標(biāo)貫試驗(yàn)和雙橋靜探試驗(yàn)在風(fēng)電場地基液化判別中的對比分析

梁 海，趙志祥，楊 飛，韓建軍

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065；2.內(nèi)蒙古察哈爾新能源有限公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000 )

0 前 言

飽和砂土(粉土)液化是指在地震作用時(shí)間內(nèi)，飽和砂土內(nèi)孔隙水壓力急劇增大，孔隙水壓力來不及消散，全部抵消砂土顆粒接觸壓力(有效壓力)，使砂土完全喪失抗剪強(qiáng)度和承載能力，從而整體形成液體狀態(tài)的一種現(xiàn)象。液化現(xiàn)象往往造成地表噴砂冒水、地基不均勻沉降以及地裂等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致建筑物沉降、傾倒甚至倒塌[1-3]。

飽和砂土或粉土主要分布于河流階地、平原以及湖泊周邊區(qū)域。該區(qū)域地形平坦開闊，風(fēng)資源一般較好，是投資風(fēng)電場的良好場地。但該區(qū)域一般地下水埋深淺，地基土多呈飽和狀，地質(zhì)條件復(fù)雜，工程地質(zhì)問題突出，其中最主要的地質(zhì)問題是砂土(粉土)液化問題[4-6]。

目前，國內(nèi)常用的判別液化方法是標(biāo)貫試驗(yàn)判別法和靜探試驗(yàn)判別法。標(biāo)貫試驗(yàn)判別法是根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016版)。靜探試驗(yàn)判別法國內(nèi)涉及的規(guī)范較多，但大多規(guī)范沒有明確液化指數(shù)的計(jì)算方法。本文根據(jù)DGJ08-37-2012《巖土工程勘察規(guī)范》和DG/TJ 08-2189-2015《上海市靜探技術(shù)規(guī)程》，明確液化指數(shù)的計(jì)算方法，并以平原風(fēng)電場為例，詳細(xì)闡述兩種液化判別方法成果的異同和原因，為同區(qū)域類似工程提供借鑒[7-8]。

1 液化判別方法原理

本文的液化判別方法是針對飽和土層在初判液化的基礎(chǔ)上進(jìn)行的復(fù)判，并確定液化指數(shù)和液化等級。

1.1 標(biāo)貫試驗(yàn)液化判別原理

根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)飽和土標(biāo)貫錘擊數(shù)(未經(jīng)桿長修正)小于或等于液化判別標(biāo)貫錘擊數(shù)臨界值時(shí)，應(yīng)判為液化土。在地面下20 m深度范圍內(nèi)，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫人錘擊數(shù)臨界值可按下式計(jì)算[9]：

(1)

式中:Ncr為液化判別標(biāo)貫錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)貫錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，按表1取值；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫人點(diǎn)深度，m；dw為地下水位埋深，m；ρc為黏粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，采用3；β為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第1組取0.8，第2組取0.95，第3組取1.05。

表1 不同地震加速度下液化判別標(biāo)貫錘擊數(shù)基準(zhǔn)值表

對存在液化砂土、粉土的地基，應(yīng)探明各液化土層的深度和厚度，按式(2)計(jì)算每個(gè)鉆孔的液化指數(shù)，并按表2綜合劃分地基的液化等級。

(2)

式中:IlE為液化指數(shù)；n為判別深度內(nèi)每一鉆孔標(biāo)貫試驗(yàn)點(diǎn)的總數(shù)；Ni、Ncri分別為i點(diǎn)標(biāo)貫試驗(yàn)實(shí)測值和臨界值；di為i點(diǎn)代表土層厚度，m；Wi為i土層單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值，m-1。

表2 液化等級與液化指數(shù)對應(yīng)關(guān)系表

1.2 雙橋靜探試驗(yàn)液化判別原理

根據(jù)DGJ08-37-2012《巖土工程勘察規(guī)范》和DG/TJ 08-2189-2015《上海市靜探技術(shù)規(guī)程》，當(dāng)雙橋探頭實(shí)測錐尖阻力qc小于臨界錐尖阻力qccr時(shí),應(yīng)判為可液化土[10-11]。

(3)

ρc=7.28Rf+0.58

(4)

式中:qc0為液化臨界錐尖阻力基準(zhǔn)值,MPa,取2.35 MPa；ds為靜探試驗(yàn)點(diǎn)深度, m；a=1，b=0.75；dw和ρc意義同1.1節(jié)。

對存在液化土層的地基，應(yīng)按公式(5)逐點(diǎn)計(jì)算液化強(qiáng)度比Fle，按公式(6)計(jì)算每個(gè)鉆孔的液化指數(shù)，并按表2綜合劃分地基的液化等級。

(5)

(6)

式中：Flei為第i試驗(yàn)點(diǎn)的液化強(qiáng)度比,當(dāng)Flei>1.0時(shí),取Flei=1.0；qc為實(shí)測實(shí)測錐尖阻力(MPa)；IlE、n、di、Wi意義同1.1節(jié)。

