孫立川 趙在立 朱勇強(qiáng)

(河北中核巖土工程有限責(zé)任公司，河北石家莊 050021)

0 引言

涉核工程建設(shè)必須要考慮地震風(fēng)險(xiǎn)，而飽和砂類土地震液化就是需要考慮的重要地震災(zāi)害之一。在涉核巖土工程勘察中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)和波速進(jìn)行液化判別是我國(guó)規(guī)范的主要方法，該方法是基于我國(guó)地震現(xiàn)場(chǎng)液化調(diào)查資料和Seed簡(jiǎn)化法原理建立的[1]。

Seed等提出并逐步改進(jìn)了土體抗液化強(qiáng)度的估計(jì)方法。Idriss[3]、Juang[4]和Boulanger[5]等利用加權(quán)最大似然法原理給出了液化概率PL與名義抗液化安全系數(shù)，循環(huán)應(yīng)力比CSR，循環(huán)阻力比CRR)之間的關(guān)系式，使得液化判別公式具有了概率法的意義。陳國(guó)興等[6](1996)提出了砂性土液化判別及可靠性評(píng)價(jià)方法，引入模糊烈度的概念，并進(jìn)一步提出液化勢(shì)分析的概率方法。我國(guó)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]根據(jù)陳國(guó)興等的研究成果采取了由地面水平向峰值加速度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)貫入基準(zhǔn)值N0的計(jì)算方法[8]。

我國(guó)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范液化判別概率公式N=αβN0是符圣聰?shù)萚9-10]根據(jù)中國(guó)的實(shí)測(cè)地震液化數(shù)據(jù)提出的。Dobry等提出了基于剪切波速Vs的砂性土液化勢(shì)的估算方法，Andrus等[11]給出了液化臨界曲線。石兆吉等[12]提出了基于剪切波速的液化臨界判別式，并為天津市建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)程和我國(guó)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)(2009年版)采用。

陳國(guó)興等[13](2015)提出了SPT液化判別臨界曲線，并針對(duì)核電廠Ⅰ類物項(xiàng)、Ⅱ類物項(xiàng)和Ⅲ類物項(xiàng)地基給出了相應(yīng)的液化概率PL控制值和名義抗液化安全系數(shù)建議值?？讐?mèng)云等[14]提出了基于修正剪切波速Vs1的液化臨界曲線，同樣給出了各類型地基的液化分類概率控制值PL和名義抗液化安全系數(shù)建議值。

本文針對(duì)某核設(shè)施抗震Ⅰ類物項(xiàng)的飽和砂土地基，采用了規(guī)范方法和文獻(xiàn)[13-14]的研究成果共四種方法進(jìn)行液化判別。結(jié)果表明，現(xiàn)行《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》液化判別的安全裕度和核相關(guān)物項(xiàng)的破壞后果不匹配。而文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]的判別方法有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不合常理的判別結(jié)果。針對(duì)上述問題提出了一些改進(jìn)建議。

1 常用的液化判別方法

1.1 規(guī)范的液化判別式

1.1.1 《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》

現(xiàn)行《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]規(guī)定，液化判別按照國(guó)標(biāo)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行，但標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值N0按照下式計(jì)算：

式中：α為按照物項(xiàng)的類別由規(guī)定的地震加速度峰值推算出的驗(yàn)算地點(diǎn)的地面加速度值，g；Ni、bi、ci按表1采用。

表1 《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]計(jì)算參數(shù)表

與《核電廠抗震規(guī)范》[7]所對(duì)應(yīng)的是89版《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，該版本抗震規(guī)范中地震分組以及地震液化判別式和現(xiàn)行建筑抗震規(guī)范不同。

1.1.2 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》

現(xiàn)行2016版《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]的液化判別分為液化初判和復(fù)判。初判條件僅適用于抗震設(shè)防烈度7或8度，對(duì)于初判不液化的地層無(wú)需再進(jìn)行復(fù)判[16]。對(duì)于初判不能排除液化的地層，根據(jù)標(biāo)貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)判(適用判別深度≤20 m)。

標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr：

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)貫試驗(yàn)擊數(shù)N≤Ncr時(shí)，判為液化。建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值N0按照?qǐng)龅卦O(shè)防加速度(烈度)查表2。

