李 雪曾毓燕郁 飛施 剛

上海市地礦工程勘察院(集團(tuán))有限公司,上海 200072

0 引言

砂土地震液化是由于地震活動(dòng)引發(fā)的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害,一旦產(chǎn)生將對(duì)城市的安全造成極大威脅。上海市作為中國(guó)最大的城市之一,人口聚集程度高,工程建設(shè)活動(dòng)頻繁。同時(shí),上海市地處長(zhǎng)江三角洲前緣,第四紀(jì)沉積厚度可達(dá)數(shù)百米,淺部砂層分布廣泛,在地震活動(dòng)的影響下容易出現(xiàn)地震液化這一典型的災(zāi)害現(xiàn)象,對(duì)城市安全造成極大隱患。

上海市是中國(guó)最早開始大規(guī)模城市化建設(shè)的城市之一,對(duì)于工程項(xiàng)目施工前期的勘察工作采用的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范歷史跨度大、版本多樣,導(dǎo)致地震液化評(píng)價(jià)要求、方法不統(tǒng)一,所以目前尚未形成全市范圍的砂土地震液化危險(xiǎn)性區(qū)劃。城市的高速發(fā)展對(duì)城市建設(shè)用地規(guī)劃、安全運(yùn)行保障等方面提出了要求,國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)區(qū)域性地震液化危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)都做過(guò)分析,如美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局基于非確定性液化災(zāi)害分析(PLHA)對(duì)加利福尼亞州多個(gè)地區(qū)進(jìn)行地震液化危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)(Holzer,2008);王巖等(2009)通過(guò)整理工程勘察場(chǎng)地的液化評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)遼寧省盤錦市城區(qū)地震砂土液化程度進(jìn)行了分區(qū);李靜和趙帥(2016)結(jié)合鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和三維地質(zhì)建模,對(duì)北京市通州區(qū)地下潛在砂土液化區(qū)域進(jìn)行了判斷。上述基于鉆孔原位試驗(yàn)的半經(jīng)驗(yàn)方法,相較于土動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)及數(shù)值模擬更加簡(jiǎn)便易行,在進(jìn)行區(qū)域性評(píng)價(jià)時(shí)更加適用。評(píng)價(jià)范圍內(nèi)的鉆孔的數(shù)量及密度決定了評(píng)價(jià)結(jié)果的精度,在鉆孔數(shù)量較多的地區(qū),利用鉆孔原位試驗(yàn)方法取得的評(píng)價(jià)結(jié)果精度較高、參考性強(qiáng),上海工程建設(shè)頻繁,鉆孔資料豐富,全市6340 km2范圍內(nèi)累計(jì)工程鉆孔已達(dá)到數(shù)十萬(wàn)個(gè)。此次研究利用上海市數(shù)百個(gè)已建工程場(chǎng)地的共計(jì)600余個(gè)工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù),對(duì)區(qū)域性砂土地震液化危險(xiǎn)性進(jìn)行了分析,為日后城建規(guī)劃、防災(zāi)減災(zāi)等工作提供數(shù)據(jù)支持。

1 上海市地質(zhì)概況

1.1 基巖地質(zhì)及構(gòu)造概況

上海市位于楊子地塊和華夏地塊之間的江紹斷裂帶東端,經(jīng)歷了包括加里東運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)、喜山運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),發(fā)育多種基巖類型。除前寒武紀(jì)變質(zhì)基底、古生代碳酸鹽巖、碎屑巖分布外,發(fā)育最為廣泛的為早白堊世火山巖和火山碎屑—沉積巖系,占基巖地層的70%以上。上海市的巖漿巖主要為燕山期安山巖和喜山期玄武巖。斷裂構(gòu)造均出露地表且第四紀(jì)以來(lái)活動(dòng)微弱,主要有近東西向、北西—南東向斷裂(上海地質(zhì)礦產(chǎn)局,1988)?？傮w來(lái)說(shuō),上海市基巖構(gòu)造較為穩(wěn)定,但從全球板塊構(gòu)造角度來(lái)看,位于太平洋板塊與歐亞板塊互相作用的地區(qū),鄰近地區(qū)比如南黃海、長(zhǎng)江口以東、江蘇溧陽(yáng)、南京等均屬于中—強(qiáng)地震活動(dòng)區(qū)(張浩等,2020)。上海市附近地區(qū)的地震曾經(jīng)給上海市內(nèi)造成過(guò)顯著地面運(yùn)動(dòng)。據(jù)火恩杰和劉昌森(2002)對(duì)上海地區(qū)歷史自然災(zāi)害的整理,上海市曾經(jīng)在1847年遭受南黃海7級(jí)大地震,當(dāng)時(shí)出現(xiàn)了典型的強(qiáng)震伴隨氣象現(xiàn)象,也曾有“大地噴涌若水紋”的類似砂土地震液化的描述,這說(shuō)明地震波盡管經(jīng)歷了遠(yuǎn)距離衰減,仍然具有一定破壞性強(qiáng)度。

