張 巖，孫樹林，史雅棟，張 磊

(1.河海大學 地球科學與工程學院,江蘇 南京 211100；2.國土資源部地裂縫地質(zhì)災害重點實驗室，江蘇 南京 210049)

鹽城市某港區(qū)砂土液化評價體系建立

張 巖1，孫樹林1，史雅棟2，張 磊1

(1.河海大學 地球科學與工程學院,江蘇 南京 211100；2.國土資源部地裂縫地質(zhì)災害重點實驗室，江蘇 南京 210049)

砂土液化引起的地基土大變形是港口工程破壞的重要原因。因此，港口地區(qū)的液化判別方法選擇的合理性、判別結(jié)果的準確性就顯得尤為重要。針對某港區(qū)砂土液化問題，選擇臨界標貫擊數(shù)法、Seed簡化法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、基于GIS的液化判別法等四種液化評價方法，進行砂土液化勢評價并分析對比，建立基于GIS三維液化評價體系。結(jié)果表明：研究區(qū)15m以上砂土液化趨勢較大，15m以下液化趨勢較小。

砂土液化；判別方法；結(jié)果對比；評價體系

目前國內(nèi)外已經(jīng)有多種砂土液化判別方法，但是由于不同方法的判別依據(jù)不同，計算精度有時差別較大?；赟eed簡化分析法的抗液化剪應力法，是普遍接受的砂土液化判別方法之一[1]。臨界標貫擊數(shù)法和靜力觸探試驗法是在分析、統(tǒng)計世界各地廣泛的地震液化災害調(diào)查基礎(chǔ)上，建立的經(jīng)驗準則和公式[2-3]。室內(nèi)試驗分析法是通過隨機加載的三軸試驗、振動臺試驗、離心機試驗來模擬在地震時土的應力狀態(tài)[4]。土層反應分析法是砂土液化動力分析方法的液化判別上的應用，考慮因素可以很多，材料參數(shù)和荷載參數(shù)要選擇適當、合理[5]。但是對砂土液化勢進行判別時，只憑借某一種方法得出液化結(jié)果具有局限性[6-7]。

本文針對鹽城市某港區(qū)，選取臨界標準貫入擊數(shù)法、Seed簡化法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法以及基于GIS的砂土液化評價法等四種方法進行評價對比，得到適用于本港區(qū)的液化判別評價體系，為該港區(qū)預防砂土液化引起的工程危害以及工程措施選取提供參考。

1 液化評價方法的選取

①臨界標貫擊數(shù)法。臨界標貫擊數(shù)法[8]被普遍應用在工程地質(zhì)環(huán)境評價過程中。該方法考慮到了砂土液化影響因素較多且具有顯著的不確定性。依據(jù)國內(nèi)外對砂土液化判別概率方法的研究發(fā)展并考慮規(guī)范的延續(xù)性修訂，選用了對數(shù)曲線形式來表示液化臨界錘擊數(shù)隨深度的變化。

②Seed簡化法。液化判別的簡化法是由Seed和Idriss于1971年提出的，并給出了地震中循環(huán)剪應力比(CSR)的定義公式[9]。2001年10月Youd和Idriss受美國國家地震工程研究中心和國家科學基金委員會的委托，在Seed簡化方法的基礎(chǔ)上提出了NCEER判別方法[10]。

③BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。研究人員根據(jù)以往的工程實踐經(jīng)驗，選擇標準貫入錘擊數(shù)、地下水位、標貫點深度(土層深度)、上覆非液化土層厚度和地震烈度這五個變量作為基本變量，在此基礎(chǔ)上增加或減少不同變量。研究了不同變量組合的14種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)液化判別結(jié)果準確率，來確定液化判別成功率相對較高，又簡便的判別變量選取。

④基于GIS的液化判別法。基于GIS的砂土判別方法將MATLAB中的3Dkriging插值法與GIS技術(shù)以及飽和砂土液化概率評價模型結(jié)合起來，利用離散的場地地震液化評價數(shù)據(jù)結(jié)果，生成場地液化勢三維模型[11]。該模型的生成是利用3Dsurfer軟件得到的，且可以完成場地液化勢的二維剖面或者三維切割體的自動切出。具體的工程場地地震液化勢三維可視化建模流程見圖1。

