徐華

(山東省地質(zhì)調(diào)查院，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

地震液化已經(jīng)取得了很多成果[1]，飽和砂土的液化是地基基礎(chǔ)震害的主要原因之一[2]。如1966年的邢臺(tái)地震、1975年的海城地震、1976年的唐山地震、2008年的汶川地震[3-5]及1964年美國(guó)的阿拉斯加地震[6]和2010—2011年的新西蘭坎特佰雷地震序列[7]等，地震引起的砂土液化均對(duì)當(dāng)?shù)氐鼗A(chǔ)產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞。萊州灣地區(qū)歷史上曾有地震砂土液化災(zāi)害的記載，在1668年郯城8.5級(jí)地震發(fā)生時(shí)，“沿海地裂涌水”(安丘)、“涌裂黑水”(平度)、“近濰堤處開裂、北絡(luò)莊平地開裂”(昌邑)、“白浪河近堤開裂”(濰縣)，噴砂冒水與地裂縫分布基本一致[8]。因此，對(duì)萊州灣沿岸濱海地區(qū)飽和砂土的液化趨勢(shì)進(jìn)行研究及有效評(píng)估尤為重要。

1 濱海地區(qū)地貌及全新世地層特征

1.1 地貌

研究區(qū)總體地勢(shì)平緩，地貌界線的地表特征不明顯。該次研究采用遙感解譯、地面調(diào)查、人工淺鉆、工程地質(zhì)鉆孔等綜合手段，以全新世淺部土層沉積相為依據(jù)，結(jié)合地形變化特征，將研究區(qū)劃分為剝蝕平原、山前沖積平原、三角洲平原和潮坪區(qū)4個(gè)大的地貌單元(圖1)。

1—三角洲下平原；2—三角洲上平原；3—潮坪；4—山前沖洪積平原；5—?jiǎng)兾g平原；6—現(xiàn)代黃河三角洲平原圖1 萊州灣濱海地區(qū)地貌分區(qū)圖

剝蝕平原位于研究區(qū)東南部，地形呈舒緩起伏狀，大部分地區(qū)基巖裸露。山前沖積平原位于研究區(qū)南部，地表平坦，向海方向微傾。三角洲平原位于山前沖積平原以北，是由濰河、白浪河、彌河共同塑造的[9]，以全新世平均高潮位為界，分為三角洲上平原和三角洲下平原，前者為全新世平均高潮位以上部分，頂部發(fā)育泛濫平原相沉積；后者為全新世平均高潮位與平均低潮位之間的部分，頂部未見河流相沉積[10]。潮坪區(qū)位于萊州灣西岸，全新世潮坪相沉積，大致以老彌河一線為界與三角洲平原相鄰，其中小清河以北地表為黃河近代堆積，微地貌稱之為現(xiàn)代黃河三角洲平原。

1.2 全新世地層

研究區(qū)除東南部剝蝕平原外，全新世地層廣泛分布。

黑土湖組：位于全新世底部，濱海湖沼環(huán)境，層位穩(wěn)定，地層厚度一般0.10～4.04m，其南部邊界線與三角洲平原南部邊界線基本吻合，巖性一般為暗棕色粉質(zhì)黏土和黏土，局部發(fā)育泥炭。

濰北組：位于黑土湖組之上，海陸過渡相沉積，廣泛發(fā)育于三角洲平原、潮坪地貌區(qū)。巖性主要為黃棕色粉砂、粉土及橄欖棕色黏性土與粉土、粉砂互層沉積。

臨沂組：河流相沉積，在山前沖積平原和三角洲上平原區(qū)大面積出露。巖性主要為亮黃棕色粉質(zhì)黏土、黏土夾透鏡體狀砂，厚度一般0.35～8.45m。

黃河組：現(xiàn)代黃河泛濫沖積物，廣泛分布于現(xiàn)代黃河三角洲平原。巖性一般為亮黃棕色粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土互層沉積，厚度0.55～8.45m。

白云湖組：陸相湖沼沉積，呈面狀分布于寒亭區(qū)泊子村兩側(cè)的湖積淺平洼地和濰河、彌河沖洪積扇前緣淺部。巖性以暗色粉質(zhì)黏土、粉土為主，厚度一般0.5～5m。

沂河組：全新世晚期河床相沉積，分布于現(xiàn)代河床，與下伏濰北組或臨沂組呈侵蝕不整合接觸。巖性主要為黃棕色卵礫石、礫砂、中粗砂、粉細(xì)砂，厚度一般3～8m。

