謝曉東,何必

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院,成都 610017)

路基工程中的砂土液化判別與治理

謝曉東,何必

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院,成都 610017)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),對(duì)國(guó)道317線K205+700～K207+100段路基填方段中的淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層進(jìn)行了液化判別。《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ004-89)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5001-2001)的計(jì)算結(jié)果均表明該砂層會(huì)產(chǎn)生液化。但前一規(guī)范的計(jì)算值偏大,在工程中建議使用后一規(guī)范,并以振沖密實(shí)法進(jìn)行預(yù)防。

砂土液化;判別;治理;國(guó)道317

1 前言

地震是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的重要作用力之一,其突發(fā)性、相對(duì)瞬時(shí)性、作用強(qiáng)的特點(diǎn)十分突出。高強(qiáng)度地震誘發(fā)的次生災(zāi)害種類(lèi)很多,如滑坡、崩塌、地陷、砂土液化等,而由這些次生災(zāi)害造成的道路開(kāi)裂、地形隆起、不均勻沉降、橋梁墩臺(tái)滑移或墩、柱、支座破壞等的破壞[1],規(guī)模、范圍是十分巨大的,也是地震造成的最主要損害。在平原等下伏有砂層的地區(qū),砂土液化是最主要的地質(zhì)災(zāi)害,往往造成涌砂、地基失效、滑塌、地面沉降以及地面塌陷等[2]。如,1964年日本新瀉的地震[3],1985年的墨西哥地震[4],1975年的海城地震,1976年的唐山大地震,以及2008年的汶川大地震[5],都引起了大面積的砂土液化,導(dǎo)致地基失效,造成了大量的房屋倒塌實(shí)例,農(nóng)田淹沒(méi)。對(duì)于砂土液化的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量的研究工作,在液化的產(chǎn)生條件、預(yù)報(bào)方法及防護(hù)措施等方面進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和分析,并得到了一系列的成果[6]。因此,在深入研究砂土液化機(jī)理的基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的防治措施,是防止砂土液化的重要手段。本文擬在對(duì)國(guó)道317線 K205+700～K207+100段路基填方段的地質(zhì)條件分析基礎(chǔ)上,介紹砂土液化的判別方法和處理措施。

2 工程概況

國(guó)道317汶川至馬爾康公路工程LJ11合同段樁號(hào) K205+700～K207+100填方路基段位于馬爾康縣城下游敬老院附近,主要位于梭磨河左岸河漫灘一帶(圖1),內(nèi)側(cè)為卓爾登泥石流溝,設(shè)計(jì)里程樁號(hào) K205+700～K207+100,路段全長(zhǎng)約1400m,現(xiàn)設(shè)計(jì)中線高程2587.81～2574.48m,最大填方高度6.83m。由鉆孔揭露,該段路基可分為3層,第一層為第四系全新統(tǒng)人工填筑層(),第二層為第四系全新統(tǒng)沖洪積堆積物(),第三層為三疊系侏倭組(T3zh)變質(zhì)砂巖。其中在第二層中,含有一層淤泥質(zhì)粉細(xì)砂,埋深1.5～2.2m,厚度約5.60～12.60m,地下水位基本為0m。據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,其粘粒含量約4.6%左右,滲透性差,位于Ⅶ度地震烈度區(qū),水平地震系數(shù)Kh取0.1。

3 砂土液化分析

3.1 砂土液化初判

由于砂土液化發(fā)生的范圍較大,具有區(qū)域性的特點(diǎn),所危害的工程類(lèi)別也十分廣泛,例如房屋建筑、橋梁基礎(chǔ)、道路、農(nóng)田、大壩等,各行業(yè)的規(guī)范都有相關(guān)的判別方法,但所用的判別指標(biāo)大致相同,概括起來(lái)包括:地震條件、地質(zhì)條件、埋藏條件、土質(zhì)條件等,判別流程也基本一致,概括起來(lái)如圖2所示。

由圖2可知,地震條件、地質(zhì)條件、埋藏條件、土質(zhì)條件等4個(gè)條件是形成砂土液化的充分必要條件,只要任何一個(gè)條件不滿足,砂土液化都不會(huì)產(chǎn)生。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the study area