1.2 第四紀(jì)地質(zhì)概況

上海市地處長(zhǎng)江三角洲東端寬廣的沖積平原區(qū),全境地勢(shì)平坦,海拔一般在3～5 m之間。區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布,水量豐富,除長(zhǎng)江外,黃浦江為市內(nèi)主要河道,蜿蜒曲折,自西部淀山湖向東經(jīng)由市區(qū),最終匯入長(zhǎng)江。上海市地貌單元主要由三角洲平原、濱海平原及湖積平原構(gòu)成。其中三角洲平原主要分布于崇明地區(qū),以三角洲河口砂壩為主;濱海平原分布在上海中東部地區(qū),主要由長(zhǎng)江攜帶入海的泥沙經(jīng)海洋潮流作用沉積而成;而上海西部地區(qū)則以河湖相沉積為主(竹淑貞等,1980;李曉,2009)。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期,上海城區(qū)外緣不斷沉積形成新的陸地,在東部濱海平原與西部湖積盆地銜接的位置分布著一條古海岸帶沉積的貝殼沙堤(上海本地稱之為“岡身”)作為兩種地貌類型的分界(劉蒼字等,1985)。上海市第四系沉積類型見圖1。上海市第四系地層主要為砂(礫)層與黏性土層交替出現(xiàn),是明顯具韻律特征的碎屑沉積,分布情況復(fù)雜,自下更新統(tǒng)至全新統(tǒng)均有分布,包括下更新統(tǒng)安亭組,中更新統(tǒng)嘉定組,上更新統(tǒng)川沙組、南匯組,以及全新統(tǒng)婁塘組、上海組、如東組(青浦組)多個(gè)地層單元(邱金波,2006;魏子新等,2010)。

圖1 上海市第四系沉積類型Fig.1 Quaternary deposition types in Shanghai

1.3 水文及工程地質(zhì)概況

上海地區(qū)地下含水層不是一個(gè)完整、獨(dú)立的含水系統(tǒng),而是分屬于長(zhǎng)江流域和太湖流域兩個(gè)含水系統(tǒng)。上海地區(qū)的地下水主要賦存于松散巖類孔隙介質(zhì)中,其次賦存于碎屑巖類孔隙、碳酸鹽巖類裂隙溶洞和基巖裂隙中。潛水含水層一般埋深在20 m以淺,地下水位長(zhǎng)期在1.5 m以內(nèi)(陸志堅(jiān),1980;包曼芳等,1981)。

上海市的工程地質(zhì)條件總體變化不大,工程建設(shè)影響范圍內(nèi)(埋深75 m以淺)主要為晚更新世以來(lái)海陸交替相、以海相為主的松散沉積堆積物,巖性主要以黏性土、砂、粉性土為主,且軟黏性土分布較為廣泛。上海市第四紀(jì)地層根據(jù)沉積時(shí)代和土層物理力學(xué)指標(biāo)特征共劃分為9個(gè)工程地質(zhì)地層,詳見表1。上海市第四紀(jì)全新世以來(lái)的砂性土層主要為工程分層的②3層,部分③、④、⑤層中也含有少量砂性土,但分布較為零星(嚴(yán)學(xué)新和史玉金等,2006;史玉金等,2009)。主要的淺部砂層集中在崇明、橫沙、長(zhǎng)興三島,中心城區(qū)內(nèi)蘇州河與黃浦江的沿岸,以及江灣、浦東等地區(qū)(蔡劍韜,2019)。②3層埋深變化不大,頂板埋深約為2～4 m,均在地下水位以下。上海市淺部砂層厚度變化較大,在3～16 m之間,一般為粉土、粉砂,呈飽和、松散-稍密狀態(tài),黏粒含量偏低而粉砂粒含量較高,不均勻系數(shù)相對(duì)較小,黏聚力小而內(nèi)摩擦角大,孔隙率和天然含水量較大,滲透系數(shù)大,排水條件好。

表1 上海市工程地質(zhì)第四紀(jì)地層表Table 1 Table showing the Quaternary strata of engineering geology in Shanghai

