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粉土和砂土液化判别分析

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《工程勘察杂志》2016年第12期

摘要:

粉土和砂土液化是地震和工程震动引起的显著的地质灾害之一,且往往危害巨大。本文首先介绍了液化现象的发生机理及相关抗震规范的变化历史,依据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)、《公路工程抗震规范》(JTGB02-2013)与《铁路工程抗震设计规范》(GB50111-2006)(2009版)中关于粉土和砂土液化的判别步骤,对其进行分析总结,指出三种规范中对液化判别的区别与联系。继而通过具体工程实例进行了液化计算的对比分析与标准贯入锤击数临界值公式的研究探讨,指出公路规范的液化判别经验公式与实际情况相差较大,铁路规范无法定量估计粉土和砂土液化的危害程度以及这三个规范均存在低估砂土中黏粒含量作用等问题。最后针对上述问题提出了合理性建议,旨在使工程实际中粉土和砂土的液化判别计算更具科学合理性。

关键词:

粉土和砂土液化;规范对比;标准贯入试验;实例分析

0引言

粉土和砂土液化是地震和工程震动引起的显著的地质灾害之一。随着工程的不断建设,砂土液化的关注度日益提高,尤其是在砂土地基上的高层建筑、高速公路等工程在发生地震灾害时,这些工程常会有地基下陷、开裂、不均匀沉降等问题。因此,如何迅速、准确地判断砂土液化显得尤为重要。国内有关学者结合1975年海城地震、1976年唐山地震[1]、2008年汶川地震等资料对砂土液化进行了广泛深入的研究[2]。目前规范对砂性土液化判别和计算最实用的方法是标准贯入试验法[3],但不同规范间仍有差异,导致实际工程中存在方法选取的问题和判别结果安全性的差异,进而对工程治理措施的选取产生不合理、不经济的现象。本文将结合实际工程,针对《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)、《公路工程抗震规范》(JTGB02-2013)和《铁路工程抗震设计规范》(GB50111-2006)(2009版)中粉土和砂土液化的判别和计算进行对比分析。通过总结这三个规范中关于砂土液化判别的区别,探讨各自的可靠性及其存在的问题,从而帮助工程技术人员能够根据实际工况更加迅速、全面、准确地判定粉土与砂土液化问题,以便采取经济、合理且有针对性的工程治理措施。

1粉土和砂土液化机理

液化被定义为任何物质转化为液体的行为或过程[4]。饱和(粉)砂土是由砂和水组成的复合体系,在地震或工程振动作用下,饱和砂土的液化取决于砂和水的特性。容易液化的土通常是一种没有或有很少粘性的散体,散体主要靠颗粒间的摩擦力维持本身的稳定和承受外力,这种摩擦力主要取决于粒间的法向压力,对砂土的骨架来说,粒间压力是个起稳定作用的因素,而粒间剪力则相反[5]。饱和砂土受到外力作用时,砂和水共同承担和传递外力,按有效应力原理,它的抗剪强度表达式为:τf=σ'tanφ'=(σ-u)tanφ'(1)式中:σ为由外力引起的总应力;σ'为有效应力;u为超静孔隙水应力;φ'为有效内摩擦角。在地基破坏之前,一般饱和砂层在外力作用下,不存在超孔隙水压力,水只承担自身压力即静水压力,砂结构是稳定的,全部外力均由砂骨架承担[6]。砂土的液化机理参见图1。在震动作用下,如图1(a)所示,砂粒产生滑移,稳定砂结构变得疏松。此时排水不畅,砂层体积不变,则把一部分原来由砂骨架承担的力转移给孔隙水;随即如图1(b)砂粒处于悬浮状态,此时,超孔隙水压力承担全部外部荷载(u=σ),砂土的有效应力为零(σ'=0),这时饱和砂土的抗剪强度丧失,产生液化,伴有喷砂冒水现象发生;当震动结束后,超孔隙水压力慢慢消散,砂颗粒又重新排列组成土骨架承担上部荷载,如图1(c)所示震动后的砂土更加密实,但是砂土液化产生的沉降位移严重影响建筑物的安全使用。

