周玉明， 周世沖， 張家鳳， 孫懷軍， 劉月輝

(1．天津市勘察院，天津 300191;2．天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072)

0 引言

近年來(lái)隨著海洋石油和其它礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)的迅速發(fā)展，大量海上工程設(shè)施的不斷建造，海洋地基土的穩(wěn)定性對(duì)海洋工程建設(shè)的影響越來(lái)越重要，同時(shí)也受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程界的高度重視。影響海洋工程地基穩(wěn)定性的主要因素之一是土體的液化，海洋地基飽和砂土液化與陸地相似，就其產(chǎn)生機(jī)理而言，是一種剪切液化，在地震作用下當(dāng)孔隙水產(chǎn)生的動(dòng)水壓力超過(guò)上覆土層有效壓力時(shí)，即頂破上覆土層而沖出海底表面，此時(shí)具有一定壓力的水?dāng)y帶著大量土顆粒噴冒出海底面而發(fā)生噴砂冒水現(xiàn)象，這種現(xiàn)象往往造成海底表面塌陷、地裂滑移、地基不均勻沉陷，引起建筑物或構(gòu)筑物的沉降、傾斜、結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)破壞，危及建( 構(gòu)) 筑物的正常使用與安全。震害調(diào)查與經(jīng)驗(yàn)表明，砂土液化產(chǎn)生地基失穩(wěn)是導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一，海底土體液化是影響海洋工程地基和基礎(chǔ)穩(wěn)定性的主要因素，因此對(duì)海底土體進(jìn)行液化分析是十分必要的。

運(yùn)用比較成熟的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和抗液化剪應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)法對(duì)遼東某海域砂土在地震作用下的液化可能性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并對(duì)7 度，8 度地震作用下砂土的液化情況進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)海域海底淺表層砂土采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50011)2001 版與2010 版標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法判別液化臨界擊數(shù)差別較大的規(guī)律，為工程避免和減少地震中帶來(lái)的危害提出一些分析和建議，可為類似項(xiàng)目的工程勘察和地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。

1 液化判別方法

現(xiàn)有液化判別方法可分為兩種類型，第一種類型是基于地震后現(xiàn)場(chǎng)液化調(diào)查資料，經(jīng)過(guò)分析研究建立起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)液化判別方法，該方法要求有足夠數(shù)量的液化調(diào)查資料，其中包括砂土或粉土層的埋藏條件、地震動(dòng)水平、砂土或粉土的抗液化能力的定量描述等。第二種類型是基于液化試驗(yàn)和地震反應(yīng)分析的液化判別方法，這種判別方法需要很復(fù)雜的計(jì)算分析，主要應(yīng)用于有特殊要求的大型建筑物和土工結(jié)構(gòu)物地基中砂土或粉土的液化判別，因其專門研究時(shí)間長(zhǎng)、成本高、計(jì)算分析復(fù)雜，除特殊工程要求外，一般不采用該判別方法。對(duì)于地震活動(dòng)區(qū)的淺海海域，當(dāng)存在可液化土層時(shí)可采用陸地上的液化判別分析方法，本文僅對(duì)第一種類型目前常用的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法、抗液化剪應(yīng)力法進(jìn)行介紹。

1．1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)液化判別方法

我國(guó)規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法均屬于經(jīng)驗(yàn)法，是將飽和砂土或粉土實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N 與臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)Ncr對(duì)比的方法來(lái)判別飽和砂土或粉土是否液化，即N ≤Ncr時(shí)應(yīng)判別為液化土，否則不液化?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50011)［1］2001 版推薦的原判別公式規(guī)定為在地面下15 m 深度范圍內(nèi)，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr值為

式中，N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，對(duì)設(shè)計(jì)地震分組為第一組，地震烈度7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0．10g 時(shí)取6，地震烈度8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0．20g 時(shí)取10; ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)深度( m) ; dw為地下水位深度( m) ; ρc為粘粒含量百分率，當(dāng)ρc小于3 或?yàn)樯巴習(xí)r均采用ρc= 3 。

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50011)［2］2010 版推薦的新液化判別公式為

式中，β 為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第一組取0．80，其它符號(hào)含義同式(1) ，其中N0取值為設(shè)計(jì)基本地震加速度0．10g 時(shí)取7，0．20g 時(shí)取12。

1．2 抗液化剪應(yīng)力法

在海洋土體液化評(píng)價(jià)中，目前廣泛使用的抗液化剪應(yīng)力法是Seed 簡(jiǎn)化判別法，該方法的實(shí)質(zhì)是將砂土中由地震作用產(chǎn)生的剪應(yīng)力與砂土產(chǎn)生液化所需的剪應(yīng)力( 即相應(yīng)動(dòng)力作用下砂土的抗剪強(qiáng)度) 進(jìn)行比較，地震產(chǎn)生的剪應(yīng)力大于砂土產(chǎn)生液化所需剪應(yīng)力時(shí)判斷為液化。本方法根據(jù)地下某一深度砂土層的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，計(jì)算出能夠引起該砂土層液化的剪應(yīng)力，即按經(jīng)驗(yàn)公式或通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)確定的砂土層抗液化剪應(yīng)力τd，將其與地震作用時(shí)產(chǎn)生的等效平均剪應(yīng)力τe進(jìn)行比較，如果τd≤τe可將砂土判定為液化，否則為不液化。

