高地震烈度區(qū)壩基砂層的動力學(xué)特性研究

宋文搏

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院勘察分院,陜西咸陽 712000)

高地震烈度區(qū)壩基砂層的動力學(xué)特性研究

宋文搏

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院勘察分院,陜西咸陽 712000)

下坂地水庫位于帕米爾高原腹地,具有高海拔、高地震烈度,以及古冰川及新冰川活動頻繁等特點。河床覆蓋層厚度達(dá)150 m,其中壩基下存在砂層,其力學(xué)性質(zhì)差。工程區(qū)地震設(shè)防烈度8.5度,對壩基砂層液化可能性進(jìn)行評判及處理措施等,都有很大的難度。以下坂地壩基砂層液化問題研究為例,對砂層的勘察、動力學(xué)特性的試驗分析研究加以總結(jié)。

地震;砂層液化;動力學(xué)特性;工程處理

0 引言

下坂地水庫位于新疆塔什庫爾干河中下游,屬大(2)型水利水電樞紐工程。工程地處帕米爾高原構(gòu)造上相對穩(wěn)定的帕米爾—西昆侖抬升塊體內(nèi),地震地質(zhì)背景十分復(fù)雜。工程區(qū)地震基本烈度為8度,設(shè)防烈度8.5度,壩址上游4 km的安大力塔克斷裂最新活動年代在7萬～8萬年。塔什庫爾干河谷主要由冰川剝蝕作用發(fā)展,在多次冰期與間冰期的變換中,壩址基礎(chǔ)下堆積了厚層的冰水積砂層,這層砂層的液化問題,對大壩的安全運行十分重要?，F(xiàn)將壩基砂層的液化問題進(jìn)行分析研究,以供大家參考。

1 任務(wù)起由

對于水庫壩基覆蓋層中存在的18～30 m厚Q3時代的砂層透鏡體,正常條件下可不進(jìn)行砂層液化的評判。但因下坂水庫壩基砂層厚度大,可達(dá)30余米;工程位置重要,砂層位于大壩基底;同時工程區(qū)地震烈度大(Ⅷ-Ⅸ度),震級高?？紤]到工程區(qū)具有上述特點,對壩基下伏的砂層進(jìn)行動力學(xué)試驗及分析,及室內(nèi)模擬試驗研究其相應(yīng)地震狀況下的動力學(xué)特性則十分重要。

工程區(qū)共有33個鉆孔揭示了壩基砂層埋深與厚度,并結(jié)合鉆孔進(jìn)行了大量孔標(biāo)貫試驗,孔內(nèi)砂層剪切波速測試,采用超前靴鉆孔取原狀樣進(jìn)行現(xiàn)場密度測試、直剪試驗等。室內(nèi)進(jìn)行顆分、滲透、相對密度、低壓三軸、高壓三軸試驗及動三軸試驗,對大壩基礎(chǔ)范圍內(nèi)砂層的分布、厚度,砂層的靜、動力學(xué)特性進(jìn)行研究,并提出處理意見。

2 壩基砂層的成因及分布特征?新疆下坂地水利樞紐初步設(shè)計工程地質(zhì)勘察報告,2004年。

2.1 砂層成因時代、分布范圍及埋藏特征

砂層分布于壩址的塔河凸岸與哈木勒提溝口交匯處的上游,是塔河冰水期的產(chǎn)物,砂層年齡經(jīng)中國科學(xué)院第四紀(jì)地質(zhì)熱釋光測定為2萬～3萬年,屬上更新世晚期沉積物[1]。

砂層透鏡體位于壩基冰磧層中上部,埋深18～35.4 m,厚度18～30 m,最大厚度43.70 m,其上下均為冰磧碎石、塊石層,砂層在空間呈“杏仁狀”展布。根據(jù)顆粒組成及結(jié)構(gòu),可分為上、中、下三個亞層。上層以中、細(xì)砂層為主,純凈、松散;中層為含礫細(xì)砂夾薄層粉砂質(zhì)壤土,泥質(zhì)半膠結(jié),干態(tài)堅硬,具水平層理;下層為細(xì)砂夾粉砂,干后成塊,較密實。水庫蓄水后砂層將長期處于飽和狀態(tài)。

