程汝恩，黃向春

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

0 引言

飽和砂礫石層的地震液化問題，目前業(yè)界尚存在一些爭(zhēng)議和質(zhì)疑。其原因一是以往地震中砂礫石液化曾在土石壩填料出現(xiàn)過，而天然砂礫石液化則經(jīng)驗(yàn)很少;再者，水位以下飽和砂礫石層難以獲取原狀天然密度、含水率等指標(biāo)，而標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探又不適用，致使飽和砂礫石層缺乏可靠的液化判別方法和依據(jù)。在汶川8.0級(jí)地震中，袁曉明、曹振中等學(xué)者通過對(duì)液化點(diǎn)的專門勘察、分析和研究，驗(yàn)證了砂礫石層液化是真實(shí)存在的[1]。

黃河干流某水利樞紐工程壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度;地基中分布的砂礫石層，依據(jù)地層年代、工程運(yùn)行時(shí)地下水位、顆分成果、剪切波測(cè)試結(jié)果以及相對(duì)密度，判別為液化土。據(jù)此，泄洪閘段和土石壩段設(shè)計(jì)方案采用振沖碎石樁進(jìn)行地基處理，以消除地基砂礫石層的地震液化問題，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求處理后相對(duì)密度≥0.75。

本工程壩基砂礫石層多在地下水位以下，天然密度測(cè)試很困難，相對(duì)密度法判別其液化特性可操作性差，難以滿足施工生產(chǎn)的需要。因此采用動(dòng)力觸探試驗(yàn)判別并作為工程處理質(zhì)量檢測(cè)方法就成為一個(gè)非常必要的選擇。

目前，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)和相對(duì)密度之間有比較成熟的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但動(dòng)力觸探擊數(shù)和相對(duì)密度之間缺乏對(duì)應(yīng)關(guān)系。有必要通過試驗(yàn)和分析，建立本工程區(qū)的砂礫石層相對(duì)密度Dr和重型動(dòng)力觸探擊數(shù)N63.5之間關(guān)系，確定砂礫石相對(duì)密度0.75所對(duì)應(yīng)的動(dòng)探擊數(shù)N63.5，為施工質(zhì)量檢測(cè)提供實(shí)用有效方法和可靠的控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 砂礫石層特征

本工程泄洪閘和土石壩基礎(chǔ)坐落在第四系全新統(tǒng)沖積地層(Qal4)，壩基土體中的砂礫石層顆粒組成特點(diǎn)是礫徑較細(xì)、粘粒含量很低，顆粒分析結(jié)果見表1。由顆分成果看出，粒徑＜5 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率＞30%，粒徑＜0.005 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率＜18%，按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)中土的液化判別標(biāo)準(zhǔn)，初判為液化土。

該砂礫石層的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相對(duì)密度Dr值在0.41～0.65之間，小于地震烈度Ⅷ度區(qū)液化臨界相對(duì)密度0.75的標(biāo)準(zhǔn)，因此依據(jù)相對(duì)密度復(fù)判為液化土。

表1 黃河干流某水利樞紐工程砂礫石層顆分試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Test results showing the different particles of sand-gravel layer of a water conservancy project in mainstream of theYellow River

2 試驗(yàn)布置和方法

2.1 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)分兩個(gè)區(qū)進(jìn)行，即試驗(yàn)Ⅰ區(qū)和試驗(yàn)Ⅱ區(qū)。

試驗(yàn)Ⅰ區(qū)振沖碎石樁樁間距2.0 m，等邊三邊形形式布樁，樁數(shù)7個(gè)，樁深在11.0～12.3 m之間。布置了3個(gè)鉆孔及孔內(nèi)動(dòng)力觸探試驗(yàn)、1個(gè)豎井及井內(nèi)天然密度測(cè)試，見圖1。

試驗(yàn)Ⅱ區(qū)樁間距為2.2 m，等邊三邊形形式布樁，樁深11 m左右。布置了1個(gè)動(dòng)力觸探試驗(yàn)點(diǎn)和1個(gè)豎井及井內(nèi)天然密度測(cè)試。

2.2 動(dòng)力觸探試驗(yàn)