圖1 液化勢三維可視化建模流程Figure 1 Liquefaction potential 3D visualization modeling flow

2 研究區(qū)地層巖性和物性特征

根據(jù)勘測資料，場地內(nèi)20m以淺發(fā)育有全新統(tǒng)飽和砂土(粉土)層，具體分層情況見表1，其工程地質(zhì)特性見表2。

表1 場地地層

表2 地層工程地質(zhì)特性

3 不同液化勢評價方法評價結(jié)果對比

3.1 評價結(jié)果

3.1.1 臨界標貫法和簡化Seed法

收集研究區(qū)13個鉆孔(圖2)資料，應用臨界標貫法和簡化Seed法進行液化判別，結(jié)果見表3。由表3可以看出，研究區(qū)大部分地區(qū)屬于輕微液化，只有局部、零星某些區(qū)域為中等液化。

3.1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法

本文采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對研究區(qū)液化情況進行預測，輸入變量為烈度、地下水位、砂層埋深、標貫擊數(shù)4個，因此輸入層的神經(jīng)節(jié)點數(shù)為4。對研究區(qū)的液化的數(shù)值處理可分為兩個標準：液化取1，不液化取0，也就是說輸出層節(jié)點數(shù)為1。對于隱層節(jié)點數(shù)的選取以2n+1(n為輸入層節(jié)點數(shù))原則為基礎(chǔ)，即9個隱層節(jié)點數(shù)為首選，進行調(diào)整試算直到判斷成功率最高，所以該網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)為4-9-1。訓練樣本30個，見表4，測試樣本26個，見表5。

網(wǎng)絡(luò)經(jīng)初始化，利用函數(shù)Trainrp對網(wǎng)絡(luò)進行訓練后，網(wǎng)絡(luò)誤差平方和mse達到了目標(goal)要求，見圖3。

圖2 標準貫入鉆孔點分布Figure 2 Standard penetration borehole points distribution

鉆孔號臨界標貫擊數(shù)法液化指數(shù)液化等級Seed簡化法液化指數(shù)液化等級EGZK020.6輕微4.06輕微EGZK0412.44中等5.78輕微EGZK0616.27中等2.83輕微EGZK0716.26中等5輕微EGZK080.2輕微3.21輕微EGZK090.45輕微4.12輕微EGZK101.01輕微4輕微EGZK134.5輕微2.9輕微ZK013.43輕微2.51輕微ZK028.44中等3.35輕微ZK030.43輕微5.94輕微ZK044.65輕微2.83輕微ZK105.93輕微2.8輕微

表4 訓練樣本評價指標值、實際結(jié)果和BP網(wǎng)絡(luò)學習結(jié)果

表5 測試樣本評價指標、實際結(jié)果和BP網(wǎng)絡(luò)預報

圖3 誤差平方和隨訓練次數(shù)變化曲線Figure 3 Variation curve of error quadratic sum along with training number

從表4、表5可以看出，該模型的預測輸出與實際輸出誤差很小，26個檢驗樣本的預測結(jié)果與實際情況完全一致，說明針對研究區(qū)選擇的變量而訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行液化情況的預測是可行的。

表6 預測數(shù)據(jù)及預測結(jié)果

將表6中的不同鉆孔、不同深度的液化判別結(jié)果與臨界標準貫入擊數(shù)法的判別結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)結(jié)果一致。但是該法只能判別出液化發(fā)生與否，無法針對液化勢大小做出判別。

3.1.3 基于GIS的液化判別法

基于GIS的砂土液化評價方法，采用圖2中13個鉆孔樣點，共計141個標貫點的液化概率分析結(jié)果作為原始離散數(shù)據(jù)，經(jīng)過空間三維插值和網(wǎng)格化后生成的場地地震液化勢三維數(shù)據(jù)模型見圖4。

注：x、y為鉆孔平面坐標(m)；z為標貫點深度(m)圖4 場地液化勢三維數(shù)據(jù)模型Figure 4 3D data model of liquefaction potential

圖5、圖6、圖7為通過設(shè)置圖層的顯示狀態(tài)分層顯示的工程場地液化勢三維模型，包括：不液化層、可液化層和液化層，液化風險程度可以單獨顯示，對于研究區(qū)的液化勢風險三維空間分布特征做到詳細直觀的了解。可以看出研究區(qū)域20m以淺的大部分屬于不液化層，只有較淺的少部分地區(qū)屬于可能液化層和液化層。

