基于超重型動力觸探判別礫石土液化在工程中的應(yīng)用

杜治洲, 張著彬, 呂康橋, 楊佳剛

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院,湖北 武漢 430064)

現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的砂土液化判別方法包括初判與復(fù)判,初判主要采用顆分法、地層時代判別法等,復(fù)判主要采用標準貫入法及相對密度法[1]。顆分法及地層時代法等均可用于飽和礫石土的液化初判;但由于礫石土中很難進行標準貫入試驗,取值難度很大,基于標準貫入試驗的砂土液化判別方法對礫石土的適宜性很差;對于相對密度判別法而言,由于實測礫石土的天然密度存在諸多困難,導(dǎo)致該判別方法實用性亦不強。因此,礫石土的地震液化復(fù)判目前仍處在探索階段。

2008年汶川地震中大面積發(fā)生的礫石土地震液化現(xiàn)象,引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。2009年中國地震局工程力學(xué)研究所袁曉銘等人在廣泛調(diào)查汶川地震礫石液化實例的基礎(chǔ)上,針對礫石液化開展了專項研究,提出了基于超重型動力觸探錘擊數(shù)判定礫石液化的計算模型與公式,經(jīng)對汶川地震砂礫石液化實例回判準確性較高。在四川阿壩州俄日水電站工程閘基含粉土質(zhì)礫液化復(fù)判中引用了這一計算模型與公式,計算出不同深度處土體臨界錘擊數(shù)值,并實測礫石土超重型動力觸探錘擊數(shù),經(jīng)深度與水位校正后,通過繪制臨界錘擊數(shù)曲線與校正后實測錘擊數(shù)曲線并進行比對分析,查明了閘基含粉土質(zhì)礫層的地震液化勢,為閘基處理設(shè)計優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 工程概況

俄日水電站位于四川省阿壩州金川縣境內(nèi)的俄日河上,工程由首部閘壩、引水隧洞和發(fā)電廠房三部分組成。閘壩壩頂高程3 092.0 m,長105.6 m,最大壩高17.0 m,總庫容44.4萬m3,總裝機69 MW。閘首從左至右依次布置左岸擋水壩段、3孔泄洪沖沙閘、右岸擋水壩段和進水口。泄洪閘沖沙閘布置于河床主流上,閘底高程為3 078.0 m,基本與河床平均高程一致;閘室建基面高程為3 075.0 m。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001),區(qū)內(nèi)未來50年超越概率10%的基巖地震動峰值加速度為0.10g,地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s,相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度[2]。

2 閘首土體分布及物理力學(xué)性質(zhì)

閘基土體自上而下分布如下。

閘基土體分布情況詳見圖1,各土體物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1[2]。

3 土體液化初判

依據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287—2016),結(jié)合室內(nèi)顆分成果,對各土層進行了液化初判,初判結(jié)果如下。

②-1含砂卵礫石:該層粒徑<5 mm的礫砂平均含量14.1%,小于初判不液化標準的30%,初判不存在地震液化可能。

②-2含粉土質(zhì)礫:該層粒徑<5 mm的礫砂平均含量53.9%,大于初判不液化標準的30%,初判存在地震液化可能。

②-3中粗砂透鏡體:該層粒徑<5 mm的顆粒含量70.5%,大于初判不液化標準的30%,且無粒徑<0.005 mm的粘粒,初判存在地震液化可能。

③第四系上更新統(tǒng)漂(塊)卵礫石層:根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50287—2016),地層年代為第四紀晚更新世(Q3)或以前時,可判定為不液化。因此,初判該層不存在地震液化可能。

圖1 俄日水電站閘基工程地質(zhì)橫剖面圖Fig.1 Transverse section of engineering geology of sluice foundation of Eri hydropower station

土層及巖性(代號)天然容重/(kN·m-3)承載力標準值fk/kPa變形模量E0/MPa抗剪強度凝聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)滲透系數(shù)K/(cm·s-1)允許比降(J允)②-1含砂卵礫石層(Qal4)21.052026.9036.02.1×10-10.2②-2粉土質(zhì)礫(Qal4)20.559031.0036.99.6×10-20.25～0.4②-3中粗砂層(Qal4)17.617610.5029.71.2×10-20.5③漂(塊)卵礫石層(Qfgl3)22.072542.8040.73.5×10-30.25～0.4

4 土體液化復(fù)判

根據(jù)初判,閘基②-2含粉土質(zhì)礫和②-3中粗砂透鏡層均存在地震液化的可能,需要對其進行復(fù)判。②-3中粗砂透鏡層按標準貫入錘擊數(shù)法復(fù)判即可,在此不做介紹。本文重點就應(yīng)用超重型動力觸探錘擊數(shù)法對②-2含粉土質(zhì)礫層的地震液化復(fù)判進行論述。

由于②-2含粉土質(zhì)礫層礫石含量高達48%,且埋藏于河床以下4～7 m,受礫石含量及埋藏等條件限制,既不能對該土層進行標準貫入試驗,也很難測定其相對密度,導(dǎo)致采用標準貫入臨界錘擊數(shù)法及相對密度法判定其地震液化遇到了困難。經(jīng)查閱附近類似工程研究資料,2009年中國地震局工程力學(xué)研究所袁曉銘等人在廣泛調(diào)查汶川地震礫石液化實例的基礎(chǔ)上,提出了基于超重型動力觸探錘擊數(shù)判定礫石液化的計算公式。考慮到本工程區(qū)與汶川同屬川西高原峽谷地貌,地理位置較為接近,礫石土沉積環(huán)境具有相似性,因此本工程也采用這一計算公式對②-2含粉土質(zhì)礫層進行液化復(fù)判。