2.2 砂層物理力學(xué)特性

采用豎井、鉆孔超前靴環(huán)刀法以及鉆孔密度測井等多種手段對砂層天然干密度測定可知,砂層干密度在1.52～1.60 g/cm3之間;砂層不均勻系數(shù)Cu=11.7、曲率系數(shù)Cc=1.9,屬級配良好的不均勻砂;原位試驗表明砂層平均標(biāo)貫擊數(shù)N63.5=16～21 n,判定屬中密性砂;砂層相對密度Dr在0.5～0.64之間,屬中密性砂土;同時砂層的剪切波速統(tǒng)計如表1,可以看出砂層動彈模量及動剪切模量隨深度增加而增大。

表1 砂層波速測試成果統(tǒng)計表Table 1 Statistics ofwave velocity test result in sand layer

壓縮性:上層砂壓縮系數(shù)av1-2=0.091～0.13 MPa-1;中層砂壓縮系數(shù)av1-2=0.099～0.13 MPa-1;下層砂壓縮系數(shù)av1-2=0.129～0.145 MPa-1,可以看出各層砂層均屬中壓縮性土。砂層滲透系數(shù)K=10-3～10-2cm/s,屬中等透水地層。

2.3 砂層液化的初判及復(fù)判

壩基下伏的砂層在未考慮上覆壩體蓋重的條件下,首先對砂層采用時代、顆分試驗成果、剪切波速等手段進(jìn)行砂層液化的初步評判。后又結(jié)合標(biāo)貫采用《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[2]對砂層液化進(jìn)行復(fù)判。壩基下的砂層經(jīng)初判及復(fù)判結(jié)果均表明上亞層砂層可能存在液化性問題。

3 砂層液化的動力學(xué)特性試驗

因砂層復(fù)判結(jié)果顯示,上亞層砂層可能存在液化問題。因此,為了對砂層液化進(jìn)一步準(zhǔn)確研究,又聯(lián)合西安理工大學(xué)對砂層的動力學(xué)特性進(jìn)行研究,室內(nèi)模擬工程區(qū)的地震地質(zhì)環(huán)境,進(jìn)行了砂層的動三軸試驗?謝定義、胡再強等,下坂地壩基深埋砂層動力學(xué)特性試驗報告,2003年。。試驗對上、中、下三層砂層在控制干密度分別為1.50 g/cm3和1.60 g/cm3,分別施加圍壓200、400、600 kPa,固結(jié)應(yīng)力比1.0、1.5和2.0的條件下測定動強度及其參數(shù),孔隙水壓力及動變形參數(shù)(動剪切模量Gd和阻尼λ)。根據(jù)試驗結(jié)果對場地的液化可能性做出以下分析。

3.1 動孔隙水壓力的變化特征

室內(nèi)試驗得出最大孔隙水壓力ud與圍壓σ3c之比試驗成果如表2,成果有以下特點:

(1)在固結(jié)應(yīng)力比kc=1時,上層孔壓比最高,比中、下層砂層差;kc>1時圍壓的增加對孔壓比影響不大。

(2)而對于同一種土,固結(jié)應(yīng)力比kc對孔壓比的影響顯著,即kc增大,孔壓比降低。

(3)增大密度,對降低孔壓比并不明顯。

(4)各層土只有固結(jié)應(yīng)力比kc=1時,孔壓比有可能達(dá)到0.9,接近液化時的應(yīng)力比條件。

(5)各層土在固結(jié)應(yīng)力比kc=1時,隨圍壓的增大,孔壓比的變化由快到緩。在固結(jié)應(yīng)力比kc>1時,隨圍壓的增大,孔壓比有所下降。

表2 不同試驗狀態(tài)下砂樣破壞時的最大動孔隙水壓力比(ud/σ3c)Table 2 The maximum dynamic pore water pressure ratio of sand sample destroyed in different experiential condition(ud/σ3c)

