鹽城市某港區(qū)砂土液化評(píng)價(jià)體系建立

張 巖，孫樹(shù)林，史雅棟，張 磊

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100；2.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210049)

鹽城市某港區(qū)砂土液化評(píng)價(jià)體系建立

張 巖1，孫樹(shù)林1，史雅棟2，張 磊1

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100；2.國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210049)

砂土液化引起的地基土大變形是港口工程破壞的重要原因。因此，港口地區(qū)的液化判別方法選擇的合理性、判別結(jié)果的準(zhǔn)確性就顯得尤為重要。針對(duì)某港區(qū)砂土液化問(wèn)題，選擇臨界標(biāo)貫擊數(shù)法、Seed簡(jiǎn)化法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、基于GIS的液化判別法等四種液化評(píng)價(jià)方法，進(jìn)行砂土液化勢(shì)評(píng)價(jià)并分析對(duì)比，建立基于GIS三維液化評(píng)價(jià)體系。結(jié)果表明：研究區(qū)15m以上砂土液化趨勢(shì)較大，15m以下液化趨勢(shì)較小。

砂土液化；判別方法；結(jié)果對(duì)比；評(píng)價(jià)體系

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多種砂土液化判別方法，但是由于不同方法的判別依據(jù)不同，計(jì)算精度有時(shí)差別較大。基于Seed簡(jiǎn)化分析法的抗液化剪應(yīng)力法，是普遍接受的砂土液化判別方法之一[1]。臨界標(biāo)貫擊數(shù)法和靜力觸探試驗(yàn)法是在分析、統(tǒng)計(jì)世界各地廣泛的地震液化災(zāi)害調(diào)查基礎(chǔ)上，建立的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則和公式[2-3]。室內(nèi)試驗(yàn)分析法是通過(guò)隨機(jī)加載的三軸試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、離心機(jī)試驗(yàn)來(lái)模擬在地震時(shí)土的應(yīng)力狀態(tài)[4]。土層反應(yīng)分析法是砂土液化動(dòng)力分析方法的液化判別上的應(yīng)用，考慮因素可以很多，材料參數(shù)和荷載參數(shù)要選擇適當(dāng)、合理[5]。但是對(duì)砂土液化勢(shì)進(jìn)行判別時(shí)，只憑借某一種方法得出液化結(jié)果具有局限性[6-7]。

本文針對(duì)鹽城市某港區(qū)，選取臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)法、Seed簡(jiǎn)化法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法以及基于GIS的砂土液化評(píng)價(jià)法等四種方法進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)比，得到適用于本港區(qū)的液化判別評(píng)價(jià)體系，為該港區(qū)預(yù)防砂土液化引起的工程危害以及工程措施選取提供參考。

1 液化評(píng)價(jià)方法的選取

①臨界標(biāo)貫擊數(shù)法。臨界標(biāo)貫擊數(shù)法[8]被普遍應(yīng)用在工程地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)過(guò)程中。該方法考慮到了砂土液化影響因素較多且具有顯著的不確定性。依據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)砂土液化判別概率方法的研究發(fā)展并考慮規(guī)范的延續(xù)性修訂，選用了對(duì)數(shù)曲線形式來(lái)表示液化臨界錘擊數(shù)隨深度的變化。

②Seed簡(jiǎn)化法。液化判別的簡(jiǎn)化法是由Seed和Idriss于1971年提出的，并給出了地震中循環(huán)剪應(yīng)力比(CSR)的定義公式[9]。2001年10月Youd和Idriss受美國(guó)國(guó)家地震工程研究中心和國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)的委托，在Seed簡(jiǎn)化方法的基礎(chǔ)上提出了NCEER判別方法[10]。

③BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。研究人員根據(jù)以往的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)、地下水位、標(biāo)貫點(diǎn)深度(土層深度)、上覆非液化土層厚度和地震烈度這五個(gè)變量作為基本變量，在此基礎(chǔ)上增加或減少不同變量。研究了不同變量組合的14種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)液化判別結(jié)果準(zhǔn)確率，來(lái)確定液化判別成功率相對(duì)較高，又簡(jiǎn)便的判別變量選取。

④基于GIS的液化判別法?；贕IS的砂土判別方法將MATLAB中的3Dkriging插值法與GIS技術(shù)以及飽和砂土液化概率評(píng)價(jià)模型結(jié)合起來(lái)，利用離散的場(chǎng)地地震液化評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)結(jié)果，生成場(chǎng)地液化勢(shì)三維模型[11]。該模型的生成是利用3Dsurfer軟件得到的，且可以完成場(chǎng)地液化勢(shì)的二維剖面或者三維切割體的自動(dòng)切出。具體的工程場(chǎng)地地震液化勢(shì)三維可視化建模流程見(jiàn)圖1。

圖1 液化勢(shì)三維可視化建模流程Figure 1 Liquefaction potential 3D visualization modeling flow

2 研究區(qū)地層巖性和物性特征

根據(jù)勘測(cè)資料，場(chǎng)地內(nèi)20m以淺發(fā)育有全新統(tǒng)飽和砂土(粉土)層，具體分層情況見(jiàn)表1，其工程地質(zhì)特性見(jiàn)表2。

表1 場(chǎng)地地層

表2 地層工程地質(zhì)特性

3 不同液化勢(shì)評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

3.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1.1 臨界標(biāo)貫法和簡(jiǎn)化Seed法

收集研究區(qū)13個(gè)鉆孔(圖2)資料，應(yīng)用臨界標(biāo)貫法和簡(jiǎn)化Seed法進(jìn)行液化判別，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，研究區(qū)大部分地區(qū)屬于輕微液化，只有局部、零星某些區(qū)域?yàn)橹械纫夯?/p>

3.1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法

本文采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)研究區(qū)液化情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，輸入變量為烈度、地下水位、砂層埋深、標(biāo)貫擊數(shù)4個(gè)，因此輸入層的神經(jīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)為4。對(duì)研究區(qū)的液化的數(shù)值處理可分為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：液化取1，不液化取0，也就是說(shuō)輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)為1。對(duì)于隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)的選取以2n+1(n為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù))原則為基礎(chǔ)，即9個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為首選，進(jìn)行調(diào)整試算直到判斷成功率最高，所以該網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為4-9-1。訓(xùn)練樣本30個(gè)，見(jiàn)表4，測(cè)試樣本26個(gè)，見(jiàn)表5。

網(wǎng)絡(luò)經(jīng)初始化，利用函數(shù)Trainrp對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)誤差平方和mse達(dá)到了目標(biāo)(goal)要求，見(jiàn)圖3。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)貫入鉆孔點(diǎn)分布Figure 2 Standard penetration borehole points distribution

鉆孔號(hào)臨界標(biāo)貫擊數(shù)法液化指數(shù)液化等級(jí)Seed簡(jiǎn)化法液化指數(shù)液化等級(jí)EGZK020.6輕微4.06輕微EGZK0412.44中等5.78輕微EGZK0616.27中等2.83輕微EGZK0716.26中等5輕微EGZK080.2輕微3.21輕微EGZK090.45輕微4.12輕微EGZK101.01輕微4輕微EGZK134.5輕微2.9輕微ZK013.43輕微2.51輕微ZK028.44中等3.35輕微ZK030.43輕微5.94輕微ZK044.65輕微2.83輕微ZK105.93輕微2.8輕微

表4 訓(xùn)練樣本評(píng)價(jià)指標(biāo)值、實(shí)際結(jié)果和BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)結(jié)果

表5 測(cè)試樣本評(píng)價(jià)指標(biāo)、實(shí)際結(jié)果和BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)

圖3 誤差平方和隨訓(xùn)練次數(shù)變化曲線Figure 3 Variation curve of error quadratic sum along with training number

