液化概率大。

《建筑抗規(guī)》與《鐵路抗規(guī)》液化判別結(jié)果較一致，詳細(xì)結(jié)果對比見表3?！惰F路抗規(guī)》將上覆非液化土層厚度加入液化評價(jià)，相較于《建筑抗規(guī)》考慮更為全面，應(yīng)適當(dāng)參考其評價(jià)結(jié)果。對比《建筑抗規(guī)》，《鐵路抗規(guī)》在Z1號鉆孔15.3 m深度和Z4號鉆孔19.3 m深度處，砂質(zhì)粉土層判定為液化，應(yīng)按照“不利組合”綜合選取判定結(jié)果。

4 結(jié) 語

本文基于《建筑抗規(guī)》和《鐵路抗規(guī)》，對上海包頭路沉管搶修項(xiàng)目場地進(jìn)行砂土液化判別，得出以下結(jié)論：

(1)《鐵路抗規(guī)》判別式將上覆非液化土層厚度進(jìn)行了修正，對換填地基液化評價(jià)有促進(jìn)作用；而《建筑抗規(guī)》在地基土液化評價(jià)上則偏于保守。但《建筑震規(guī)》液化判別式是以擬合型曲線表示的對數(shù)和差公式，較《鐵路抗規(guī)》的判別式更為合理。

(2)2種規(guī)范在包頭路項(xiàng)目場地液化判別結(jié)果存在一定差異，各自有特定的適用范圍和側(cè)重點(diǎn)，僅采用《建筑抗震》法判別結(jié)果進(jìn)行砂土液化評價(jià)具有不確定性，宜適當(dāng)參考《鐵路抗規(guī)》法判別結(jié)果綜合判別，以提高可靠性。

表3 2種不同規(guī)范砂土液化判別結(jié)果比較