2 砂土液化危險(xiǎn)性分析

砂土地震液化是指飽和砂土和粉土在地震作用下產(chǎn)生顆粒排列結(jié)構(gòu)改變和抗剪強(qiáng)度喪失的現(xiàn)象。液化產(chǎn)生的前提是砂土層中黏粒含量較少,且砂土層位于地下水位以下。地震發(fā)生時(shí),地面運(yùn)動(dòng)造成的剪切荷載作用于土體,超靜孔隙水壓力承擔(dān)全部上覆土重,導(dǎo)致砂土層上部的砂處于懸浮狀,該狀態(tài)的砂會(huì)隨水突出上覆土層從而產(chǎn)

生砂沸等災(zāi)害現(xiàn)象(Huang et al., 2009)。

2.1 砂土地震液化評(píng)價(jià)理論介紹

地震引起的循環(huán)剪切荷載超過(guò)土體液化阻力時(shí),液化才有可能被觸發(fā)。在國(guó)內(nèi)外的研究當(dāng)中,往往利用土力學(xué)試驗(yàn)的方法,將砂土中由振動(dòng)作用產(chǎn)生的剪應(yīng)力與產(chǎn)生液化所需的剪應(yīng)力相比較并以安全指數(shù) (Factor of Safety, FS)作為評(píng)價(jià)地震液化危險(xiǎn)性的指標(biāo)(Kramer, 1996):

造成液化的超靜孔隙水壓力來(lái)自地震加載的剪應(yīng)力,其大小與地震的震級(jí)和持時(shí)性有關(guān)(Huang et al., 2009,高廣運(yùn)等,2011)。盡管對(duì)土樣進(jìn)行循環(huán)應(yīng)力加載來(lái)模擬地震作用可以作為一種探究液化行為的手段,然而取樣過(guò)程中難免對(duì)原狀土產(chǎn)生擾動(dòng),導(dǎo)致土的液化阻力測(cè)試值與真實(shí)值不相吻合。因此,人們將研究方向轉(zhuǎn)為通過(guò)原位測(cè)試方法對(duì)地震液化進(jìn)行判斷(陳國(guó)興等,2015),原位測(cè)試方法的一種是利用重錘擊打埋設(shè)在土體中的貫入器,自每層土層頂面多次沖擊至貫入器穿透土層底面,以沖擊次數(shù)表征土層貫入阻抗,該方法被稱為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)。借助原位試驗(yàn)對(duì)地震液化進(jìn)行預(yù)判的思路最早由Whitman提出,根據(jù)統(tǒng)計(jì)記載的歷史液化事件,將液化判別邊界作為加載參數(shù)L和阻力參數(shù)R的函數(shù),用來(lái)判斷場(chǎng)地土力學(xué)條件是否會(huì)發(fā)生液化(Whitman, 1971;圖2)。在這種思路的啟發(fā)下,Seed and Idriss(1971)通過(guò)總結(jié)潔凈砂和含黏粒砂層的液化表現(xiàn)識(shí)別出給定貫入阻力下里氏震級(jí)M=7.5的地震所觸發(fā)液化的最小循環(huán)應(yīng)力比。至此,結(jié)合原位試驗(yàn)且基于土動(dòng)力學(xué)原理的地震液化判別方法被廣泛借鑒和發(fā)展起來(lái)。此后,Idrissand Boulanger(2010)、 Youd et al. (2001)以峰值地面運(yùn)動(dòng)加速度(PGA)為指標(biāo),簡(jiǎn)化計(jì)算了地震引起的土層循環(huán)應(yīng)力比,并用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)參考錘擊數(shù)值估算砂土層的抗液化強(qiáng)度,發(fā)展出基于原位試驗(yàn)的半經(jīng)驗(yàn)性地震液化判別方法。

圖2 基于原位試驗(yàn)的液化判別方法示意圖(Whitman, 1971)Fig.2 Diagram of the liquefaction discriminant based on in-situ test(Whitman et al., 1971)

盡管地震造成的地面運(yùn)動(dòng)能夠提供一定強(qiáng)度的循環(huán)荷載,而土體本身的液化阻力在地震時(shí)同樣起著關(guān)鍵作用,也就是說(shuō)土在特定的密度、孔隙比、含水量區(qū)間時(shí)才會(huì)伴隨地震產(chǎn)生液化現(xiàn)象(陳國(guó)興等,2013,2015;朱貴兵,2019)。所以說(shuō),對(duì)于砂土地震液化展開評(píng)估,從液化的易發(fā)性、觸發(fā)條件、液化的影響三個(gè)方面來(lái)考慮是較為科學(xué)的 (Kramer,1996; Holzer, 2008; Holer et al., 2011;)。