2不同规范粉土和砂土液化判别的差异

作者从抗震规范液化判别的历史发展开始研究,并详细查阅《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)与《公路工程抗震规范》(JTGB02-2013)发现,其针对粉土和砂土的液化判别均采用“液化初判—液化细判—液化分级”的判别模式。《铁路工程抗震设计规范》(GB50111-2006)(2009版)基本也遵循这个思路,但缺少液化等级划分这一步骤。因此笔者先分析3本规范的历史演变规律,再从这三个方面对其进行总结。为方便叙述,以上3本规范下文分别简称建筑规范、公路规范和铁路规范。

2.1抗震规范的液化判别历史变化脉络

笔者研究这3本规范的历次版本发现,《建筑抗震设计规范》(TJ11-78、GBJ11-89、GB5001-2001、GB5001-2008、GB5001-2010)对粉土和砂土液化判别从89版确定为“液化初判—液化细判—液化分级”的判别模式,且沿用至今,之后的每次修订均结合地震资料和工程实践在此基础上进行补充完善。2001版则指出,本规范的液化判别不包含黄土,是由于对黄土和砾石液化研究资料还不充分[7]。说明了土层的地质年代为第四纪晚更新世及以前时可判为不液化,适用于抗震设防烈度为7、8度的建筑。为了满足工程需求,对液化深度的判别扩大至地下20m,并补充了深度15~20m的线性液化判别公式;2008版是因发生了“5.12汶川地震”,进行了局部应急修订,通过灾区现场考察和专题研究证明该规范能达到抗震设防目标,并对灾区设防烈度进行了调整;2010版则主要对液化判别公式进行了改进和完善,考虑到砂土液化影响因素众多且具有显著的不确定性,采用概率方法进行液化判别仍是一种合理的选择。依据国内外对砂土液化判别概率方法的研究发展并考虑规范的延续性修订,选用了对数曲线形式来表示液化临界锤击数随深度的变化,比2001版的折线形式更为合理[8]。《公路工程抗震规范》(JTJ004-89、JTGB02-2013)修订次数不多,而且对粉土和砂土的液化判别2013版完全采用了建筑规范(GB5001-2001)的条文。《铁路工程抗震设计规范》(1987版、GB50111-2006、GB50111-2009),其对粉土和砂土液化判别也和建筑规范的判别依据类似,但液化判别公式完全不一样,并且至今29年完全没有改进和变化,也缺少对液化危害程度进行分类的环节。由此可见,建筑规范更像是一部抗震的统领性规范,它修订的次数最多也最及时,并能反映我国抗震科研的新成果和工程实践的经验,并吸取一些国外的先进经验,相较其他两个规范更加细致全面。

2.2液化初判

作者分析研究建筑规范、公路规范、铁路规范,发现这3个规范均采用了对场地进行液化初判的方法,且初判的依据均是考虑地质年代、黏粒含量、地下水位及上覆非液化土层厚度等因素。笔者结合工程实例,针对粉土和砂土的液化初判总结其判别流程一致,详见图2。粉土和砂土液化往往具有区域性,采取液化初判的措施可以帮助工程师们先排除一部分非液化区域,减少工程量,产生经济效益。

