李大爭，金治雄，王理想

（1．華北水利水電學院，河南鄭州 450045;2．天津市引灤于橋水庫管理處，天津 301900）

對于飽和砂土液化的判別，目前《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）及《水利水電工程地質勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）要求以標準貫入試驗為主，以靜力觸探為輔，有經驗的地區(qū)可采用剪切波速測試，但這些傳統的判別方法都有一定的局限性［1］．影響標準貫入試驗精度的因素除鉆探的成孔質量、泥漿的稠度、貫入的操作方法外，還存在一個重大的影響因素，即標準貫入試驗法未考慮上覆地層的巖性和厚度，上覆非液化土層厚度是影響液化的主要因素;并且標準貫入法采用的是“一點化段”，判別雖然細微，但不能反映土層的整體液化性狀．有限差分等數值模擬軟件可以有效、準確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形過程［2］，這使得數值模擬方法在地基砂土液化判別領域有其明顯的優(yōu)勢．

南水北調中線工程引水干渠經過的河南段存在大量的砂土，在地震或外荷載作用下，飽和砂土液化將引起干渠基礎的不均勻沉降，導致引水干渠發(fā)生開裂、失效，從而影響工程的正常運營和穩(wěn)定．借助巖土工程數值分析軟件FLAC3D，對南水北調中線工程河南段引水干渠渠基進行數值模擬，并與現場標準貫入法判別的液化結果進行對比，彼此相互驗證，分析數值模擬方法應用于地基砂土液化判別的可行性和精度．

1 標準貫入試驗判別砂土液化

1．1 激光法測定黏粒含量

標準貫入試驗判別土層液化時，需要進行土的顆粒粒度分析．激光法因其測試速度快，測量粒徑范圍廣，穩(wěn)定性、重復性好等優(yōu)點［3－5］，在我國得到了廣泛的推廣應用．在此，采用激光法測定黏粒含量．

激光法采用英國馬爾文儀器公司生產的MS2000激光粒度分析儀．在引水干渠液化區(qū)地質鉆探3個孔間距為10 m 的鉆孔，編號為 1#，2#，3#，終孔深 8．15～8．45 m，取樣深度分別為：1．15 ～1．45 m，2．15 ～ 2．45 m，3．15 ～ 3．45 m，4．15 ～4．45 m，5．15 ～ 5．45 m，6．15 ～ 6．45 m，7．15 ～7．45 m，8．15 ～8．45 m．

在1#，2#，3#號鉆孔各深度共取土樣24個，用激光法重復測定土樣黏粒含量2次，然后取其各自的黏粒含量平均值作為土樣黏粒含量ρc的最終值．這里需要說明的是，對同一土樣進行2次平行分析，要求2次平行分析黏粒含量互差在3%以內，以保證排除人為誤差;重復測定土樣2次，取其平均值，是為了得到每個樣品更精確的黏粒含量，測定結果見表1．

表1 激光法測定土樣黏粒含量

1．2 標準貫入法

根據《水利水電工程地質勘察規(guī)范》（GB 50487—2008），當實測飽和砂土標準貫入錘擊數（未經桿長修正）小于液化判別標準貫入錘擊數臨界值（N63．5＜Ncr）時，應判為液化土層．當標準貫入深度ds≤15 m時，選用以下公式：式中：Ncr為飽和砂土標準貫入錘擊數臨界值;N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值，按表2取值;ds為標準貫入點深度，m;dw為地下水位深度，m，實測地下水位dw為6．8 m;ρc為黏粒含量百分率，%，按表1取值，當ρc＜3%時，取3%計算．

表2 液化判別標準貫入錘擊數基準值

1．3 標準貫入試驗判定液化結果

南水北調中線工程河南段引水干渠位于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，采用標準貫入試驗對3個鉆孔的24個土樣進行渠基砂土液化判別時，標準貫入點深度取個點錘擊深度的平均值，判別液化結果見表3．

表3 標準貫入試驗判別液化結果

從表3中可以看出：在這3個鉆孔的24次試驗中，18次判為液化的占72．5%;鉆孔區(qū)整體土層的0．0 ～1．3 m 判定為非液化土層，1．3 ～7．3 m 范圍內隨深度分布的輕粉質砂壤土、砂土、重粉質砂壤土幾乎全部液化，7．3～8．3 m深度內土層判定為非液化土層．

2 FLAC3D判別砂土液化

現場標準貫入試驗將2．15～7．45 m砂性土層幾乎100%判定為液化土層（表3），數值模擬主要對這一土層進行模擬和監(jiān)測．由于引水干渠正常運行時渠基處于地下水位以下，因此，數值模擬假定土體為完全飽和砂土，符合工程實際．

2．1 模型建立

將0．0～8．0 m 深度的土層進行分層，0～1 m土層為Ⅰ層，2～7 m土層為Ⅱ層，7～8 m土層為Ⅲ層．模型尺寸為10 m×10 m×8 m，即在X方向上為10 m，Y方向上10 m，Z方向上8 m．對工程區(qū)進行鉆孔取土，在大量土工基礎試驗的基礎上得到模型計算參數見表4．