2.2 上海市砂土地震液化危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)思路及工作流程

根據(jù)國(guó)家和上海地方對(duì)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求,所有建設(shè)場(chǎng)地在工程勘察階段均需要對(duì)砂土地震液化可能性及液化強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)判。場(chǎng)地尺度的地震液化評(píng)價(jià)要結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和土工試驗(yàn)進(jìn)行,取土試樣中的黏土含量等參數(shù)是液化阻力的重要指標(biāo),而場(chǎng)地20 m以淺實(shí)測(cè)液化阻力由標(biāo)準(zhǔn)貫入阻力體現(xiàn)。這一方法本質(zhì)上體現(xiàn)了對(duì)砂土地震液化易發(fā)性和液化觸發(fā)條件的綜合考慮,即結(jié)合地震液化的外部動(dòng)力條件和土本身的力學(xué)性質(zhì)對(duì)液化危險(xiǎn)性做出評(píng)判。

上海市在多年工程建設(shè)實(shí)踐中積累了豐富的鉆孔資料,為此次研究提供了基礎(chǔ)。研究利用2016版《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 (GB 50011-2010)中地震液化判別方法作為地震液化指數(shù)計(jì)算和液化危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的主要依據(jù),對(duì)全市淺部砂層分布的鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算整理,最終得到液化危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果。

(1)砂土地震液化指數(shù)計(jì)算及液化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù) 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010),利用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判斷場(chǎng)地液化條件時(shí),首先要計(jì)算臨界液化錘擊數(shù)Ncr,該指標(biāo)體現(xiàn)了特定地面運(yùn)動(dòng)加速度下的液化臨界值,與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值N0、基準(zhǔn)值調(diào)整系數(shù)β、標(biāo)貫點(diǎn)深度ds、地下水位dw和黏粒含量ρc(當(dāng)黏粒含量小于3%時(shí),計(jì)算時(shí)應(yīng)采用3%)都有關(guān)系,其表達(dá)式如(1):

公式中,Ncr為臨界液化錘擊數(shù);N0為標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值;β為基準(zhǔn)值調(diào)整系數(shù);ds為標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度,m;dw為地下水位,m;ρc為黏粒含量,%。

標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值N0對(duì)應(yīng)地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度,具體分段區(qū)間見表2:

表2 地面峰值加速度對(duì)應(yīng)液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值Table 2 Critical SPT blow count for varied PGA interval

標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值N0、基準(zhǔn)值調(diào)整系數(shù)β是與地震加載強(qiáng)度相關(guān)的參數(shù),與具體場(chǎng)地條件無(wú)關(guān)。不同峰值地面加速度和不同震中距離下N0取值不同,β與震級(jí)大小有關(guān)。N0與β確定了臨界液化錘擊數(shù)的基調(diào),體現(xiàn)了地震在巖土體上造成的剪切強(qiáng)度,剪切強(qiáng)度越高,N0相對(duì)應(yīng)的取值越大。調(diào)整系數(shù)β用以適應(yīng)地震分組,根據(jù)上海的地震分組情況,β的取值設(shè)定為0.95。

根據(jù)公式(2)計(jì)算地震液化指數(shù)IE,相當(dāng)于通過(guò)對(duì)比液化強(qiáng)度與地震加載剪切強(qiáng)度對(duì)地表以下20 m以淺的土層進(jìn)行液化可能性程度的預(yù)判。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的特點(diǎn),貫入過(guò)程中重錘分多次擊穿砂土層,每一貫入點(diǎn)都會(huì)對(duì)貫入擊數(shù)進(jìn)行記錄,以保證得到的地震液化指數(shù)能夠反映全部試驗(yàn)深度內(nèi)的液化情況(楊文衛(wèi)和岳中琦,2006;徐光大等,2011)。

公式中:n為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)的總數(shù);Ni、Ncr為分別為第i點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)的實(shí)測(cè)值和臨界值,當(dāng)實(shí)測(cè)值大于臨界值時(shí),應(yīng)取臨界值;d i為第i點(diǎn)所代表的土層厚度,m;Wi為i層單位厚度權(quán)重函數(shù)。若該層中點(diǎn)深度不大于5 m時(shí),取值為10;若深度等于20 m時(shí),應(yīng)采取0值;5～20 m內(nèi)使用線性插值法取值。

實(shí)測(cè)擊數(shù)Ni高于臨界擊數(shù)Ncr,可以判斷為不液化,否則根據(jù)液化等級(jí)與地震液化指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,按照表3分級(jí):

表3 液化等級(jí)分級(jí)Table 3 Classification of risk assessment based on liquefaction index

