張 波

(中赟國際工程有限公司，河南 鄭州 450000)

飽和砂土受到地震作用時，孔隙水壓力驟然上升，在短暫時間內來不及消散，砂粒之間的有效應力完全消失，喪失抗剪強度與承載能力，地基變成像液體一樣的狀態(tài)，稱為液化[1]。液化會造成土體側移和震陷，導致地基失效，影響工程質量和人類生命安全。

印尼地處太平洋地震帶，是一個地震多發(fā)國家，幾乎每年都要發(fā)生較大強度的地震，地震烈度一般在7度以上。印尼蘇門答臘島沿海為平原地帶，地表遍布新近堆積的砂土。此外，濱海地區(qū)地下水普遍較淺，在地震作用下，蘇門答臘島沿海地區(qū)地基土存在發(fā)生液化的潛勢。

目前，對地震誘發(fā)土體液化的機理和評價方法的相關研究已經(jīng)較為充分。土體液化評價方法主要包括統(tǒng)計法與地震反應分析法。統(tǒng)計法以地震現(xiàn)場的液化調查資料和場地勘測資料為基礎，建立經(jīng)驗準則和公式，如采用標準貫入錘擊數(shù)為參量的經(jīng)驗公式，給出判別液化的條件與界限。統(tǒng)計法直觀、實用、簡單，對影響飽和砂土液化的重要因素可予以考慮，較容易被接受，已列入許多設計規(guī)范，如我國的《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011-2010)[2]以及Seed法[3]。長期以來，液化判定方法較多，但不同方法對砂土地層液化潛勢評價結果的影響，并無深入探討，地震液化引起的防浪堤水平側移和震陷情況時有報道。

本研究以印尼蘇門答臘島沿海地區(qū)某防浪堤工程為研究對象，開展原位測試與室內試驗，獲取土體物理力學參數(shù)?；诠こ虒嵺`中常用的國標法、Seed法、神經(jīng)網(wǎng)絡法與EERC法等統(tǒng)計方法，分別判定砂土的液化潛勢，分析液化引起的防浪堤水平側移與震陷量，用于指導印尼濱海地層液化判定與預防，為海外防浪堤項目類似地層液化評估提供參考。

1 研究場地

研究區(qū)位于印尼蘇門答臘島西北部，淺部地層主要為砂土、粉土和黏土，地下水位較高，近地表，其埋深為0 m?，F(xiàn)場布置一鉆孔，經(jīng)過現(xiàn)場標貫測試與室內試驗，場地典型地層特征參數(shù)如表1所示。

表1 研究區(qū)地層特征參數(shù)

根據(jù)《印度尼西亞地震區(qū)劃圖》，工程場地50 a超越概率10%水平(重現(xiàn)周期500 a)的基巖峰值加速度為0.25 g。根據(jù)場地實測標準貫入錘擊數(shù)，依據(jù)印尼規(guī)范(SNI 03-1726-2002)[4]，地表峰值加速度為0.32 g，對應我國的Ⅷ度區(qū)。

某防浪堤采用雙堤環(huán)抱式布置形式，西防浪堤垂直岸線布置，向東南彎曲，遠端延伸至等深線-9.0 m的位置，東防浪堤延伸至等深線-6.0 m的位置，防浪堤總長1 180.19 m。防浪堤結構按允許少量越浪設計，堤心拋填10～600 kg級配良好的開山石，堤心頂寬為7 m，高程為2.0 m，斜坡坡比為1：1.5。針對不同水深和波浪，西防浪堤堤頭采用15 t扭工字塊擺放兩層，東防浪堤堤頭采用8 t扭工字塊擺放兩層。西防浪堤堤身段外側采用4 t、8 t、10 t與12 t扭工字塊擺放兩層，護面塊體下設塊石墊層；堤身段內側采用4 t扭工字塊擺放兩層進行防護。東防浪堤堤身段內、外側均采用4 t、8 t扭工字塊擺放兩層，護面塊體下設塊石墊層。防浪堤底采用塊石護底，護底長度堤頭段為35 m，堤身段外側為20～25 m，內側為10～15 m。護岸為實體斜坡式結構，防護范圍為-1～+2 m，坡比采用1：1.5，護岸外側安放800 kg塊石兩層護面，并設65 cm厚40～80 kg的塊石墊層，內側由上至下分別設置土工布、混合倒濾層及兩片石墊層。