表2 液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值N0

由表2可見，《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]標(biāo)貫擊數(shù)基準(zhǔn)值N0小于同等設(shè)防加速度的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]第二、第三地震分組相應(yīng)的的N0β值，而與第一、二分組的平均值大致相當(dāng)。

1.2 基于Seed公式的判別法

Seed簡(jiǎn)化法中，地面下土體中一點(diǎn)的循環(huán)動(dòng)剪應(yīng)力比(CSR)為該點(diǎn)的等效地震剪應(yīng)力與其豎向靜正應(yīng)力之比；土層抗液化強(qiáng)度(CRR)采用SPT試驗(yàn)或剪切波速試驗(yàn)確定。當(dāng)CRR＞CSR時(shí)判定為不液化，反之判定為液化。

1.2.1 地震循環(huán)動(dòng)剪應(yīng)力比[2-4，13]

式中：σv為標(biāo)貫試驗(yàn)點(diǎn)的總上覆壓應(yīng)力為該處的有效上覆壓應(yīng)力；αmax為水平向地表峰值加速度，g；rd為土層剪應(yīng)力折減系數(shù)。

式中：MSF為震級(jí)標(biāo)定系數(shù)；Kσ為有效上覆壓力修正系數(shù)。

1.2.2 基于SPT的土層抗液化強(qiáng)度CRR

陳國(guó)興[13]綜合中、美液化數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)提出的并以為基準(zhǔn)，規(guī)準(zhǔn)化處理后的抗液化強(qiáng)度公式為：

式中：(N1)60cs為等效潔凈砂的修正標(biāo)貫擊數(shù)，按下式計(jì)算：

Δ(N1)60為修正標(biāo)貫擊數(shù)，按下式計(jì)算：

FC為小于0.075 mm的細(xì)粒含量，5%≤FC≤35%(式(12)分母中的小數(shù)文獻(xiàn)[13]中誤為0.01，現(xiàn)據(jù)文獻(xiàn)[3]改正)，Nm為現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)貫試驗(yàn)錘擊數(shù)。

CN為貫入阻力上覆壓力修正系數(shù)，按下式求解：

CE、CR、CB、CS含義和取值見表3。

1.2.3 基于剪切波速vs的抗液化強(qiáng)度CRR

孔夢(mèng)云等[14]提出的基于修正剪切波速的抗液化強(qiáng)度公式：

其中，修正剪切波速vs1按下式計(jì)算：

式中：vs為剪切波速實(shí)測(cè)值；σ′v為測(cè)試土層深度處的有效上覆壓應(yīng)力；Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，取100 kPa。

表3 CE、CR、CB、CS含義和取值表[13]

1.2.4 抗液化強(qiáng)度公式的液化概率

陳國(guó)興等[13]給出的判別式(6)的概率模型為：

孔夢(mèng)云等[14]給出的式(12)的概率模型為：

依據(jù)對(duì)中美液化數(shù)據(jù)庫(kù)共485例數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，陳國(guó)興[13]給出了對(duì)于非基巖廠址Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類物項(xiàng)的液化判別標(biāo)準(zhǔn)，分別為PL=4%、15%和25%(名義抗液化安全系數(shù)分別為1.45、0.997和0.845)。陳國(guó)興還按照液化概率將核電廠Ⅰ類物項(xiàng)的飽和砂土地基液化可能性分為五類(見表4)。

表4 液化可能性分類(適用于標(biāo)貫試驗(yàn))[13]

孔夢(mèng)云等[14]給出了對(duì)于非基巖廠址Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類物項(xiàng)的液化判別標(biāo)準(zhǔn)分別為PL=5%、15%和25%(相應(yīng)的名義抗液化安全系數(shù)分別為1.643、1.015和0.788)?？讐?mèng)云等[14]給出的抗震Ⅰ類物項(xiàng)飽和砂土地基液化可能性分類見表5。

表5 液化可能性分類(適用于剪切波速)[14]