再繼續(xù)對固結(jié)應(yīng)力比kc=1(基本接近于土體抗液化時強度)時的動強度進(jìn)行研究。試驗得到的破壞振次Nf分別為10和100時破壞動應(yīng)力值如表3,由表可以看出:

表3 固結(jié)應(yīng)力比kc=1.0不同圍壓及破壞振次時各層土破壞動應(yīng)力(σd)值匯總表Table 3 Summary statement of dynamic failure stress(σd)of every layer soil under the different confining pressure and number of oscillations while consolidation stress ratiokc=1.0

(1)在固結(jié)應(yīng)力比kc=1時,同等圍壓條件下,上層所需破壞動強度略小,但各層相差不大。同一土層中影響所需破壞動強度大小的主要還是圍壓,隨著圍壓的增大,所需的破壞動應(yīng)力強度越來越大。

(2)干密度的提高可使土所需破壞動強度明顯提高。

(3)如果對動剪應(yīng)力(τd=σd/2)與圍壓之比研究會發(fā)現(xiàn),同一密度狀態(tài)下的各種圍壓下的動剪應(yīng)力比相當(dāng)接近。這樣就可將同一土層中同一狀態(tài)下的不同圍壓的破壞動應(yīng)力強度基本歸一化,取其平均動剪應(yīng)力比。這樣在ρd=1.50 g/cm3、kc=1、Nf=10次時,土層的上、中、下層的動剪應(yīng)力比分別為0.221、0.245、0.224。在 ρd=1.60 g/cm3、kc=1、Nf=100次時,土層的上、中、下層的分別為0.143、0.180、0.170。這就為以后土層液化判別時的應(yīng)用帶來方便。

3.2 液化可能性評判

有了以上的分析,我們就可通過seed法和巖琦敏男法對壩基砂層的液化可能性進(jìn)行進(jìn)一步評判:

表4 seed法及巖琦敏男法計算的砂層安全系數(shù)統(tǒng)計分析表Table 4 Statistics of safety factor of the sand layer calculated by the method of Seed and Y.Q

(2)采用巖琦敏男法可分別求出土體的動強度R及地震應(yīng)力L及安全系數(shù),見表4。

土體的動強度:

式中:在計算R時,對上、中、下砂層的動剪應(yīng)力比按有效擊數(shù)N=20進(jìn)行,其中的是由N=10和N=100的值采用內(nèi)差法取得,其值分別為0.201、0.225、0.208。c1為側(cè)壓力修正系數(shù),取值0.692;c2為試樣固震波不規(guī)則修正系數(shù);c3為試樣擾動系數(shù)(應(yīng)>1);c4為試驗再固結(jié)壓密影響系數(shù)(應(yīng)<1),故c3c4積取1.0,其它影響系數(shù)c5取值1.0。

3.3 砂層的液化成果分析

對比兩種算法所得的安全系數(shù)值,可以看出在seed法中ρd=1.50 g/cm3、kc=1、Nf=10次時,所求得上層砂7 m以上的安全系數(shù)在0.74～0.789,即上層砂7 m以上有液化的可能。而巖琦敏男法中ρd=1.50 g/cm3、kc=1、Nf=20次時,所求得上層砂7 m以上的安全系數(shù)在0.851～0.90,即上層砂7 m以上判定為有液化的可能性。

砂層動力學(xué)試驗對砂層分上、中、下三層砂分析計算表明:天然場地條件下,砂層的上、中、下三層在Ⅷ(地震系數(shù)0.309,等效振次為10次和20次)-Ⅸ地震作用下,只有上層有發(fā)生地震液化的可能性。試驗成果可以看出如增加干密度則可有效提高砂層抗液化能力(此處不再羅列計算),如果上層砂的干密度ρd達(dá)到1.60 g/cm3,則也可以基本上不發(fā)生液化。按現(xiàn)有的平均干密度1.53 g/cm3計算,液化發(fā)生在該層上部7 m左右,安全系數(shù)0.817～0.871。從大壩穩(wěn)定的安全上考慮,需要對其進(jìn)行加固處理。