2 液化判定

2.1 國標法

我國抗震規(guī)范規(guī)定，在20 m深度范圍內，當飽和砂土、粉土標準貫入錘擊數(shù)(未經(jīng)桿長修正)小于或等于液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值時，應判為液化土，并認為黏土不具液化潛勢。液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值可按式(1)計算：

(1)

式中：Ncr為液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值；ds為飽和土標準貫入點深度(m)；dw為地下水位(m)；ρc為黏粒含量百分率，當小于3%或為砂土時，應采用3%；β為調整系數(shù)，設計地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

在探明各液化土層的深度和厚度基礎上，按式(2)計算土層的液化指數(shù)，并劃分相應的液化等級：

(2)

表2 國標法液化判定結果

圖1 假定土柱在地震荷載作用下的剛體運動

式中：IlE為液化指數(shù)；n為在判別深度范圍內每一個鉆孔標準貫入試驗點的總數(shù)；Ni、Ncri分別為i點標準貫入錘擊數(shù)的實測值和臨界值；di為i點所代表的土層厚度(m)；Wi為i土層單位土層厚度的層位影響權函數(shù)值(單位為m-1)。

采用國標法計算，鉆孔液化判定結果如表2所示，液化深度至15 m，液化指數(shù)為12.35，液化等級為中等。

2.2 Seed法

將土體由振動作用產(chǎn)生的循環(huán)應力比(CSR)與循環(huán)抗力比(CRR)進行比較。如果安全系數(shù)FS=CRR/CSR≥1，則判別為不液化，反之，則判別為液化[5]。

(1)CSR計算

如圖1所示，假定水平地面下存在一個具有單位寬度和長度的土柱，地面在地震荷載作用下產(chǎn)生最大加速度為amax的水平運動。則作用在土柱上的水平地震荷載F可表示為：

(3)

式中：F為作用在單位寬度和長度的土柱上的水平地震荷載(kN)；m為土柱的總質量(kg)；W為土柱的總重量(kN)；γt為土體的總容重(kN/m3)；z為土柱距地表的深度(m)；a為土柱運動的加速度(m/s2)；σv0為土柱底部的總上覆應力(kPa)。

在水平方向上進行力的合成后，作用在剛體土柱上的荷載F等于其底部的最大剪力，由于土柱具有單位長度和寬度，因此F數(shù)值即為最大剪應力τmax。式(3)兩邊同除以上覆有效應力σv0′，則有：

(4)

由于地震時土層中任一點剪應力的時程變化呈不規(guī)則形狀，具體應用時需將其用等效的平均剪應力代替，即τcyc=0.65τmax，將其代入式(4)，得到循環(huán)應力比為：

(5)

式中：rd為應力折減系數(shù)。

(2)CRR計算

循環(huán)抗力比反映了在地震荷載作用下土體的抗液化強度，依據(jù)標準貫入原位試驗進行評價。首先對標貫實測數(shù)據(jù)按式(6)進行試驗方法的修正：

N60=1.67EmCbCrN

(6)

式中：N60為經(jīng)過試驗方法修正后的標準貫入擊數(shù)；Em為錘擊系數(shù)(對于安全式落錘為0.60，對于圓錘為0.45)；Cb為鉆孔孔徑系數(shù)(對于65～115 mm孔徑為1.00，對于150 mm孔徑為1.05，對于200 mm孔徑為1.15)；Cr為桿長系數(shù)(鉆桿桿長小于等于4 m時為0.75，桿長4～6 m時為0.85，桿長6～10 m時為0.95，鉆桿桿長大于等于10 m時為1.00)；N為標貫實測數(shù)據(jù)。

在液化分析時，還需考慮上覆有效應力的影響，進行相應的修正，即：

(N1)60=CNN60=(100/σv0′)0.5N60

(7)