從表4、表5可以看出，該模型的預(yù)測(cè)輸出與實(shí)際輸出誤差很小，26個(gè)檢驗(yàn)樣本的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況完全一致，說(shuō)明針對(duì)研究區(qū)選擇的變量而訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行液化情況的預(yù)測(cè)是可行的。

表6 預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)及預(yù)測(cè)結(jié)果

將表6中的不同鉆孔、不同深度的液化判別結(jié)果與臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)法的判別結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)結(jié)果一致。但是該法只能判別出液化發(fā)生與否，無(wú)法針對(duì)液化勢(shì)大小做出判別。

3.1.3 基于GIS的液化判別法

基于GIS的砂土液化評(píng)價(jià)方法，采用圖2中13個(gè)鉆孔樣點(diǎn)，共計(jì)141個(gè)標(biāo)貫點(diǎn)的液化概率分析結(jié)果作為原始離散數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)空間三維插值和網(wǎng)格化后生成的場(chǎng)地地震液化勢(shì)三維數(shù)據(jù)模型見(jiàn)圖4。

注：x、y為鉆孔平面坐標(biāo)(m)；z為標(biāo)貫點(diǎn)深度(m)圖4 場(chǎng)地液化勢(shì)三維數(shù)據(jù)模型Figure 4 3D data model of liquefaction potential

圖5、圖6、圖7為通過(guò)設(shè)置圖層的顯示狀態(tài)分層顯示的工程場(chǎng)地液化勢(shì)三維模型，包括：不液化層、可液化層和液化層，液化風(fēng)險(xiǎn)程度可以單獨(dú)顯示，對(duì)于研究區(qū)的液化勢(shì)風(fēng)險(xiǎn)三維空間分布特征做到詳細(xì)直觀的了解?？梢钥闯鲅芯繀^(qū)域20m以淺的大部分屬于不液化層，只有較淺的少部分地區(qū)屬于可能液化層和液化層。

注：x、y為鉆孔平面坐標(biāo)(m)；z為標(biāo)貫點(diǎn)深度(m)圖5 不液化層三維數(shù)據(jù)模型Figure 5 3D data model of non liquefaction layer

注：x、y為鉆孔平面坐標(biāo)(m)；z為標(biāo)貫點(diǎn)深度(m)圖6 可液化層三維數(shù)據(jù)模型Figure 6 3D data model of possible liquefaction

注：x、y為鉆孔平面坐標(biāo)(m)；z為標(biāo)貫點(diǎn)深度(m)圖7 液化層三維數(shù)據(jù)模型Figure 7 3D data model of liquefaction layer

3.2 結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)4種方法對(duì)研究區(qū)的液化評(píng)價(jià)結(jié)果發(fā)現(xiàn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范2010》中的臨界標(biāo)貫擊數(shù)法相對(duì)于簡(jiǎn)化seed法更保守神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法相對(duì)于經(jīng)驗(yàn)法，不能對(duì)整個(gè)鉆孔在研究深度范圍內(nèi)的整體液化情況作出評(píng)價(jià)，但是可以節(jié)省大量的曲線擬合所需要的時(shí)間，通過(guò)試算得到比經(jīng)驗(yàn)法更準(zhǔn)確的影響因素對(duì)液化情況的貢獻(xiàn)。得到每一個(gè)鉆孔在研究深度內(nèi)，對(duì)應(yīng)于不同深度處液化情況。這三種方法的液化判別都只是針對(duì)離散的鉆孔本身，液化評(píng)價(jià)的結(jié)果也是離散型，利用這樣的數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)研究區(qū)做液化判別，結(jié)果隨機(jī)性較大[13]。利用kriging三維插值法，根據(jù)已有離散數(shù)據(jù)插值出適量的不同位置不同深度的液化數(shù)據(jù)，增加數(shù)據(jù)密度，從而形成整個(gè)研究區(qū)域的三維液化勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果。