2 工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

某核設(shè)施，筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深11.1 m，屬抗震Ⅰ類物項(xiàng)。100年超越概率1%的地表水平向峰值加速度(SL-2)為0.405 g。MW=7.0(100年超越概率1%)。地層為第四系人工填土()、第四系下更新統(tǒng)洪積礫砂()、新近系上新統(tǒng)(N2s)洪積砂土(局部呈膠結(jié)狀)及粉質(zhì)黏土。地層剖面圖如圖1所示。

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖

勘察場(chǎng)地內(nèi)飽和砂土為③層新近系上新統(tǒng)細(xì)砂、⑤層新近系上新統(tǒng)粉砂，液化判別的地下水位按照抗浮設(shè)計(jì)水位取值。按照規(guī)范[7]和規(guī)范[15]、陳國(guó)興SPT法[13]、孔夢(mèng)云剪切波速[14]等方法進(jìn)行液化判別。

2.2 根據(jù)核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行判別

根據(jù)表1，由式(1)和式(2)計(jì)算的該場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)基準(zhǔn)值N0為17.13擊(見表6)，該工程場(chǎng)地的判別結(jié)果均為不液化(見表7)。

表6 核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值

表7 核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范液化判別結(jié)果表

2.3 根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行判別

本工程也根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的N0取值進(jìn)行了液化判別。根據(jù)廠址附近發(fā)震斷裂到建設(shè)場(chǎng)地的距離，應(yīng)按照第一分組或設(shè)計(jì)近震(89版抗震規(guī)范)，這里為安全起見，取β=1.0，則N0β取19擊，判別結(jié)果也均為不液化。

2.4 根據(jù)SPT錘擊數(shù)按照式(6)進(jìn)行液化判別

在全部23個(gè)標(biāo)貫試驗(yàn)點(diǎn)的液化判別中(見表8)，編號(hào)為12-1、4-1、14-1的標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果判別為液化。

表8 根據(jù)陳國(guó)興建議的SPT液化臨界曲線判別的結(jié)果

2.5 根據(jù)剪切波速按照式(12)進(jìn)行液化判別

據(jù)單孔波速法試驗(yàn)結(jié)果，③層細(xì)砂、⑤層粉砂的剪切波速離散性非常小，取平均值進(jìn)行計(jì)算。對(duì)全部鉆孔分別按照式(15)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算點(diǎn)包括每層的層頂處、層底處和層中點(diǎn)處。除22號(hào)和23號(hào)孔的③層細(xì)砂的底板處有液化可能外，其余鉆孔的判別結(jié)果均為不液化(見表9)。

表9 根據(jù)孔夢(mèng)云的剪切波速試驗(yàn)液化臨界曲線判別的結(jié)果

3 分析和討論

(1)根據(jù)規(guī)范[7]和規(guī)范[15]，該場(chǎng)地③層細(xì)砂、⑤層粉砂均為不液化土。而根據(jù)陳國(guó)興SPT法[13]、孔夢(mèng)云剪切波速[14]判別法，個(gè)別判別點(diǎn)液化。

(2)由表1和表6，《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]的基準(zhǔn)值N0=17.13擊，小于建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[15]第三分組的N0=20擊。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的式(1)和式(2)是采用模糊烈度的概念提出的，大致與舊版的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2001設(shè)計(jì)近震相當(dāng)?？梢?，核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的液化判別的安全裕度與建筑抗震規(guī)范大致相當(dāng)或偏小，與核相關(guān)物項(xiàng)嚴(yán)重的破壞后果不匹配。

(3)據(jù)陳國(guó)興公式的判別結(jié)果，有三個(gè)標(biāo)貫試驗(yàn)點(diǎn)判別為液化(見表8)。經(jīng)過反算，這三個(gè)標(biāo)貫試驗(yàn)點(diǎn)的標(biāo)貫擊數(shù)與臨界值Ncr僅僅相差1～2擊，處于液化臨界曲線附近(見圖2)。從地質(zhì)條件來(lái)看，新近系上新統(tǒng)洪積砂土局部呈膠結(jié)狀態(tài)，沉積年代久遠(yuǎn)，密實(shí)度較高，抗液化強(qiáng)度較高。此工程場(chǎng)地已經(jīng)進(jìn)行了多年、多期工程建設(shè)，過去的勘察工作和地震安評(píng)工作都不認(rèn)為這個(gè)場(chǎng)地有液化現(xiàn)象，相關(guān)監(jiān)管部門和設(shè)計(jì)院也都認(rèn)可此結(jié)論。