表4 模型計算參數

2．2 模擬過程及結果

2．2．1 靜力計算

首先進行靜力計算，利用摩爾－庫侖模型更改強度參數的彈塑性求解法使土體在重力作用下達到平衡，得到初始應力場．豎向應力云圖如圖1所示．

由圖1可以看出，計算出來的土體最底層豎向應力值為151．7 kPa，而其理論值為150．5 kPa，可認為初始豎向應力計算結果是可靠的．

圖1 初始豎向應力云圖

2．2．2 動力計算

動力計算耦合形式采用動力－滲流耦合，進行動力與滲流耦合分析的計算過程中，采用Finn模型的Byrne模式模擬砂土在動力作用下的孔壓積累直至土體液化的過程．在模型底部水平方向（X方向）輸入一個振幅為0．2 g、頻率為5 Hz的加速度，并且只考慮地震剪切波沿X方向垂直傳入模型．加速度峰值在2 s內達到0．2 g，從15 s開始逐漸減小，17 s時減小到0．0 g，計算時間截止到20 s．模型周圍采用自由場邊界條件吸收地震波在邊界上的反射，并通過主體網格與自由場網格的耦合作用來近似模擬地震過程中自由場地振動情況．設定自由場邊界后的網格如圖2所示．

圖2 設定自由場邊界后的網格

監(jiān)測點設置在Ⅱ層，具體位置如圖3所示．其中a1位于3．15 ～3．45 m 土層，a2 位于 5．15 ～5．45 m土層，a3位于7．15～7．45 m 土層．監(jiān)測的變量為超孔壓比，監(jiān)測點a1，a2，a3的孔壓比時程曲線如圖4所示．

圖4中的3條曲線從下至上分別為監(jiān)測點a1，a2，a3的孔壓比時程曲線．由圖4可知：5．15～5．45 m土層（用 a2 表示）和7．15 ～7．45 m 土層（用a3表示）的孔壓比最終都超過 0．9，3．15 ～3．45 m土層（用a1表示）的孔壓比最終超過0．7．根據劉茜等［6］提出的土體液化破壞開始的標志——粉土孔壓比為 0．68、粉砂土孔壓比為 0．87，該工程區(qū)3．15～7．54 m的土層已經完全液化．

2．3 數值模擬與標準貫入法結果對比

由現場標準貫入試驗判定土層液化結果可知，2．15～7．45 m砂性土層為液化土層．由圖4可以看出FLAC3D的模擬監(jiān)測結果與標準貫入法判定的結果一致．由圖4還可以看出，地震開始時（2 s以內），a1土層液化土孔壓比上升速度最快，a2土層次之，a3土層最慢;地震中期，a3土層孔壓比的上升速度最快，a2土層次之，a1土層最慢;a3土層最先液化，a2土層次之，a1土層的孔壓比明顯小于其他兩土層，說明上層液化的程度沒有中層和下層嚴重．

通過對比數值模擬方法與現場標準貫入試驗的判定結果可知，數值模擬方法不僅能應用到地基砂土液化的判別中，而且能夠對地震作用下地基砂土的液化過程進行時程監(jiān)測，反映土層的整體液化性狀，從而對不同土層的液化情況，提出針對性的治理措施．

3 結語

1）應用FLAC3D判別地基砂土液化，其結果與標準貫入法判定液化的結果一致，表明數值模擬能夠很好地應用到地基砂土液化的判別中．

2）數值模擬方法不僅能對地基砂土液化進行正確的評價和分析，而且能夠對地震作用下地基砂土液化過程進行時程監(jiān)測，反映土層的整體液化性狀，掌握工程中的薄弱環(huán)節(jié)，根據不同土層的液化情況，選取合理的砂土液化治理措施，為工程的設計、施工提供科學依據．

［1］趙克榮．飽和砂土液化判別方法的局限性及綜合應用實例［J］．中國煤田地質，2007，19（5）：54 －57．

［2］張雪楓，劉林，楊慶山，等．近斷層地震下可液化場地土反應的數值模擬［J］．世界地震工程，2010，26（z）：124－128．

［3］吳然，趙壽剛．激光粒度分析儀穩(wěn)定性分析［J］．黑龍江科技信息，2011（11）：9－10．

［4］譚立新，余志明，蔡一湘．激光粒度法測試結果與庫爾特法、沉降法的對比［C］∥中國顆粒學會第六屆學術年會暨海峽兩岸顆粒技術研討會論文集．北京：中國顆粒學會，2008：76－79．

［5］李蘭，石玉成．激光粒度分析儀測量黃土粉體粒度的應用研究［J］．甘肅科學學報，2009，21（4）：46 －50．

［6］劉茜，鄭西來，劉紅軍，等．黃河三角洲粉土液化的試驗研究［J］．世界地震工程，2007，23（2）：161 －166．