海域工程场地可液化土的地震液化效应分析

程占云

(天津市海岸带工程有限公司,天津 300384)

海域工程场地可液化土的地震液化效应分析

程占云

(天津市海岸带工程有限公司,天津 300384)

能否对砂土液化进行准确的判断评价，与工程的安全性、经济效益和社会效应关系密切。目前，勘察规范和抗震规范中均没有专门针对海底岩土层饱和砂土液化判别方法的规定和要求。文章对目前饱和砂土可液化性判别方法进行了分析总结，给出了海域工程场地可液化土的液化判别方法及存在的问题，提出海域工程建设场地饱和砂土层的判别宜采用标准贯入试验法和室内液化振动三轴试验抗液化剪应力判别法相结合的方式进行综合评价。

海域工程；砂土液化判别；标准贯入试验；振动三轴试验

引言

随着我国改革开放的深入进行和国民经济的高速发展，近些年来滨海核电厂工程建设发展迅猛，与此同时港口与航道工程建设也不断增多，使得近海岸带工程建设场地的地质勘察工作变得尤为重要，其中海域工程建设场地的液化判别方法也作为一项亟待解决的问题呈现出来。

砂土液化的判断正确与否，与工程的安全性、经济效益和社会效应关系密切。在现有的勘察规范和抗震规范中均没有专门针对海底岩土层饱和砂土液化判别方法的规定，目前进行场地饱和砂土和粉土的液化可能性判别多采用《建筑抗震设计规范》以及参考《建筑抗震设计规范》和各行业标准进行的。根据工作经验积累和在参与《核电厂海工构筑物设计规范》的编制工作中广泛收集的工程建设场地的液化判别经验和各方面的科学研究，对海域工程场地可液化土的液化分析判别方法与应用进行研究及总结，以供勘察、设计人员参考。

1 砂土液化表现及液化机理

根据对地震区现场调查资料深入研究表明，凡是砂土液化的区域都有很高的孔隙水压力。砂土液化最常见的表现是地表出现 “喷砂冒水”，松散的砂土受到震动时有变得更加密实的趋势，但是饱和砂土的孔隙中全部为水充填，因此这种密实的作用将导致孔隙水压力的骤然上升，而在地震过程中的短暂时间内，骤然上升的孔隙水压力来不及消散，这就导致原来由砂粒通过其接触点所传递的压力 （有效应力）减小，当有效应力完全消失时，砂层会完全丧失抗剪强度和承载能力。

2 砂土地震液化的判别

根据我国近年来对液化判别的研究经验，明确液化判别要分“两步判别”，即初判和复判。凡经初判为不液化或不考虑液化影响的，可不进行第二步判别，以节省勘察工作量。初判为可液化时必须进行复判，以保证建筑物或构筑物的安全性、可靠性。对海域工程建设场地的饱和砂土层进行液化判别也不例外，应首先进行初判，初判为可液化时进行复判。

2.1 液化初步判别

2.1.1 工程地质判别法

工程地质判别法[1]强调首先运用已有的区域地貌及第四纪地质研究成果，进行必要的现场地质调查分析或少量勘探工程即可判别。运用数学地质的多元统计分析方法以定性的地质因素为变量的“二态变量判别式”进行，是基于地震灾害调查的定性判别方法。

2.1.2 经验判别法

在地震灾害调查[2]以及总结历史地震经验教训的基础上总结出来的，具有规律性的判别方法。相对密度达97%的粉细砂在7.8级强烈地震发生后并无喷砂冒水现象，同一文献中也有对地震液化喷出物进行了颗粒分析调查，结果显示天津及唐山地区的13个试点结果都是0.075 mm的颗粒含量超过总质量的85%，根据中国国家规范均定名为细砂。仅唐山地区的3个试点中0.25 mm的颗粒含量分别达19%，9%，5%，结果显示在强烈地震发生时中粗砂发生液化的概率较低。将不液化砂土的相对密度限值列于表1。

根据实地调查及室内试验的研究成果，都可以证明密实状态的砂土及粉土，以及粒径大于0.25 mm的颗粒含量超过50%的场地土在强烈地震中几乎没有发生液化的案例。

经验判别法是对液化土层的地质年代、地貌单元、粘粒含量、地下水位的深度、上覆非液化土层厚度、基础埋置深度和地震烈度等方面的经验与研究成果的总结。通过大量地震调查与研究证明：土颗粒粗、级配好、密度大、排水条件好、静载大等因素，有利于抗液化。根据多年经验和研究成果，工程建设方案要综合考虑以上因素。

表1 不液化砂土的相对密度Dr

2.2 液化复判

在本次《核电厂构筑物设计规范》编制中提出，当可液化土层经初判为可能液化土层时，则应进行复判，其判别方法可采用标准贯入试验判别法、抗液化剪应力判别法和有关抗震设计规范要求进行。

2.2.1 标准贯入试验法

标准贯入试验法在各行业标准和国家标准已普遍采用，但是对于标准贯入锤击数基准值的取值并不完全一致，本次《核电厂海工构筑物设计规范》编制采用《核电厂抗震设计规范》（GB 50267）的计算方法，通过按物项类别由规定的地震加速度峰值推算出的验算地点的加速度值计算得到。与《建筑抗震设计规范》（GB50011）给出的经验值相比更符合实际情况，根据《核电厂抗震设计规范》（GB 50267）由不同的地面加速度取值计算得到的N0值见表2。