圖2 液化臨界曲線與修正標(biāo)貫錘擊數(shù)散點(diǎn)圖

文獻(xiàn)[13]確定液化臨界曲線的原則是非常嚴(yán)格的(寧可把不液化誤判為液化，也不可把液化誤判為不液化)。對(duì)于中美液化數(shù)據(jù)庫(kù)全部485數(shù)據(jù)來(lái)說，僅有1個(gè)液化點(diǎn)位于式(9)對(duì)應(yīng)的液化臨界曲線下方[13]，也即僅有一個(gè)液化點(diǎn)誤判為不液化，這是精度很高、非常嚴(yán)苛的判別標(biāo)準(zhǔn)。但其所依據(jù)的文獻(xiàn)[19]的中國(guó)液化數(shù)據(jù)限于當(dāng)時(shí)的條件，有的標(biāo)貫數(shù)據(jù)是從釬探試驗(yàn)換算得到的，有的假定標(biāo)貫試驗(yàn)地面以上的鉆桿長(zhǎng)度，有的沒有矩震級(jí)，數(shù)據(jù)的嚴(yán)格程度并不高。這樣，陳國(guó)興SPT法嚴(yán)格的判別標(biāo)準(zhǔn)就存在高估場(chǎng)地液化風(fēng)險(xiǎn)的可能。

(4)根據(jù)式(15)進(jìn)行判別，22號(hào)和23號(hào)鉆孔③層細(xì)砂的底板處的結(jié)果為液化(見圖3、表9)，但該層細(xì)砂頂板處和中間處的砂土卻判別為不液化。檢查鉆孔柱狀圖，發(fā)現(xiàn)除了③層細(xì)砂的底板埋深較其它相鄰鉆孔加深了0.5～2 m外，其他情況均相同。

圖3 剪切波速液化臨界曲線與修正剪切波速散點(diǎn)圖

例如24號(hào)鉆孔③層細(xì)砂底板埋深僅僅比23號(hào)鉆孔淺0.5 m，其他條件類似，判別結(jié)果就為不液化。人為修改22號(hào)和23號(hào)鉆孔的③層細(xì)砂底板埋深和其它鄰近鉆孔一致，則判別結(jié)果就變?yōu)椴灰夯?；而人為加大其它非液化鉆孔的③層細(xì)砂底板埋深，則該鉆孔的判別結(jié)果也隨之由不液化變?yōu)橐夯?。這說明底板埋深是液化與否的關(guān)鍵因素。

在勘察工作中，對(duì)埋深及厚度變化不大、粒度組成相似的砂層，一般評(píng)價(jià)為均勻地層，當(dāng)該層砂土的剪切波速統(tǒng)計(jì)確定后，按照式(15)，液化抵抗強(qiáng)度CRR就確定了，不隨判別點(diǎn)的深度、水位深度的變化而變化。液化與否此時(shí)決定于地震循環(huán)應(yīng)力比CSR的大小。而由式(4)，地震震級(jí)和設(shè)計(jì)地震加速度一旦確定，CSR就決定于式(4)括號(hào)內(nèi)的算式的大小(為方便討論和敘述，以下設(shè)。

設(shè)地層為單一均勻細(xì)砂層，飽和重度19 kN/m3，天然重度17 kN/m3。則，隨著深度加大逐漸增大并趨于穩(wěn)定值19/9=2.11(見圖4)，而由式(5)計(jì)算的rd隨深度加大逐漸減小(見圖5)，β的數(shù)值呈現(xiàn)先增大、到一定深度后又減小的過程(見圖6)。這就有可能出現(xiàn)對(duì)于同一層砂，較深部位的地震循環(huán)應(yīng)力比CSR比淺部大的現(xiàn)象，導(dǎo)致上部砂層判別為不液化(近水面處除外)，反而深部同樣的砂卻判別為液化的反常結(jié)果。

