某壩基覆蓋層深層粉土地震液化判別方法研究

余 敏 陳曦陽

（中機(jī)三勘巖土工程有限公司，湖北武漢 430014）

0 引言

土的液化是指飽和砂土或粉土等無黏性土或少黏性土在振動作用下由于孔隙水壓力上升，有效應(yīng)力減小所導(dǎo)致的土體由固態(tài)到液態(tài)而不具有任何抵抗剪切的能力的變化現(xiàn)象[1]。地基土的液化會造成地基失效，導(dǎo)致建筑物或構(gòu)筑物發(fā)生破壞，因此，需要對地基土層進(jìn)行液化判別，預(yù)測場地在地震作用下發(fā)生液化的可能性，進(jìn)而采取工程措施進(jìn)行處理。飽和砂土和粉土的液化判別一般分為初判和復(fù)判，對于初判為可能液化的土層需要進(jìn)一步采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、相對密度法或結(jié)合動三軸振動液化試驗(yàn)等進(jìn)行復(fù)判[2]。由于通常認(rèn)為20 m 以下的砂土或粉土層在上覆土層的作用下不會發(fā)生液化，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）（2016年版）[3]中的判別方法只是針對埋深在20 m 范圍內(nèi)的砂土層或粉土層進(jìn)行液化判別，張夏滔等[4]、陳文化等[5-6]、杜廣印等[7]、周相國等[8]、李 彬等[9]對工程場地液化判別主要是結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、剪切波速試驗(yàn)和室內(nèi)動三軸結(jié)果針對埋深20 m 以內(nèi)的土層進(jìn)行判別。但是在一些重大工程的場地液化判別中，考慮到深層土層發(fā)生液化，造成的損失與影響較大，也對工程場地埋深大于20 m的土層進(jìn)行了液化判別，黃雅虹等[10]、王 薇等[11]、陳存禮等[12]、劉建達(dá)等[13]、劉 林等[14]對深度大于20 m 的砂土采用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合動力數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行了液化判別，得出深度大于20 m 的砂土也存在液化的可能性，需要進(jìn)行液化判別。在2008年汶川地震災(zāi)害調(diào)查中，袁曉銘等[15]證實(shí)了埋深大于20 m的砂土層液化的事實(shí)，因此，對于一些重大工程埋深大于20 m 的砂土或粉土層進(jìn)行液化可能性判別是有必要的。

本文以某壩基覆蓋層埋深19.5～31.0 m 范圍的粉土層為研究對象，進(jìn)行了地震液化判別。依據(jù)土層顆粒級配進(jìn)行初判，對于可能發(fā)生液化的土樣采用相對含水率法進(jìn)行復(fù)判，并結(jié)合動三軸試驗(yàn)成果對土層液化復(fù)核驗(yàn)證，采用的判別方法和取得的成果可以為類似工程場地液化判別提供參考。

1 工程概況

某壩基覆蓋層土層平均分布深度為：中砂0～8.5 m、粉細(xì)砂8.5～19.5 m，粉土19.5～31.0 m，粉土以下為砂卵石。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18036-2015）[16]，工程所在場地基本地震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計(jì)峰值加速度為0.30g，需要對場地的地震液化性進(jìn)行判別，對于上層中砂與粉細(xì)砂，依據(jù)規(guī)范，結(jié)合顆粒級配指標(biāo)進(jìn)行初判，并采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法進(jìn)行復(fù)判，判定為液化土層。粉土層深度19.5～31.0 m，一旦發(fā)生液化，將會引起大壩破壞，造成巨大損失，需要對其進(jìn)行液化判別。由于標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法是適合埋深20 m 范圍內(nèi)的土層液化復(fù)判，因此對于粉土層的液化判別結(jié)合顆粒級配進(jìn)行初判，采用相對含水率法進(jìn)行復(fù)判，并結(jié)合動三軸試驗(yàn)成果對土層液化進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證。