注：x、y為鉆孔平面坐標(m)；z為標貫點深度(m)圖5 不液化層三維數(shù)據(jù)模型Figure 5 3D data model of non liquefaction layer

注：x、y為鉆孔平面坐標(m)；z為標貫點深度(m)圖6 可液化層三維數(shù)據(jù)模型Figure 6 3D data model of possible liquefaction

注：x、y為鉆孔平面坐標(m)；z為標貫點深度(m)圖7 液化層三維數(shù)據(jù)模型Figure 7 3D data model of liquefaction layer

3.2 結(jié)果對比分析

根據(jù)4種方法對研究區(qū)的液化評價結(jié)果發(fā)現(xiàn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范2010》中的臨界標貫擊數(shù)法相對于簡化seed法更保守神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法相對于經(jīng)驗法，不能對整個鉆孔在研究深度范圍內(nèi)的整體液化情況作出評價，但是可以節(jié)省大量的曲線擬合所需要的時間，通過試算得到比經(jīng)驗法更準確的影響因素對液化情況的貢獻。得到每一個鉆孔在研究深度內(nèi)，對應于不同深度處液化情況。這三種方法的液化判別都只是針對離散的鉆孔本身，液化評價的結(jié)果也是離散型，利用這樣的數(shù)據(jù)對整個研究區(qū)做液化判別，結(jié)果隨機性較大[13]。利用kriging三維插值法，根據(jù)已有離散數(shù)據(jù)插值出適量的不同位置不同深度的液化數(shù)據(jù)，增加數(shù)據(jù)密度，從而形成整個研究區(qū)域的三維液化勢評價結(jié)果。

4 研究區(qū)砂土液化評價體系的建立

通過不同方法的判別結(jié)果的對比分析，對研究區(qū)砂土液化評價體系進行建立。

4.1 影響因素選取

對研究區(qū)進行液化評價的過程中所涉及到的因素有：標準貫入擊數(shù)、地下水位、黏粒含量、上覆土層壓力、上覆土層有效壓力、地震烈度、砂層埋深、砂層厚度。

標準貫入擊數(shù)N在港口和航道工程地質(zhì)勘查中，可以用來確定砂土的密實程度、內(nèi)摩擦角從而判斷液化的可能性；而砂土的物理性質(zhì)主要決定于密實度狀態(tài)。

地下水的影響會使標貫實測值偏小，主要是地下水的潤滑作用減小了標貫器與沙土之間的摩擦，從而使得標貫擊數(shù)減小，其實質(zhì)是對有效自重應力的影響。

黏粒含量主要是對土層中粉土的液化情況產(chǎn)生影響。粉質(zhì)土中的黏粒含量越少，在循環(huán)荷載作用下孔壓上升速度越快，上升的水平越高；粉質(zhì)土中在罕有黏粒的情況下，循環(huán)荷載作用下的孔壓難以達到圍壓水平。

上覆土層壓力以及上覆土層有效壓力；理論上講，上覆土層厚度較大時，上覆土中有效壓力越大，若使其下部砂土層液化，則需要在砂土層內(nèi)部聚集較大的超靜孔隙水壓力以承擔上覆土層質(zhì)量。也就是說埋深大的飽和砂土層較埋深小的飽和砂土層難于液化。

砂層埋深對于砂土液化的影響實質(zhì)與上覆土層壓力以及上覆土層有效壓力基本相同。

4.2 液化評價方法選取

本研究區(qū)的液化判別過程中，雖然用到了現(xiàn)場的標貫數(shù)據(jù)，但是不同判別方法的實質(zhì)不同。seed簡化法是從抗剪強度的角度來進行判別，相對于依靠有限的實測數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗公式的建筑規(guī)范中的方法更加精確。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法通過選取本研究區(qū)能夠收集到的在液化判別過程中具有代表性的與歷史上幾次地震中實測液化情況所收集到的數(shù)據(jù)中相對應的影響因素，來進行研究區(qū)砂土液化判別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練。利用此種方法雖然不能對不同深度的液化情況像建筑規(guī)范中方法一樣做出定量的液化概率的評價，但是也可以對與其相對應的液化深度的液化情況做出定性的評價。該方法與上述幾種方法相比，具有較強的容錯性、可塑與自組織性、信息處理與存儲合二為一性及層次性與系統(tǒng)性等特點。

