水利工程地震液化判定及計算探討

路 輝，李劍修，楊 鋒，宋 奎

(中水淮河規劃設計研究有限公司，安徽 合肥 230601)

地震液化是一種危害性較大的地質問題，往往影響著工程設計及工程成本，因此，通過工程勘察獲得各類原位測試數據進行地震液化判斷就顯得尤其重要，而目前各個行業的規范與國標抗震規范對地震液化判斷的某些邊界條件存在分歧，因此，本文通過對某工程實例依據水利規范和國標規范的判斷方法進行計算研究，總結出不同規范計算結果的差異，從而進一步認識水利工程在地震液化判別與其他規范的異同。

目前，通用的地震液化判定工作分為初判和復判2個階段，初判首先排除不會發生地震液化的土層，對初判可能發生液化的土層，應進行復判，液化復判目前常用的方法是根據標準貫入擊數結合土工試驗提供的黏粒含量依據相關公式進行復判，如復判液化則需進行進一步計算液化等級。

1 工程概況

某工程區位于淮北平原東部，地勢平坦，由西北向東南緩傾，水系發育，勘探深度內地層為第四系全新統及上更新統沖洪積地層，巖性主要為輕(中)粉質壤土、輕粉質砂壤土、粉質黏土。工程正常運行時各土層均位于地下水位以下。

2 地層巖性特征

工程沿線地層分布差異較大，地質復雜，多見透鏡體，夾薄層，勘探深度范圍內的主要地層如下。

2.1 第四系全新統

①素填土：主要由輕粉質砂壤土、粉土、輕粉質壤土構成，結構松散、稍濕，局部含有姜石。

②輕粉質壤土：黃色，干～稍濕，軟塑狀態，夾中粉質壤土，土性不均，搖振反應迅速。

③輕粉質砂壤土：淺灰色，松散，飽和，夾粉土、輕粉質壤土薄層，土性不均，搖振反應迅速。

④粉土：棕黃色、灰黃色，飽和，中密～密實，夾輕粉質壤土，搖振反應迅速。

⑤中粉質壤土：灰黃色，濕，軟塑狀態，夾粉細砂和壤土透鏡體，稍有光澤，干強度高，韌性中等。

2.2 第四系上更新統

⑥粉質黏土：灰色、灰黃色，可塑～硬塑狀態，稍濕，含砂礓，局部可塑偏軟，局部夾中、輕粉質壤土薄層，稍有光澤，干強度高，韌性高。

⑦輕粉質壤土：黃、灰黃色，很濕，可塑～可塑偏硬狀態，土質不均，夾粉細砂薄層，稍有光澤，干強度低。

⑧重粉質壤土：灰色、灰黃色，可塑～硬塑狀態，稍濕，局部軟塑，夾中、輕粉質壤土薄層，有光澤，干強度高，韌性高。

⑨粉質黏土：棕黃色、灰黃色，呈硬塑狀態，夾輕粉質壤土，含砂礓及黑色粒狀鐵錳結核，有裂隙，有光澤，干強度高，韌性高，該層未揭穿。

3 原位測試及土工試驗統計

該工程中某典型勘探孔的原位測試及土工試驗統計成果見表1—2。

表1 某典型建筑物勘探點的標準貫入數據

表2 某典型建筑物勘探點的土工試驗數據

4 地震液化判斷

該工程區基本動峰值加速度為0.10g，相應地震基本烈度為Ⅶ度，需要進行液化判別，《建筑抗震設計規范》(以下簡稱建筑抗震規范)和《水利水電工程地質勘察規范》(以下簡稱水利勘察規范)附錄P均采用液化初判和液化復判的方法進行液化判別，且液化初判和復判方法不盡相同。

4.1 液化初判

根據建筑抗震規范4.3.3，本工程覆蓋層范圍內中粉質壤土以上土層均為Q4，輕粉質壤土的黏粒含量大于10，可判為不液化土，輕粉質砂壤土和粉土的黏粒含量均小于10，因此輕粉質壤土為不液化土，中粉質壤土和粉土均為可能液化土，需要進行液化復判。

根據水利勘察規范附錄P，本工程覆蓋層范圍內中粉質壤土以上土層均為Q4，土的粒徑小于5mm顆粒含量的質量百分率均大于30%，且其中粒徑小于0.005mm的顆粒含量百分率相應于地震動峰值加速度為0.10g時小于16%，工程正常運用后各土層均位于地下水位以下，因此，輕粉質壤土、中粉質壤土和粉土均為可能液化土，需要進行液化復判。