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)中的解釋,液化等級(jí)劃分是通過(guò)對(duì)我國(guó)百余個(gè)液化震害資料總結(jié)而來(lái),輕微液化影響小、一般不引起明顯的震害,對(duì)建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),無(wú)需對(duì)地基進(jìn)行特殊處理;中等液化條件下,地面容易出現(xiàn)典型的噴水冒砂現(xiàn)象,另外地面可能出現(xiàn)不均勻沉陷和開裂,需要對(duì)地基進(jìn)行加固處理;嚴(yán)重液化時(shí),噴水冒砂及地面變形十分顯著,不均勻沉陷或?qū)⒋笥?00 mm,對(duì)部分建筑結(jié)構(gòu)造成威脅。

(2)峰值地面運(yùn)動(dòng)加速度模型

在砂土分布范圍內(nèi),只有相當(dāng)規(guī)模地面運(yùn)動(dòng)才會(huì)引發(fā)地震液化災(zāi)害。地震液化計(jì)算公式中,標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值N0的取值與地震加速度有關(guān)(表2),因此峰值地面運(yùn)動(dòng)加速度模型的建立對(duì)液化評(píng)估起著關(guān)鍵作用。地震的頻率和強(qiáng)度決定了區(qū)域內(nèi)遭受地震液化災(zāi)害的概率和規(guī)模,一般來(lái)說(shuō),震級(jí)小的地震發(fā)生的頻率高,震級(jí)大的地震發(fā)生的頻率低(Baker and Jayaram, 2008)。此次研究分別采用50年內(nèi)超越概率10%和2%的峰值地面運(yùn)動(dòng)加速度區(qū)劃作為砂土地震液化評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于相關(guān)資料缺乏開放的數(shù)字化版本,文章對(duì)上海市地震局公開出版圖件的掃面版本進(jìn)行了數(shù)字化處理。

(3)上海市砂土地震液化危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)與峰值地面加速度模型是上海市砂土地震液化分析評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。峰值加速度模型通過(guò)工程鉆孔坐標(biāo)與該孔處標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立聯(lián)系,利用 Matlab編程計(jì)算和ArcGIS分析制作。在匹配出鉆孔坐標(biāo)處地面峰值加速度值后,按照?qǐng)D3中流程計(jì)算地震液化指數(shù),非鉆孔分布處的地震液化指數(shù)通過(guò)鉆孔處取值的插值獲得,最終得到上海全市地震液化指數(shù)分布圖和液化程度等級(jí)區(qū)劃圖。

圖3 砂土地震液化評(píng)價(jià)流程圖Fig.3 Flow chart of liquefaction hazard assessment in Shanghai

3 上海市砂土地震液化評(píng)價(jià)內(nèi)容及成果

3.1 上海市淺部砂層分布及易發(fā)性分析

有學(xué)者對(duì)上海市淺部砂層的分布曾經(jīng)做過(guò)詳細(xì)的調(diào)查,按照沉積時(shí)代、與鄰近層位的巖性差異,上海的淺部砂層基本可以對(duì)應(yīng)工程分層的第②3層(嚴(yán)學(xué)新和史玉金,2006;史玉金等,2009),總面積為3329.46 km2,占上海陸域面積的48.5%。此次研究從分布在②3層范圍內(nèi)的608個(gè)工程勘察鉆孔中獲取了主要的研究資料。同時(shí),對(duì)應(yīng)鉆孔所在的工程場(chǎng)地,此次研究也參考了勘察報(bào)告中考慮其他場(chǎng)地條件對(duì)地震液化的分析結(jié)論。

所有鉆孔均勻分布于上海陸域及崇明地區(qū),鉆孔間隔距離3～5 km。通過(guò)對(duì)鉆孔內(nèi)砂層厚度的統(tǒng)計(jì),全市范圍內(nèi)淺部砂層厚度分布情況如圖4所示。黃浦江及蘇州河附近的砂層埋藏了數(shù)十米,而崇明、橫沙、長(zhǎng)興三島也分布著大量砂體。飽和砂層作為主要的液化土類型之一,除砂層厚度外,孔隙率、黏粒含量等也對(duì)地震液化易發(fā)性起著重要作用(Kramer, 1996;陳國(guó)興等,2015;李濤和唐小微,2019)。此次研究總結(jié)了上海全市范圍內(nèi)四個(gè)主要液化易發(fā)區(qū)域,分別為蘇州河和黃浦江沿岸、“岡身”沿線、崇明島和長(zhǎng)江沿岸、浦東臨港地區(qū),對(duì)其工程參數(shù)進(jìn)行了如表4的整理歸納。對(duì)應(yīng)四個(gè)主要液化易發(fā)區(qū)典型地質(zhì)剖面(圖5)可以看出,淺部砂層的沉積厚度和巖性特征與第四紀(jì)以來(lái)的沉積環(huán)境密切相關(guān)。崇明島砂層沉積年代大多晚于全新世中期,以河口砂壩-三角洲沉積相為主,主要為粉砂、粉細(xì)砂,部分有粉性土-黏性土互層現(xiàn)象。黃浦江及蘇州河沿岸的河道沉積,河流流經(jīng)區(qū)域砂層明顯厚于外圍,厚度可達(dá)數(shù)十米,屬于自第四紀(jì)全新世以來(lái)的河口-濱海沉積,含有大量松散砂,也具有粉性土-黏性土-砂的互層現(xiàn)象。古海岸線“岡身”砂層沉積晚于第四紀(jì)全新世,厚度在10 m以內(nèi),平均不超過(guò)5 m,主要由粉砂、砂質(zhì)粉土構(gòu)成,成分較均一。浦東臨港的淺層砂普遍厚度10～15 m,受古河道及潮灘沉積物堆積而成,基本來(lái)自全新世以來(lái)的濱淺海沉積,砂層中的黏粒含量較其他幾個(gè)區(qū)域偏高。

