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        飽和砂土液化判別方法中抗震規(guī)范與NCEER法的對(duì)比

        2021-02-11 05:58:52陳曉鋒
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2021年22期
        關(guān)鍵詞:震級(jí)砂土液化

        張 義 陳曉鋒

        (四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610041)

        0 前言

        飽和砂土液化是地震災(zāi)區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害,能引發(fā)建(構(gòu))筑物傾斜、倒塌、塌陷等,因此對(duì)飽和砂土進(jìn)行液化判別是場(chǎng)地巖土工程評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一。目前,國內(nèi)常用的判別場(chǎng)地飽和砂土液化情況的方法是根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010,2016 年版)推薦的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法,以下簡稱“抗震規(guī)范法”。抗震規(guī)范法主要是根據(jù)國內(nèi)外大地震的資料和室內(nèi)液化試驗(yàn)的研究成果確定,適用于地面以下20m 范圍內(nèi)的飽和砂土的液化判別[1]。國外使用頻次較高的液化判別方法是SEED 法[2]。SEED 法最早是由Seed等人于1971 年根據(jù)美國和日本地震研究提出的砂土液化判別方法,是一種試驗(yàn)-分析方,后又經(jīng)過多次發(fā)展和完善。其基本概念是先求地震作用下不同深度土處的剪應(yīng)力,再求該處發(fā)生液化所必需的剪應(yīng)力(液化強(qiáng)度)。美國國家地震工程研究中心(NCEER)分別于1996 年、1998 年,組織專家組對(duì)之前25 余年的液化判別研究成果和資料進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié),進(jìn)一步對(duì)SEED 法進(jìn)行了改進(jìn)和完善,此種簡化的方法稱為“NCEER 法”[5]。因此,NCEER 法是以SEED 法為基礎(chǔ)演變的判別方法,目前被歐美、東南亞和非洲在內(nèi)的大多數(shù)國家接受。該文通過工程實(shí)例,分別運(yùn)用抗震規(guī)范法、NCEER法,采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法對(duì)飽和砂土進(jìn)行液化判別對(duì)比分析。

        1 砂土液化的機(jī)理

        1.1 液化機(jī)理

        在地震作用下,飽和砂土的土粒在重新排列的過程中,體積發(fā)生變化,松散的砂土在震動(dòng)過程中有變得更緊密的趨勢(shì);在短時(shí)間內(nèi)孔隙水來不及分散排出,造成孔隙水壓力增大,土體有效應(yīng)力減小。根據(jù)有效應(yīng)力原理,砂土的抗剪強(qiáng)度如下。

        式中:τ為土的抗剪強(qiáng)度,σ為土的總應(yīng)力,μ為土的超靜孔隙水壓力,φ′為土的有效內(nèi)摩擦角。

        由公式(1)可以看出,當(dāng)孔隙水壓力增加,土的抗剪強(qiáng)度降低。若振動(dòng)強(qiáng)烈,而孔隙水壓力增長很快而又不能立即消散,當(dāng)發(fā)展至μ=σ時(shí),土的抗剪強(qiáng)度τ=0,此時(shí),土粒完全懸浮于水中,砂層喪失了抗剪強(qiáng)度和承載能力,土體處于流動(dòng)狀態(tài),產(chǎn)生砂土液化現(xiàn)象。

        1.2 砂土液化的主要因素

        根據(jù)上述分析可知,場(chǎng)地的抗液化強(qiáng)度隨土粒的密度增大而增大,隨地下水的飽和度增大而降低,場(chǎng)地的有效應(yīng)力越大,產(chǎn)生的孔隙水壓力消散越快,發(fā)生液化的可能性越小。理論上講,地基土上覆有效壓力越大,即埋藏深度越大,越不容易液化。因此,砂土液化的影響因素主要有以下幾點(diǎn):1)土性條件;2)土層狀態(tài);3)地下水條件;4)地震動(dòng)荷載條件;5)土層應(yīng)力條件等。