寒亭組：近代風(fēng)成相堆積，呈不規(guī)則橢圓狀，主要沿濰河發(fā)育，巖性主要為黃棕色粉細(xì)砂、中砂。

2 萊州灣濱海地區(qū)全新世飽和砂土空間分布及顆粒特征

2.1 萊州灣濱海地區(qū)全新世飽和砂土空間分布特征

潮坪區(qū)和三角洲平原區(qū)發(fā)育全新世濰北組席狀分布的第Ⅰ海相層潮坪相砂體和海陸過渡相三角洲前緣砂體。砂體空間分布受全新世古地形控制，總體由西南向東北方向底板埋深逐漸變深，層厚逐漸變大(圖2)。該砂體層厚大、分布廣埋藏淺，易液化。

1—砂體厚度等值線(m)；2—地質(zhì)剖面及編號(hào)圖2 萊州灣濱海地區(qū)全新世砂體等厚線圖

2.1.1 潮坪區(qū)

濰北組砂體全區(qū)分布，其底板高程一般低于-5m，頂板埋深1.7～9.0m，厚度4.35～14.65m，總體上由西南向東北方向頂板埋深逐漸變深，厚度逐漸變大，最厚處位于羊口附近(圖3)。巖性以橄欖棕色和黃棕色粉土、粉砂與黏性土互層沉積為主，具水平紋理，含海相貝殼碎片，見動(dòng)物潛穴和植物腐根。小清河以北濰北組之上為黃河組現(xiàn)代黃河三角洲沉積，底板埋深2.0～9.0m，厚度0.5～8.45m，總體厚度由南向北逐漸變大，最厚處位于潮坪區(qū)東北角。巖性以亮黃棕色粉土、粉質(zhì)黏土為主，夾薄層粉砂，具水平層理，見海相貝殼、淡水螺殼碎片及植物根莖。

2.1.2 三角洲平原區(qū)

濰北組砂體全區(qū)分布，其底板高程一般低于0m，該層頂板埋深自0.5～3.9m，厚1.5～14.0m，總體上頂板埋深由南向北逐漸變淺，厚度逐漸變大，其三角洲下平原砂體厚度變化不大、絕大部分砂體厚度均在10m以上(圖4)。巖性主要為亮黃棕色、黃棕色，濁黃橙色粉砂、粉土，具水平層理，含海相貝殼碎片，偶見動(dòng)物潛穴和未完全腐爛的植物根莖。

1—河流相；2—近代黃河三角洲；3—濱海湖沼；4—三角洲前緣；5—潮坪；6—人工填土；7—年代地層界線圖3 萊州灣西岸全新世地質(zhì)剖面圖(24-24＇)

1—河流相；2—湖沼相；3—三角洲前相；4—人工填土；5—年代地層界線圖4 萊州灣南岸全新世地質(zhì)剖面圖(5-5＇)

2.2 萊州灣濱海地區(qū)全新世飽和砂土顆粒特征

大量砂土顆粒分析表明：萊州灣沿岸第Ⅰ海相層砂土顆粒多數(shù)在0.02～0.2mm，砂體粒度累積曲線呈“S”型(圖5)，主要由粉土和粉砂組成，粒度分布以砂粒為主，砂粒含量40%～80%，顆粒均勻，分選性好，為不良級(jí)配土，砂土層透水性差，易發(fā)生液化。

圖5 萊州灣濱海地區(qū)第Ⅰ海相層砂土粒度累積曲線

3 萊州灣濱海地區(qū)地下水位埋深現(xiàn)狀

2015年淺層地下水位埋深圖表明(圖6)，萊州灣西岸地下水位埋深較淺，一般小于5m。南岸由于地下水長(zhǎng)期超量開采致使地下水位持續(xù)下降，逐漸形成多個(gè)地下水降落漏斗，漏斗區(qū)地下水位埋深均大于10m。山東省鹵水資源的開采主要集中在萊州灣南岸，開采利用的均是埋藏深度在100m以淺的鹵水資源[11]，在三角洲平原鹵水分布區(qū)，持續(xù)不斷的大規(guī)模開采鹵水礦，形成了平行于海岸線的大面積的鹵水漏斗區(qū)，大致以大家洼—央子—下營(yíng)一線為中心，中心水位埋深近40m左右，漏斗區(qū)面積約1090km2。

1—地下水位埋深(m)；2—地下鹵水分布邊界圖6 淺層地下水位埋深圖

4 砂土液化的評(píng)價(jià)