圖5 典型地震液化易發(fā)區(qū)淺部砂層地質(zhì)剖面Fig.5 Geological profile of shallow sand layer in dypical seismic liquefaction prone zones

表4 上海市地震液化易發(fā)區(qū)域淺部砂層工程參數(shù)Table 4 Description for major liquefaction susceptible zones in Shanghai

a—此次研究涉及的鉆孔分布;b—上海市砂層厚度分布情況圖4 鉆孔分布及砂層厚度分布情況Fig.4 Geo-engineering boreholes and thickness of shallow sand layers in Shanghai(a) Geo-engineering boreholes for this study;(b) Thickness of shallow sand layers in Shanghai

3.2 上海市地震條件

上海市所受地震影響主要來(lái)源于長(zhǎng)三角內(nèi)陸和附近海域的潛在震源區(qū)。這些震源區(qū)的地震規(guī)?；驹?～7級(jí),6級(jí)震源距離上海更近一些,7級(jí)震源區(qū)稍遠(yuǎn)(圖6)。

為加深對(duì)上海地震潛在危險(xiǎn)性的認(rèn)識(shí),上海市地震局和同濟(jì)大學(xué)(2004)取得了基于地震概率法危險(xiǎn)性分析(PSHA)的上海市峰值地面運(yùn)動(dòng)加速度區(qū)劃圖,根據(jù)50年超越概率10%峰值地面運(yùn)動(dòng)加速度模型,全市范圍內(nèi)地表峰值加速度差異不大,介于0.9～0.12 m/s2之間。而50年超越概率2%的地面運(yùn)動(dòng)條件下,峰值加速度能夠達(dá)到1.4～1.9 m/s2,上海陸域北部、中東部等地區(qū)屬于加速度高值區(qū),崇明島西北部為加速度低值區(qū)(圖7)。

3.3 上海市砂土地震液化評(píng)價(jià)結(jié)果

在不同的地震超越概率下,地震液化指數(shù)分布顯現(xiàn)出明顯差異,50年超越概率10%情況下共有22個(gè)鉆孔處地震液化指數(shù)超過(guò)18,屬于嚴(yán)重液化(表3、圖8),僅零星分布在蘇州河沿岸、崇明島和浦東臨港;50年超越概率2%情況下超過(guò)150個(gè)鉆孔處地震液化指數(shù)落入嚴(yán)重液化區(qū)間內(nèi),嚴(yán)重液化區(qū)域成片分布在蘇州河沿岸、崇明及浦東地區(qū)。

(1)50年超越概率10%

如表5所示,上海市范圍內(nèi)超過(guò)4500 km2的地區(qū)不會(huì)發(fā)生地震液化,占全市陸域面積66.0%;發(fā)生輕微液化的區(qū)域面積為1496.63 km2,占全市陸域面積21.8%;只有崇明、橫沙、長(zhǎng)興三島,黃浦江及蘇州河兩岸地震液化等級(jí)達(dá)到中等甚至嚴(yán)重,總面積846.32 km2,僅占全市陸域面積12.3%。事實(shí)上,崇明地區(qū)峰值地面運(yùn)動(dòng)加速值僅0.95 m/s2左右,地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度并不高,由于該地區(qū)砂層沉積厚度大且沉積時(shí)代較新,導(dǎo)致最終計(jì)算出的地震液化指數(shù)偏高。上海市中心城區(qū)蘇州河兩岸地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值超過(guò)1 m/s2,根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果,峰值加速度高于1 m/s2時(shí)砂土地震液化概率將顯著提高 (Holzer et al., 2011;王維銘等,2016),與此次研究中計(jì)算所得的地震液化指數(shù)結(jié)果有很好的對(duì)應(yīng)。

