海上風電基礎地震液化判別方法研究

宋 礎

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335）

0 引言

我國海上風電開發建設正處于快速發展階段，各大投資集團對沿海地區做出了集中連片大規模開發海上風電的戰略部署[1]。江蘇、廣東、福建三省作為我國海上風能資源儲備最豐富的地區，總裝機容量穩居全國前三甲，這些海域又恰恰位于地震活動強烈的東南沿海地震帶與華北地震活動區上。

海上風電機組基礎形式多樣，其共同特點如下：1）海上風機結構高大，體型細長，“頭重腳輕”，葉片具有分布質量，運行產生動力效應，是典型的抗震不利結構形式。2）我國近海地質條件復雜，既有深厚覆蓋層軟弱土海床，又存在大范圍淺覆蓋層地質區域，工程場地屬于抗震不利地段。

海上風電結構所處海洋環境惡劣，地震液化對基礎承載力減弱明顯，機組動力響應敏感，地震液化區海上風電機組對基礎、地基的承載力和變形等工程性能提出了更高的要求[2]。該文將對現有的典型液化判別方法進行對比分析，為地震液化區海上風電機組基礎的抗震能力評估提供參考。

1 地震液化影響因素

影響飽和無黏性土液化的主要因素包括土體的物理特性、排水條件、地震前初始應力狀態以及地震動特性等[3]，地震液化影響因素如圖1 所示。由于各國規范中的液化判別公式對地震液化影響因素考慮的思路與方法不盡相同，進而導致判別結果存在一定的差異。

圖1 地震液化影響因素

針對地震液化判別問題，國內外學者進行了大量的對比研究，對地震判別的方法也較多，如基于規范的原位試驗分析方法、SEED 簡化分析方法、概率法以及室內試驗方法等，但是國內外方法也存在較大差異?，F階段對海上風電領域還少有針對性的研究，與陸地判別相比，海域淺表地層無論是震害調查還是實際勘測的經驗都較少[4]。因此，根據我國海上風電建設場址特點與工程經驗，對建設場址覆蓋層進行地震判別，對工程的建設與結構的安全運行具有十分重要的意義。

該文總結了現階段海上風電可采用的地震液化判斷方法，并基于我國粵東地區某一海上風電場工程機位勘察鉆孔成果，采用多種液化判別方法綜合對比場地淺表地層液化特性，并指導現場的地震分析和基礎結構設計。

2 地基土液化判別方法研究

2.1 SEED 簡化方法

對覆蓋層較淺（15m 以內）且水平或略微傾斜的場地，規范中引用液化安全系數FS表示土壤液化參數，NCEER方法中液化安全系數FS的表示如公式（1）所示。

式中：CRR7.5為地震震級MS=7.5 的純凈砂土的抗液化應力比；MSF為震級標定系數，見表1。

表1 震級標定系數值

當FS＜1 時，存在液化風險且數值越小，液化風險越大。

為了計入實際應用中可能更大的上覆壓力和土體傾斜的影響，液化安全系數可以進一步為公式（2）。

式中：Kσ和α分別為上覆地層應力和斜坡修正因子。

地震循環剪應力比CSR 采用公式（3）計算。

式中：τav為等效循環地震剪應力；amax為地表地震動峰值加速度；g為重力加速度；σv0為豎向總應力；σ'v0為豎向有效應力；γd為應力折減系數。

CSR的準確性與γd密切相關，建議γd如公式（4）所示。

式中：z為應力計算點距地表的距離。

一般震級下的抗液化剪應力比CRR可以為公式（5）。

2.2 NCEER 法

NCEER 法是一個半理論、半經驗的方法，特別是對CRR的計算，實際上需要大量的現場試驗資料。在現階段，利用該方法進行海上風電場的液化評判還需要大量數據及原位資料的積累。

2.3 國內抗震規范液化判別法

我國規范對液化判別均采用“液化初判—液化細判—液化分級”的判別模式。初判考慮了地質年代、黏粒含量、平均粒徑和上覆非液化土層厚度4 個指標，但表述方式略有不同。在復判上，國內主要規范均采用臨界標準貫入擊數作為界線參量。

