郝少雷，張 兵，陳夢瑞

(昆明理工大學國土資源工程學院，云南 昆明 650093)

0 引 言

砂土地震液化[1]是飽水的疏松粉、細砂土在周期荷載的往復振動下，顆粒骨架重新排列導致其結構發(fā)生改變，滲透性變差，如果沒有有效排水，則孔隙水壓力將迅速上升，當孔隙水壓力直至接近或小于總應力后，有效應力將會趨近于0，土樣將完全喪失抗剪切能力，出現(xiàn)顆粒懸浮在水中的現(xiàn)象。噴砂冒水、地基沉陷、建筑物傾斜、開裂等是砂土地震液化最直觀的現(xiàn)象，所造成的破壞將嚴重威脅人民生命財產安全和市政設施的正常運行。因此，在地震條件下，判別場地內砂土層液化與否，是評價地基土穩(wěn)定的關鍵一環(huán)[2-3]。

由于歷史及行業(yè)習慣原因，建筑、鐵路、公路等行業(yè)在液化判別式及有關規(guī)定上存在一定的差異。目前，我國砂土地震液化判別主要依據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》(以下簡稱“《建筑抗規(guī)》”)[4]、GB 50111—2006《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(以下簡稱“《鐵路抗規(guī)》”)[5]、JTG/T B02—01—2008《公路橋梁抗震設計細則》以及JTG C20—2011《公路工程地質勘察規(guī)范》等進行評價。不同行業(yè)的評價結果的差異性是客觀存在的，但都合乎規(guī)矩[6-7]。本文以上海包頭路沉管搶修工程為例，采用現(xiàn)行規(guī)范《建筑抗規(guī)》和《鐵路抗規(guī)》中的液化判別法，對地基土進行液化評價，分析了2種規(guī)范砂土液化判別的差異，并對研究區(qū)砂土液化判別結果進行探討。

1 研究區(qū)概況

1.1 工程概況

本文沉管搶修工程位于上海市楊浦區(qū)，北起市光路，南至國和路，全長約380 m。根據(jù)上海區(qū)域地質資料及臨近工程地質資料[8]，研究區(qū)場地淺層有粉性土分布，厚度大于10 m。該層土極易發(fā)生管涌、流砂，且具有中等～嚴重液化特性。

圖1 研究區(qū)典型地質剖面

1.2 研究區(qū)液化土工程地質特性

為探明包頭路段(市光路～國和路)砂質粉土層分布規(guī)律及工程地質特性，進行了鉆探、原位測試及室內等一系列試驗。研究區(qū)地層20 m以內的砂質粉土層呈灰色，以粉粒為主；研究區(qū)土層天然含水率高，平均達31.2%，飽和度均值達95%；容重均值為18.4 kN/m3，平均比重2.7，孔隙比高，均值達0.887；壓縮系數(shù)均值為0.23 MPa-1，壓縮模量均值為8.47 MPa，屬中等壓縮性土層。研究區(qū)砂質粉土層不同深度黏粒含量見圖2。

圖2 研究區(qū)不同深度黏粒含量百分比

1.3 研究區(qū)抗震指標

研究區(qū)淺部發(fā)育全新世(淤泥質)軟土，砂質粉土液化現(xiàn)象明顯，屬于對建筑抗震不利地段。根據(jù)《建筑抗規(guī)》，包頭路段建筑抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，屬于第二組設計地震分組，即研究區(qū)為Ⅳ類建筑場地。

2 砂土層液化判別方法

2.1 《建筑抗規(guī)》

對場地內飽和砂土、粉土進行液化初判，對不滿足發(fā)生液化條件的砂質粉土層，可判定為不液化土層或不考慮其造成的液化影響[9]。當研究區(qū) 20 m 以內揭露飽和砂土、粉土且需要進一步進行液化判別時，按下式計算液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值

(1)

式中，Ncr為標準貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值，研究區(qū)取值為7；β為調整系數(shù)，研究區(qū)為第二組設計地震，取0.95；ds為標準貫入試驗點深度；dw為地下水埋深；ρc為黏粒含量百分比，當ρc<3(或為砂土)時，取3。

2.2 《鐵路抗規(guī)》

對場地內飽和砂土、粉土進行液化初判，然后對需要進一步液化判別的砂土、粉土，按下式進行判定

Ncr=N0α1α2α3α4

(2)

