吹填造陸形成的吹填土液化判別方法分析

◎ 莫鋈 江西省港航設(shè)計(jì)院有限公司

鄭世武 天津臨港港務(wù)集團(tuán)有限公司

在我國(guó)沿海地區(qū)經(jīng)常開展圍海造陸工程。圍海造陸使用吹填土因?yàn)樗幍某练e物和沉積環(huán)境不同，導(dǎo)致吹填土的成分不一樣，含砂量也不相同。人工吹填土在沒有經(jīng)過地基處理之前，大都為可液化的土層。人工吹填土場(chǎng)地為了保證場(chǎng)地穩(wěn)定，需要根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)及地基液化程度，選擇適合的地基處理方法消除地基液化。本文通過分析人工吹填土的成分構(gòu)成和性質(zhì)，討論現(xiàn)行規(guī)范中主要地基液化判別方法的差異，采用原位測(cè)試成果細(xì)化地基土層液化程度，結(jié)合工程實(shí)例提出人工吹填土場(chǎng)地消除地基液化的建議。

1.人工吹填土的成分構(gòu)成和性質(zhì)

吹填造陸的形成的土，大多數(shù)都含有有機(jī)質(zhì)和黏粒成分。吹填土有高壓縮性和高含水率的性質(zhì)。人工吹填土的性質(zhì)可從以下四個(gè)方面入手。

（1）人工吹填土的厚度和形成時(shí)間；

（2）人工吹填土土體的顆粒組成；

（3）人工吹填土的礦物成分；

（4）人工吹填土的化學(xué)成分。

人工吹填土的厚度決定了土體自重和地基處理采用的方法。人工吹填土的形成時(shí)間對(duì)土體的固結(jié)程度影響較大。國(guó)標(biāo)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50145-2007)把土的粒組分為10級(jí)。分類依據(jù)式根據(jù)粒徑范圍的大小。人工吹填土的粒組根據(jù)室內(nèi)顆分試驗(yàn)得知，主要要由砂粒、粉粒和黏粒等成分組成。土顆粒級(jí)配特征的判別依據(jù)是曲率和不均勻系數(shù)。黏粒含量是地基液化判別的重要因素之一。土顆粒級(jí)配特征對(duì)土的物理力學(xué)性質(zhì)有較大影響。

目前的液化判別方法主要適用于石英質(zhì)砂土和粉土，人工吹填土中原生礦物石英、云母及其他暗色礦物含量對(duì)于液化判別有較大影響。

2.液化判別方法

目前，主要有兩類地基土的液化判別方法。一類是經(jīng)驗(yàn)分析法，這種判別方法是以歷次地震實(shí)地發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)的砂土液化調(diào)查資料為依據(jù)，而建立的一種液化判別方法。比如國(guó)標(biāo)采用的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法就是這一類方法。第二類是試驗(yàn)分析法，這種判別方法是以砂土液化試驗(yàn)和土體地震反應(yīng)分析結(jié)果為依據(jù)建立的一種液化判別方法，比如Seed簡(jiǎn)化法在國(guó)際上應(yīng)用較多。

我國(guó)規(guī)范中的液化判別方法屬于經(jīng)驗(yàn)分析法，在地震發(fā)生后出現(xiàn)噴水、冒砂的液化場(chǎng)地進(jìn)行原位測(cè)試和試驗(yàn)，對(duì)比分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用概率方法進(jìn)行液化判別。這種方法給出了判別條件和邊界，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和針對(duì)性。目前，液化判別采用的原位測(cè)試數(shù)據(jù)，主要是標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)，靜力觸探得到的比貫入阻力和錐尖阻力。

在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)中，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)進(jìn)行液化判別(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)標(biāo)抗震規(guī)范法”)，見如下公式：

Ncr—判別液化標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的臨界值；

N0—判別液化標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的基準(zhǔn)值；

ds—飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度；

dw—地下水位；

pc—黏粒含量百分率；

β—調(diào)整系數(shù)。

在《巖土工程勘察規(guī)范》(2009年版)中，以唐山地區(qū)地震不同烈度區(qū)的試驗(yàn)資料，利用靜力觸探中的比貫入阻力和錐尖阻力，對(duì)飽和砂土和飽和粉土進(jìn)行液化判別(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)標(biāo)勘察規(guī)范法”)，具體公式如下：

pscr=ps0·αw·αu·αp；

qccr=qc0·αw·αu·αp；

αw=1-0.065(dw-2)；

αu=1-0.05(du-2)；

pscr、qccr—為飽和土靜力觸探液化比和貫入阻力臨界值及錐尖阻力的臨界值；

ps0、qc0r—為飽和土靜力觸探液化比和貫入阻力基準(zhǔn)值及錐尖阻力的基準(zhǔn)值；

aw—地下水位埋深修正系數(shù)；

au—上覆非液化土層厚度的修正系數(shù)；

dw—地下水位深度；

du—上覆非液化土層厚度；

ap—與靜力觸探摩阻比相關(guān)的土性修正系數(shù)。

對(duì)比2種液化判別方法，可以發(fā)現(xiàn)：

①2種液化判別方法均考慮了地下水位和土體黏粒含量的影響，但采用靜力觸探測(cè)試數(shù)據(jù)的兩種方法在黏粒含量方面關(guān)注點(diǎn)不同，國(guó)標(biāo)勘察規(guī)范法采用修正系數(shù)，對(duì)石英質(zhì)砂土的液化判別準(zhǔn)確度較高。