2.3液化细判

通过液化初判判定为可能发生液化的土层,以上规范均采取了进一步判别的措施。通过标准贯入试验,分别采用标准贯入锤击数的计算公式计算出标贯锤击数临界值,若实测标贯锤击数比标贯临界值小则认为液化,反之不液化。笔者依据建筑规范、公路规范、铁路规范结合工程实例对液化细判步骤进行总结,流程如图3所示,其中的Ncr为建筑规范中标准贯入锤击数临界值。公路规范和铁路规范的液化细判与图3相同,只是将图3中Ncr计算式替换为各自规范给出的标贯锤击数临界值计算公式。公路规范判别地下15m深度时,标准贯入锤击数临界值可按式(2)计算:Ncr=[0.9+0.1(ds-dw)]3/ρ槡c(2)当采用桩基或基础埋深大于5m时,还应判别地下15~20m深度的液化情况,标准贯入锤击数临界值可按式(3)计算:Ncr=N0(2.4-0.1dw)3/ρ槡c(3)铁路规范液化判别标准贯入锤击数临界值可按式(4)计算:Ncr=N0α1α2α3α4(4)以上公式中,Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值;N0为液化判别标准贯入锤击数基准值,地震加速度为0.2g时,建筑规范采用12,公路规范和铁路规范均取10;ds为饱和土标准贯入点深度(m);dw为地下水位埋深(m);ρc为黏粒含量百分率,当小于3或为砂土时,应采用3。图3中的β为调整系数,设计地震分组为第一组取0.8,第二组取0.95,第三组取1.05[9]。公式(4)中,地下水位修正系数α1=1-0.065(dw-2);标准贯入点深度修正系数α2=0.52+0.175ds-0.005d2s;上覆非液化土层厚度修正系数α3=1-0.05(du-2)(其中du为非液化土层厚度),对于深基础取1;黏粒含量百分比修正系数α4=1-0.17ρ槡c。依据现行公路规范对本工程实例的基础进行液化计算时深度截止于15m,用判别15m深度的公式计算标准贯入锤击数临界值,应注意以下几点:(1)规范规定:当采用桩基或埋深大于5m的深基础时,尚应判别15~20m范围内土的液化性。因此不能忽略了此基础埋深只有3m的前提,盲目而简单地采用判别20m深度的公式计算Ncr;(2)采用判别15m深度的公式计算12#钻孔(6、7点位),6#钻孔(5点位),10#钻孔(4、5点位)时虽位于15~20m,但ds不能按实际标贯深度取值深度,应取ds=15m;(3)根据以上3个规范液化初判条件可知,当设防烈度为Ⅷ度时,黏粒含量大于13%则可直接判为不液化土。因此不能无视这个初判条件而利用标贯锤击数临界值计算判别是否液化,否则会造成将原本不液化土层误判为液化,导致不必要的治理。

2.4液化等级划分

建筑规范和公路规范均在液化细判之后对判定为液化的粉土和砂土采取了液化指数公式(5)判定该粉土和砂土液化的等级。IlE=∑ni=1[1-NiNcri]diWi(5)式中:IlE为液化指数;n为在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数;Ni、Ncri分别为i点标贯锤击数的实测值和临界值,当实测值大于临界值时应取临界值,当只需要判别15m范围以内的液化时,15m以下的实测值可按临界值采用;di为i点所代表的土层厚度(m),可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标准贯入试验点深度差的一半,但上界不高于地下水位深度,下界不深于液化深度;Wi为i土层单位土层厚度的层位影响权函数值(m-1),建筑规范中当该层中点深度不大于5m时应采用10,等于20m时应采用零值,5~20m时按线性内插法取值。公路规范中若判别深度为15m,当该层中点深度不大于5m时应采用10,等于15m时应采用零值,5~15m时按线性内插法取值,若判别深度为20m,当该层中点深度不大于5m时应采用10,等于20m时应采用零值,5~20m时按线性内插法取值[10]。而铁路规范则没有规定进行液化等级划分。地基液化等级划分标准分别见表1和表2。

3工程概况

某拟建构筑物,场地地形平坦,勘察深度范围内,测得场地潜水稳定水位在地面以下3m,场地地貌单元属于汾河冲洪积单元。根据野外勘探及室内试验资料综合分析,在勘探深度范围内,场地地基岩土主要由第四系全新统近期人工堆积层(Q2ml4)及第四系全新统冲洪积层(Qal+pl4)构成,自上而下分为8层,即:①层杂填土(Q2ml4),②-1层粉质粘土(Qal+pl4),②-2层粉土(Qal+pl4),③层粉土(Qal+pl4),④层粉土(Qal+pl4),⑤层中砂(Qal+pl4),⑥层粉土(Qal+pl4),⑦层细中砂(Qal+pl4),⑧层粉土(Qal+pl4)[11]。依据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)附录A,该市抗震设防烈度为Ⅷ度,设计基本地震加速度值为0.2g,设计地震分组为第一组。据静力触探初判,场地20m范围内饱和粉土具有液化的可能,因此进一步从场地勘察孔中选取4个孔(6#、8#、10#、12#)进行液化计算统计。通过原位测试和室内试验分析各土层分布特征及物理力学指标,显示②-1层为持力层,设计基础埋深大于3m,黏粒含量ρc、标准贯入点深度ds及每一土层的厚度di、地下水位dw、标贯实测锤击数N见表3。