α1=1-0.065(dw-2)

(3)

(4)

α3=1-0.05(du-2)

(5)

(6)

式中，α1為地下水位埋深修正系數(shù)；α2為標準貫入試驗點深度修正系數(shù)；α3為上覆非液化土層厚度修正系數(shù)；α4為黏粒含量百分比修正系數(shù)。

2.3 規(guī)范法原理對比

在砂土地震液化判別上，《建筑抗規(guī)》與《鐵路抗規(guī)》都采用標準貫入試驗，即當飽和砂土、粉土標準貫入錘擊數(shù)N63.5≤Ncr時，判定為土層發(fā)生液化。其中，《鐵路抗規(guī)》液化判別式為錘擊數(shù)基準值N0與多個修正系數(shù)的乘積，計算結果較分散，而《建筑抗規(guī)》為擬合曲線的對數(shù)和差公式，相比而言更為合理[10]。2種規(guī)范的砂土液化判別式在不同的設計基本加速度上，其N0值有一定差別。根據(jù)《建筑抗規(guī)》，研究區(qū)建筑抗震設防烈度為7，設計基本加速度為0.10g，而同等條件下《鐵路抗規(guī)》規(guī)定第一區(qū)建筑抗震設防烈度為6，第二、三區(qū)為8。2種規(guī)范N0值對比見表1。

表1 2種規(guī)范N0值對比

為探明2種規(guī)范對同一設計基本加速度給出不同N0值的原因，將影響Ncr值的修正因素進行統(tǒng)計，見表2。從表2可知，《鐵路抗規(guī)》判別式將上覆非液化土層厚度進行了修正，對換填地基液化評價有促進作用。因此，在計算砂土液化Ncr值時，《鐵路抗規(guī)》較《建筑抗規(guī)》考慮得更全面。

表2 2種規(guī)范Ncr值修正因素對比

3 研究區(qū)砂土液化判別

將研究區(qū)數(shù)據(jù)代入《建筑抗規(guī)》與《鐵路抗規(guī)》中的判別式，即可求得各測試點的標貫擊數(shù)臨界值Ncr。圖3給出了各點處土層N63.5與Ncr隨貫入深度變化情況，當N63.5位于Ncr左側時，表明土層受到的地震荷載大于土層的抗液化強度，即土層發(fā)生液化?；?種不同方法的判別結果，根據(jù)研究區(qū)項目所在地區(qū)要求(上海市《建筑抗震設計規(guī)程》)，選取《建筑抗規(guī)》判定結果為研究區(qū)地基土液化性評價依據(jù)。

圖3 研究區(qū)N63.5和Ncr隨土層深度的變化

從圖3可知，研究區(qū)實測標貫擊數(shù)N63.5大部分小于臨界標貫擊數(shù)Ncr，其中地表以下2～10 m范圍內發(fā)生局部液化概率較大，10～20 m范圍內發(fā)生液化概率大。

《建筑抗規(guī)》與《鐵路抗規(guī)》液化判別結果較一致，詳細結果對比見表3。《鐵路抗規(guī)》將上覆非液化土層厚度加入液化評價，相較于《建筑抗規(guī)》考慮更為全面，應適當參考其評價結果。對比《建筑抗規(guī)》，《鐵路抗規(guī)》在Z1號鉆孔15.3 m深度和Z4號鉆孔19.3 m深度處，砂質粉土層判定為液化，應按照“不利組合”綜合選取判定結果。

4 結 語

本文基于《建筑抗規(guī)》和《鐵路抗規(guī)》，對上海包頭路沉管搶修項目場地進行砂土液化判別，得出以下結論：

(1)《鐵路抗規(guī)》判別式將上覆非液化土層厚度進行了修正，對換填地基液化評價有促進作用；而《建筑抗規(guī)》在地基土液化評價上則偏于保守。但《建筑震規(guī)》液化判別式是以擬合型曲線表示的對數(shù)和差公式，較《鐵路抗規(guī)》的判別式更為合理。

(2)2種規(guī)范在包頭路項目場地液化判別結果存在一定差異，各自有特定的適用范圍和側重點，僅采用《建筑抗震》法判別結果進行砂土液化評價具有不確定性，宜適當參考《鐵路抗規(guī)》法判別結果綜合判別，以提高可靠性。

表3 2種不同規(guī)范砂土液化判別結果比較