某水庫庫區(qū)公路大橋液化程度判別分析

吳家浩，李 姝，王麗君，宋書志，曹 廷，鄭志龍

（1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610000）

0 前 言

液化是指飽水的松散砂土或粉土在地震或機(jī)械振動荷載作用下，孔隙水壓力上升、有效應(yīng)力降低所導(dǎo)致的砂土由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，當(dāng)產(chǎn)生工程上不能容許的變形時(shí)，稱為液化破壞［1-2］。

當(dāng)前公路工程勘察設(shè)計(jì)中主要依據(jù)JTGB02—2013《公路工程抗震規(guī)范》（以下簡稱“公路規(guī)范”）中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行液化判別［2］，按照此方法采取的標(biāo)貫值為勘察期地面標(biāo)高及地下水位標(biāo)高下的實(shí)測值，而未考慮勘察期地面標(biāo)高及地下水位變化后是否需要對標(biāo)貫參數(shù)進(jìn)行修正。

以某水庫庫區(qū)公路為例，在勘察期間水庫未蓄水，地下水位于地面以下，土體未完全飽和，未來水庫蓄水后將淹沒現(xiàn)地面，造成土體完全飽和［3］，若完全按照公路規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，則未考慮勘察期及運(yùn)營期地下水位存在變化的情況，這與實(shí)際情況存在較大出入。

通過比較采用公路規(guī)范判別未完全飽水條件下的液化等級和采用GB50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（以下簡稱“水利規(guī)范”）判別水庫蓄水后完全飽和條件下的液化等級［2-4］，通過比較二者對液化判別結(jié)果的差異，說明在勘察期及運(yùn)營期水位存在較大變幅的情況下完全采用公路規(guī)范進(jìn)行液化判斷是存在誤差的，會導(dǎo)致因未考慮水庫蓄水產(chǎn)生誤判，造成不必要的工程事故。為了讓工程建設(shè)更安全［5-6］，這種情況下需要按照水利規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，對勘察期測得的標(biāo)貫值進(jìn)行修訂后，再進(jìn)行液化判別更為切合實(shí)際情況。

1 工程概況

1.1 橋梁概述

某橋梁位于西藏某擬建水庫庫區(qū)，大橋全長660m，為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁，共19跨，橋位區(qū)高程約3030～3070m。橋梁所在區(qū)域地震加速度為0.30g，地震動反應(yīng)普特征周期為0.45s，相對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。

1.2 橋位區(qū)地層巖性

根據(jù)鉆孔揭露，橋位區(qū)全新統(tǒng)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積堆積層、第四系晚更新統(tǒng)沖積堆積層；橋位區(qū)出露巖性主要由念青唐古拉巖群八拉巖組片麻巖（Pt2-3b）。

橋位區(qū)右岸邊坡大部分見基巖出露，出露巖性為念青唐古拉巖群八拉巖組片麻巖，呈灰色、灰黑色等雜色，中粗粒結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整，巖質(zhì)堅(jiān)硬。強(qiáng)風(fēng)化巖芯呈碎塊狀，裂隙面見大量鐵、錳質(zhì)渲染；弱風(fēng)化帶巖芯呈短柱狀、柱狀。

橋梁勘察期間逐墩進(jìn)行了鉆孔，并在砂土地層進(jìn)行了標(biāo)貫試驗(yàn)。根據(jù)鉆孔揭露，橋位區(qū)右岸邊坡基巖出露，左岸及溝心存在深厚覆蓋層，其中溝心部位覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖洪積堆積層，覆蓋層以中粗砂層為主，但在靠右岸及溝心部位地表20 m以內(nèi)存在細(xì)砂及粉砂層，左岸覆蓋層為第四系晚更新統(tǒng)沖積堆積層。勘察期間地下水位位于地表以下8～10m，水庫建成后橋位區(qū)地面將完全被淹沒。按照公路規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，需要對溝心及右岸地表以下20m內(nèi)存在細(xì)砂、粉砂的地層進(jìn)行液化評價(jià)。

2 地震液化判斷與液化指數(shù)計(jì)算方法

根據(jù)公路規(guī)范，橋梁樁基礎(chǔ)液化判別深度為地面以下20m范圍內(nèi)［1-2］，且需要進(jìn)行液化初判及液化復(fù)判。根據(jù)液化初判，橋位區(qū)存在液化可能的鉆孔共6孔（對于液化初判，按照不同規(guī)范判別結(jié)果不存在爭議，本文不再進(jìn)行初判的詳細(xì)論述），對此6孔進(jìn)行液化復(fù)判，液化復(fù)判及液化指數(shù)計(jì)算方法如下：

地面以下0～15m范圍內(nèi)

地面以下15～20m范圍內(nèi)

式中：Ncr為修正的液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，本橋取15；ds為勘察期飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度，m；dw為勘察期水位；ρc為黏粒含量百分率，當(dāng)小于3%或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3%。