4粉土和砂土液化判别的计算分析与讨论

经过对建筑规范、公路规范和铁路规范中粉土和砂土的液化判别对比发现:建筑规范和公路规范均采用了三步法判别粉土和砂土的液化性,即液化初判—液化细判—液化分级,而铁路规范则没有进行液化等级划分这一步。这3个规范最大的区别是液化判别公式不同和液化等级划分因判别深度不同有所差异,其他方面基本相同。上述实例的液化计算结果见表4,从表4中可知,建筑规范判定6#和12#为中等液化,8#和10#为轻微液化,按不利组合综合判定,此地基粉土和砂土液化等级可按中等液化考虑,因此不能采用天然地基,需进行抗液化处理;对比建筑规范和公路规范计算出的标贯锤击数临界值,虽有差异,但是每个土层的液化判别结果基本一致,6#、10#、12#3个孔的液化等级判别结果也一致,但是8#孔产生了不一样的结果,相同条件下公路规范判定为中等液化而建筑规范则判定为轻微液化。对轻微液化两者的判别差距不大,但中等液化指数两者的差距较大,这可能对液化程度的判定产生分歧,从而对采取相应的治理措施产生困扰;铁路规范计算结果与其他两个规范对每层土的液化判别差别较大,从四个钻孔的判别结果看,基本都只会在浅层发生液化,随着土层埋深增加而不液化。铁路规范只能判断粉土和砂土是否液化,无法确定液化程度,主要是因为铁路规范不能反映液化土层厚度、埋深、标贯锤击数实测值和临界值对液化程度的影响。这不利于铁路工程采取相应合理的治理措施,因为铁路工程具有狭长的特点,决定了它不可能对所有的液化地基均采取一样的抗液化处理措施。从表4中笔者发现,倘若在比较标贯锤击数实测值与临界值时,忽略了初判时“黏粒含量大于13%即判为不液化土层”这一条件,直接与计算出的标贯锤击数临界值相比较大小来判定该土层是否液化,判别结果见表5。由表5可知,针对黏粒含量大于13%的土层,初判与细判的判别结果产生了矛盾,尤其是8#钻孔,这三个规范的细判结果与相应初判结果全然相反,这显然与它们的初判条件相违背,未做到判别结论前后统一。这应证了这三个规范给出的标贯锤击数的临界值计算公式不适用于在初判时已经判定为不液化的土层。可见“初判”与“细判”是两个层次问题,初判判为不液化的土层则不需要再进行液化细判。《公路工程抗震规范》(JTGB02-2013)液化判别实质上是采用了《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)中的液化判别公式,因此它解决了《公路工程抗震设计规范》(JTJ044-89)中未考虑震级的影响、对标贯击数修正不合理、过高的估计黏粒含量对临界标贯值的影响及无法判断液化程度等问题[12]。由表4可以看出,标贯锤击数临界值与土层深度呈递增关系,选取12#钻孔在保证地下水位dw=3m、黏粒含量ρc=3%、标贯基准值N0=10不变的条件下,通过这三个规范给出的公式来比较土层深度和标贯锤击数临界值的关系,见图4。由图4可知,三个规范计算的标贯锤击数临界值均随土层深度的增加而增加,但增加幅度不同,这会影响三个规范对同一土层的液化判别结果。公路规范中标贯锤击数临界值是随着砂土的埋深增加呈线性增大的,且在土层埋深大于10m之后标贯锤击数临界值与建筑规范和铁路规范的临界值相比增速快,偏于保守。公路规范线性增大的趋势显然与实际情况不符,因为从砂土液化理论机理来说,上覆土层越厚,则代表自重应力产生的法向应力越大,如果砂土液化的话则需要更大孔隙水压力来承担上覆土层的重量。这也是规范液化初判中规定当上覆非液化土层满足一定厚度关系时可直接判定为不液化的原因;建筑规范对此进行了一些修正[13],由线性关系变为对数曲线形式,处在其他两规范中间的位置,既简便又与其他方法接近;铁路规范计算的锤击数临界值最小,则显得比较冒进,安全系数偏低。笔者认为,标贯锤击数临界值的计算公式有一定的局限性,在表达与砂土埋深关系上是有矛盾的。如果只就工程运用来说并不影响对液化判别的结果,因为标贯实测值也是随埋深增大而增大的。从表4可以看出,粉土和砂土的黏粒含量对标贯锤击数临界值的影响较大。选取12#钻孔点位1在保证土层深度ds=6.7m、地下水位dw=3m、标贯基准值N0=10不变的条件下,通过这三个规范给出的公式来比较土层黏粒含量和标贯锤击数临界值的关系,详见图5。由图5发现,这三个规范计算的标贯锤击数临界值均随着粉土和砂土中的黏粒含量百分比增大而减小,即液化的可能性在减小。当黏粒含量相差10%时,对标贯锤击数的影响约有10锤的差距,可见黏粒含量对抗液化是有利的,相关文献已验证[14]。而这三个规范中对黏粒ρc的取值规定“当ρc小于3或为砂土时,采用3”,笔者认为这是不够全面的,它忽略了砂土中黏土的影响,也与规范中规定的“在设防烈度为7度、8度和9度时,粉土黏粒含量百分率不小于10、13和16时判为不液化土”的精神相违背。因为粉土和砂土的液化机理是相同的,不能在液化判别时,粉土考虑黏粒含量影响而砂土不考虑。在沿海冲击平原地区粉土和砂土很难明确地区分,由于沉积环境的原因砂土中也多沉积有泥质成分,黏粒含量一般均大于3%[15],也有工程师发现标贯击数最大临界值可以只与粉土和砂土的粘粒含量有关,并可直接判定是否液化[16]。如果只是按规范取值,则往往会将原本“不液化”的砂土误判为“液化”,最终造成工程治理的浪费。从图5还可知,如果考虑砂土中黏粒含量,建筑规范和铁路规范认为相同黏粒含量能发挥的抗液化能力比公路规范中要强,有1~2锤的差距。公路规范应该是考虑到路基要承受不定的汽车动荷载作用,对黏粒含量的作用考虑得偏保守。