4 研究區(qū)砂土液化評(píng)價(jià)體系的建立

通過(guò)不同方法的判別結(jié)果的對(duì)比分析，對(duì)研究區(qū)砂土液化評(píng)價(jià)體系進(jìn)行建立。

4.1 影響因素選取

對(duì)研究區(qū)進(jìn)行液化評(píng)價(jià)的過(guò)程中所涉及到的因素有：標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)、地下水位、黏粒含量、上覆土層壓力、上覆土層有效壓力、地震烈度、砂層埋深、砂層厚度。

標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N在港口和航道工程地質(zhì)勘查中，可以用來(lái)確定砂土的密實(shí)程度、內(nèi)摩擦角從而判斷液化的可能性；而砂土的物理性質(zhì)主要決定于密實(shí)度狀態(tài)。

地下水的影響會(huì)使標(biāo)貫實(shí)測(cè)值偏小，主要是地下水的潤(rùn)滑作用減小了標(biāo)貫器與沙土之間的摩擦，從而使得標(biāo)貫擊數(shù)減小，其實(shí)質(zhì)是對(duì)有效自重應(yīng)力的影響。

黏粒含量主要是對(duì)土層中粉土的液化情況產(chǎn)生影響。粉質(zhì)土中的黏粒含量越少，在循環(huán)荷載作用下孔壓上升速度越快，上升的水平越高；粉質(zhì)土中在罕有黏粒的情況下，循環(huán)荷載作用下的孔壓難以達(dá)到圍壓水平。

上覆土層壓力以及上覆土層有效壓力；理論上講，上覆土層厚度較大時(shí)，上覆土中有效壓力越大，若使其下部砂土層液化，則需要在砂土層內(nèi)部聚集較大的超靜孔隙水壓力以承擔(dān)上覆土層質(zhì)量。也就是說(shuō)埋深大的飽和砂土層較埋深小的飽和砂土層難于液化。

砂層埋深對(duì)于砂土液化的影響實(shí)質(zhì)與上覆土層壓力以及上覆土層有效壓力基本相同。

4.2 液化評(píng)價(jià)方法選取

本研究區(qū)的液化判別過(guò)程中，雖然用到了現(xiàn)場(chǎng)的標(biāo)貫數(shù)據(jù)，但是不同判別方法的實(shí)質(zhì)不同。seed簡(jiǎn)化法是從抗剪強(qiáng)度的角度來(lái)進(jìn)行判別，相對(duì)于依靠有限的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)公式的建筑規(guī)范中的方法更加精確。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法通過(guò)選取本研究區(qū)能夠收集到的在液化判別過(guò)程中具有代表性的與歷史上幾次地震中實(shí)測(cè)液化情況所收集到的數(shù)據(jù)中相對(duì)應(yīng)的影響因素，來(lái)進(jìn)行研究區(qū)砂土液化判別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。利用此種方法雖然不能對(duì)不同深度的液化情況像建筑規(guī)范中方法一樣做出定量的液化概率的評(píng)價(jià)，但是也可以對(duì)與其相對(duì)應(yīng)的液化深度的液化情況做出定性的評(píng)價(jià)。該方法與上述幾種方法相比，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性、可塑與自組織性、信息處理與存儲(chǔ)合二為一性及層次性與系統(tǒng)性等特點(diǎn)。

本文基于GIS的砂土液化評(píng)價(jià)法，利用研究區(qū)各鉆孔不同深度處離散的液化勢(shì)判別結(jié)果，通過(guò)kriging三維插值得方法來(lái)對(duì)離散撒的數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)充。相比以上幾種方法僅僅在有限的鉆孔位置處進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，增加了整個(gè)研究區(qū)的液化勢(shì)數(shù)據(jù)點(diǎn)。對(duì)插值后的點(diǎn)利用三維體視化技術(shù)進(jìn)行立體化，而且隨著研究區(qū)的鉆孔密度的提高，該方法對(duì)于這一區(qū)域的液化勢(shì)分布情況的反映效果也會(huì)隨著優(yōu)化，適合于未來(lái)具體工程的現(xiàn)場(chǎng)地基土勘查工作。

