海上風(fēng)電基礎(chǔ)地震液化判別方法研究

宋 礎(chǔ)

（上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

0 引言

我國海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)正處于快速發(fā)展階段，各大投資集團(tuán)對沿海地區(qū)做出了集中連片大規(guī)模開發(fā)海上風(fēng)電的戰(zhàn)略部署[1]。江蘇、廣東、福建三省作為我國海上風(fēng)能資源儲備最豐富的地區(qū)，總裝機(jī)容量穩(wěn)居全國前三甲，這些海域又恰恰位于地震活動強(qiáng)烈的東南沿海地震帶與華北地震活動區(qū)上。

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式多樣，其共同特點(diǎn)如下：1）海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)高大，體型細(xì)長，“頭重腳輕”，葉片具有分布質(zhì)量，運(yùn)行產(chǎn)生動力效應(yīng)，是典型的抗震不利結(jié)構(gòu)形式。2）我國近海地質(zhì)條件復(fù)雜，既有深厚覆蓋層軟弱土海床，又存在大范圍淺覆蓋層地質(zhì)區(qū)域，工程場地屬于抗震不利地段。

海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)所處海洋環(huán)境惡劣，地震液化對基礎(chǔ)承載力減弱明顯，機(jī)組動力響應(yīng)敏感，地震液化區(qū)海上風(fēng)電機(jī)組對基礎(chǔ)、地基的承載力和變形等工程性能提出了更高的要求[2]。該文將對現(xiàn)有的典型液化判別方法進(jìn)行對比分析，為地震液化區(qū)海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的抗震能力評估提供參考。

1 地震液化影響因素

影響飽和無黏性土液化的主要因素包括土體的物理特性、排水條件、地震前初始應(yīng)力狀態(tài)以及地震動特性等[3]，地震液化影響因素如圖1 所示。由于各國規(guī)范中的液化判別公式對地震液化影響因素考慮的思路與方法不盡相同，進(jìn)而導(dǎo)致判別結(jié)果存在一定的差異。

圖1 地震液化影響因素

針對地震液化判別問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的對比研究，對地震判別的方法也較多，如基于規(guī)范的原位試驗(yàn)分析方法、SEED 簡化分析方法、概率法以及室內(nèi)試驗(yàn)方法等，但是國內(nèi)外方法也存在較大差異?，F(xiàn)階段對海上風(fēng)電領(lǐng)域還少有針對性的研究，與陸地判別相比，海域淺表地層無論是震害調(diào)查還是實(shí)際勘測的經(jīng)驗(yàn)都較少[4]。因此，根據(jù)我國海上風(fēng)電建設(shè)場址特點(diǎn)與工程經(jīng)驗(yàn)，對建設(shè)場址覆蓋層進(jìn)行地震判別，對工程的建設(shè)與結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

該文總結(jié)了現(xiàn)階段海上風(fēng)電可采用的地震液化判斷方法，并基于我國粵東地區(qū)某一海上風(fēng)電場工程機(jī)位勘察鉆孔成果，采用多種液化判別方法綜合對比場地淺表地層液化特性，并指導(dǎo)現(xiàn)場的地震分析和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 地基土液化判別方法研究

2.1 SEED 簡化方法

對覆蓋層較淺（15m 以內(nèi)）且水平或略微傾斜的場地，規(guī)范中引用液化安全系數(shù)FS表示土壤液化參數(shù)，NCEER方法中液化安全系數(shù)FS的表示如公式（1）所示。

式中：CRR7.5為地震震級MS=7.5 的純凈砂土的抗液化應(yīng)力比；MSF為震級標(biāo)定系數(shù)，見表1。

表1 震級標(biāo)定系數(shù)值

當(dāng)FS＜1 時(shí)，存在液化風(fēng)險(xiǎn)且數(shù)值越小，液化風(fēng)險(xiǎn)越大。

為了計(jì)入實(shí)際應(yīng)用中可能更大的上覆壓力和土體傾斜的影響，液化安全系數(shù)可以進(jìn)一步為公式（2）。

式中：Kσ和α分別為上覆地層應(yīng)力和斜坡修正因子。

地震循環(huán)剪應(yīng)力比CSR 采用公式（3）計(jì)算。

式中：τav為等效循環(huán)地震剪應(yīng)力；amax為地表地震動峰值加速度；g為重力加速度；σv0為豎向總應(yīng)力；σ'v0為豎向有效應(yīng)力；γd為應(yīng)力折減系數(shù)。

