談地震液化計算中的一些細(xì)節(jié)問題

王麗平

飽和松散的砂(粉)土在地震、動荷載作用下，受到強烈振動而喪失抗剪強度，使砂粒處于懸浮狀態(tài)，致使地基失效的作用或現(xiàn)象為液化。

作為地震引起的地面破壞效應(yīng)，液化是一種破壞性極強的區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害。大量的地震災(zāi)害調(diào)查和震害事例[1-3]表明，在地震作用下土壤由于液化可能造成很大的直接經(jīng)濟損失和間接損失，如公路、鐵路、橋梁的破壞，建筑物或房屋的沉降、傾斜與破壞，人工島大面積的液化，飛機場的液化導(dǎo)致跑道的關(guān)閉等等。

為避免或減小地震引起的不必要損失，事先判別地基土層在設(shè)計地震作用下能否液化及液化危害的大小，以便設(shè)計人員采取相應(yīng)的抗液化措施就顯得非常重要。這就給土的液化判別提出了很高的要求，規(guī)范判別式偏于保守會造成材料浪費，帶來經(jīng)濟負(fù)擔(dān);偏于危險則可能帶來嚴(yán)重的后果，甚至危及人民生命財產(chǎn)安全。

因此，合理、全面地判定液化對于交通、城市規(guī)劃，建筑場地的選擇以及液化區(qū)建筑物防護措施的選定具有重要意義。

經(jīng)過幾十年的研究，砂土液化判別研究已有豐碩的成果。從Casagrande開始，我國的黃文熙教授、汪聞韶教授，美國的Seed和Idriss等先后對土的液化進行了研究，至目前已形成了從非擾動土樣的動三軸試驗和剪切試驗為主的室內(nèi)試驗到基于標(biāo)貫、靜力觸探、剪切波速、Baker-Based method為主的現(xiàn)場測試方法，從確定性判別方法的不斷完善[4]到概率統(tǒng)計分析、隨機振動理論和動力可靠性分析以及模糊數(shù)學(xué)理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等為主要方法的不確定性方法的提出[5]。

在目前巖土工程勘察中，標(biāo)準(zhǔn)貫入度試驗是規(guī)范推薦的液化評價試驗方法。該法是基于國內(nèi)幾次大地震震害現(xiàn)場實測資料并借鑒國外液化評價方法而建立起來的，有豐富的第一手資料，因而該法是現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范和巖土工程規(guī)范最主要的液化評價方法之一。由于液化機理的復(fù)雜性，許多工程技術(shù)人員對規(guī)范判別公式的理解和應(yīng)用感到困惑。

雖然規(guī)范給出了明確的初判條件和計算方法，然而一些具體的計算細(xì)節(jié)很容易導(dǎo)致液化指數(shù)的變化，液化是輕微、中等或嚴(yán)重直接決定地基是否進行處理，如何進行地基處理，對擬建物的工期、造價影響極大。在實際工作中，由于規(guī)范的不明確，勘察人員對規(guī)范理解不透徹，在計算液化指數(shù)時存在許多不準(zhǔn)確之處，造成液化指數(shù)計算有所偏差，致使液化等級判斷錯誤，造成不應(yīng)有的經(jīng)濟損失。

1 軟弱粉質(zhì)粘土的震陷

一般規(guī)范判別液化是針對粉土和砂土的，忽略了粉質(zhì)粘土。汪聞韶[6]在系統(tǒng)分析研究了我國巴楚地震、邢臺地震、海城地震和唐山地震中59個場地的少粘性土地震液化問題后，于1978年提出了飽和少粘性土，地震時可能會發(fā)生液化。新規(guī)范中規(guī)定“地基中軟弱粘性土層的震陷判別，可采用下列方法。軟土震陷的危害性和抗震措施，可根據(jù)沉降和橫向擴展等因素研究確定。8度(0.3g)和9度時，塑性指數(shù)小于15且符合下式之一的飽和粉質(zhì)粘土，可判為震陷性軟土。”

對軟弱粉質(zhì)粘土液化作了規(guī)定，卻未提出明確具體的抗液化措施。因此工程人員在依據(jù)規(guī)范進行判別時，雖然能判別粉質(zhì)粘土的液化，但對液化指數(shù)的具體計算及抗液化措施的采用比較茫然，感覺無從下手。筆者認(rèn)為，如果能將粉質(zhì)粘土的液化或震陷計算合并到粉土、砂土的計算方法或者提出較實用的計算方法及相應(yīng)措施將為工程提供很大便利，同時也將使現(xiàn)行規(guī)范更趨于完善。