a—50年超越概率10%峰值地面運(yùn)動(dòng)加速度;b—50年超越概率2%峰值地面運(yùn)動(dòng)加速度(據(jù)上海市地震局, 1992)圖7 上海市50年超越概率10%、2%峰值地面運(yùn)動(dòng)加速度Fig.7 Peak acceleration with 10% and 2% probability of exceedance in 50 years(a) Peak acceleration with 10% probability of exceedance in 50 years; (b) Peak acceleration with 2% probability of exceedance in 50 years

a—上海及鄰區(qū)1970—2017年地震記錄;b—潛在震源區(qū)分布圖(據(jù)上海市地震局和同濟(jì)大學(xué), 2004修改)圖6 上海及鄰區(qū)1970—2017年地震記錄及潛在震源區(qū)分布圖Fig.6 Earthquake events during 1970～2017 and potential earthquake source zones near Shanghai(a) Earthquake events during 1970～2017; (b) Potential earthquake source zones in Shanghai and adjacent areas (modified after Shanghai Earthquake Agency and Tongji University, 2004)

表5 上海市地震液化面積統(tǒng)計(jì)(50年超越概率10%)Table 5 Statistics of liquefaction areas with 10% probability of exceedance in 50 years

(2)50年超越概率2%

隨著峰值地面運(yùn)動(dòng)加速度整體升高,全市范圍內(nèi)輕微—嚴(yán)重液化區(qū)域明顯增多(圖9)。如表6所示,可能發(fā)生地震液化區(qū)域的總面積達(dá)到3176.29 km2,占上海市陸域面積46.25%,嚴(yán)重液化范圍從嘉定沿蘇州河、黃埔江一直延伸到崇明、橫沙、長(zhǎng)興三島大部分地區(qū),浦東地區(qū)地震液化指數(shù)也明顯升高。除此之外,上海中部“岡身”一帶液化等級(jí)也由輕微上升到中等—嚴(yán)重液化,“岡身”是由典型的砂堤構(gòu)成,壓密差、固結(jié)程度低,容易在高強(qiáng)度地面運(yùn)動(dòng)條件下產(chǎn)生液化反應(yīng)。

表6 上海市地震液化面積統(tǒng)計(jì)(50年超越概率2%)Table 6 Statistics of liquefaction areas with 2% probability of exceedance in 50 years

a—50年超越概率10%地震液化指數(shù)分布;b—50年超越概率10%液化程度分級(jí)圖8 50年超越概率10%地震液化指數(shù)分布及液化程度分級(jí)Fig.8 Assessment of liquefaction risks with 10% probability of exceedance in 50 years(a) Assessment of liquefaction risks; (b) Liquefaction zonation with 10% probability of exceedance in 50 years

a—50年超越概率2%地震液化指數(shù)分布;b—50年超越概率2%液化程度分級(jí)圖9 50年超越概率2%地震液化指數(shù)分布及液化程度分級(jí)Fig.9 Assessment of liquefaction risks with 2% probability of exceedance in 50 years(a) Assessment of liquefaction risks; (b) Liquefaction zonation with 2% probability of exceedance in 50 years

4 討論

上海市自20世紀(jì)大規(guī)模推進(jìn)城市化建設(shè)以來(lái),從未遭遇過(guò)對(duì)建、構(gòu)筑物基礎(chǔ)造成影響的地震,然而由于城市地位不斷提高,上海市對(duì)地震設(shè)防依然采取嚴(yán)格且保守的態(tài)度。隨著對(duì)上海市地震災(zāi)害規(guī)模和強(qiáng)度認(rèn)知的深入,抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)砂土地震液化的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)生變化。不同年代、版本的規(guī)范中對(duì)上海市地面運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定不同:在2010年之前的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中均將崇明、金山地區(qū)列為6度區(qū),其他地區(qū)按照7度區(qū)設(shè)防;2011年至2016年前《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》(DGJ 08-9-2003)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)規(guī)定上海市IV類場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10 g(1 m/s2),所屬的設(shè)計(jì)地震分組為第一組;2016年修訂后的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 (GB 50011-2010,2016版),規(guī)定上海市IV類場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10 g(1 m/s2),所屬的設(shè)計(jì)地震分組為第二組。如果按照不同規(guī)范中的參數(shù)設(shè)定計(jì)算液化指數(shù),液化等級(jí)劃分結(jié)果可能相當(dāng)懸殊。此次研究按照統(tǒng)一的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)對(duì)全市進(jìn)行了基于鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)的砂土地震液化評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果更能反應(yīng)出空間上的差異。

事實(shí)上,通過(guò)比對(duì)此次研究所計(jì)算的地震液化指數(shù)與該鉆孔所在場(chǎng)地工程勘察報(bào)告中關(guān)于液化判別的結(jié)論,可以發(fā)現(xiàn):

