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边坡地震作用下安全性分析

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《广州大学学报》2015年第五期

在地震荷载作用下,饱和的无粘性土、低塑性的粘性土中孔隙水压力急剧上升,有效应力减小,土的抗剪强度降低引起土的液化,从而出现建筑物基础破坏、边坡滑动.松散的砂土在地震作用时被震密,出现地陷.在地震造成的地质灾害中液化、地陷和滑坡破坏是最常见的.1996年我国的唐山大地震,2008年5.12汶川地震都出现了液化、震陷和滑坡现象.在岩土工程设计中地震对边坡的破坏应引起工程师的重视.本文将介绍缅甸某边坡在地震作用时的安全性分析.

1工程概况

缅甸某储油库位于仰光迪洛瓦经济技术开发区(ThilawaSpecialEconomicZone),仰光河畔.整个项目占地面积约150000m2,南北方向长200m,东西方向长750m,场地大部分为滩涂.降雨量丰沛,而且多以暴雨形式降下.为了建设需要,现对场地进行回填,回填从仰光河进行吹砂,平均厚度4m.整个场地自西向东分为3个区块,第1区块为空地,主要作为生产原材料堆场和绿化;第2区块为建设主场地,建设油罐总计16个,12000立方6个,8000立方4个、7000立方4个、5000立方2个;第3区块为LPG油罐建设场地.场地西边为仰光河,因吹砂导致其西边出现高度约4m的边坡,设计坡度为1∶3.为了防止仰光河波浪对边坡冲刷,边坡采用粘土碾压包边,包边厚度5m.结合周边场地护坡情况,坡面无需其他防护措施,由其自然生长植被.

2工程地质条件

根据勘探资料,在钻孔揭露范围内整个场区土层主要分为5层:(1)CH:粉质粘土,软塑到硬塑状,可塑性强,厚度约为2m.(2)MH:淤泥,可塑性强,含一定量的粉砂,厚度约12m.(3)CH:粉土,软塑到硬塑状,厚度约为9m.(4)CL:粉质粘土,含有一定量的细砂,厚度约3m.(5)SP:砂土,中密到密实,存在淤泥和粘土夹层,钻孔未揭穿,钻进深度35m.钻探期间测得地下水位埋深约6m.

3边坡地基土液化评估

地基土液化是地震造成震害的重要因素,无粘性土在地震荷载作用下,孔隙水压力急剧上升,有效应力丧失,土颗粒呈悬浮状态,即发生砂土液化.地震、土质情况、土层所处的初始应力状态是导致地基液化的主要因素.地震的震级和频率影响着剪应力的变化.加速度相同时,震级越高意味着对土体进行循环剪切作用的次数越高,越容易出现液化破坏.密实的砂土不容易出现液化;砂土处于高强度的有效上覆压力下出现液化的可能性也比较小;液化跟土颗粒大小有关,当土中的细颗粒(粒径<0.075mm)含量越高,土层越难发生液化.对于土层的液化评估可以采用以下方法:①基于标准贯入实验(SPT)的测试方法;②基于静力触探实验(CPT)的测试方法[3].缅甸某边坡地基根据设计要求和场地建筑重要性,在考虑震级为八级,地面峰值加速度为0.3g时,要求其抗液化安全系数不小于1.2.小于1.2认为其有液化可能,需要对地基土进行处理;大于1.2认为其安全.

3.1评估方法缅甸某边坡地基土液化评估采用国际上公认的基于标准贯入实验的NCEER法[4],评估时要计算等效循环应力比CSR、循环阻力比CRR、抗液化安全系数FS.

3.1.1计算循环应力比CSR(Cyclicstressratio)循环应力比主要和设计地震地面最大加速度有关,根据Seed-Idriss推荐的公式为。

3.1.2计算循环阻力比CRR(Cyclicresistanceratio)(1)根据有效上覆土压力将标准贯入击数修正为有效上覆土压力为100kPa时的标贯击数.(2)根据钻杆能量比,将标贯击数修正为能量比为60%的标贯击数。(3)根据细颗粒的含量将标准贯入击数修正为等效纯砂条件下的击数。土层中细颗粒(粒径<0.075mm)含量不同其抗液化的能力也不同,当细颗粒含量越高,抵抗液化的能力也越强.根据Idriss&Seed建议采用式(5)修正。

3.2缅甸边坡地基土液化评估结果根据上述计算方法,采用边坡所在处钻孔BH-1揭露地层进行评估.勘察过程中,从地面起每1.5m做1次标准贯入实验,记录贯入击数,评估其在8级地震下,地面峰值加速度0.3g时的抗液化安全系数.评估得到抗液化安全系数FS与深度Z关系见图4.根据图4,在地下0~14m的范围内其抗液化安全系数均大于1.6;地下15~27m为0.3~1.2之间,28~35m抗液化安全系数为1.6~4.0.由此可知,15~27m存在液化的可能,特别是15~23m,其抗液化指数为0.4左右,远远不能满足设计大于1.2的要求,在24~27m之间,其抗液化指数为0.7~0.9之间,抗液化指数也较低.根据土层分布情况分析,在15~23m之间分布的主要为稍密的饱和粉土,粉土是常见的液化土;在24~27m之间为粉质粘土,而根据相关学者研究,对于软弱的粉质粘土在强震的作用下,其强度会出现迅速降低,也可能会出现液化[6].而在0~2m之间为粉质粘土,由于其处在表层,强度较高,同时处在地下水位以上,无需考虑其液化风险.在28~35m之间主要分布中密到密实的砂土,很难发生液化.综上所述,采用NECCER法进行液化评估,同时结合土的性质知,15~27m之间在八级地震作用时液化可能性较大.