綜上，根據建筑抗震規范初判輕粉質壤土為不液化土，中粉質壤土和粉土均為可能液化土；而根據水利勘察規范初判輕粉質壤土、中粉質壤土和粉土均為可能液化土。原因是由于水利相關規范和建筑行業規范對土的分類標準不同，而水利相關規范對細粒土的分類采用三角坐標法，所以導致根據2種不同規范進行液化初判的結果也產生差異。

4.2 液化復判

液化初判可能液化的土體需要進行液化復判，建筑抗震規范的判別方法僅標準貫入錘擊數判別法一種，且對復判液化的土層進行液化指數計算，并根據液化指數綜合劃分液化等級；水利勘察規范對土的地震液化復判有標準貫入錘擊數法、相對密度復判法和相對含水率或液性指數復判法3種。本次僅針對2種規范中均采用的標準貫入擊數法進行對比。

建筑抗震規范一般只判斷地面下20m深度范圍內的土體，采用如下公式：

(1)

(2)

式中，N0—液化判別標準貫入錘擊標準值，本工程取7擊；ds—飽和土的標準貫入深度；dw—地下水位，本工程取2.0m；ρc—黏粒含量百分率，當小于3%或為砂土時，應采用3%；β—調整系數，本工程取0.80；di—i點所代表的土層厚度；Wi—i點所代表的土層厚度的層位影響權函數值。

根據式(1)(2)計算結果見表3。

表3 建筑抗震規范液化判斷及計算表

水利勘察規范中土的地震液化復判標準貫入錘擊法只適用于標準貫入點地面以下15m以內的深度，大于15m的深度內有飽和砂或者飽和少黏性土采用其他方法。具體液化判別公式如下：

(3)

式中：N0—液化判別標準貫入錘擊標準值，本工程取6擊；ds—飽和土的標準貫入深度，ds<5m時，取5m；其余變量含義同前所述。

(4)

本工程標準貫入試驗時，地下水位為2.0m，工程正常運用時浸沒于水面以下，根據式(3)(4)計算結果見表4。

表4 水利勘察規范液化判斷表

綜上，按照建筑抗震規范中液化計算方法③層砂壤土為液化土，②層輕粉質壤土、④粉土判為不液化，而按照水利勘察規范附錄P②層輕粉質壤土、③層砂壤土均為液化土，究其原因，一是水利勘察規范根據工程運用時地下水位變化對標準貫入試驗進行了修正，二是水利勘察規范根據土的三角坐標法對土類進行劃分，導致2種規范對黏粒含量在10%～15%之間的土層判別存在差異。

5 液化等級及抗震措施

根據前文，本工程按照建筑抗震規范進行計算的液化等級為嚴重，應采取相應的處理措施，按照水利勘察規范判斷②、③層土為液化土，應采取相應的抗震措施。不同規范對液化土層進行處理的相關措施也存在差異。

根據建筑抗震規范，本工程建筑抗震設防類別為丙類，地基的液化等級為嚴重，應采取全部消除液化沉陷，或部分消除沉陷且對基礎和上部結構進行處理。本工程如果全部消除地基液化沉陷宜采用樁基礎或加密法，由于地層液化土層較深厚，不宜采用全部替換非液化土的措施。

根據《水工建筑物抗震設計標準》本工程可采用振沖加密、強夯擊實等人工加密或振沖擠密碎石樁等復合地基或樁體以及混凝土連續墻或其他方法圍封可液化地基。

綜上可以得出，建筑抗震規范根據液化土體的液化等級和建筑的抗震設防類別對液化土體采用相應的處理措施，如果地基土液化等級輕微或抗震設防類別較低可不采用任何處理措施；而水工抗震標準對所有復判液化的地基土層均采取相應的抗震措施，《水工建筑物抗震設計標準》對地基土液化的處理偏于嚴格。

6 結語

《建筑抗震設計規范》給出了可能液化土層地震液化判別的方法以及處理的措施，而水利工程由于其對土類劃分標準的特殊性，《水利水電工程地質勘察規范》對可能液化土層的地震液化判別更具體、更有針對性，從而導致土層地震液化判斷結果的差異。其次，兩種規范地震液化復判采用的方法和公式也不完全相同，《水利水電工程地質勘察規范》則充分考慮了工程實際運用時的水位對地層液化的影響，更有針對性。最后，《建筑抗震設計規范》按照抗震設防類別和地基土液化等級綜合給出相應的地震液化處理措施，而《水工建筑物抗震設計標準》則對所有液化復判為液化土的土層均采用地震液化處理措施，對地震液化的處理更于嚴格和保守，且兩種標準采用的地震液化處理措施也不盡相同。