4.1 砂土液化的主要影響因素

已有研究表明，砂土液化與地基土地質(zhì)年代、土顆粒粒徑、砂土密實(shí)度、上覆非液化土層厚度、地下水位埋深、地面震動(dòng)強(qiáng)度和地面震動(dòng)的持續(xù)時(shí)間等因素有關(guān)[12-17]。地層年代越新，砂土的相對(duì)密度越小、顆粒級(jí)配越好、顆粒粒徑越小、埋藏深度越淺、地下水位越淺、地震烈度越高的飽和砂土越容易液化。

4.2 砂土液化評(píng)價(jià)方法

鑒于土層液化的影響因素較多，我國(guó)規(guī)范建議采用標(biāo)準(zhǔn)貫入法、靜力觸探法、剪切波束法，但單一判別方法都有局限性和適用范圍，宜用各種方法綜合判別[18-19]?！渡綎|半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目》在萊州灣沿岸地區(qū)施工了大量工程地質(zhì)鉆孔且每個(gè)鉆孔旁邊亦同時(shí)施工靜力觸探孔。該次研究利用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探資料，依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011—2010》[20]和《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程(TB10018—2003)》[21]，對(duì)萊州灣濱海地區(qū)進(jìn)行現(xiàn)狀條件下和未來地下水限采條件下砂土液化綜合評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)原則就高不就低，無論哪種單一方法判別結(jié)果為液化，其綜合評(píng)價(jià)結(jié)果均為液化。

4.2.1 初判

研究區(qū)抗震設(shè)防烈度為7°，全新世砂土可判為液化土。區(qū)內(nèi)淺基礎(chǔ)埋置深度一般2m左右，液化土特征深度為7m，除地下水位埋深大于6m的地區(qū)可不考慮液化的影響外，其他地區(qū)地面下20m范圍內(nèi)全新世砂土采用靜力觸探法和標(biāo)準(zhǔn)貫入法進(jìn)一步判別。

4.2.2 靜力觸探法判別

區(qū)內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度萊州灣南岸為0.15g、西岸為0.10g，根據(jù)鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程(TB10018—2003)宜使用靜探方法判斷砂土液化。當(dāng)實(shí)測(cè)計(jì)算貫入阻力qcca小于或等于雙橋靜探液化臨界貫入阻力qc′時(shí)，判為液化土。

液化臨界貫入阻力qc′

qc′=qc0·α1·α3·α4

α1=1-0.065(dw-2)

α3=1-0.05(du-2)

式中：α1—地下水位埋深dw(m)修正系數(shù)，地面常年有水且與地下水有水力聯(lián)系時(shí)，α1=1.13；α3—上覆非液化土層厚度du(m)修正系數(shù)；對(duì)于深基礎(chǔ)，恒取α3=1；α4—黏粒含量百分比修正系數(shù)，qc0—dw=2m，du=2m，α4=1時(shí)依據(jù)規(guī)范取值。

4.2.3 標(biāo)準(zhǔn)貫入法判別

當(dāng)飽和土實(shí)測(cè)錘擊數(shù)小于或等于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值時(shí)，判為液化土。液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值可按下式計(jì)算：

式中:Ncr—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值；ds—飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m)；dw—地下水位埋深(m)；ρc—黏粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3；β—調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011—2010》附錄A，萊州灣南岸液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值為10，調(diào)整系數(shù)取0.95；西岸基準(zhǔn)值為8，調(diào)整系數(shù)取1.05。

對(duì)存在液化土的地基，按下式計(jì)算每個(gè)鉆孔的液化指數(shù)，并按表1綜合劃分地基的液化等級(jí)。

式中:IiE—液化指數(shù)；n—在判別深度范圍內(nèi)每個(gè)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)的總數(shù)；Ni,Ncri—分別為i點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實(shí)測(cè)值和臨界值，當(dāng)實(shí)測(cè)值大于臨界值時(shí)應(yīng)取臨界值；di—i點(diǎn)所代表的土層厚度(m)，可采用與該標(biāo)貫實(shí)驗(yàn)點(diǎn)相鄰的上、下兩標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)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—i土層單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值(m-1)。當(dāng)該層中點(diǎn)深度不大于5m時(shí)，應(yīng)采用10，等于20m時(shí)應(yīng)采用0值，5～20m時(shí)應(yīng)按線性內(nèi)插法取值。