CSR的準(zhǔn)確性與γd密切相關(guān)，建議γd如公式（4）所示。

式中：z為應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)距地表的距離。

一般震級下的抗液化剪應(yīng)力比CRR可以為公式（5）。

2.2 NCEER 法

NCEER 法是一個(gè)半理論、半經(jīng)驗(yàn)的方法，特別是對CRR的計(jì)算，實(shí)際上需要大量的現(xiàn)場試驗(yàn)資料。在現(xiàn)階段，利用該方法進(jìn)行海上風(fēng)電場的液化評判還需要大量數(shù)據(jù)及原位資料的積累。

2.3 國內(nèi)抗震規(guī)范液化判別法

我國規(guī)范對液化判別均采用“液化初判—液化細(xì)判—液化分級”的判別模式。初判考慮了地質(zhì)年代、黏粒含量、平均粒徑和上覆非液化土層厚度4 個(gè)指標(biāo)，但表述方式略有不同。在復(fù)判上，國內(nèi)主要規(guī)范均采用臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)作為界線參量。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）[5]規(guī)范液化復(fù)判公式如公式（6）所示。

《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 146—2012）[6]中液化復(fù)判公式如公式（7）所示。

《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）[7]中液化復(fù)判公式如公式（8）所示。

《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02—2013）[8]中液化復(fù)判公式如公式（9）所示。

式中：Ncr為液化判別標(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，見表2；β為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度；dw為地下水位在地面以下的深度，當(dāng)?shù)孛嫖挥谒聲r(shí)取0；Mc和ρc為黏粒含量百分率，小于3 或?yàn)樯巴習(xí)r，取3。

表2 液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值

各行業(yè)抗震規(guī)范中土體液化復(fù)判公式表達(dá)相近，目前海上風(fēng)電場工程抗震設(shè)計(jì)主要參照《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 146—2012）執(zhí)行。

規(guī)范方法簡單直接，目前我國對場地巖土的判別經(jīng)驗(yàn)主要集中在陸上，針對海域巖土的液化判別研究及經(jīng)驗(yàn)較少。隨著我國海上風(fēng)電領(lǐng)域建設(shè)海域逐漸向深遠(yuǎn)海進(jìn)軍，如果采用常規(guī)復(fù)判方法進(jìn)行判斷，現(xiàn)場需要更長的鉆桿及穩(wěn)定性，這就給試驗(yàn)設(shè)備及海上勘測平臺提出了更高的要求。

2.4 室內(nèi)試驗(yàn)分析法

對海域土體的液化判別，還可以采用室內(nèi)試驗(yàn)分析方法。通常利用室內(nèi)動三軸試驗(yàn)?zāi)M地震時(shí)土體的動力狀態(tài)，在盡可能接近研究土體實(shí)際動力反應(yīng)的基礎(chǔ)上采用SEED 簡化剪應(yīng)力對比法進(jìn)行判斷。

室內(nèi)試驗(yàn)根據(jù)土體不同位置進(jìn)行取樣分析，采用SEED 簡化方法估算出土體的地震剪應(yīng)力，并根據(jù)實(shí)際取樣或者制樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。采用動三軸試驗(yàn)時(shí)，對試樣維持恒定的有效圍壓，并在軸向施加等幅動應(yīng)力σd來模擬地震時(shí)的地基應(yīng)力狀態(tài)。每次動力加載至液化，在該圍壓（σ0）狀態(tài)和偏應(yīng)力水平（±σd）下，等效剪應(yīng)力（τav=σd/2）累積Nf次達(dá)到的能量即是實(shí)際地基受震液化時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)。為評估砂土的抗液化強(qiáng)度，將同一應(yīng)力水平和密實(shí)度、不同偏應(yīng)力水平的試驗(yàn)組別整合起來考慮該狀態(tài)下的抗液化強(qiáng)度指標(biāo)。將分析位置的平均地震剪應(yīng)力與抗液化剪應(yīng)力進(jìn)行比較，判斷是否發(fā)生液化，并確定地層范圍的液化水平。