圖2 地震砂土液化極限指標(biāo)初判流程圖[2]Fig.2 Flow chart on limit indexesof sandy soil liquefaction at the p reliminary judgment

3.2 砂土液化的進(jìn)一步判別

通過(guò)初步判別確定為有可能形成砂土液化的砂層,還需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,國(guó)內(nèi)一般采取標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),進(jìn)行判別。判別思路一般為:飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)(修正或者不修正),與液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值進(jìn)行比較,若前者小于后者,判斷為液化土?，F(xiàn)介紹最具代表性的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5001-2001)以及《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ004-89)里面有關(guān)砂土液化進(jìn)一步判別的方法。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5001-2001)規(guī)定如下,在地面以下20 m深度范圍內(nèi)的可液化土按下列公式進(jìn)行判別:

式中,Ncr為液化判別標(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;ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m);dw為地下水位埋深(m);ρc為粘土含量百分率,當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r,應(yīng)采用3。

《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ004-89)規(guī)定,當(dāng)土層實(shí)測(cè)的修正標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N1小于計(jì)算的修正液化臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N0時(shí),則判為液化,其中N1和N0按下式計(jì)算:

式中,Cn為標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的修正系數(shù);N68.5為實(shí)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù);Kh為水平地震系數(shù);σ0為標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)處土的總上覆壓力(kPa),σ0=γudw+γd(ds-dw);σe為標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)處土的有效覆蓋壓力(kPa),σe=γudw+(γd-10)(ds-dw);γu為地下水位以上土容重;γd為地下水位以下土容重;ds為標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m);dw為地下水位深度(m);Cv為地震剪應(yīng)力隨深度的折減系數(shù);ξ為粘土含量修正系數(shù),ξ=1-0.17(Pe)1/2;Pe為粘土含量百分率(%)。

應(yīng)當(dāng)指出,砂土液化在各行業(yè)中都有其判別方法,由于篇幅有限,不做贅述。同時(shí),如果條件允許,還可以采用剪切波速進(jìn)行判別。

3.3 砂土液化程度判別

劉穎、謝君斐[8]指出,在同一地震烈度影響下,液化土層的抗液化強(qiáng)度越低、厚度越大、層位越靠近基礎(chǔ)底面,則地基的液化危害越大,所以需要一個(gè)指標(biāo)來(lái)反映液化的程度,并能綜合反映上述各項(xiàng)因素對(duì)液化震陷的影響。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5001-2001)指出,按下式計(jì)算液化指數(shù):

式中,IIE為液化指數(shù);n為在判別深度范圍內(nèi)每一個(gè)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)的總數(shù);Ni、Ncri分別為i點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實(shí)測(cè)值和臨界值,當(dāng)實(shí)測(cè)值大于臨界值時(shí)應(yīng)取臨界值的對(duì)數(shù);di為i點(diǎn)所代表的土層厚度(m),可采用與該標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)相鄰的上下兩標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)深度差的一半,但上界不高于地下水位深度,下界不深于液化深度;Wi為i土層單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值(單位為m-1)。若判別深度為15 m,當(dāng)該層中點(diǎn)深度不大于5 m時(shí)應(yīng)采用10,等于15 m時(shí)應(yīng)采用零值,5～15 m時(shí)應(yīng)按線性值內(nèi)插法取值;若判別深度為20 m,當(dāng)該層重點(diǎn)深度不大于5 m時(shí)應(yīng)采用10,等于20 m時(shí)應(yīng)采用零值,5～20 m時(shí)應(yīng)按線性值內(nèi)插法取值。

當(dāng)計(jì)算出液化指數(shù)時(shí),按表1進(jìn)行等級(jí)劃分。

表1 液化等級(jí)劃分Table 1 Classification of liquefaction grades

從 K205+700～K207+100填方路基段的地質(zhì)條件分析,初判為可液化,需要通過(guò)進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)判別。

在該段路基上,一共進(jìn)行了18個(gè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(圖 3),按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5001-2001)和《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算,得到如表2所示結(jié)果。