4边坡震陷量计算

由前述知,在15~27m之间存在液化土层,在强震作用下,饱和粉土和粉质粘土会出现液化现象,从而出现大的震陷变形,导致边坡出现破坏.震陷沉降量可以采用TOKIMATSU法[7]进行计算.TOKIMATSU在不排水的条件下,对饱和的不同密实度的砂土施加循环剪切应力使其液化,然后测量排水固结后的沉降量.经过大量实验后,TOKIMATSU建立了砂土的“密实度-循环应力比-体积应变”三者的关系,而实验证明砂土的密实度和SPT击数相关,从而得出砂土的“(N1)60-循环应力比CSRM-体积应变εv”三者之间的关系.TOKIMATSU提出的饱和砂土的“(N1)60-循环应力比CSRM-体积应变εv”曲线见图5.对于其他饱和土可以根据式(5)修正后得到相当于纯砂条件下的SPT击数.本文所涉及的项目中,非饱和土液化风险较低,不考虑其震陷.对于非饱和土的沉降计算可以参考文献[7],本文不做介绍.缅甸石油库边坡地基土深度~沉降(由下向上累加)关系曲线见图6.由图6知出现沉降土层在16~27m之间,地表总沉降量约30cm.在23m处分层沉降出现拐点,23m以下分层的沉降量要小于24m以上.23m以下的分层沉降量8.0cm,沉降量2.0cm•m-1;23m以上分层沉降量为22.0cm,沉降量为3.1cm•m-1.主要原因是23m为土层分界线,23~28m为粉质粘土,16~23m为粉土,粉土的沉降量要大于粉质粘土,这也说明粉质粘土的抗液化能力要强于粉土.对地基土进行抗液化处理的土层主要为粉土层.

5地震作用下边坡抗滑稳定性分析

在地震荷载作用下边坡的抗滑稳定性分析严格意义上讲属于动力分析的范畴,但是由于动力分析困难和相关参数难以获得,一般很少运用于实际工程中.拟静力法操作简单,力学参数少,从而在岩土工程领域广泛运用,它是将地震荷载采用静力荷载来表示.对于边坡抗滑稳定性的静力分析方法常用的有瑞典条分法、简化Bishop法[9]、Janbu法[10]、Spencer法、Morgenstern-Price法等.不同的分析方法适用的土层和边坡情况不同.对于瑞典条分法和简化Bishop法主要适用于粘性土,滑裂面为圆弧形;对于Janbu法、Spencer法、Morgenstern-Price法适用于任意形式的滑裂面.边坡抗滑安全系数K可以简单采用式(12)表示。对于缅甸某项目采用以上5种方法,运用GEO-Studio软件中Slope/W模块,运用拟静力法进行地震荷载作用下抗滑稳定性分析,各土层参数和模型见图7.在不同工况条件下的安全系数见表2,不同方法下典型滑裂面见图8~9.根据表2可知,不考虑地震作用时,边坡抗滑稳定安全系数均大于1.2,满足设计要求,处于稳定状态.边坡在震级Ⅷ时,运用拟静力法计算,边坡安全系数均小于1.2,不满足设计要求.根据图8和图9知,滑裂面主要位于粉质粘土层和淤泥层,对边坡加固时可对该土层进行插塑料排水板固结加固.

6结论

本文以缅甸某边坡项目为背景,详细介绍了在地震情况边坡砂土地基的液化判别方法、震陷量计算方法、抗滑安全系数计算方法.通过计算得出如下结论:(1)采用NECCER液化评估方法(SPT)进行评估,该方法适用性强、考虑因素全面.其评价指标抗液化安全系数FS在工程中使用方便.缅甸某边坡地基砂土采用此方法评估,粉土和粉质粘土层在八级地震作用下存在液化风险,需要采取相应措施予以消除.(2)采用Tokimatsu&Seed法计算液化土层震陷沉降量比较复杂,对于饱和土沉降可以结合NECCER液化评估进行计算,计算简单.缅甸某边坡沉降量约30cm,其中主要震陷土层为粉土层.(3)边坡的稳定性分析目前主要采用基于刚体极限平衡理论计算方法,采用拟静力法处理地震荷载较为简单.缅甸某边坡运用拟静力法计算,在震级Ⅷ时抗滑安全系数小于1.2,不满足设计要求,可以对淤泥层进行排水固结加固.

作者:吴李军 周龙翔 童华炜 章涛 单位:广州大学 土木工程学院

广州大学学报责任编辑:杨雪    阅读:人次
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