2 風(fēng)電場工程地質(zhì)條件

平原風(fēng)電場位于山東平原縣境內(nèi)，海拔約18～20 m，為沖積平原地貌，地形平緩開闊。鉆探和標(biāo)貫試驗(yàn)現(xiàn)場情況見圖1，雙橋靜探試驗(yàn)現(xiàn)場情況見圖2。地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖積松散～稍密的粉土、粉砂和可塑狀粉質(zhì)黏土等，單層地層厚度一般3～7 m，層內(nèi)富含透鏡體，地層總體上呈互層狀。地下水為第四系孔隙潛水，埋深為1.8～3.5 m，調(diào)查年水位變幅2 m。

圖1 鉆探和標(biāo)貫試驗(yàn)現(xiàn)場圖

圖2 雙橋靜探試驗(yàn)現(xiàn)場圖

根據(jù)GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，場址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，地基土多呈飽和狀，應(yīng)考慮地震液化對工程的影響。場址區(qū)地基土多以軟弱飽和土為主，力學(xué)性質(zhì)較差，不能采用天然地基，設(shè)計(jì)方案采用樁基礎(chǔ)。

3 液化判別成果對比分析

本文選用具有典型地層特征的ZK8和ZK20為代表性鉆孔進(jìn)行2種試驗(yàn)方法液化判別分析，初判結(jié)果均為液化，下面根據(jù)試驗(yàn)成果進(jìn)行液化復(fù)判和液化等級比較分析。

3.1 液化復(fù)判結(jié)果對比分析

當(dāng)飽和砂土(粉土)初判認(rèn)為需要進(jìn)一步進(jìn)行液化判別時(shí)，應(yīng)按規(guī)范采用標(biāo)貫試驗(yàn)和雙橋靜探試驗(yàn)進(jìn)行液化復(fù)判計(jì)算。由于設(shè)計(jì)采用樁基礎(chǔ)，液化判別深度為20 m。在2種方法液化復(fù)判計(jì)算中，地下水位相同，并考慮年變幅；黏粒含量ρc，標(biāo)貫試驗(yàn)法采用土工試驗(yàn)指標(biāo)，雙橋靜探試驗(yàn)法采用規(guī)范公式(4)計(jì)算；其他指標(biāo)參照各規(guī)范。液化復(fù)判計(jì)算成果見表3。

表3 標(biāo)貫試驗(yàn)和雙橋靜探試驗(yàn)液化復(fù)判計(jì)算結(jié)果對比表

由表3可以看出，在鉆孔ZK8深度10.65 m和13.15 m處，標(biāo)貫試驗(yàn)判定液化，雙橋靜探試驗(yàn)判定非液化，2種方法判別結(jié)果不同，其余深度2種方法判別結(jié)果一致。可以看出，2種判別方法的復(fù)判成果總體上基本一致。

3.2 液化等級對比分析

液化指數(shù)和液化等級是風(fēng)電場抗液化設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。計(jì)算液化指數(shù)和劃分地基液化等級的主要目的是將預(yù)估的液化危害程度定量化以方便采取相應(yīng)的抗液化措施。液化土層厚度越大，液化危害性越大；液化土層埋深越淺，危害性越大。劃分液化等級的基本思路是：逐點(diǎn)判別液化土層深度→按孔計(jì)算液化指數(shù)→綜合劃分液化等級。標(biāo)貫試驗(yàn)測試成果和雙橋靜探試驗(yàn)測試成果見圖3～6，按規(guī)范計(jì)算液化指數(shù)和評價(jià)液化等級見表4。

液化指數(shù)的計(jì)算是基于液化復(fù)判后存在液化的土層，標(biāo)貫試驗(yàn)法計(jì)算液化指數(shù)是根據(jù)公式(2)對每個(gè)鉆孔分別計(jì)算，雙橋靜探試驗(yàn)法是根據(jù)公式(5)和公式(6)對每個(gè)鉆孔分別計(jì)算，然后根據(jù)表2劃分液化等級。

表4 標(biāo)貫試驗(yàn)和雙橋靜探試驗(yàn)計(jì)算液化指數(shù)和劃分液化等級對比表

圖3 ZK8 標(biāo)貫試驗(yàn)成果曲線圖

圖4 ZK20 標(biāo)貫試驗(yàn)成果曲線圖

由表4可知， ZK8標(biāo)貫試驗(yàn)計(jì)算液化指數(shù)為18.35，雙橋靜探試驗(yàn)計(jì)算液化指數(shù)為1.48，兩者液化指數(shù)計(jì)算結(jié)果差別較大，劃分液化等級差別較大。ZK20標(biāo)貫試驗(yàn)計(jì)算液化指數(shù)為4.69，雙橋靜探試驗(yàn)計(jì)算液化指數(shù)為6.77，兩者液化指數(shù)計(jì)算結(jié)果差別較小，劃分液化等級較接近。縱向?qū)Ρ龋簶?biāo)貫試驗(yàn)法計(jì)算兩孔液化指數(shù)相差ΔIlE=13.66，同一場址計(jì)算結(jié)果差別太大，評價(jià)液化等級也相差太大。雙橋靜探試驗(yàn)法計(jì)算兩孔液化指數(shù)相差ΔIlE=5.29，同一場址計(jì)算結(jié)果差別較小，評價(jià)液化等級相差較小。從而看出標(biāo)貫試驗(yàn)法計(jì)算液化指數(shù)差別較大，雙橋靜探試驗(yàn)法計(jì)算液化指數(shù)差別較小。