《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）[5]規范液化復判公式如公式（6）所示。

《水運工程抗震設計規范》（JTS 146—2012）[6]中液化復判公式如公式（7）所示。

《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487—2008）[7]中液化復判公式如公式（8）所示。

《公路工程抗震規范》（JTG B02—2013）[8]中液化復判公式如公式（9）所示。

式中：Ncr為液化判別標準貫入錘擊數臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值，見表2；β為調整系數，設計地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05；ds為飽和土標準貫入點深度；dw為地下水位在地面以下的深度，當地面位于水下時取0；Mc和ρc為黏粒含量百分率，小于3 或為砂土時，取3。

表2 液化判別標準貫入錘擊數基準值

各行業抗震規范中土體液化復判公式表達相近，目前海上風電場工程抗震設計主要參照《水運工程抗震設計規范》（JTS 146—2012）執行。

規范方法簡單直接，目前我國對場地巖土的判別經驗主要集中在陸上，針對海域巖土的液化判別研究及經驗較少。隨著我國海上風電領域建設海域逐漸向深遠海進軍，如果采用常規復判方法進行判斷，現場需要更長的鉆桿及穩定性，這就給試驗設備及海上勘測平臺提出了更高的要求。

2.4 室內試驗分析法

對海域土體的液化判別，還可以采用室內試驗分析方法。通常利用室內動三軸試驗模擬地震時土體的動力狀態，在盡可能接近研究土體實際動力反應的基礎上采用SEED 簡化剪應力對比法進行判斷。

室內試驗根據土體不同位置進行取樣分析，采用SEED 簡化方法估算出土體的地震剪應力，并根據實際取樣或者制樣進行室內試驗。采用動三軸試驗時，對試樣維持恒定的有效圍壓，并在軸向施加等幅動應力σd來模擬地震時的地基應力狀態。每次動力加載至液化，在該圍壓（σ0）狀態和偏應力水平（±σd）下，等效剪應力（τav=σd/2）累積Nf次達到的能量即是實際地基受震液化時的標準。為評估砂土的抗液化強度，將同一應力水平和密實度、不同偏應力水平的試驗組別整合起來考慮該狀態下的抗液化強度指標。將分析位置的平均地震剪應力與抗液化剪應力進行比較，判斷是否發生液化，并確定地層范圍的液化水平。

室內試驗分析法理論性強、適用性廣，能夠考慮多種因素影響且不受場地條件與土體深度的限制。目前最主要的問題在于是否能夠在水下飽和砂土中取得無擾動原狀土，隨著勘測及原位取土水平的提升，室內試驗方法將是驗證砂土液化特性的十分有效的方法。

2.5 原位試驗方法

在宏觀地震液化和非液化區域，根據現場試驗測得判別指標的數據，通過分析、統計和總結建立與宏觀地震災害資料之間的關系，得出經驗公式或液化分界線進而判別液化。此類方法比較直觀且可以考慮多個影響飽和砂土液化的因素，避免了室內試驗土樣擾動等問題，具有較強的實用性和可靠性。但此類方法需要大量的地震現場統計樣本，而已經累計的各類土體液化現場試驗數據較少且此類方法還需要建立在地震現場的液化實例基礎上，具有較強的區域性。

靜力觸探（CPT）是一種輕便、快速、效率較高的原位測試技術，孔壓靜力觸探（CPTU）是與標準的電測式圓錐靜力觸探貫入儀（CPT）相結合，在探頭上安裝濾水器并量測孔隙水壓力的傳感元件，該元件會在探頭貫入飽和土體的過程中連續測試探頭錐尖阻力和側摩阻力，同時量測土的孔隙水壓力。當在預定深度停止貫入時，還可量測因貫入產生的超孔隙水壓力隨時間的消散過程，直至超孔隙水壓力全部消散，達到穩定的靜水壓力。當實測比貫入阻力或錐尖阻力小于單橋觸探液化比貫入阻力臨界值或雙橋觸探液化錐尖阻力臨界值時，應判別為液化土，否則砂土不液化。