式中：(N1)60為經(jīng)過試驗方法和上覆有效應力修正后的標貫擊數(shù)；CN為上覆有效應力修正系數(shù)，其值一般為1.7～2.0。

根據(jù)大量地震時的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，包括液化場地和非液化場地，Seed等學者在1985年提出了7.5級地震下標貫擊數(shù)與CRR的對應關系，此后又根據(jù)一系列新的地震實測數(shù)據(jù)進行了改進[6-7]。采用Seed法計算，鉆孔液化判定結果如表3所示，F(xiàn)s范圍為0.59～1.40。Seed法沒有液化等級概念，只有是否液化的判定結果。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡法

由于影響砂土液化的因素很多，而且影響因素與砂土液化勢之間呈高度的非線性關系，近年來很多學者采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡來建立砂土液化預測模型。神經(jīng)網(wǎng)絡法是一種經(jīng)驗方法，它基于歷史資料的經(jīng)驗來預測未來砂土液化事件的發(fā)生規(guī)律。所以，神經(jīng)網(wǎng)絡模型采用的學習樣本必須具有代表性，且有足夠的數(shù)量。本文采用陳國興等[8]提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡模型的砂土液化概率判別方法(取國內外25次大地震中344個場地的飽和砂土實測資料作為樣本，其中液化場地206個，非液化場地138個)，對鉆孔細砂層進行概率判別。根據(jù)概率論的基本概念，若樣本足夠大，則給定抗液化安全系數(shù)下飽和砂土液化概率Pl為：

(8)

式中：fl(Fs)和fnl(Fs)分別為經(jīng)統(tǒng)計分析得出的飽和砂土液化和非液化的概率密度函數(shù)。對實測數(shù)據(jù)的液化概率進行曲線擬合，得出的函數(shù)如下：

(9)

為便于工程應用，按液化概率水平將飽和砂土液化勢分為三個等級，其建議標準如表4所示[9]。

利用上述模型對鉆孔細砂層的液化判別結果如表5所示，Pl范圍為0.49～0.91，液化潛勢評價為可能液化～液化。

表5 神經(jīng)網(wǎng)絡模型法液化判別結果

2.4 EERC法

Seed和Cetin等應用概率模型考慮多種因素的影響，提出了砂性土液化勢概率分析的一個新方法，這里稱為EERC(美國伯克利地震工程中心)法。EERC法中按式(10)計算rd值：

(10)

式中：z為土層深度(m)；veq為下面12 m范圍內的場地等效剪切波速(m/s)；amax為地面地震動峰值加速度(g)；σ(z)為標準差，按下式確定：

σ(z)=0.0198z0.8500z<12 mσ(z)=0.0198×120.8500=0.1637z≥12 m

(11)

飽和砂土層的液化概率的經(jīng)驗公式按式(12)確定：

(12)

式中：Pa為大氣壓力；Φ(*)為標準正態(tài)分布函數(shù)；震級Mw對地震循環(huán)應力比CSR的影響仍采用震級標定系數(shù)MSF表示，但其取值與NCEER建議的MSF值有所不同，見表6。

參考國內相似海底地層鉆孔剪切波速測試結果，確定12 m內等效剪切波速為180 m/s。利用上述模型，鉆孔細砂層的判別結果如表7所示。Pl范圍為0.002 6～0.997 9，液化潛勢評價為不液化～液化，與神經(jīng)網(wǎng)絡法判定結論稍有不同，但液化深度均為15 m。

表6 震級標定系數(shù)MSF值

表7 EERC法判別結果

2.5 液化結果分析

以上各類方法的判別結果基本一致，即鉆孔15 m內現(xiàn)狀細砂層在500 a一遇地震作用下將產(chǎn)生液化現(xiàn)象。

當防浪堤建成后，由于結構物基礎附加應力的壓密作用，必將改變可液化土層原有的結構和應力狀態(tài)。實質上，結構建成后砂土的液化判別問題是高有效上覆壓力下飽和砂土的液化判別問題。動三軸試驗表明，飽和砂土的抗液化強度隨固結應力的增大而提高，但兩者的關系是非線性的。防浪堤建成后會使基底下可液化土層的抗液化能力增強，而位于基礎外側土體由于結構物的下沉將會產(chǎn)生附加剪應力，削弱其抗液化能力。因此，結構物的存在將會改變地基可液化土層的液化勢分布。