圖5 ZK8雙橋靜探試驗(yàn)成果曲線圖

3.3 液化指數(shù)計(jì)算差異性原因分析

根據(jù)以上對比成果及資料分析，兩種試驗(yàn)成果判定的差異性較大。根據(jù)對現(xiàn)場原位測試過程進(jìn)行跟蹤分析，成果資料主要受場址區(qū)地層結(jié)構(gòu)和人為因素影響。標(biāo)貫試驗(yàn)是鉆探過程中鉆至特定土層進(jìn)行的一種原位測試手段。該試驗(yàn)簡單易行，在國內(nèi)已積累了大量經(jīng)驗(yàn)。但平原飽和土地區(qū)地層一般以穩(wěn)定性較差的軟弱土為主，鉆探一般均采用泥漿護(hù)壁鉆探方法。根據(jù)現(xiàn)場跟蹤及資料分析，標(biāo)貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)影響因素主要如下：

(1) 鉆探孔中砂層塌孔、軟黏土縮孔等現(xiàn)象很常見，這些現(xiàn)象往往造成孔內(nèi)沉渣厚度大。雖然標(biāo)貫試驗(yàn)前多次清孔，標(biāo)貫器仍舊很難放入孔底，造成標(biāo)貫擊數(shù)一定程度偏小，計(jì)算液化判別結(jié)果往往偏大。

(2) 塌孔和縮孔也使鉆探取樣質(zhì)量產(chǎn)生一定誤差，引起土工試驗(yàn)成果失真。

(3) 較深位置標(biāo)貫試驗(yàn)時(shí)，鉆桿傾斜、鉆桿貼緊孔壁這些人為操作因素往往使標(biāo)貫數(shù)據(jù)偏大，造成計(jì)算液化判別結(jié)果偏小。

圖6 ZK20雙橋靜探試驗(yàn)成果曲線圖

從以上因素分析，在本場區(qū)，標(biāo)貫法液化判別誤差較大，成果可靠性較低。

雙橋靜探試驗(yàn)則是靜探探頭連續(xù)壓入地層，由自動記錄儀記錄土層隨深度的貫入阻力變化情況，并以曲線的方式自動繪圖。該試驗(yàn)方法提高了野外工作效率和勘察精度，地層結(jié)構(gòu)和人為因素影響很小，液化判別誤差小，成果較為可靠。雙橋靜探試驗(yàn)判別液化的黏粒含量ρc采用公式(4)計(jì)算，目的就是避免采用土工試驗(yàn)成果帶來較大人為因素影響。通過上海地區(qū)互層狀沉積地層大量土工試驗(yàn)成果總結(jié)出了黏粒含量ρc與摩阻比Rf的相關(guān)關(guān)系，可靠性較高。但上海地區(qū)主要為海相沉積地層，而本文風(fēng)電場為黃河沖積平原沖積地層，兩個(gè)地區(qū)土質(zhì)類別、成因類別、密實(shí)度均有差異，公式(4)的適應(yīng)性還需要大量試驗(yàn)總結(jié)驗(yàn)證和修正。

4 結(jié) 論

(1) 本文以典型的平原地區(qū)飽和砂土(粉土)地層風(fēng)電場為實(shí)例，針對飽和粉土、砂土、黏土等軟弱地層，詳細(xì)分析了標(biāo)貫試驗(yàn)和雙橋靜探試驗(yàn)在液化判別的中差異，認(rèn)為雙橋靜探試驗(yàn)影響因素小，液化判別成果較為可靠，標(biāo)貫試驗(yàn)主要受地層結(jié)構(gòu)和人為操作因素影響，液化判別成果有一定誤差。

(2) 在飽和軟弱地層液化判別時(shí)，本文推薦雙橋靜探試驗(yàn)為風(fēng)電場液化判別主要方法。標(biāo)貫試驗(yàn)判別法可作為輔助參考。

(3) 標(biāo)貫試驗(yàn)和雙橋靜探試驗(yàn)在液化復(fù)判方面計(jì)算結(jié)果基本一致。但在計(jì)算液化指數(shù)和劃分液化等級方面，標(biāo)貫試驗(yàn)法計(jì)算誤差較大，雙橋靜探試驗(yàn)法計(jì)算誤差相對較小。

(4) 由于DGJ08-37-2012《巖土工程勘察規(guī)范》和DG/TJ 08-2189-2015《上海市靜探技術(shù)規(guī)程》為上海市地方標(biāo)準(zhǔn)，全國各地區(qū)土層類別、成因類別以及力學(xué)性質(zhì)差別較大，建議根據(jù)地區(qū)地質(zhì)條件積累液化判別經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證和修正液化判別公式，使液化判別成果更符合當(dāng)?shù)貙?shí)際。