②國(guó)標(biāo)勘察規(guī)范法中的靜力觸探比貫入阻力及錐尖阻力標(biāo)準(zhǔn)值是根據(jù)工程場(chǎng)地區(qū)域地震動(dòng)峰值加 速度值確定的。

③國(guó)標(biāo)勘察規(guī)范法的液化指數(shù)計(jì)算精度為0.1m(靜力觸探測(cè)試數(shù)據(jù)采樣精度)，國(guó)標(biāo)抗震規(guī)范法計(jì)算精度為1.0m-1.5m (標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)的豎向間距為1.0m-1.5m。)

人工吹填土場(chǎng)地需要先行開展大面積的地基處理，以初步加固土體、消除主要地基土層液化，再根據(jù)建筑設(shè)計(jì)條件，采用適合地基基礎(chǔ)方案。因此，地方經(jīng)驗(yàn)欠缺的地區(qū)，應(yīng)先根據(jù)國(guó)標(biāo)抗震規(guī)范法初步判別地基液化程度，再結(jié)合靜力觸探成果采用國(guó)標(biāo)勘察規(guī)范法或當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)方法，細(xì)化不同地基土的液化程度，查明主要液化土層，提出有針對(duì)性的地基處理方案。

3.不同液化判別方法結(jié)果對(duì)比分析

3.1 天津?yàn)I海地區(qū)人工吹填土性質(zhì)

天津?yàn)I海臨港地區(qū)，區(qū)域內(nèi)人工吹填土形成時(shí)間較短，一般小于5年，人工吹填土層揭示厚度一般在10.0m以內(nèi)。人工吹填土層的成分主要為粉土、砂土、黏性土和淤泥，其中，以粉土和砂土為主。顆分試驗(yàn)結(jié)果顯示，人工吹填土的粒徑主要集中在0.075-0.25 mm的砂粒和0.05-0.075mm的粉料區(qū)間，黏粒含量較少。以粉砂為主要成分的人工吹填土的不均勻系數(shù)為7.35，曲率系數(shù)為2.33，以粉土為主要成分的人工吹填土的不均勻系數(shù)為10.31，曲率系數(shù)為1.78，級(jí)配良好。

3.2 液化判別分析

項(xiàng)目所在地自然地面以下20米，主要地層為人工吹填土層，粉土-粉質(zhì)黏土層、粉砂層、粉砂層、粉質(zhì)黏土-粉土層。為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性相關(guān)性，靜力觸探測(cè)試孔都布置在液化判別用標(biāo)準(zhǔn)貫入孔周邊2m范圍內(nèi)。根據(jù)上述2種液化判別方法計(jì)算得到，對(duì)于同一區(qū)域、相同深度的土體的液化判別結(jié)果基本一致。

3.3 液化指數(shù)分析

對(duì)于自然地面下20m內(nèi)土體液化指數(shù)Ile，采用靜力觸探測(cè)試數(shù)據(jù)為主要判別依據(jù)的國(guó)標(biāo)勘察規(guī)范法和與國(guó)標(biāo)抗震規(guī)范法的計(jì)算結(jié)果有差別，分析原因主要是國(guó)標(biāo)抗震規(guī)范法采用的黏粒含量的影響。由于人工吹填土成分復(fù)雜，大間距取樣(取樣間距為1m)無(wú)法完全代表該厚度地層的成分構(gòu)成，如遇到黏粒含量較大的粉土層，則液化指數(shù)將明顯減小。

經(jīng)過上述分析可以得出：①人工吹填土層的主要成分是粉土和細(xì)砂；②人工吹填土層是主要液化土層，粉土-粉質(zhì)黏土層和粉砂層的液化程度較高。如針對(duì)人工吹填土層、粉土-粉質(zhì)黏土層和粉砂層進(jìn)行地基處理，可消除地基土近90%的液化。

4.針對(duì)液化土層的地基處理

根據(jù)工程場(chǎng)地地基土的性質(zhì)，大面積地基處理方法采用強(qiáng)夯+地下水控制方法，以消除人工吹填土層、粉砂層、粉土-粉質(zhì)黏土層和等主要液化土層的液化影響，并達(dá)到設(shè)計(jì)加固的深度。地基處理后，地基土體力學(xué)指標(biāo)有明顯提升，載荷試驗(yàn)得到地基承載力特征值均不小于140kPa，標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)也有明顯提高，達(dá)到10-35擊，平均18擊，場(chǎng)地平地等效剪切波速值大于150m/s，為ш類場(chǎng)地。地基處理后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)成果，采用國(guó)標(biāo)抗震規(guī)范法和國(guó)標(biāo)勘察規(guī)范法，除個(gè)別區(qū)域深部砂土、粉土層液化導(dǎo)致強(qiáng)夯處理后液化指數(shù)較大外，其余大部區(qū)域在消除人工吹填土液化后，液化指數(shù)明顯減小，液化程度多為輕微液化。基本達(dá)到了大面積地基處理的目的。

5.小結(jié)

（1）分析了影響人工吹填土性質(zhì)的四方面因素，分別是人工吹填土的厚度和形成時(shí)間、礦物成分、土體的顆粒和化學(xué)成分等組成；

（2）結(jié)合工程實(shí)例，分析了人工吹填土的物理力學(xué)性質(zhì)，采用2種現(xiàn)行規(guī)范法對(duì)地基土進(jìn)行了液化判別，對(duì)比分析了不同液化判別方法間的結(jié)果和液化指數(shù)的區(qū)別，得到了不同地基土層的液化指數(shù)占比，以及主要液化土層。