(1)經(jīng)過(guò)此次研究后的計(jì)算結(jié)果與之前場(chǎng)地勘察評(píng)價(jià)的液化結(jié)論有所出入,此次計(jì)算出的液化等級(jí)明顯高于勘察報(bào)告中液化等級(jí)。這是因?yàn)槟承┕こ探ㄔO(shè)時(shí)間較早,適用的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中地震地面峰值加速度的設(shè)計(jì)值小于1 m/s2(設(shè)防烈度6度),亦或地震分組規(guī)定上海為第二組,導(dǎo)致基準(zhǔn)值調(diào)整系數(shù)β取值較低。

(2)以目前的地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度模型作為砂土地震液化評(píng)價(jià)的基礎(chǔ),評(píng)價(jià)結(jié)果取決于鉆孔處對(duì)應(yīng)的峰值地面運(yùn)動(dòng)加速度值。而場(chǎng)地勘察報(bào)告中地震液化指數(shù)計(jì)算基于烈度值這一參數(shù),抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)上海的烈度值給出了較為籠統(tǒng)的統(tǒng)一取值,且從未高于7度。

(3)部分工程勘察報(bào)告中,對(duì)基于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的地震液化指數(shù)計(jì)算及液化評(píng)價(jià)方式不符合規(guī)范,導(dǎo)致地震液化指數(shù)偏低。

隨著上?？拐鹪O(shè)計(jì)等級(jí)的不斷提高,場(chǎng)地地震液化評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)也日漸嚴(yán)格。盡管砂土地震液化能夠造成重大影響,但保守的抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不但無(wú)法客觀衡量災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),反而引起更多社會(huì)問(wèn)題的產(chǎn)生。中等及以上地震液化的地基土需要經(jīng)過(guò)特殊處理,高估地震液化等級(jí)可能造成建設(shè)成本的增加,引起不良市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,上海市的確有遭遇罕見地震的風(fēng)險(xiǎn),在危險(xiǎn)到來(lái)之前做好災(zāi)害評(píng)估和應(yīng)急準(zhǔn)備是十分重要的,這也是開展城市地質(zhì)災(zāi)害工作的重要原因。

5 結(jié)論及建議

(1)上海市存在砂土地震液化的危險(xiǎn)性,但總體危險(xiǎn)性不高。在50年超越概率10%的地震條件下,全市約12%的陸域面積有發(fā)生中等—嚴(yán)重液化的風(fēng)險(xiǎn);在50年超越概率2%的地震條件下,全市約36%的陸域面積將會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重砂土液化災(zāi)害。由于大地震發(fā)生概率小,上海市發(fā)生大規(guī)模嚴(yán)重地震液化的風(fēng)險(xiǎn)很小。地震液化區(qū)域的峰值地面運(yùn)動(dòng)加速度基本在1 m/s2左右,液化的發(fā)生主要因?yàn)榉植加泻恿鳌⑸暗痰鹊谒南邓缮⑸皩铀鶎?dǎo)致。地震液化造成的主要危害在于對(duì)建筑設(shè)施的破壞。對(duì)于那些地震液化等級(jí)中等以上、同時(shí)也是上海市建設(shè)活動(dòng)較為頻繁的區(qū)域,在開展工程地質(zhì)勘察的過(guò)程當(dāng)中,應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確把握淺部砂層的分布范圍、厚度,有效預(yù)防由地震液化導(dǎo)致的不均勻沉降等災(zāi)害的發(fā)生。

(2)上海市目前抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)液化判別及分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)偏保守,上海地區(qū)地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度存在區(qū)域差異,總體而言,50年超越概率10%的地震造成的液化概率非常低,但由于抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)其設(shè)定的設(shè)防烈度高,部分場(chǎng)地甚至被判定為嚴(yán)重液化,增加不必要的地基處理成本。高估地震液化風(fēng)險(xiǎn)或?qū)⒃黾咏?jīng)濟(jì)建設(shè)的阻力,而基于場(chǎng)地和建筑物的針對(duì)性抗震設(shè)計(jì)更有利于降低建設(shè)成本,促進(jìn)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

(3)文章從陸地峰值地面運(yùn)動(dòng)加速度的方面評(píng)價(jià)了上海地區(qū)地震液化,事實(shí)上,對(duì)上海市產(chǎn)生較大影響的地震來(lái)源于附近海域。目前附近海域地面運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)較為匱乏,加強(qiáng)相關(guān)方面的研究,有助于對(duì)上海市砂土地震液化災(zāi)害作出更為準(zhǔn)確和科學(xué)的評(píng)價(jià)。