        2 抗震規(guī)范法

        根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010,2016 年版)第4.3 節(jié)[1],首先對(duì)地面下存在的飽和砂土,按照地質(zhì)年代、黏粒含量、淺埋天然地基見的上覆非液化土層和地下水位等三個(gè)條件,進(jìn)行初步判別。若初判為液化、或考慮液化時(shí),再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的實(shí)測(cè)值N做進(jìn)一步判別。將標(biāo)貫的實(shí)測(cè)值N與計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr進(jìn)行比較。當(dāng)NNcr時(shí),則判定不會(huì)液化。在地面下20m深度范圍內(nèi)的液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr,可按式(2)計(jì)算。

        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)臨界值;ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度;dw為地下水位深度;ρc為黏粒含量百分率,小于3 或?yàn)樯巴習(xí)r,應(yīng)取3;β為調(diào)整系數(shù),設(shè)計(jì)地震為第一組時(shí)取0.80,第二組取0.95,第三組取1.05。

        由公式(2)可以看出,抗震規(guī)范法對(duì)砂土液化判別的主要與地震動(dòng)參數(shù)、黏粒含量、地下水位埋深及深度有關(guān),標(biāo)貫臨界錘擊數(shù)隨深度呈拋物線式遞增,與地下水位呈反比關(guān)系,與地震動(dòng)加速度呈正比關(guān)系。

        3 NCEER 法

        國外常用的NCEER 法是在SEED 簡化法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,其實(shí)質(zhì)是將砂土中由地震動(dòng)作用產(chǎn)生的剪應(yīng)力與產(chǎn)生液化所需的剪應(yīng)力(即在相應(yīng)動(dòng)力作用下砂土的抗剪強(qiáng)度)進(jìn)行比較,后H.B.Seed 將上述理論簡化,利用成等效循環(huán)應(yīng)力比CSR(地震引起的水平剪應(yīng)力比)與地基土的循環(huán)阻力比(抗液化強(qiáng)度比)CRR的比較,當(dāng)CSR>CRR時(shí),砂土液化。

        3.1 CSR 的計(jì)算

        等效循環(huán)應(yīng)力比CSR如公式(3)所示。

        陳國興、胡慶興等建議,23

        3.2 CRR 的計(jì)算

        抗液化強(qiáng)度比可采用室內(nèi)原狀樣試驗(yàn)方法或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法確定,工程實(shí)踐中主要采用標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)方法。NCEER 推薦采用圖1 所示曲線確定抗液化強(qiáng)度比。

        如圖1 所示,CSR和標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)關(guān)系的散點(diǎn)圖是以震級(jí)M為7.5 的地震現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果為依據(jù)得到的。NCEER 建議的CRR 曲線適用于震級(jí)M約為7.5 級(jí)的地震砂土液化判別。圖1 中細(xì)粒含量含量Fc小于5%的分界線,稱之為純砂土基本曲線,如公式(5)所示。

        圖1 抗液化強(qiáng)度比與修正標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系(震級(jí)M=7.5)

        式中:(N1)60為將上覆有效壓力為100kPa 和錘擊能量轉(zhuǎn)換率為60%時(shí)的標(biāo)貫擊數(shù)修正值,為考慮細(xì)粒含量對(duì)抗液化強(qiáng)度的影響,將含細(xì)粒的砂土(N1)60修正為等效純凈砂土(N1)60cs,見公式(6)。顯然含細(xì)粒含量越高,土的抗液化強(qiáng)度也越高。

        式中:α、β為考慮細(xì)粒含量Fc的修正系數(shù),當(dāng)Fc≤5%時(shí),α=0,β=1;當(dāng)5%

        對(duì)震級(jí)M≠7.5 時(shí),應(yīng)考慮不同震級(jí)對(duì)液化判別的影響,采用震級(jí)標(biāo)定系數(shù)MSF進(jìn)行CRR的修正。

        MSF=102.24/M2.56(7)NCEER 也給出了MSF與震級(jí)M的關(guān)系表,見表1。

        表1 MSF 與震級(jí)M 的關(guān)系表

        在國內(nèi),對(duì)一般工程,常用到場(chǎng)地的地震動(dòng)峰值加速度αmax和地震基本烈度兩個(gè)參數(shù),通過國內(nèi)外學(xué)者的研究,震中烈度I0與震級(jí)M之間一般有如下關(guān)系。