室內(nèi)試驗(yàn)分析法理論性強(qiáng)、適用性廣，能夠考慮多種因素影響且不受場地條件與土體深度的限制。目前最主要的問題在于是否能夠在水下飽和砂土中取得無擾動原狀土，隨著勘測及原位取土水平的提升，室內(nèi)試驗(yàn)方法將是驗(yàn)證砂土液化特性的十分有效的方法。

2.5 原位試驗(yàn)方法

在宏觀地震液化和非液化區(qū)域，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)測得判別指標(biāo)的數(shù)據(jù)，通過分析、統(tǒng)計(jì)和總結(jié)建立與宏觀地震災(zāi)害資料之間的關(guān)系，得出經(jīng)驗(yàn)公式或液化分界線進(jìn)而判別液化。此類方法比較直觀且可以考慮多個(gè)影響飽和砂土液化的因素，避免了室內(nèi)試驗(yàn)土樣擾動等問題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性。但此類方法需要大量的地震現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)樣本，而已經(jīng)累計(jì)的各類土體液化現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少且此類方法還需要建立在地震現(xiàn)場的液化實(shí)例基礎(chǔ)上，具有較強(qiáng)的區(qū)域性。

靜力觸探（CPT）是一種輕便、快速、效率較高的原位測試技術(shù)，孔壓靜力觸探（CPTU）是與標(biāo)準(zhǔn)的電測式圓錐靜力觸探貫入儀（CPT）相結(jié)合，在探頭上安裝濾水器并量測孔隙水壓力的傳感元件，該元件會在探頭貫入飽和土體的過程中連續(xù)測試探頭錐尖阻力和側(cè)摩阻力，同時(shí)量測土的孔隙水壓力。當(dāng)在預(yù)定深度停止貫入時(shí)，還可量測因貫入產(chǎn)生的超孔隙水壓力隨時(shí)間的消散過程，直至超孔隙水壓力全部消散，達(dá)到穩(wěn)定的靜水壓力。當(dāng)實(shí)測比貫入阻力或錐尖阻力小于單橋觸探液化比貫入阻力臨界值或雙橋觸探液化錐尖阻力臨界值時(shí)，應(yīng)判別為液化土，否則砂土不液化。

可以看出，地震液化的判別方法差異性較大，對海上風(fēng)電這種經(jīng)驗(yàn)較少的海域地震液化判斷，應(yīng)在綜合災(zāi)害和場地工程地質(zhì)勘察成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合多種方法進(jìn)行判別。

3 工程實(shí)例分析

目前，國內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范考慮的因素不同，因此計(jì)算公式也有所不同。該文以某地震液化區(qū)海上風(fēng)電場作為工程實(shí)例，采用SEED 簡化法、NCEER 法、國內(nèi)抗震規(guī)范液化判別法對其地震液化情況進(jìn)行比較判別。

深度z為0～20m 且按不同規(guī)范對典型液化區(qū)海上風(fēng)電場進(jìn)行液化判別的結(jié)果見表3。由表3 可以看出，按不同規(guī)范進(jìn)行判別時(shí)，液化判別結(jié)果基本一致，僅針對F11-1鉆孔5.8m 測點(diǎn)深度，SEED 法和NCEER 法的判別結(jié)果為不液化，而國內(nèi)規(guī)范法判別結(jié)果為液化，即各種液化判別方法的判別結(jié)果存在一定偏差。

