郝少雷,張 兵,陳夢瑞
(昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093)
砂土地震液化[1]是飽水的疏松粉、細(xì)砂土在周期荷載的往復(fù)振動(dòng)下,顆粒骨架重新排列導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)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(dāng)孔隙水壓力直至接近或小于總應(yīng)力后,有效應(yīng)力將會(huì)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(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全和市政設(shè)施的正常運(yùn)行。因此,在地震條件下,判別場地內(nèi)砂土層液化與否,是評價(jià)地基土穩(wěn)定的關(guān)鍵一環(huán)[2-3]。
由于歷史及行業(yè)習(xí)慣原因,建筑、鐵路、公路等行業(yè)在液化判別式及有關(guān)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(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“《建筑抗規(guī)》”)[4]、GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)細(xì)則》以及JTG C20—2011《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》等進(jìn)行評價(jià)。不同行業(yè)的評價(jià)結(jié)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(jìn)行液化評價(jià),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(jié)果進(jìn)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(zhì)資料及臨近工程地質(zhì)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(yán)重液化特性。
圖1 研究區(qū)典型地質(zhì)剖面
為探明包頭路段(市光路~國和路)砂質(zhì)粉土層分布規(guī)律及工程地質(zhì)特性,進(jìn)行了鉆探、原位測試及室內(nèi)等一系列試驗(yàn)。研究區(qū)地層20 m以內(nèi)的砂質(zhì)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(dá)31.2%,飽和度均值達(dá)95%;容重均值為18.4 kN/m3,平均比重2.7,孔隙比高,均值達(dá)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(zhì)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(zhì))軟土,砂質(zhì)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(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g,屬于第二組設(shè)計(jì)地震分組,即研究區(qū)為Ⅳ類建筑場地。
對場地內(nèi)飽和砂土、粉土進(jìn)行液化初判,對不滿足發(fā)生液化條件的砂質(zhì)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(dāng)研究區(qū) 20 m 以內(nèi)揭露飽和砂土、粉土且需要進(jìn)一步進(jìn)行液化判別時(shí),按下式計(jì)算液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值
(1)
式中,Ncr為標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值;N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值,研究區(qū)取值為7;β為調(diào)整系數(shù),研究區(qū)為第二組設(shè)計(jì)地震,取0.95;ds為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)深度;dw為地下水埋深;ρc為黏粒含量百分比,當(dāng)ρc<3(或?yàn)樯巴?時(shí),取3。
對場地內(nèi)飽和砂土、粉土進(jìn)行液化初判,然后對需要進(jìn)一步液化判別的砂土、粉土,按下式進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),即當(dāng)飽和砂土、粉土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N63.5≤Ncr時(shí),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(zhǔn)值N0與多個(gè)修正系數(shù)的乘積,計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)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(shè)防烈度為7,設(shè)計(jì)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(shè)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(shè)計(jì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì),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(jìn)行了修正,對換填地基液化評價(jià)有促進(jìn)作用。因此,在計(jì)算砂土液化Ncr值時(shí),《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(diǎn)的標(biāo)貫擊數(shù)臨界值Ncr。圖3給出了各點(diǎn)處土層N63.5與Ncr隨貫入深度變化情況,當(dāng)N63.5位于Ncr左側(cè)時(shí),表明土層受到的地震荷載大于土層的抗液化強(qiáng)度,即土層發(fā)生液化?;?種不同方法的判別結(jié)果,根據(jù)研究區(qū)項(xiàng)目所在地區(qū)要求(上海市《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》),選取《建筑抗規(guī)》判定結(jié)果為研究區(qū)地基土液化性評價(jià)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(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)N63.5大部分小于臨界標(biāo)貫擊數(shù)Ncr,其中地表以下2~10 m范圍內(nèi)發(fā)生局部液化概率較大,10~20 m范圍內(nèi)發(fā)生液化概率大。
《建筑抗規(guī)》與《鐵路抗規(guī)》液化判別結(jié)果較一致,詳細(xì)結(jié)果對比見表3?!惰F路抗規(guī)》將上覆非液化土層厚度加入液化評價(jià),相較于《建筑抗規(guī)》考慮更為全面,應(yīng)適當(dāng)參考其評價(jià)結(jié)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(zhì)粉土層判定為液化,應(yīng)按照“不利組合”綜合選取判定結(jié)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(xiàng)目場地進(jìn)行砂土液化判別,得出以下結(jié)論:
(1)《鐵路抗規(guī)》判別式將上覆非液化土層厚度進(jìn)行了修正,對換填地基液化評價(jià)有促進(jìn)作用;而《建筑抗規(guī)》在地基土液化評價(jià)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(xiàng)目場地液化判別結(jié)果存在一定差異,各自有特定的適用范圍和側(cè)重點(diǎn),僅采用《建筑抗震》法判別結(jié)果進(jìn)行砂土液化評價(jià)具有不確定性,宜適當(dāng)參考《鐵路抗規(guī)》法判別結(jié)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(jié)果比較