地震等效平均剪應(yīng)力τe計(jì)算式為［3］τe=其中，γd為應(yīng)力折減系數(shù)，取值見(jiàn)表1; αmax為地震作用下地面峰值加速度，當(dāng)抗震設(shè)防烈度為7、8 度時(shí)，αmax分別取0．10g(0．15g) 、0．20g(0．30g) ，g 為重力加速度; σv為砂土層在深度h 處上覆土層豎向總壓力，σv= ∑γihi，γi，hi分別為計(jì)算砂土單元之上第i 層土重度和厚度。

表1 應(yīng)力折減系數(shù)取值表

使砂土產(chǎn)生液化所需要的剪應(yīng)力，即抗液化剪應(yīng)力為τd=其中，Cv為應(yīng)力校正系數(shù)，取值見(jiàn)表2; σv′為地震前砂土單元在深度 處上覆土層自重有效壓力，分別為第i 層土的有效重度和厚度;化應(yīng)力比，當(dāng)砂土平均粒徑d50為0．40、0．30、0．20、0．10、0．07 mm 時(shí)，相對(duì)于7 級(jí)地震等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為砂土的相對(duì)密實(shí)度Dr等于50%時(shí)與指定的等價(jià)作用次數(shù)相應(yīng)的液Ne為10，液化應(yīng)力比分別取0．26、0．25、0．24、0．22、0．21，相對(duì)于8 級(jí)地震等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Ne為30 時(shí)，液化應(yīng)力比分別取0．23、0．22、0．21、0．18、0．18。

表2 應(yīng)力校正系數(shù)取值

當(dāng)工程有特殊要求時(shí)可由動(dòng)三軸試驗(yàn)直接測(cè)定與實(shí)際相對(duì)密實(shí)度Dr和等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N 相應(yīng)的液化應(yīng)力比，這時(shí)砂土抗液化剪應(yīng)力為。其中，為相對(duì)密實(shí)度Dr的砂土在等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N 時(shí)的室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)的液化應(yīng)力比。

在海洋砂土液化評(píng)價(jià)分析中，目前廣泛采用Seed 簡(jiǎn)化法，該方法能夠簡(jiǎn)單地確定地震剪應(yīng)力和飽和砂土的抗液化剪應(yīng)τe力，當(dāng)?shù)卣鸺魬?yīng)力大于砂土的抗液化剪應(yīng)力τd時(shí)屬于可能液化，概念清晰，同時(shí)該方法能夠綜合考慮地震烈度、震級(jí)、上覆土應(yīng)力及剪應(yīng)力隨深度的變化等多種因素的影響，適用性較強(qiáng)，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的方法之一。

2 實(shí)例工程簡(jiǎn)介

為了進(jìn)一步說(shuō)明淺海海域飽和砂土地震液化分析的確定方法，選取遼東灣北部某油田典型場(chǎng)地進(jìn)行分析，該場(chǎng)地位于地震烈度7 度區(qū)，設(shè)計(jì)地震基本加速度0．10g，屬設(shè)計(jì)地震分組第一組，在四個(gè)海洋平臺(tái)和海底管線及電纜路由區(qū)實(shí)施的48 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)孔中，篩選出8 個(gè)具有代表性的測(cè)試試驗(yàn)孔資料進(jìn)行飽和砂土的液化分析，鉆孔重新統(tǒng)一編號(hào)為Y1 ～Y8。地基土分布概況為:海底面以下埋深15．0 m 范圍內(nèi)地基土分為四層;第一層為粉砂層，埋深0 ～3．5 m，局部表層分布有淤泥及淤泥質(zhì)粘土透鏡體;第二層為粉質(zhì)粘土，埋深在2．5 ～4．0 m 段，厚度有一定的變化，分布不連續(xù)，呈透鏡體狀;第三層為粉砂層，埋深在3．5 ～12．5 m 段;第四層為粉質(zhì)粘土，埋深在12．5 m 以下。

3 液化層判定及判別結(jié)果分析

利用上述介紹的判別方法對(duì)選出的8 個(gè)鉆孔進(jìn)行液化判別分析，判別結(jié)果分別列于表3 ～表6 中。圖1、圖2 是設(shè)計(jì)地震第一組7 度( 0．10g) 、8 度( 0．20g) 條件下，采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50011)2001 版原判別公式和新判別公式計(jì)算液化臨界值的比較圖。液化計(jì)算時(shí)地下水位dw取0．00 m;粘粒含量ρc取3．0;7 度( 0．10g) 、8 度( 0．20g) 采用GB5011—2001 公式計(jì)算時(shí)N0分別取6、10，采用GB5011—2010 公式計(jì)算時(shí)N0分別取7、12;剪應(yīng)力計(jì)算時(shí)地面峰值加速度amax7 度時(shí)取0．10g，8 度時(shí)取0．20g。