表1 液化等級(jí)與液化指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4.3 現(xiàn)狀條件下砂土液化評(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)共有鉆孔257個(gè)，其中全新世砂體分布區(qū)189個(gè)，對(duì)全新世砂體分布區(qū)的189個(gè)鉆孔進(jìn)一步評(píng)價(jià)結(jié)果表明：其中100個(gè)為液化孔，占全新統(tǒng)砂體分布區(qū)鉆孔的59%。潮坪區(qū)地下水位埋深均小于5m，區(qū)內(nèi)44個(gè)鉆孔，均為液化孔，全新世砂土的厚度較大，液化級(jí)別為嚴(yán)重、中等，是研究區(qū)現(xiàn)狀條件下砂土液化最嚴(yán)重的區(qū)域。三角洲平原區(qū)中部因地下鹵水開采強(qiáng)度大，形成了地下水降落漏斗，漏斗區(qū)大部分地區(qū)地下水位埋深大于10m,全新世砂性土基本被疏干，不具備砂土液化的條件，僅在近海岸地帶、鹵水開采漏斗和淺層淡水開采漏斗之間的地下水分水嶺附近存在砂土液化，前者液化級(jí)別為嚴(yán)重、中等，后者以輕微液化為主(圖7)，液化區(qū)總面積779km2，占三角洲平原區(qū)陸域面積的34.8%。

4.4 未來地下鹵水限采條件下砂土液化評(píng)價(jià)

三角洲平原地下鹵水漏斗區(qū)在鹵水開采前水位埋深一般在2m左右，大體與目前的萊州灣西岸相同。隨著漏斗規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，地下鹵水將面臨枯竭的局面。未來必將壓縮地下鹵水的開采量，萊州灣南岸地下水位將逐步回升。原先未飽和的砂土體變?yōu)轱柡?，有效重度降低，砂土產(chǎn)生液化的超孔隙水壓力相應(yīng)減少，當(dāng)遭受同樣能量的地震荷載作用時(shí)，砂土層更易產(chǎn)生液化變形，必然加劇砂土液化災(zāi)害。

1—嚴(yán)重液化；2—中等液化；3—輕微液化；4—三角洲平原邊界線圖7 現(xiàn)狀條件下砂土液化評(píng)價(jià)圖

4.4.1 非飽和砂土在未來飽水條件下靜探阻力和標(biāo)貫擊數(shù)估算

飽和砂土中，地下水對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)值有影響早已被人們所接受，我國(guó)目前尚未見有成熟的地下水校正方法[17]。靜力觸探試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)原理一致，同樣地下水對(duì)靜力觸探數(shù)值亦有影響。研究區(qū)三角洲平原內(nèi)同一時(shí)代，相同沉積環(huán)境、相同巖性特征的同層砂體，飽水狀態(tài)下，其工程地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)應(yīng)相同或相近[22]，因而可通過對(duì)比分析同層砂體的靜探數(shù)據(jù)和標(biāo)貫數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，建立非飽和砂土對(duì)飽和砂土的靜探錐尖阻力與錐尖阻力、標(biāo)貫擊數(shù)與標(biāo)貫擊數(shù)的相關(guān)關(guān)系式，求取地下水對(duì)靜探錐尖阻力與標(biāo)貫擊數(shù)得影響值。

三角洲平原地下水漏斗區(qū)，非飽和砂土共涉及全新世三角洲平原平原海陸過度相上部砂體、中部砂體、下部砂體和全新世河流相砂體4個(gè)砂體層。統(tǒng)計(jì)整理上述4層砂體層各層的靜探錐尖阻力與標(biāo)貫數(shù)據(jù)，求取各層飽和砂土和非飽和砂土的靜探錐尖阻力和標(biāo)貫實(shí)測(cè)擊數(shù)算術(shù)平均值(表2)。

靜探錐尖阻力與標(biāo)貫擊數(shù)相關(guān)關(guān)系圖(圖8)所示：非飽和砂土和飽和砂土靜探錐尖阻力與標(biāo)貫擊數(shù)均存在正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)均大于0.95，表明該次研究所用靜探與標(biāo)貫數(shù)據(jù)較為真實(shí)可靠。

表2 各工程地質(zhì)層靜探錐尖阻力與標(biāo)貫擊數(shù)統(tǒng)計(jì)