圖4 隨深度變化圖

圖5 折減系數(shù)rd隨深度變化圖

圖6 β=0.65隨深度和水深dw的變化圖

表10 β與深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系(dw=0.5 m)

假設(shè)當(dāng)判別點(diǎn)深度2 m時(shí)，由式(15)判別的結(jié)果為剛好不液化，由表10得此時(shí)的β值為1.08，隨著判別點(diǎn)深度加大，CSR隨之增大。而因?yàn)榈貙拥膙s取統(tǒng)計(jì)平均值不變，由式(15)計(jì)算的液化抵抗強(qiáng)度CRR卻逐漸減小，則對(duì)應(yīng)的判別結(jié)果就是液化。從圖6和表10看，至少要到12.0～13.0 m深度才會(huì)再次判別為不液化。這就會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果：上覆有效壓力小的淺部細(xì)砂被判別為不液化(近水面處除外)，而深部上覆有效壓力較大的同樣的細(xì)砂層反而判別為液化。而眾所周知，砂層埋深越大，上覆有效應(yīng)力越大，對(duì)液化產(chǎn)生抑制作用，深層砂層應(yīng)該更難以液化[14]。

從地質(zhì)條件來(lái)看，新近系上新統(tǒng)洪積砂土局部呈膠結(jié)狀態(tài)，沉積年代久遠(yuǎn)，密實(shí)度較高，抗液化強(qiáng)度較高。液化判別結(jié)果僅僅底板埋深稍深了一點(diǎn)，判別結(jié)果就從不液化變?yōu)橐夯?，顯然與實(shí)際情況不符。結(jié)合地質(zhì)條件綜合判定③層細(xì)砂不會(huì)液化。

(5)建議在應(yīng)用采用剪切波速由式(15)進(jìn)行液化判別時(shí)，每層砂都分為上中下三個(gè)判別點(diǎn)分別進(jìn)行液化判別，如果僅有層底處判別結(jié)果為液化，而層頂和層中點(diǎn)處為不液化，則應(yīng)結(jié)合飽和砂土的沉積年代、黏粒含量、膠結(jié)情況等綜合判別。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]，該工程場(chǎng)地③層細(xì)砂、⑤層粉砂均為不液化場(chǎng)地。在微調(diào)了液化分類概率控制值后，陳國(guó)興SPT法的判別結(jié)果也為不液化。而根據(jù)孔夢(mèng)云剪切波速法的結(jié)果僅有個(gè)別飽和砂土層底處判別結(jié)果為液化，在考慮了地質(zhì)年代、膠結(jié)程度等地質(zhì)資料后，綜合判別結(jié)果為不液化。

(2)現(xiàn)行的《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》在飽和砂土液化判別上的安全裕度和核相關(guān)物項(xiàng)的破壞后果不匹配，而陳國(guó)興SPT法[13]、孔夢(mèng)云剪切波速[14]判別法的安全裕度較高，偏于安全。在涉核工程中，除采用《核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》外，建議同時(shí)采用《建筑抗震規(guī)范》做對(duì)比，最好采用文獻(xiàn)[13-14]進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，綜合判別，所得結(jié)論更加可靠。

(3)對(duì)于本工程抗震Ⅰ類物項(xiàng)，筆者建議把陳國(guó)興判別式的液化分類概率控制值PL取為8%(名義抗液化安全系數(shù)約等于1.2)，則所有標(biāo)貫試驗(yàn)的判別結(jié)果均為不液化。

(4)采用孔夢(mèng)云等建議的式(15)時(shí)，因?yàn)樯皩硬ㄋ俣ㄖ?平均值)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)淺部砂層不液化，反而深部同樣的細(xì)砂層判為液化的反常結(jié)果。對(duì)此，建議每層砂都分為上中下三個(gè)判別點(diǎn)計(jì)算，結(jié)合地質(zhì)情況綜合判別。

(5)該工程根據(jù)各類液化判別方法，結(jié)合以往勘察成果和地震安評(píng)報(bào)告，綜合判定③層細(xì)砂、⑤層粉砂為不液化，這個(gè)結(jié)論在勘察成果評(píng)審時(shí)得到了與會(huì)專家的認(rèn)可。