表3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法液化判別結(jié)果

表4 砂土抗液化剪應(yīng)力τd 計(jì)算結(jié)果

表5 地震作用產(chǎn)生剪應(yīng)力τ 計(jì)算結(jié)果

表6 新舊規(guī)范液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr 比較

圖1 液化臨界擊數(shù)差值對(duì)比曲線

圖2 液化臨界擊數(shù)比值對(duì)比曲線

從表6、圖1 和圖2 可以看出，設(shè)計(jì)地震第一組7 度時(shí)，埋深小于2．5 m，Ncr1- Ncr2≈1 ～2 擊，Ncr1/Ncr2= 1．1 ～1．6; 埋深4 ～12 m 時(shí)Ncr1- Ncr2= -0．1 ～0．5 擊，Ncr1/Ncr2= 0．99 ～1．04 ≈1．0; 說(shuō)明對(duì)埋深2．5 m 以上采用新公式進(jìn)行液化判別較原公式偏于不安全，較原公式判定的液化臨界值Ncr下降了10% ～40%;埋深4．0 m 以下液化判別結(jié)果與原公式幾乎相等。設(shè)計(jì)地震第一組8 度時(shí)，埋深3．0 m以上Ncr1- Ncr2≈1 ～3．6 擊，Ncr1/Ncr2= 1．1 ～1．6; 埋深4 ～12 m 時(shí)，Ncr1- Ncr2= - 0．1 ～0．3 擊，Ncr1/Ncr2= 0．96 ～1．02 ≈1．0; 說(shuō)明對(duì)埋深3．0 m 以上采用新公式進(jìn)行液化判別較原公式偏于不安全，較原公式判定的液化臨界值Ncr也下降了10% ～40%;埋深4．0 m 以下液化判定結(jié)果與原公式判別結(jié)果相近。因?qū)嶋H的地震液化調(diào)查結(jié)果表明，上覆土層對(duì)下部土層液化有抑制作用，且隨深度增加，抑制作用增大，砂土埋深到一定深度后，即不發(fā)生液化。國(guó)內(nèi)外幾次大地震液化資料分析結(jié)果表明，液化土層主要集中在埋深0 ～8 m 間［4］，液化較嚴(yán)重的多發(fā)生在淺部土層，海洋工程海底淺表層多有砂土或粉土沉積，因此當(dāng)場(chǎng)地位于第一地震組，烈度7 度加速度0．10g 或8 度加速度0．20g 時(shí)淺部埋深4．0 m 以上有砂土分布的類似淺海工程，為提高抗震安全度對(duì)于砂土的液化判別，建議采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50011)2001 版推薦的原液化判別式進(jìn)行判別，其判別結(jié)果是偏于安全的，尤其對(duì)海底淺表層砂土的液化判別結(jié)果的安全度明顯大于新規(guī)范的液化判別結(jié)果。

若采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50011)2010 版推薦的新液化判別式進(jìn)行判別，對(duì)于淺層砂土應(yīng)考慮采用多種方法( 如抗液化剪應(yīng)力法、靜力觸探法等) 進(jìn)行綜合判定分析，才可能更符合實(shí)際情況。使用標(biāo)準(zhǔn)貫入法和抗液化剪應(yīng)力法判別淺海砂土液化的效果均較好，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法時(shí)推薦采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50011)2001 版中提出的液化判別公式，同時(shí)結(jié)合抗液化剪應(yīng)力法進(jìn)行判別，以提高對(duì)液化點(diǎn)和非液化點(diǎn)判別的成功率。有條件時(shí)盡量進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)判別液化，雖因不易取得Ⅰ級(jí)不擾動(dòng)土樣、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高等原因限制了該方法的推廣，但該方法在國(guó)外仍得到了廣泛的應(yīng)用，是一種值得推廣利用的方法。

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)現(xiàn)有海域地震液化判別成果分析，判別海域砂土液化采用的判別方法可采用陸地成熟的液化判別方法，標(biāo)準(zhǔn)貫入法和抗液化剪應(yīng)力法均可利用。

(2) 利用標(biāo)準(zhǔn)貫入法判別砂土液化時(shí)，對(duì)于設(shè)計(jì)地震第一組，地震烈度7 度和8 度條件下，淺表層分布有可液化土層時(shí)，建議采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50011) 2001 版提供的判別公式，對(duì)海域淺表層砂土的液化判別結(jié)果安全度更高。

(3) 采用抗液化剪應(yīng)力法的經(jīng)驗(yàn)公式液化判別成功率較高、適用性較強(qiáng)，是值得推廣應(yīng)用的液化判別方法。有條件時(shí)，應(yīng)利用動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果，但應(yīng)注意減少土樣擾動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．GB50011—2001 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008．

［2］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010．

［3］林宗元．巖土工程勘察設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1996:1484-1485．

［4］王維銘，孫銳，曹振中，等．國(guó)內(nèi)外地震液化場(chǎng)地特征對(duì)比研究［J］．巖土力學(xué)，2010，31(12) :3913-3927．