2 液化初判

地基土的液化初判依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)[17]，根據(jù)土層的顆粒成分對粉土液化進(jìn)行初判。規(guī)范規(guī)定：土的粒徑小于5 mm 顆粒含量的質(zhì)量百分率小于或等于30%時，可判為不液化；對粒徑小于5 mm 顆粒含量的質(zhì)量百分率大于30%的土，其中粒徑小于0.005 mm 的顆粒含量質(zhì)量百分率相對于地震動峰值加速度為0.20g時不小于19%，可判為不液化。

土樣液化初判結(jié)果見表1，14 個粉土土樣中小于5 mm 顆粒含量范圍均為100%，粒徑小于0.005 mm的顆粒含量范圍為6.8%～22.6%，平均值為14.6%，14 組土樣中有9 組小于19%，可能液化的概率為64.3%，初判為可能液化土層，需要對可能發(fā)生液化的土樣進(jìn)行復(fù)判。

表1 粉土液化初判結(jié)果

3 液化復(fù)判

依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)，對于埋深大于15 m 的飽和少黏性土，可以采用相對含水率復(fù)判法液化進(jìn)行復(fù)判。相對含水率wu采用式（1）計(jì)算：

式中：wu為相對含水率，%；ws為飽和含水率，%；wL為液限含水率，%。

根據(jù)規(guī)范：峰值加速度0.30g條件下，少黏性土的相對含水率大于或等于0.9 時，可判為可能液化土。土樣相對含水率液化復(fù)判結(jié)果見表2。初判為可能液化的9 組土樣中有5 組判為可能液化土，地震作用下液化的可能性較大，復(fù)判為可能液化土層。

表2 粉土液化相對含水率法液化復(fù)判結(jié)果

4 依據(jù)室內(nèi)動三軸液化試驗(yàn)液化判別

依據(jù)室內(nèi)動三軸液化試驗(yàn)進(jìn)行液化判定，主要是利用動三軸試驗(yàn)測定土樣的抗液化強(qiáng)度，與根據(jù)土樣深度計(jì)算得到的地震動剪應(yīng)力進(jìn)行比較[18]。具體判別過程如下：①根據(jù)土樣的天然干密度制備三軸試樣，采用反壓對試樣進(jìn)行飽和，然后根據(jù)土樣深度計(jì)算固結(jié)周圍壓力σ3，對試樣進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)完成后在不排水條件下施加動荷載，試驗(yàn)過程中動態(tài)采集動荷載、動位移及孔隙水壓力，根據(jù)求得相對于不同振次下的液化動應(yīng)力，根據(jù)試驗(yàn)曲線求得土樣的動荷載與相應(yīng)液化振次，進(jìn)而繪制液化動應(yīng)力與液化振次的曲線，插值得到規(guī)定振次的抗液化強(qiáng)度；②根據(jù)土層深度計(jì)算地震動剪應(yīng)力；③求得的地震作用剪應(yīng)力與抗液化強(qiáng)度相比較，判別土樣液化的可能性。

4.1 動三軸液化試驗(yàn)

對初判可能發(fā)生液化的9 組土樣動三軸液化試驗(yàn)，試驗(yàn)試樣采用重塑成型[19]，制樣干密度采用天然干密度，固結(jié)圍壓根據(jù)土樣埋深確定，固結(jié)比取1.0，動荷載頻率取1.0 Hz。具體的試驗(yàn)方案見表3。

表3 液化試驗(yàn)方案

動強(qiáng)度試驗(yàn)采用重塑樣進(jìn)行試驗(yàn)，將土樣風(fēng)干后，測得其風(fēng)干含水率，根據(jù)制樣密度稱取土樣；重塑土樣的制備在動三軸儀上進(jìn)行，試樣高8.0 cm，直徑3.91 cm，采用多層濕搗法，分三層擊實(shí)，每層擊實(shí)至要求高度后，將表面刨毛，然后倒入下一層土料，繼續(xù)擊實(shí)，試樣擊實(shí)后量取其直徑及高度，計(jì)算試樣密度，所有試樣制樣干密度差值應(yīng)小于0.03 g/cm3。試樣飽和采用真空抽氣飽和結(jié)合反壓飽和，當(dāng)孔壓系數(shù)B>0.95 時，可認(rèn)為試樣滿足飽和度要求。試樣飽和后，按照規(guī)定的圍壓進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)完成后，在不排水條件下按給定的動應(yīng)力比值在試樣的上部施加循環(huán)往復(fù)的動荷載，每組土樣按4 個動應(yīng)力水平進(jìn)行。

