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)
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。
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
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
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。
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。
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)。
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
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。
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