表3 某地震液化區(qū)海上風(fēng)電項(xiàng)目液化比較判別（地震基本烈度：Ⅷ度，地震動峰值加速度：0.2g）

現(xiàn)階段，在勘測資料及研究成果較少的情況下，單一的測試手段可能會有誤判，該文建議對海上風(fēng)電場工程采用多種勘察手段，利用不同的準(zhǔn)則進(jìn)行判別，再對各種結(jié)果進(jìn)行綜合分析并得出結(jié)論。各國砂土液化判定方法仍在不斷完善，各種判別方法計(jì)算結(jié)果尚有差異，國內(nèi)規(guī)范主要是結(jié)合以往地震總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式，很多液化因素的考量均是統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，規(guī)范公式采用的液化因素較少，因此國內(nèi)規(guī)范的應(yīng)用范圍受到限制，計(jì)算結(jié)果偏于保守，不利于工程精細(xì)化管理和節(jié)約造價(jià)[9]。我國陸域已經(jīng)積累了較為豐富的飽和砂土、粉土液化勘察和評價(jià)經(jīng)驗(yàn)，其中標(biāo)準(zhǔn)貫入法評價(jià)經(jīng)驗(yàn)最豐富，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2010（2016 年版）、《巖土工程勘察規(guī)范》GB 50021—2001（2009 年版）、《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 146—2012）及《海上風(fēng)力發(fā)電勘測標(biāo)準(zhǔn)》（GB51395—2019）都采用了該方法。風(fēng)電場工程所處的環(huán)境與陸域工程差別較大，勘察過程中，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)因海水、桿長等因素而與陸域存在一定差異。海上風(fēng)電場地質(zhì)勘探中的鉆桿最大長度可達(dá)70m，海上標(biāo)貫擊數(shù)的準(zhǔn)確性也有待進(jìn)一步商榷。

由于海洋工程地質(zhì)的特殊性，現(xiàn)場取樣并保持原狀土的應(yīng)力狀態(tài)十分困難，因此海上靜力觸探技術(shù)越來越多地應(yīng)用于海洋工程地質(zhì)勘查中。CPT 測試技術(shù)進(jìn)行砂土液化判別時(shí)具有快捷、連續(xù)、經(jīng)濟(jì)和可靠的優(yōu)點(diǎn)。因此，對高烈度地區(qū)受地震液化影響較大的重力式和筒型基礎(chǔ)等淺基礎(chǔ)形式，可以將CPT 判別法作為國內(nèi)規(guī)范標(biāo)貫判別法的有效補(bǔ)充，兩者相互驗(yàn)證是非常有價(jià)值的。歐洲海上風(fēng)力發(fā)電場勘察的通常做法是每個(gè)機(jī)位1 個(gè)靜力觸探孔，輔以少量鉆孔。我國海上風(fēng)電工程勘察中對靜力觸探的使用也越來越普遍。

4 結(jié)論

改文歸納總結(jié)了國內(nèi)外各類液化判別方法，進(jìn)行了某地震液化區(qū)海上風(fēng)電項(xiàng)目典型鉆孔液化判別方法的對比分析，研究結(jié)果表明：1）由于地震液化的判別方法差異性較大，對海上風(fēng)電這樣經(jīng)驗(yàn)較少的海域地震液化判斷，應(yīng)在綜合災(zāi)害和場地工程地質(zhì)勘察成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合多種方法進(jìn)行判別。2）按不同規(guī)范進(jìn)行某地震液化區(qū)海上風(fēng)電項(xiàng)目液化判別時(shí)，液化判別結(jié)果基本一致，僅對個(gè)別鉆孔SEED 法和NCEER 法判別結(jié)果為不液化，而國內(nèi)規(guī)范法判別結(jié)果為液化，即各種液化判別方法的判別結(jié)果存在一定偏差。3）風(fēng)電場工程所處的環(huán)境與陸域工程差別較大，勘察過程中標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)因海水、桿長等因素而與陸域存在差異，海上標(biāo)貫擊數(shù)的準(zhǔn)確性也有待進(jìn)一步商榷。采用單一的測試手段可能會出現(xiàn)誤判，建議對海上風(fēng)電場工程采用多種勘察手段，利用不同的準(zhǔn)則進(jìn)行判別，再對各種結(jié)果進(jìn)行綜合分析并得出結(jié)論。