5结论

通过对《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)、《公路工程抗震规范》(JTGB02-2013)和《铁路工程抗震设计规范》(GB50111-2006)(2009版)中粉土和砂土液化判别的对比分析,笔者总结如下结论。

(1)建筑规范和公路规范不仅能够判断粉土和砂土是否液化,还能根据液化指数计算对液化的危害程度做定量的估计,而铁路规范则无法判定液化程度,这点已不适应工程依据液化轻微、中等、严重采取相应治理措施的要求。

(2)“液化初判”与“液化细判”是两个层次的问题,当初判为不液化土时则应注意是不需要再进行液化细判的。否则易导致矛盾结论,需引起工程技术人员的注意。

(3)标贯锤击数临界值计算公式采用概率公式是合理的选择,纵观相关抗震规范的修订历史发现,建筑规范、公路规范的液化判别式随着地震资料与工程实践的丰富在不断的修改完善,采用对数曲线形式比折线形式更合理。而铁路规范的液化判别公式29年未曾修改调整过,这与我国高速铁路建设快速发展的实际不符。

(4)现行规范中对于砂土的黏粒含量ρc取值偏于保守,往往会造成本应该判定为“不液化”的砂土误判为“液化”的砂土。特别是沿海地区,常见含粘性土类的砂土,从而造成工程处理上的浪费。因此建议采用土工试验中ρc的实测值进行液化计算。

(5)现行公路规范沿用了《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)中的地基液化判别条文,使公路规范和建筑规范对液化土的判别基本趋于一致,这种趋势既能满足工程要求又利于技术人员运用。体现了建筑规范的统领性,建议铁路规范对液化程度给出定量估计,利于选取治理措施。

(6)尽管这些规范在液化判别中有不合理之处,但对实际工程液化判别的影响不大,并仍需要学者和工程人员继续深入研究粉土和砂土液化的影响因素,明确粉土和砂土液化经验公式的概念及物理意义,判别结果要符合液化理论和实际的地震液化调查资料。

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作者:林军 沙鹏 常金源 单位:绍兴文理学院土木工程学院
工程勘察杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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