圖3 K205+700～K207+100段標(biāo)貫實(shí)驗(yàn)布置圖Fig.3 Experiment layout of Standard Penetration Tests in section K205+700～K207+100

表2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculated results fo rm Standard Penetration tests

通過(guò)表2的計(jì)算結(jié)果分析,兩個(gè)規(guī)范的計(jì)算都表明,18個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的實(shí)際貫入錘擊數(shù)均小于標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值,可判斷該段路基的粉細(xì)砂層會(huì)產(chǎn)生砂土液化。由表2可以得到,該路段大部分試點(diǎn)液化指數(shù)IIE>15,液化程度嚴(yán)重,僅6個(gè)孔的液化指數(shù)IIE在8～15之間,屬中等液化,總體上均容易液化,需進(jìn)行處理。根據(jù)本工程區(qū)淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層的分布規(guī)律及規(guī)模,結(jié)合兩個(gè)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果,對(duì)比結(jié)果分析,《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ004-89)中標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的臨界值計(jì)算結(jié)果偏大,建議本工程中以《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5001-2001)作為液化分析標(biāo)準(zhǔn)更為適宜。

4 處理措施

液化地基處理的基本原則就是提高土層的密實(shí)度和改善排除孔隙水的條件,增大其透水性[9]。鑒于本路段的地質(zhì)特點(diǎn),液化土層為淤泥質(zhì)粉細(xì)砂,地下水位基本為0 m,粘粒含量約4.6%左右,滲透性差,又考慮到公路與工民建相比有涉及范圍大、發(fā)生震害產(chǎn)生的損失小和修復(fù)相對(duì)容易等特點(diǎn),從處理效果和造價(jià)上考慮,建議可采取振沖密實(shí)法進(jìn)行處理。振沖密實(shí)法,即擠密砂石樁法或CFG樁法,使砂顆粒重新排列,減小孔隙比,并加入填料使砂層擠密,從而達(dá)到提高地基承載力和砂層土體的抗液化能力,減小沉降,從而引起土體滲透性能改變,整體強(qiáng)度提高,降低液化指數(shù),達(dá)到消除加固范圍內(nèi)地基液化的目的。

5 結(jié)論

(1)工程區(qū)淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層厚度約5.60～12.60 m,埋深淺(僅 1.50～5.70 m),分布連續(xù)且厚度較大,處于濕-飽和狀態(tài),在Ⅶ度地震作用下,層中孔隙水向臨河側(cè)擠出,散狀砂粒重新排列,產(chǎn)生相對(duì)滑移下沉,從而造成路基沉降變形破壞。

(2)對(duì)砂土液化的判別分為初判和進(jìn)一步判別兩個(gè)階段,進(jìn)一步判別需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判斷。根據(jù)本工程區(qū)淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層的分布規(guī)律及規(guī)模,對(duì)比計(jì)算結(jié)果,建議本工程中以《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5001-2001)作為液化分析標(biāo)準(zhǔn)更為適宜。

(3)鑒于 K205+700～K207+100填方路基段的地質(zhì)條件和考慮成本造價(jià)等因素,處理措施建議采取振沖密實(shí)法。

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DECID INGON SANDY SO IL L IQUEFACTION FOR ROADBED ENGINEERING

Xie Xiao-dong,He Bi
(Sichuan Communication Surveying&Design Institute,Chengdu 610017,China)

Field standard penetration tests were conducted to decide on the liquefaction of the layer of fine silt sand in Section K205+700～ K207+100 of State Road 317.Valueswere calculated by both“Code for Seismic Design of Highway Engineering”(JTJ004-89)and“Code fo r Seismic Design of Buildings”(GB5001-2001).Both results showed the p robability of liquefaction.But,w ith the value by the fo rmer code too big,the latter one is recommended in the engineering p roject and vibro-compaction method is p roposed fo r p revention.

liquefaction;judgment;p revention;State Road 317

P642

A

1006-4362(2011)02-0075-04

2011-01-04 改回日期: 2011-03-21

謝曉東(1978- ),男,四川成都人,工程師,四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院,主要從事公路行業(yè)巖土工程勘察工作。