錐尖阻力及標(biāo)貫擊數(shù)相關(guān)關(guān)系圖表明(圖9)：非飽和砂土與飽和砂土的靜探錐尖阻力與錐尖阻力、標(biāo)貫擊數(shù)與標(biāo)貫擊數(shù)均存在正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性極高；地下水使砂性土錐尖阻力值及標(biāo)貫擊數(shù)變大，其變化值見如下相關(guān)方程式：

qc(非飽和和砂土)=1.0qc(飽和砂土)+0.84R=0.99

N(非飽和砂土)=1.08N(飽和砂土)+5.7R=0.98

4.4.2 未來地下水限采條件下砂土液化評(píng)價(jià)及結(jié)果

在未來地下鹵水限采條件下，預(yù)估三角洲平原區(qū)地下水位將恢復(fù)至鹵水大規(guī)模開采前的2m左右。依據(jù)上述非飽和砂土在水位恢復(fù)后估算的靜探和標(biāo)貫數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入和靜力觸探綜合判別法再次對(duì)萊州灣濱海地區(qū)飽和砂土進(jìn)行評(píng)價(jià)。

萊州灣西岸砂土液化分布沒有變化。南岸三角洲平原區(qū)區(qū)內(nèi)145個(gè)鉆孔中134個(gè)判定為砂土液化孔，砂土液化區(qū)面積2062km2，占三角洲平原區(qū)面積的92%，其中嚴(yán)重、中等和輕微液化區(qū)面積分別占區(qū)內(nèi)總面積的57.9%、20.6%和13.5%，其液化等級(jí)區(qū)分布由海向陸依次為嚴(yán)重—中等—輕微—不液化(圖10)。

圖8 靜探錐尖阻力與標(biāo)貫擊數(shù)相關(guān)關(guān)系圖

圖9 錐尖阻力及標(biāo)貫擊數(shù)相關(guān)關(guān)系圖

1—嚴(yán)重液化；2—中等液化；3—輕微液化；4—三角洲平原邊界線圖10 未來地下鹵水限采條件下砂土液化評(píng)價(jià)圖

5 砂土液化的防御措施

萊州灣濱海地區(qū)飽和砂土液化區(qū)的工程建設(shè)必須充分重視飽和砂層的液化問題，采取相應(yīng)的預(yù)防措施，提高建筑物的抗震穩(wěn)定性。

(1)當(dāng)可液化砂土厚度較薄(<3m)、埋藏較淺(<5m)時(shí)，采用全部清除換土處理[23]。

(2)當(dāng)可液化砂土厚度較大(>5m)時(shí)，可采用地基加固法，如振沖、振動(dòng)加密、砂樁擠密、強(qiáng)夯、化學(xué)注漿等方法處理可液化地基。

(3)當(dāng)不具備加固條件時(shí)，可采用樁基，樁長(zhǎng)應(yīng)穿過可液化層，樁端伸入液化層以下穩(wěn)定土層中的長(zhǎng)度(不包括樁尖部分)應(yīng)按計(jì)算確定，對(duì)碎石土、礫砂、中粗砂、堅(jiān)硬土應(yīng)不小于0.5m，其他非巖石土層就不少于2.0m。

(4)根據(jù)建筑物類型等級(jí)，通過對(duì)建筑物的地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化，減輕砂土液化對(duì)基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)的影響。

6 結(jié)論

萊州灣濱海地區(qū)由東南向西北地貌單元依次為剝蝕平原、山前沖積平原、三角洲平原和潮坪區(qū)，三角洲平原和潮坪區(qū)內(nèi)發(fā)育全新世席狀分布的第Ⅰ海相層潮坪相砂體和海陸過渡相三角洲前緣砂體。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，建立了三角洲平原區(qū)非飽和砂土對(duì)飽和砂土的靜探錐尖阻力與錐尖阻力、標(biāo)貫擊數(shù)與標(biāo)貫擊數(shù)的相關(guān)關(guān)系式。砂土液化評(píng)價(jià)結(jié)果表明：現(xiàn)狀條件下，整個(gè)潮坪區(qū)均為砂土液化區(qū)，液化級(jí)別為嚴(yán)重、中等。三角洲平原區(qū)砂土液化面積779km2，占三角洲平原區(qū)陸域面積的34.8%，中部地下水位漏斗區(qū)不液化。未來地下水限采條件下，三角洲平原區(qū)砂土液化區(qū)面積將達(dá)2062km2，占三角洲平原區(qū)面積的92%，其中嚴(yán)重、中等和輕微液化區(qū)面積分別占區(qū)內(nèi)總面積的57.9%、20.6%和13.5%。根據(jù)砂土液化治理效果、經(jīng)濟(jì)效益分析，液化砂土厚度較薄時(shí)，采用全部清除換土處理，液化砂土厚度較大(大于5m)時(shí)，可采用地基加固法，如振沖、振動(dòng)加密、砂樁擠密、強(qiáng)夯、化學(xué)注漿等方法處理，當(dāng)不具備加固條件時(shí)，可采用樁基。