表2 标贯击数基准值N0与地面加速度a关系表

当符合公式N＜Ncr，应判定为液化土。

式中：N为未经修正的饱和土标准贯入锤击数实测值；Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值。

Markham等建立了前端创新活动对产品性能的影响的模型，前端性能可以独立地影响整个产品的成功、上市时间、市场渗透率和财务业绩。可见，产品创新活动的前端研发活动至关重要。

（1）标准贯入试验锤击数判别地面下15 m深度范围内的临界值Ncr应按公式（1）计算：

（2）对于采用桩基或埋深大于5 m的深基础时，判别15～20 m范围土的液化，其标准贯入锤击数临界值Ncr应按公式（2）计算：

式中：N0为液化判别标贯击数基准值；ds为饱和土标准贯入点深度/m；dw为地下水位深度/m；Mc粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3。

2.2.2 抗液化剪应力判别法

此方法是基于室内振动三轴试验结果的判别法，也称为室内振动三轴试验判别法。

国内外常用的理论计算判别式由H.B Seed所提出的判别准则，根据土的动三轴试验求出的应力比（σdc/σa即最大动循环剪应力τmax与初期围限压力τ0之比）和某一深度土层的实际应力状态（土层有效上覆压力），计算出能引起该砂土层液化的剪应力τ，实际上此剪应力就相应于该砂土层抗液化的抗剪强度，当τ<τe时则可能液化。

（1）地震作用时的等效平均剪应力τe，按下式计算：

式中：τe为地震作用时的等效平均剪应力，kPa；k为应力折减系数， 可按表 3；amax为地面最大加速度，（m·s-2）；γ 为深度ds的上覆土层的重度（地下水位以下取饱和重度，地下水位以上取天然重度）， 多层土应分层计算，（kN·m-3）；ds为砂土层所处的深度，m；g 为重力加速度，（m·s-2）。

表3 应力折减系数

（2）抗液化剪应力τ，按下式计算：

表4 应力修正系数

表5 不同震级的液化破坏振动次数Nf

参考试验土样在现场受到的上覆有效压力，给土样施加等向固结压力，使土样排水固结。饱和砂土样很难取得原状土样，利用土样实测干密度制备试验样品，采用分层压实、真空饱和，使得土样饱和度达到95%以上。施加等向固结压力进行固结稳定，之后施加等幅振动应力σdc后直到达到液化标准（将土样轴向峰到峰动应变达到5%为液化标准）。

根据试验得到的土样轴向峰到峰振动应变随振动次数的变化关系曲线，可得到液化破坏振动次数Nf（也可根据表5中震级确定），通过多组试验进行拟合得到σdc/2σa与Nf的变化曲线，从曲线上查出Nf对应的σdc/2σa。室内振动三轴试验在很多工程中已经得到运用，而且试验结果与规范的标准贯入试验的判别结果比较吻合，可以起到互相验证的作用。

3 结语

（1）根据实际工程情况，对海域工程建设场地的饱和砂土层进行液化判别也应按“两步判别”，应首先进行初判，初判为可液化时再进行复判。

（2）当进行海域工程建设场地饱和砂土层的复判时，宜采用标准贯入试验法与室内振动三轴试验抗液化剪应力判别法相结合方式进行综合评价，并且在实践中已有大量的工程采用这种方法，效果很好。

（3）对海底岩土层的上覆压力进行分析时，泥面以上水体的压力如何考虑和水深对于岩土层抗液化性能的影响等问题，至今还没有相关的研究，需要尽快开展相关研究，确保海底工程质量。

（4）随着全球强烈地震的发生逐渐增多，土木工程建设场地的地震效应评价显得越来越重要，希望本文能够再度引起业内人士共鸣，关注海底工程建设场地地震效应的研究进展。

[1]范士凯，粟怡然.砂土液化的工程地质判别法[J].资源环境与工程，2006，11：595-600.

[2]国家建委建筑科学研究院地基基础研究所.《地基基础震害调查与抗震分析》（唐山地震调查报告）[R].1978，11.

[3]林华国,贾兆宏.砂土液化判别方法研究[J].岩土工程技术,2007，4：89-93.

[4]辜明清,傅 兵.砂土液化的评价问题[J].四川水力发电.2005，8：24-28.

[5]GB50011-2001.建筑抗震设计规范（2008年版）[S].北京：中国标准出版社，2008.

[6]GB50267-1997.核电厂抗震设计规范[S].北京：中国标准出版社，1998.

[7]Seed H B，Idriss I M.Simplified Procedures for Evaluating Soil Liquefaction Patential[J].Journal of Soil Mechanics and Foundation Division，ASCE 1971.

Seismic Effect Analysis of Sand Liquefaction in Maritime Engineering Site

CHENG Zhan-yun
（Tianjin Coastal Zone Engineering CO.LTD,Tianjin 300384,China）

The evaluation of sand liquefaction has an enormous influence to engineering safety,economic efficiency and social effects.At present,there is a lack of the special regulations and requirements on the liquefaction evaluation method of the saturated sand of the seabed in the standards for investigation and seismic design.The current method of liquefaction evaluation about saturated sand is summarized.The liquefaction evaluation method and the problems which exist in liquefied soil of maritime engineering site is provided.It is a more reasonable mode to adopt a comprehensive evaluation which includes the method of standard penetration test and the method of indoor liquefaction tri-axial dynamic test in the evaluation of saturated sand of maritime project.

maritime engineering;sand liquefaction evaluation;standard penetration test;dynamic tri-axial test

P75

B

1003-2029（2010）04-0093-03

2010-06-21