4.3 評(píng)價(jià)體系建立

根據(jù)液化判別影響因素和方法的選取，構(gòu)建針對(duì)研究區(qū)的砂土液化判別體系。步驟如下：

(1)收集研究區(qū)鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及對(duì)應(yīng)不同深度土層的土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

(2)利用臨界標(biāo)貫擊數(shù)法對(duì)鉆孔中不同深度土層的液化情況進(jìn)行判斷，得出最初的液化勢(shì)結(jié)果；

(3)利用seed簡(jiǎn)化法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，對(duì)鉆孔的液化情況再次進(jìn)行判別，與臨界標(biāo)貫擊數(shù)法的出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、修正。

(4)將最終得到的所有經(jīng)過(guò)修正后的鉆孔的液化判別結(jié)果以及每個(gè)液化判別點(diǎn)的三維坐標(biāo)，通過(guò)kriging三維插值來(lái)利用離散數(shù)據(jù)得到相對(duì)連續(xù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而通過(guò)3Dsurfer來(lái)將研究區(qū)液化勢(shì)的三維分布情況體現(xiàn)出來(lái)。

5 結(jié)論

本文對(duì)鹽城市某港區(qū)的地層巖性及物性特征以及鉆孔資料調(diào)查資料進(jìn)行收集整理。運(yùn)用臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)法、Seed簡(jiǎn)化法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)液化判別法、以及基于GIS的砂土液化判別法對(duì)港區(qū)砂土進(jìn)行液化勢(shì)判別，得出如下結(jié)論：

(1)該港區(qū)的液化影響因素可參考標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)、地下水位、黏粒含量、上覆土層壓力、上覆土層有效壓力、地震烈度、砂層埋深、砂層厚度等因素；

(2)Seed簡(jiǎn)化法與判別準(zhǔn)確率較高的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法起到對(duì)比、修正的作用對(duì)液化情況進(jìn)行再次判別；

(3)利用離散的液化結(jié)果數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)三維插值，得到研究區(qū)空間上的液化情況，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于GIS的3D液化勢(shì)評(píng)價(jià)體系。

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SetupofSandySoilLiquefactionAssessmentSysteminaHarborArea,YanchengCity

Zhang Yan1, Sun Shulin1, Shi Yadong2and Zhang Lei1

(1.School of Earth Science and Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 211100;2.Key Laboratory of Ground Fissure Geological Hazard, Ministry of Land and Resources, Nanjing, Jiangsu 210049)

The large deformation of foundation soil induced by sandy soil liquefaction is a major causation of harbor engineering damage. Thus, rationality of harbor area sandy soil liquefaction discrimination method selection and accuracy of discriminated results are particularly important. In allusion to sandy soil liquefaction issue in harbor area, four liquefaction assessment methods of critical standard penetration, Seed reduction, BP neural network and liquefaction discrimination based on GIS are selected to carry out sandy soil liquefaction potential assessment and contrastive analysis, then set up 3D liquefaction assessment system based on GIS. The result has shown that in the study area, sandy soil above 15m has larger liquefaction potential, while below 15m lesser.

sandy soil liquefaction; discrimination method; results contrast; assessment system

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.08.09

1674-1803(2017)08-0048-05

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“江蘇沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)”項(xiàng)目(1212011220005)。

張 巖(1991—)，男，山西懷仁人，碩士研究生，從事地質(zhì)災(zāi)害方面的研究。

孫樹(shù)林(1963—)，男，江蘇建湖人，教授、博士生導(dǎo)師，主要從事巖石力學(xué)與工程、環(huán)境巖土工程等方面的研究。

2017-03-13

A

責(zé)任編輯：樊小舟