試驗(yàn)Ⅰ區(qū)，首先對(duì)樁間砂礫石土完成了3個(gè)鉆孔及孔內(nèi)重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，之后在試驗(yàn)區(qū)開挖豎井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)天然密度測(cè)試。

試驗(yàn)Ⅱ區(qū)的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)天然密度測(cè)試則是同步進(jìn)行。

2.3 原位相對(duì)密度測(cè)試

在試驗(yàn)區(qū)的豎井內(nèi)，采用灌水法分層測(cè)定天然密度、含水率等指標(biāo);同時(shí)獲取足量砂礫石樣品，用以室內(nèi)測(cè)定最大干密度和最小干密度。由此計(jì)算出相對(duì)密度(Dr)。

圖1 試驗(yàn)Ⅰ區(qū)場(chǎng)地布置示意圖Fig.1 The layout of No.1 testing site

試驗(yàn)Ⅰ區(qū)采用管井法降水，在豎井周圍共布置了9個(gè)抽水管井，見圖1，管井內(nèi)出水排到試驗(yàn)區(qū)一定距離之外的區(qū)域。降水后，隨著豎井的逐層開挖，分層進(jìn)行了天然密度測(cè)試和取樣。共完成5層天然測(cè)試和取樣，每層各2～3組。

試驗(yàn)Ⅱ區(qū)采用明排方式進(jìn)行降水，圍繞天然密度測(cè)試點(diǎn)開挖一條環(huán)形排水溝，集中后排到試驗(yàn)區(qū)一定距離之外的區(qū)域。隨著豎井的逐層開挖，逐層進(jìn)行排水和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。共完成5層天然密度測(cè)試和取樣，每層各1～2組。

3 動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)Ⅰ區(qū)

對(duì)試驗(yàn)Ⅰ區(qū)樁間土共進(jìn)行了3個(gè)鉆孔和孔內(nèi)重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，動(dòng)探擊數(shù)N63.5測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)Ⅰ區(qū)樁間砂礫石層動(dòng)探擊數(shù)N63.5成果表Table 2 Results of N63.5by CPT in sand-gravel layer of No.1 testing site

3.2 試驗(yàn)Ⅱ區(qū)

試驗(yàn)Ⅱ區(qū)樁間土動(dòng)力觸探測(cè)試結(jié)果見表3。從動(dòng)探測(cè)試成果可以看出，隨著測(cè)試深度的增加，動(dòng)探擊數(shù)N63.5為逐漸增加趨勢(shì)。

4 相對(duì)密度測(cè)試結(jié)果

4.1 試驗(yàn)Ⅰ區(qū)

試驗(yàn)Ⅰ區(qū)樁間砂礫石土體相對(duì)密度測(cè)試成果見表4。結(jié)果表明，相對(duì)密度 Dr最高達(dá)0.92，最小0.52，離散性比較大，現(xiàn)場(chǎng)取樣觀察和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果是吻合的。

表3 試驗(yàn)Ⅱ區(qū)樁間砂礫石層動(dòng)探擊數(shù)N63.5成果表Table 3 Results of N63.5by CPT in sand-gravel layer of No.2 testing site

表4 試驗(yàn)Ⅰ區(qū)相對(duì)密度Dr試驗(yàn)成果表Table 4 Results of relative density Drin No.1 testing site

4.2 試驗(yàn)Ⅱ區(qū)

試驗(yàn)Ⅱ區(qū)樁間砂礫石土體相對(duì)密度Dr測(cè)試成果見表5?？偣?組數(shù)據(jù)中，4組Dr值＞0.75，3組Dr值在0.70 ～0.75 之間，1 組 Dr值為0.67。

表5 試驗(yàn)Ⅱ區(qū)相對(duì)密度等試驗(yàn)成果表Table 5 Results of relative density in No.2 testing site

5 相對(duì)密度Dr和動(dòng)探擊數(shù)N63.5對(duì)應(yīng)關(guān)系

依據(jù)試驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ區(qū)測(cè)試結(jié)果，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)中成果資料，得到相對(duì)密度Dr和動(dòng)探擊數(shù)N63.5之間相應(yīng)數(shù)據(jù)關(guān)系見表6，并據(jù)此得出Dr—N63.5關(guān)系曲線見圖2。