3.4 砂層的處理建議及原則

綜合室內(nèi)外的各種砂層液化判定結(jié)果分析認(rèn)為,動三軸試驗?zāi)軌蜉^準(zhǔn)確的模擬下坂地工程區(qū)Ⅷ-Ⅸ地震的地質(zhì)環(huán)境條件,其對液化的判別較為可靠。按其結(jié)果,在現(xiàn)有的平均干密度1.53 g/cm3情況下分析計算,液化發(fā)生在該層上部7 m左右,需要對其進(jìn)行加固處理,使干密度至少增大到1.60 g/cm3。但考慮到下列原因,可以不作專門處理:

(1)上層砂層的抗液化安全系數(shù)已在0.81以上,如果實際比計算有適當(dāng)?shù)陌踩珒?就有可能限制液化的發(fā)生。

(2)模擬分析計算時假定周邊完全不透水,但實際上,砂層透鏡體四周的冰磧層具有良好的排水條件(周圍冰磧層的滲透系數(shù)為33.4 m/d,屬中、強透水地層),這樣,在砂土液化過程中會大大降低動孔隙水壓力,提高砂層透鏡體的抗液化剪應(yīng)力。

(3)砂層透鏡體位于壩基以下,大壩建成后,透鏡體大部分將會被封閉覆蓋在壩基下面20 m以上的深處,沒有液化場地工作的條件。

(4)大壩修建后,大壩壩體蓋重能較大提高上覆土體的有效應(yīng)力,從而提高砂層的抗液化能力。

(5)試驗用粉細(xì)砂干密度<1.53 g/cm3,而野外干密度測定結(jié)果表明,測定的干密度超過1.53 g/cm3的試樣占73.6%,從密度和粒度上均遠(yuǎn)優(yōu)于室內(nèi)試驗所用的粉細(xì)砂試樣。

(6)室內(nèi)在制樣時要控制密度,采用壓樣法,因只模擬了原狀土的密度,而未考慮原狀土結(jié)構(gòu)強度的有利因素。

4 結(jié)語

砂土液化的判定,按現(xiàn)有規(guī)范規(guī)程和常規(guī)方法尚難以得到肯定和滿意的結(jié)果。在高地震烈度及地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū),對砂層進(jìn)行動力特性分析研究,使我們對砂層的液化問題有了進(jìn)一步的把握,工程綜合考慮其它有關(guān)因素,對砂層可不作專門處理,而僅在大壩上下游增加壓重的辦法進(jìn)行工程處理,可有效增加砂層抗液化能力,確保大壩的穩(wěn)定安全。

[1] GB50287—99,水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[2] GBJ11—89,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 朱思哲,劉虔,等.三軸試驗原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2003.

(責(zé)任編輯:于繼紅)

Study on Dynamic Characteristics of Sand Layer in Dam Foundation in High Earthquake-intensity Area

SONGWenbo
(Shaanxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design,X ianyang,Shaanxi712000)

The Xiabandi Reservoir is located at the hinterland of Pamirs,which possesses the characteristics of high altitude,high earthquake intensity and frequent activities of ancient and new glaciers.The thicknessof the river bed cover is 150 m,among them there is sand layer in dam foundation with poor mechanical properties.The seismic intensity of project area is 8.5,so it is very difficult to evaluate liquefaction possibility and take measures for the sand layer.In this paper,the sand layer liquefaction in dam foundation of the Xiabandi Reservoir had been taken as an example,investigation and dynamic characteristics of the sand layer have been summarized.

earthquake;sand layer liquefaction;dynamic characteristic;engineering treatment

TU435

A

1671-1211(2010)05-0473-04

2010-07-01;改回日期:2010-09-02

宋文搏(1974-),男,高級工程師,水文地質(zhì)及工程地質(zhì)專業(yè),從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。E-mail:s wb1974@163.com