2 關(guān)于上覆土層厚度問題

現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范對液化進行初判時，需計算上覆非液化土層厚度。一方面，規(guī)范中指出，計算時宜將淤泥和淤泥質(zhì)土扣除，但是對填土沒有明確規(guī)定;若為填方地基，勘察時孔口標(biāo)高低于整平標(biāo)高，將可能導(dǎo)致上覆土層計算厚度過小，對不液化的場地進行處理增加不必要的費用;文獻(xiàn)[7]認(rèn)為提高地面設(shè)計標(biāo)高，利用填土增加作用于可液化土層上的覆蓋壓力也是一種防止液化的有效措施。若為挖方地基，勘察時孔口標(biāo)高高于整平標(biāo)高，導(dǎo)致上覆土層計算值過大，可能導(dǎo)致液化判別偏于不安全，降低建筑物的安全性能。對于工程應(yīng)用來說，液化一般宜按照建筑的整平標(biāo)高進行計算;這就要求工程勘察與工程設(shè)計統(tǒng)一起來，及時溝通，協(xié)調(diào)，以期更好服務(wù)于建筑。

3 液化計算中土層代表厚度的選擇及中點深度的確定

按照規(guī)范中的要求，對于某一層工程地質(zhì)層來說，di的計算相對簡單些，然而在工程實踐中由于工程地質(zhì)分層較多，再加上地下水位深度、液化判別深度的影響，使得di的計算變得復(fù)雜而又繁瑣。由于di的數(shù)值將直接影響hi中點確定，而hi中點又是計算Wi重要的中間參數(shù)，一旦di計算結(jié)果不正確將會影響液化等級判定的準(zhǔn)確性，若采用不準(zhǔn)確地基液化處理措施會造成經(jīng)濟損失與工程抗震性能的減弱。規(guī)范對于液化指數(shù)公式中的di與hi中點兩個參數(shù)計算法說的很不詳細(xì)，對于一些具體問題較難處理。如第一層填土深度為1.8 m，水位深度為0.8 m，而標(biāo)貫一般是從2.0 m開始，則水位下1.0 m深度的填土標(biāo)貫擊數(shù)則無準(zhǔn)確計算數(shù)值;另一種情況是，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點正好為土層分界線時標(biāo)貫擊數(shù)若共為上下層選用，顯然不合理，尤其是對于兩層土工程性質(zhì)差異較大時。第三種情況，當(dāng)土層中存在夾層時，一方面標(biāo)貫擊數(shù)代表性不強，另一方面土層代表厚度和土層中點深度的計算將無從下手;最后一種情況，土由于形成條件差異導(dǎo)致互層現(xiàn)象較普遍，即粘性土層可能含有大量粉土或砂，若不進行液化判別，可能導(dǎo)致液化計算偏于不安全。

對于以上情況，筆者建議，工程人員應(yīng)針對具體情況增加標(biāo)貫試驗點等措施解決。對于地下水位之下工程差異性較大的土層可采取分別標(biāo)貫的方法。對于規(guī)范[8]規(guī)定的夾薄層土(即薄層與厚層的厚度之比小于10的土層)可采用合并到該工程地質(zhì)土層的辦法;對于夾層或互層土，應(yīng)進行論證采取合理辦法進行處理。

砂土液化給人類帶來的災(zāi)難是巨大的，歷史上的許多地震中都因砂土液化而發(fā)生了地基失效和土壩破壞等重大事故。砂土液化一直是地震中造成破壞的主要原因，近年來國內(nèi)外許多重大地震中發(fā)生了大面積的砂土液化，導(dǎo)致了建筑物的整體傾覆，給人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。然而由于土的性質(zhì)及其分布的復(fù)雜性，造成工程設(shè)計中出現(xiàn)的問題種類多而復(fù)雜。

本文就作者對液化規(guī)范的理解及具體工作中的一些問題進行了總結(jié)并提出建議，對土體抗震液化的認(rèn)識有很多欠缺，望讀者及同仁給予幫助和指正。

[1]袁曉銘，曹振中，孫 銳，等.汶川8.0級地震液化特征初步研究[J].巖土工程學(xué)報，2009，9(6):1288-1295.

[2]劉 穎，謝君斐.砂土震動液化[M].北京:地震出版社，1984.

[3]梁凱利.日本新瀉縣發(fā)生強烈地震[J].國際地震動態(tài)，2004，5(11):107-118.

[4]GBJ 11-89，工業(yè)與民用建筑抗震規(guī)范[S].

[5]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[6]汪聞韶.土工問題論文集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999:30-45.

[7]陳仲頤，葉書麟.基礎(chǔ)工程學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1995.

[8]GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].