        3.3 標(biāo)貫擊數(shù)的修正

        在圖1 及公式(5)中,標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)都是需要進(jìn)行修正的。國外常采用能量因子為60%時(shí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)貫修正值,而影響N60修正的因素影響眾多,主要受鉆孔孔徑、取樣器是否裝襯管、桿長及錘擊能量傳遞效率等。對(duì)純凈的砂土,通常認(rèn)為,其標(biāo)貫擊數(shù)受上覆側(cè)應(yīng)力影響較大,而側(cè)應(yīng)力受上覆應(yīng)力的影響,因此對(duì)砂土標(biāo)貫修正時(shí),還需考慮上覆側(cè)應(yīng)力對(duì)標(biāo)貫擊數(shù)的影響。因此,相應(yīng)能量因子為60%對(duì)應(yīng)的上覆應(yīng)力為100kPa 時(shí)的標(biāo)貫擊數(shù)(N1)60修正如公式(10)所示。

        式中:Nm為實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù);CN為上覆有效應(yīng)力系數(shù);CE為錘的能量修正系數(shù);CB為孔徑修正系數(shù);CR為桿長修正系數(shù);CS為是否裝標(biāo)貫襯管的修正系數(shù)。

        修正系數(shù)CN可按公式(11)計(jì)算。

        CE、CB、CR、CS是標(biāo)準(zhǔn)貫入測(cè)試系統(tǒng)的校正系數(shù),對(duì)一定的測(cè)試系統(tǒng),其對(duì)應(yīng)的值是確定的,其系數(shù)的取值見表2。

        表2 SPT 修正系數(shù)表

        4 抗震規(guī)范與NCEER 法的比較

        4.1 判別原理上不同

        我國的抗震規(guī)范法以大量的現(xiàn)場(chǎng)液化與未液化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,并結(jié)合結(jié)構(gòu)可靠度理論,得到了不同地面加速度、不同地下水位和埋深的液化臨界錘擊數(shù),是根據(jù)以往大量的地震經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出的經(jīng)驗(yàn)方法。雖然缺乏理論基礎(chǔ),但簡單實(shí)用,便于工程人員掌握[1]。NCEER法在主要是基于室內(nèi)試驗(yàn)、地震經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果建立的試驗(yàn)分析法,該方法考慮了砂土的應(yīng)力狀態(tài)、地震影響、細(xì)砂含量等,公式較為復(fù)雜,在實(shí)際使用過程中并不方便,但該方法具有一定的理論基礎(chǔ),考慮的因素更多。

        4.2 地震作用的影響

        兩種方法都考慮地震對(duì)液化判別的影響。所不同的是,NCEER 法采用震級(jí)比例系數(shù)來反映不同震級(jí)對(duì)液化臨界曲線的影響,震級(jí)能反映震源釋放的能量等級(jí),與地面峰值加速度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而抗震規(guī)范以地震基本烈度和設(shè)計(jì)地震分組來反映地震對(duì)場(chǎng)地和液化臨界標(biāo)貫擊數(shù)的影響。

        4.3 上覆土壓力的影響

        一般地,上覆土層的有效應(yīng)力σv′越大,則土體越不易發(fā)生液化。我國規(guī)范在計(jì)算Ncr時(shí)考慮了上覆土的厚度,相當(dāng)于間接考慮了上覆土有效應(yīng)力σv′對(duì)飽和砂土的影響;NCEER法在計(jì)算時(shí)則是直接考慮了上覆土有效應(yīng)力σv′的影響。

        4.4 細(xì)砂含量的影響

        我國抗震規(guī)范法認(rèn)為對(duì)液化起阻抗作用的細(xì)粒主要為黏粒,在粉土中需要測(cè)定黏粒含量,而在砂土中則不考慮黏粒的影響,因此高細(xì)粒含量土的抗液化強(qiáng)度被低估。NCEER法考慮了細(xì)粒土含量的影響,當(dāng)Fc<5%時(shí)視為純凈砂,在Fc>35%時(shí)則按 35%考慮,因此對(duì)高細(xì)粒含量的土體,其抗液化強(qiáng)度也在一定程度上被低估。