可以看出，地震液化的判別方法差異性較大，對海上風電這種經驗較少的海域地震液化判斷，應在綜合災害和場地工程地質勘察成果的基礎上，結合多種方法進行判別。

3 工程實例分析

目前，國內外抗震設計規范考慮的因素不同，因此計算公式也有所不同。該文以某地震液化區海上風電場作為工程實例，采用SEED 簡化法、NCEER 法、國內抗震規范液化判別法對其地震液化情況進行比較判別。

深度z為0～20m 且按不同規范對典型液化區海上風電場進行液化判別的結果見表3。由表3 可以看出，按不同規范進行判別時，液化判別結果基本一致，僅針對F11-1鉆孔5.8m 測點深度，SEED 法和NCEER 法的判別結果為不液化，而國內規范法判別結果為液化，即各種液化判別方法的判別結果存在一定偏差。

表3 某地震液化區海上風電項目液化比較判別（地震基本烈度：Ⅷ度，地震動峰值加速度：0.2g）

現階段，在勘測資料及研究成果較少的情況下，單一的測試手段可能會有誤判，該文建議對海上風電場工程采用多種勘察手段，利用不同的準則進行判別，再對各種結果進行綜合分析并得出結論。各國砂土液化判定方法仍在不斷完善，各種判別方法計算結果尚有差異，國內規范主要是結合以往地震總結的經驗公式，很多液化因素的考量均是統計經驗值，規范公式采用的液化因素較少，因此國內規范的應用范圍受到限制，計算結果偏于保守，不利于工程精細化管理和節約造價[9]。我國陸域已經積累了較為豐富的飽和砂土、粉土液化勘察和評價經驗，其中標準貫入法評價經驗最豐富，現行國家標準《建筑抗震設計規范》GB 50011—2010（2016 年版）、《巖土工程勘察規范》GB 50021—2001（2009 年版）、《水運工程抗震設計規范》（JTS 146—2012）及《海上風力發電勘測標準》（GB51395—2019）都采用了該方法。風電場工程所處的環境與陸域工程差別較大，勘察過程中，標準貫入試驗因海水、桿長等因素而與陸域存在一定差異。海上風電場地質勘探中的鉆桿最大長度可達70m，海上標貫擊數的準確性也有待進一步商榷。

由于海洋工程地質的特殊性，現場取樣并保持原狀土的應力狀態十分困難，因此海上靜力觸探技術越來越多地應用于海洋工程地質勘查中。CPT 測試技術進行砂土液化判別時具有快捷、連續、經濟和可靠的優點。因此，對高烈度地區受地震液化影響較大的重力式和筒型基礎等淺基礎形式，可以將CPT 判別法作為國內規范標貫判別法的有效補充，兩者相互驗證是非常有價值的。歐洲海上風力發電場勘察的通常做法是每個機位1 個靜力觸探孔，輔以少量鉆孔。我國海上風電工程勘察中對靜力觸探的使用也越來越普遍。

4 結論

改文歸納總結了國內外各類液化判別方法，進行了某地震液化區海上風電項目典型鉆孔液化判別方法的對比分析，研究結果表明：1）由于地震液化的判別方法差異性較大，對海上風電這樣經驗較少的海域地震液化判斷，應在綜合災害和場地工程地質勘察成果的基礎上，結合多種方法進行判別。2）按不同規范進行某地震液化區海上風電項目液化判別時，液化判別結果基本一致，僅對個別鉆孔SEED 法和NCEER 法判別結果為不液化，而國內規范法判別結果為液化，即各種液化判別方法的判別結果存在一定偏差。3）風電場工程所處的環境與陸域工程差別較大，勘察過程中標準貫入試驗因海水、桿長等因素而與陸域存在差異，海上標貫擊數的準確性也有待進一步商榷。采用單一的測試手段可能會出現誤判，建議對海上風電場工程采用多種勘察手段，利用不同的準則進行判別，再對各種結果進行綜合分析并得出結論。