本文基于GIS的砂土液化評價法，利用研究區(qū)各鉆孔不同深度處離散的液化勢判別結(jié)果，通過kriging三維插值得方法來對離散撒的數(shù)據(jù)進行擴充。相比以上幾種方法僅僅在有限的鉆孔位置處進行數(shù)據(jù)的處理，增加了整個研究區(qū)的液化勢數(shù)據(jù)點。對插值后的點利用三維體視化技術(shù)進行立體化，而且隨著研究區(qū)的鉆孔密度的提高，該方法對于這一區(qū)域的液化勢分布情況的反映效果也會隨著優(yōu)化，適合于未來具體工程的現(xiàn)場地基土勘查工作。

4.3 評價體系建立

根據(jù)液化判別影響因素和方法的選取，構(gòu)建針對研究區(qū)的砂土液化判別體系。步驟如下：

(1)收集研究區(qū)鉆孔的現(xiàn)場標準貫入實驗數(shù)據(jù)，以及對應不同深度土層的土工試驗數(shù)據(jù)；

(2)利用臨界標貫擊數(shù)法對鉆孔中不同深度土層的液化情況進行判斷，得出最初的液化勢結(jié)果；

(3)利用seed簡化法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，對鉆孔的液化情況再次進行判別，與臨界標貫擊數(shù)法的出的結(jié)果進行對比、修正。

(4)將最終得到的所有經(jīng)過修正后的鉆孔的液化判別結(jié)果以及每個液化判別點的三維坐標，通過kriging三維插值來利用離散數(shù)據(jù)得到相對連續(xù)的數(shù)據(jù)庫，進而通過3Dsurfer來將研究區(qū)液化勢的三維分布情況體現(xiàn)出來。

5 結(jié)論

本文對鹽城市某港區(qū)的地層巖性及物性特征以及鉆孔資料調(diào)查資料進行收集整理。運用臨界標準貫入擊數(shù)法、Seed簡化法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)液化判別法、以及基于GIS的砂土液化判別法對港區(qū)砂土進行液化勢判別，得出如下結(jié)論：

(1)該港區(qū)的液化影響因素可參考標準貫入擊數(shù)、地下水位、黏粒含量、上覆土層壓力、上覆土層有效壓力、地震烈度、砂層埋深、砂層厚度等因素；

(2)Seed簡化法與判別準確率較高的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法起到對比、修正的作用對液化情況進行再次判別；

(3)利用離散的液化結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過三維插值，得到研究區(qū)空間上的液化情況，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于GIS的3D液化勢評價體系。

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SetupofSandySoilLiquefactionAssessmentSysteminaHarborArea,YanchengCity

Zhang Yan1, Sun Shulin1, Shi Yadong2and Zhang Lei1

(1.School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 211100;2.Key Laboratory of Ground Fissure Geological Hazard, Ministry of Land and Resources, Nanjing, Jiangsu 210049)

The large deformation of foundation soil induced by sandy soil liquefaction is a major causation of harbor engineering damage. Thus, rationality of harbor area sandy soil liquefaction discrimination method selection and accuracy of discriminated results are particularly important. In allusion to sandy soil liquefaction issue in harbor area, four liquefaction assessment methods of critical standard penetration, Seed reduction, BP neural network and liquefaction discrimination based on GIS are selected to carry out sandy soil liquefaction potential assessment and contrastive analysis, then set up 3D liquefaction assessment system based on GIS. The result has shown that in the study area, sandy soil above 15m has larger liquefaction potential, while below 15m lesser.

sandy soil liquefaction; discrimination method; results contrast; assessment system

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.08.09

1674-1803(2017)08-0048-05

中國地質(zhì)調(diào)查局“江蘇沿海經(jīng)濟區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價”項目(1212011220005)。

張 巖(1991—)，男，山西懷仁人，碩士研究生，從事地質(zhì)災害方面的研究。

孫樹林(1963—)，男，江蘇建湖人，教授、博士生導師，主要從事巖石力學與工程、環(huán)境巖土工程等方面的研究。

2017-03-13

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責任編輯：樊小舟