結構物對地基土液化性的影響不僅取決于結構物的自身重量與載荷分布、基礎形狀尺寸、埋置深度，而且還取決于結構物自身的動力特性，影響較為復雜。已有的試驗和理論分析表明：基礎外側周圍抗液化強度最薄弱，自由場次之，基底以下最強。

3 液化側向滑移與震陷評估

對于液化產(chǎn)生的側向位移，Hamada等[11]首先提出經(jīng)驗回歸統(tǒng)計方法，該方法通過震害調查，建立地震液化側向位移數(shù)據(jù)庫，進行統(tǒng)計回歸分析，得到經(jīng)驗關系：

(13)

式中：D為側向地面位移(m)；H為液化層厚度(m)；θ為液化層底面的最大坡度(%)。

由本項目工程勘察資料可得，海底0～-9 m等深線平均坡比為1：65，根據(jù)本次鉆孔，推測海底可液化細砂層底面(黏土層頂面)平均坡比為1：64，因此可以認為可液化細砂層厚度不變。根據(jù)液化判別結果，可液化細砂層厚度約為9～13.5 m。利用式(13)估計地震液化后海底面?zhèn)认蛭灰瓶蛇_2.6～3.2 m。這種側向滑移，如海底砂土層結構均勻、地形起伏不大，可能在一定區(qū)域內表現(xiàn)為近連續(xù)變形(滑移)，但也可能受海底地形起伏、砂土層間結構、下臥層影響，呈現(xiàn)分區(qū)塊、分條帶的整體滑移。

對于液化震陷量的估計，采用建筑抗震設計規(guī)范中的計算公式：

(14)

式中：SE為液化震陷量平均值(m)；S0為經(jīng)驗系數(shù)，對7、8、9度分別取0.05、0.15、0.30；B為基礎厚度(m)，當B≤0.44d1時，取B=0.44d1；d1為由地面起算的液化深度(m)；d2為由地面起算的上覆非液化土層厚度液化深度(m)，液化層為持力層取d2=0；p為基底壓力(kPa)；Dr為砂土相對密度，可依據(jù)標準貫入擊數(shù)N取值。

基礎寬度B取堤心石鋪設寬度。由于基礎寬度和基底壓力都取決于防浪堤斷面設計方案，按最不利原則，基礎寬度按平均估計，基底壓力按防浪堤斷面進行計算，估計液化震陷。按式(14)計算，得出的液化震陷量約為35～44 cm。

基于上述計算與分析，考慮斜坡式防浪堤結構形式具有一定自穩(wěn)調整能力，對地基的承載力要求不高，對地基的不均勻沉降不敏感，堤基范圍內地基具有壓載加固效應。本研究認為：若遭遇500 a一遇地震作用影響發(fā)生地基液化，防浪堤主要的破壞形式為受地基側向滑移引起的側向錯移，最大錯移量不大于3 m；同時會伴有一定震陷，除因海底地形起伏等導致的局部整體滑移形成陡坎外，震陷量不會超過50 cm；防浪堤使用功能可能受到一定程度影響或部分喪失，但不會發(fā)生完全喪失使用功能的破壞。

4 結論

以印尼某防浪堤為研究對象，開展砂土地層原位測試與室內試驗，依據(jù)國內外液化判定方法，綜合判定地層液化潛勢，并預測液化災害，得到以下結論：

(1)基于國標法、Seed法、神經(jīng)網(wǎng)絡法與EERC法，在計算砂土液化時，液化潛勢評估結論基本一致，15 m內現(xiàn)狀細砂層在500 a一遇地震作用下將產(chǎn)生液化。

(2)砂土發(fā)生液化時，防浪堤的主要破壞形式包括側向錯移和震陷。最大錯移量不大于3 m，最大震陷量不會超過50 cm。防浪堤使用功能可能受到一定程度影響或部分喪失，但不會發(fā)生完全喪失使用功能的破壞。