結(jié)果顯示，動(dòng)探擊數(shù)增大，相對(duì)密度相應(yīng)提高，二者相關(guān)性較好，因此采用動(dòng)探擊數(shù)N63.5評(píng)價(jià)地基砂礫石層密實(shí)度，并作為碎石樁樁間土檢測(cè)依據(jù)是可行的。同時(shí)，本工程壩基砂礫石層相對(duì)密度Dr=0.75所對(duì)應(yīng)的動(dòng)探擊數(shù)N63.5為30擊。

表6 相對(duì)密度Dr—?jiǎng)犹綋魯?shù)N63.5關(guān)系曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)一覽表Table 6 List for data points of curve showing the relationship between relative density Drand N63.5by CPT

圖2 砂礫石相對(duì)密度Dr－動(dòng)探擊數(shù)N63.5關(guān)系曲線Fig.2 Curve showing the relationship between relative density Drand N63.5by CPT

6 砂礫石層消除地震液化的工程檢測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)

本工程壩基砂礫石層消除地震液化，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為相對(duì)密度Dr≥0.75。通過上述試驗(yàn)和分析結(jié)果，相對(duì)密度Dr=0.75所對(duì)應(yīng)的動(dòng)探擊數(shù)N63.5為30擊。由此，確定了黃河干流某水利樞紐工程壩基砂礫石層消除地震液化的施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為:

壩基砂礫石土體地震液化判別采用重型(63.5 kg)動(dòng)力觸探方法，以重型動(dòng)力觸探擊數(shù)N63.5作為判別依據(jù)。動(dòng)探擊數(shù)N63.5≥30擊為合格，但最低不得低于20擊;合格率不得低于80%，且不合格點(diǎn)不得3段以上連續(xù)分布。動(dòng)力觸探試驗(yàn)中遇到回彈現(xiàn)象時(shí)應(yīng)掃孔通過后再進(jìn)行測(cè)試。

7 振沖碎石樁樁間砂礫石層工程檢測(cè)結(jié)果

按照上述施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)本工程泄洪閘壩基的樁間砂礫石層進(jìn)行了施工質(zhì)量檢測(cè)，以檢測(cè)其密實(shí)度和地震液化消除效果，其中部分檢測(cè)結(jié)果見表7。

檢測(cè)結(jié)果表明，經(jīng)過振沖碎石樁處理后的樁間砂礫石層，動(dòng)探擊數(shù)N63.5≥30擊所占比例在87% ～95%之間，20擊≤N63.5＜30擊所占比例在4% ～11%之間，沒有3段以上連續(xù)分布不合格段次;共有5段次N63.5＜20擊的不合格段次，但均在地表0.8 m深度范圍內(nèi)。

8 結(jié)論

(1)飽和砂礫石層存在著地震液化的可能，需要采取工程措施予以處理，以消除地震液化。黃河干流某水利樞紐工程采用了振沖碎石樁地基處理。

(2)水下砂礫石層的天然密度測(cè)試很困難，采用相對(duì)密度法進(jìn)行液化判別可操作性差;標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)又不適用于砂礫石層。因此采用動(dòng)力觸探試驗(yàn)測(cè)試砂礫石層液化性能不失為一種可行的方法。

(3)鑒于砂礫石層動(dòng)力觸探擊數(shù)往往離散性較大，應(yīng)針對(duì)具體工程建立砂礫石層相對(duì)密度Dr和重型動(dòng)力觸探擊數(shù)N63.5之間關(guān)系。將來積累足夠的工程經(jīng)驗(yàn)后，逐步建立較適用的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系是必要的。

(4)黃河干流某水利樞紐工程壩基砂礫石層相對(duì)密度Dr=0.75所對(duì)應(yīng)的重型動(dòng)探擊數(shù)N63.5為30擊。

表7 泄洪閘壩基的樁間砂礫石層動(dòng)探擊數(shù)N63.5液化判別表Table 7 Discriminant results for the liquefaction of sand-gravel layer in sluice dam foundation by N63.5by CPT

[1] 袁曉明，曹振中，孫銳，等.汶川8.0級(jí)地震液化特征初步研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(6):1 288 －1 296.