根據(jù)水利規(guī)范規(guī)定，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)貫入點(diǎn)深度和地下水位在試驗(yàn)地面以下、不同于工程正常運(yùn)用時(shí)，實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)應(yīng)按式3進(jìn)行校正［7］，并應(yīng)以校正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N′作為復(fù)判依據(jù)。

式中：N′為校正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)；N為實(shí)測標(biāo)貫錘擊數(shù)；d′s為正常運(yùn)營期飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度，m；d′w為正常運(yùn)營期水位。

根據(jù)公路規(guī)范，對存在液化砂土的地基，可按式（4）計(jì)算每個(gè)鉆孔的液化指數(shù)

式中：IlE為液化指數(shù)；Ni為第i點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實(shí)測值，當(dāng)實(shí)測值大于臨界值時(shí)應(yīng)取臨界值的數(shù)值；Ncri為第i點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的臨界值；di為第i點(diǎn)所代表的土層厚度，m，可采用與該標(biāo)準(zhǔn)貫試驗(yàn)點(diǎn)相鄰的上下兩標(biāo)準(zhǔn)貫試驗(yàn)點(diǎn)深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；Wi為第i土層單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值，m-1，若判別深度為15m，當(dāng)該層中點(diǎn)深度不大于5m時(shí)應(yīng)取10，等于15m時(shí)取0，5～15m按線性內(nèi)插法取值；若判別深度為20m，當(dāng)該層中點(diǎn)深度不大于5m時(shí)取10，等于20m時(shí)取0，5～20m時(shí)按線性內(nèi)插法取值。

3 不考慮水庫蓄水液化判別

當(dāng)前公路工程勘察設(shè)計(jì)中主要依據(jù)公路規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行液化判別［2］，按照此方法采取的標(biāo)貫值為在勘察期地面標(biāo)高及地下水位標(biāo)高下的實(shí)測值，而未考慮勘察期地面標(biāo)高及地下水位變化后是否需要對標(biāo)貫參數(shù)進(jìn)行修正。

經(jīng)過液化初判，需要按照公路規(guī)范進(jìn)行液化復(fù)判的鉆孔共計(jì)6個(gè)，按照式（1）、式（2）及式（4）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 液化復(fù)判結(jié)果

根據(jù)公路規(guī)范進(jìn)行上述液化復(fù)判，在不考慮勘察期與運(yùn)營期地下水位變化的前提下，ZK01、ZK04及ZK05不存在液化問題；ZK02、ZK03及ZK06鉆孔液化等級為輕微［6］。

4 考慮水庫蓄水液化判別

考慮該大橋的實(shí)際情況，在水庫后期蓄水后橋位區(qū)地面將完全淹沒于水位以下，場地地質(zhì)環(huán)境改變較大，勘察期水位與運(yùn)營期水位差別較大，需要按照水利規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，運(yùn)用式（3）對實(shí)測的標(biāo)貫值進(jìn)行修正［3］（貫入點(diǎn)深度與運(yùn)營期貫入點(diǎn)深度不變），再利用照式（1）、式（2）及式（4）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 修正后液化復(fù)判結(jié)果

考慮勘察期與運(yùn)營期地下水位變化的情況，根據(jù)水利規(guī)范進(jìn)行上述液化復(fù)判，ZK04及ZK05仍然不存在液化問題，ZK06液化等級仍然為輕微液化；其余鉆孔液化復(fù)判結(jié)果同公路規(guī)范產(chǎn)生了變化，其中ZK01液化等級由非液化變?yōu)榱酥械纫夯琙K02、ZK03液化等級由輕微液化變?yōu)榱酥械纫夯?-3］。

5 結(jié) 論

以西藏某擬建水庫庫區(qū)橋梁工程為依托，對地層中潛在可液化層分別采用《公路工程抗震規(guī)范》《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中推薦的判別方法進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：大多數(shù)公路工程地下水位勘察期間與運(yùn)營期間變幅較小，這種情況下按照公路規(guī)范的判別方法進(jìn)行液化判別符合實(shí)際情況；對水庫庫區(qū)公路的勘察，往往在水庫蓄水之前，勘察期與運(yùn)營期地下水位存在較大變化，采用公路規(guī)范的判別方法進(jìn)行液化判別會造成判別失誤。在此情況下，需要按照水利規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，對標(biāo)貫結(jié)果進(jìn)行修正，再進(jìn)行液化判別，更符合實(shí)際情況。

采用不同的方法進(jìn)行液化判別，結(jié)果可能存在較明顯的區(qū)別，對工程安全性存在較大的影響，需要謹(jǐn)慎處理。砂土液化的判別方法比較多，但是判別未來工程應(yīng)用后地震液化方法的科技文獻(xiàn)較少，對于庫區(qū)公路液化研究的案例也較少，作為工程技術(shù)人員，應(yīng)掌握其本質(zhì)，為工程安全提供十足的保障。