        4.5 標(biāo)貫擊數(shù)的影響

        我國抗震規(guī)范法和國外的NCEER 法均采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)抗液化強(qiáng)度的指標(biāo);不同的是,抗震規(guī)范法則直接采用未經(jīng)修正的標(biāo)貫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),有關(guān)地下水位、試驗(yàn)點(diǎn)埋深的影響則體現(xiàn)在臨界錘擊數(shù)中,而NCEER 法須對(duì)實(shí)測(cè)標(biāo)貫數(shù)據(jù)進(jìn)行錘擊能量、桿長、上覆有效應(yīng)力等方面的修正。

        5 工程實(shí)例

        某場(chǎng)地位于河流沖積階地上,區(qū)域地貌為侵蝕堆積地形之河漫灘及Ⅰ級(jí)階地、冰水堆積扇狀平原,地勢(shì)總體為南低北高。

        場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度αmax為0.2g,基本烈度為VIII 度,地震分組為第三組,震級(jí)M為7 級(jí)。場(chǎng)地地下水為松散巖類孔隙水,地下水位5m,埋深淺,水量豐富。

        場(chǎng)地地層較簡單,主要為第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al ),從上至下可分為:①粉質(zhì)黏土,稍濕~濕,可塑,含較多砂粒,夾薄層粉砂、粉土,平均厚度約5m;②粉砂,濕~飽和,松散~中密,平均厚度約7m;③細(xì)砂,飽和,中密~密實(shí),平均厚度約10m。地層條件見表3。

        表3 場(chǎng)地地層基本條件

        采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法,根據(jù)抗震規(guī)范法及NCEER 法分別對(duì)鉆孔內(nèi)的標(biāo)貫測(cè)試進(jìn)行液化判別,其比較結(jié)果見表4。

        表4 兩種液化判別方法結(jié)果比較

        由表4??梢钥闯?,基于標(biāo)貫擊數(shù)的抗震規(guī)范法與NCEER法對(duì)場(chǎng)地砂土液化判別的結(jié)果基本一致,但明顯NCEER 法的場(chǎng)地液化安全系數(shù)要大于抗震規(guī)范法,表明抗震規(guī)范法在判別結(jié)果上偏保守。

        6 結(jié)論

        飽和砂土液化是地震災(zāi)區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害,能引發(fā)建(構(gòu))筑物傾斜、倒塌、塌陷等,造成巨大的損失。因此,對(duì)飽和砂土進(jìn)行液化判別是場(chǎng)地巖土工程評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容之一。目前,國內(nèi)外對(duì)地震液化的判別方法不盡相同,該文主要針對(duì)國內(nèi)的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和國外的NCEER法關(guān)于砂土液化判別方法的說明和比較,并用實(shí)例進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)算。結(jié)論如下:1)抗震規(guī)范法屬于經(jīng)驗(yàn)法,主要是以國內(nèi)外大地震的資料和室內(nèi)液化試驗(yàn)的研究成果為依據(jù),給出判定液化的條件和界限,適用于地面以下20m 范圍內(nèi)的飽和砂土的液化判別。2)NCEER 法屬于簡化試驗(yàn)-分析法,理論基礎(chǔ)完善,是由美國國家地震工程研究中心在SEED 簡化法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,對(duì)SEED 法進(jìn)行了進(jìn)一步完善。3)抗震規(guī)范和NCEER 法比較而言,判別原理上不同,在地震作用的影響、細(xì)砂含量的影響、上覆土壓力的影響等方面也有一定差異,標(biāo)貫擊數(shù)的考慮也不相同。4)根據(jù)工程實(shí)例表明,基于標(biāo)貫擊數(shù)的抗震規(guī)范法與NCEER 法對(duì)場(chǎng)地砂土液化判別的結(jié)果基本一致,但NCEER 法的場(chǎng)地液化安全系數(shù)明顯要大于抗震規(guī)范法,表明抗震規(guī)范法在判別結(jié)果上偏于保守。鑒于工程案例和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足,建議后期不斷豐富數(shù)據(jù),進(jìn)一步補(bǔ)充分析。

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