超重型動力觸探錘擊數(shù)判定含粉土質(zhì)礫液化的臨界錘擊數(shù)計算公式為[3]:

Ncr=N0[0.95+0.05(ds-dw)]×[1+0.5(p5-50%)]

式中:Ncr為貫入30 cm的臨界動探擊數(shù);N0為臨界動探擊數(shù)基準值,7度區(qū)N0取9;ds為工程正常運用時,動探試驗點在當時地面以下深度;dw為工程正常運用時的地下水深度,本工程dw取0;p5為含礫量,即<5 mm顆粒的百分含量。

考慮到動探試驗點在試驗時的深度不同于工程正常運用時的深度,需對實測動探錘擊數(shù)進行校正。根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008),校正公式為[4]:

根據(jù)對ZK02和ZK03兩個試驗孔的超重型動力觸探試驗值分別進行校正并對照臨界動探錘擊數(shù),其各深度處校正錘擊數(shù)與臨界錘擊數(shù)曲線圖見圖2和圖3。

圖2 ZK02校正錘擊數(shù)與臨界錘擊數(shù)曲線圖Fig.2 Curve of correction hammer number and critical hammer number of ZK02

由圖2可知,鉆孔ZK02內(nèi)僅高程3 075～3 073.5 m范圍內(nèi)校正錘擊數(shù)小于臨界錘擊數(shù),判定為可液化土層;高程3 073.5 m以下校正錘擊數(shù)均大于臨界錘擊數(shù),判定為不液化土層。

圖3 ZK03校正錘擊數(shù)與臨界錘擊數(shù)曲線圖Fig.3 Curve of correction hammer number and criticalhammer number of ZK03

由圖3可知,鉆孔ZK03所有校正錘擊數(shù)均大于臨界錘擊數(shù),判定為不液化土層。

根據(jù)基于超重型動力觸探臨界錘擊數(shù)對②-2含粉土質(zhì)礫的地震液化判別表明,除ZK02上部1.5 m范圍存在地震液化可能外,其它部位均為不液化土層。綜合本工程實際分析,由于②-2含粉土質(zhì)礫層為中密狀態(tài),上覆②-1含砂卵石層透水性均較好,有利于超孔隙水壓力的消散,且在壩體對地基土層的附加應(yīng)力作用下,將有效約束土體的豎向變形,有利于提高土體抗液化作用,因此,綜合判定②-2含粉土質(zhì)礫層為非液化土。

5 應(yīng)用可靠性評估分析

本文引用的超重型動力觸探臨界錘擊數(shù)判別公式是中國地震局基于汶川地震砂礫石液化實例提出的。該判別公式由動探擊數(shù)基準值、含礫量、砂礫土埋深、地下水深度和地震烈度等5個參數(shù)組成。根據(jù)汶川地震液化砂礫土埋深及地下水位變化范圍較大的特點,采用歸一化方法導(dǎo)出動探擊數(shù)基準值,利用優(yōu)化方法推導(dǎo)出砂礫土深度及地下水位的影響系數(shù),較全面地考慮了砂礫土液化的影響因素,經(jīng)汶川地震液化實例回判成功率較高,且與現(xiàn)有規(guī)范中標貫錘擊數(shù)判別法具有明顯對應(yīng)關(guān)系。因此,該判別公式在理論上基本適用于礫石土地震液化復(fù)判。

由于俄日水電站所處位置金川縣與汶川同屬川西地槽區(qū),為橫斷山系高山峽谷地形,地理位置接近,礫石土沉積環(huán)境具有相似性,因此,在本工程閘首含粉土質(zhì)礫液化復(fù)判中引用了該公式,且已將液化復(fù)判結(jié)果應(yīng)用于閘基處理設(shè)計優(yōu)化中。但該判別公式尚未收錄進相關(guān)規(guī)范,說明其普適性有待進一步論證。其他類似工程在參考、引用該判別公式時,仍需在區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、沉積環(huán)境、礫石土特征、地震震級、地下水位特征等方面仔細斟酌,如有條件,可根據(jù)場區(qū)附近砂礫石液化實例對公式相關(guān)系數(shù)進行修正。

6 結(jié)論

飽和礫石土存在地震液化的可能,從有利于工程安全計,需采取措施消除其液化影響。在既不能對飽和礫石土進行標準貫入試驗,又難以檢測其相對密度的條件下,均無法采用現(xiàn)行的標準貫入臨界錘擊數(shù)法和相對密度法對地震液化進行復(fù)判。通過本工程的應(yīng)用實踐表明,基于超重型動力觸探臨界錘擊數(shù)的判別方法解決了礫質(zhì)土地震液化判別的困難,且具有操作簡單、數(shù)據(jù)連續(xù)、成果可靠等優(yōu)點,為類似工程飽和礫石土液化判別具有很好的參考作用。