4.2 液化試驗(yàn)成果

液化試驗(yàn)孔壓比u/σ3與振次典型曲線見圖1，液化試驗(yàn)以孔隙水壓力達(dá)到圍壓時作為該動應(yīng)力水平下的液化振次。根據(jù)土樣的動三軸液化試驗(yàn)結(jié)果，以液化應(yīng)力比τd/σ′0為縱坐標(biāo)，以液化振動次數(shù)Nf為橫坐標(biāo)，繪制液化應(yīng)力比與破壞循環(huán)振動次數(shù)關(guān)系曲線見圖2。根據(jù)關(guān)系曲線整理出不同震級(分別對應(yīng)不同等效循環(huán)振次，7 級地震對應(yīng)12 次、7.5 級地震對應(yīng)20 次、8 級地震對應(yīng)30 次)下的液化應(yīng)力比（見表4）。

圖1 液化試驗(yàn)孔壓比與振次關(guān)系曲線

圖2 液化應(yīng)力比與液化振次關(guān)系曲線

4.3 液化判別

（1）抗液化剪應(yīng)力計(jì)算

天然狀態(tài)下的抗液化剪應(yīng)力由式（2）計(jì)算

式中： τL為抗液化剪應(yīng)力；Cr為應(yīng)力校正系數(shù)，取0.57；γ′為土的有效重度，地下水位以下為浮重度；h為土的埋深，m； (σd/2σ′0)N為相應(yīng)等效循環(huán)次數(shù)下土的抗液化應(yīng)力比。

計(jì)算得到的土體抗液化剪應(yīng)力見表4。

表4 抗液化剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

(2) 地震作用下等效平均剪應(yīng)力的計(jì)算

由式（3）計(jì)算得到深度h處的等效地震剪應(yīng)力

式中：τe為地表水平向地震動峰值加速度；amax為地表水平向地震動峰值加速度；g為重力加速度；γ為土的天然重度，地下水位以下為飽和重度；h為土的埋深，m；γd為動剪應(yīng)力折減系數(shù)，可按Iwasaki[20]建議的公式γd=1-0.015h計(jì)算。地震作用下等效平均剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 地震剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

（3）液化判別

液化判別通過地震等效作用剪應(yīng)力τe與抗液化剪應(yīng)力τL的比值FL來判別（FL=τe/τL）,FL≥1 判為可能液化，否則判定為不液化，F(xiàn)L的計(jì)算結(jié)果見表6，根據(jù)結(jié)果可知：①隨著震級（等效循環(huán)次數(shù)）的增大，F(xiàn)L增大，土層液化可能性也增大；②9 組土樣中，有6 組土樣FL>1,判定為可能液化土，判別結(jié)果基本與采用相對含水率判別結(jié)果一致，粉土層存在著不同程度液化的可能。

表6 動三軸液化判別結(jié)果

5 結(jié)論

對某壩基覆蓋層埋深19.5～31.0 m 范圍的粉土層進(jìn)行液化判別，得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487-2008)中的方法進(jìn)行初判和復(fù)判，深度19～31.0 m 內(nèi)的粉土層存在著不同程度液化的可能，判別為可能液化土層。

（2）通過室內(nèi)動三軸試驗(yàn)，采用抗液化剪應(yīng)力發(fā)對粉土層進(jìn)行了液化復(fù)核驗(yàn)證，結(jié)果基本與采用規(guī)范的方法得到判別結(jié)果一致，該粉土層存在著不同程度液化的可能。研究成果為大壩工程抗震設(shè)計(jì)提供了合理、可靠的依據(jù)，判別方法及成果可為類似工程場地液化判別提供參考。