高地震烈度区坝基砂层的动力学特性研究

宋文搏

(陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院,陕西咸阳 712000)

高地震烈度区坝基砂层的动力学特性研究

宋文搏

(陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院,陕西咸阳 712000)

下坂地水库位于帕米尔高原腹地,具有高海拔、高地震烈度,以及古冰川及新冰川活动频繁等特点。河床覆盖层厚度达150 m,其中坝基下存在砂层,其力学性质差。工程区地震设防烈度8.5度,对坝基砂层液化可能性进行评判及处理措施等,都有很大的难度。以下坂地坝基砂层液化问题研究为例,对砂层的勘察、动力学特性的试验分析研究加以总结。

地震;砂层液化;动力学特性;工程处理

0 引言

下坂地水库位于新疆塔什库尔干河中下游,属大(2)型水利水电枢纽工程。工程地处帕米尔高原构造上相对稳定的帕米尔—西昆仑抬升块体内,地震地质背景十分复杂。工程区地震基本烈度为8度,设防烈度8.5度,坝址上游4 km的安大力塔克断裂最新活动年代在7万～8万年。塔什库尔干河谷主要由冰川剥蚀作用发展,在多次冰期与间冰期的变换中,坝址基础下堆积了厚层的冰水积砂层,这层砂层的液化问题,对大坝的安全运行十分重要。现将坝基砂层的液化问题进行分析研究,以供大家参考。

1 任务起由

对于水库坝基覆盖层中存在的18～30 m厚Q3时代的砂层透镜体,正常条件下可不进行砂层液化的评判。但因下坂水库坝基砂层厚度大,可达30余米;工程位置重要,砂层位于大坝基底;同时工程区地震烈度大(Ⅷ-Ⅸ度),震级高。考虑到工程区具有上述特点,对坝基下伏的砂层进行动力学试验及分析,及室内模拟试验研究其相应地震状况下的动力学特性则十分重要。

工程区共有33个钻孔揭示了坝基砂层埋深与厚度,并结合钻孔进行了大量孔标贯试验,孔内砂层剪切波速测试,采用超前靴钻孔取原状样进行现场密度测试、直剪试验等。室内进行颗分、渗透、相对密度、低压三轴、高压三轴试验及动三轴试验,对大坝基础范围内砂层的分布、厚度,砂层的静、动力学特性进行研究,并提出处理意见。

2 坝基砂层的成因及分布特征❶新疆下坂地水利枢纽初步设计工程地质勘察报告,2004年。

2.1 砂层成因时代、分布范围及埋藏特征

砂层分布于坝址的塔河凸岸与哈木勒提沟口交汇处的上游,是塔河冰水期的产物,砂层年龄经中国科学院第四纪地质热释光测定为2万～3万年,属上更新世晚期沉积物[1]。

砂层透镜体位于坝基冰碛层中上部,埋深18～35.4 m,厚度18～30 m,最大厚度43.70 m,其上下均为冰碛碎石、块石层,砂层在空间呈“杏仁状”展布。根据颗粒组成及结构,可分为上、中、下三个亚层。上层以中、细砂层为主,纯净、松散;中层为含砾细砂夹薄层粉砂质壤土,泥质半胶结,干态坚硬,具水平层理;下层为细砂夹粉砂,干后成块,较密实。水库蓄水后砂层将长期处于饱和状态。

2.2 砂层物理力学特性

采用竖井、钻孔超前靴环刀法以及钻孔密度测井等多种手段对砂层天然干密度测定可知,砂层干密度在1.52～1.60 g/cm3之间;砂层不均匀系数Cu=11.7、曲率系数Cc=1.9,属级配良好的不均匀砂;原位试验表明砂层平均标贯击数N63.5=16～21 n,判定属中密性砂;砂层相对密度Dr在0.5～0.64之间,属中密性砂土;同时砂层的剪切波速统计如表1,可以看出砂层动弹模量及动剪切模量随深度增加而增大。

表1 砂层波速测试成果统计表Table 1 Statistics ofwave velocity test result in sand layer

压缩性:上层砂压缩系数av1-2=0.091～0.13 MPa-1;中层砂压缩系数av1-2=0.099～0.13 MPa-1;下层砂压缩系数av1-2=0.129～0.145 MPa-1,可以看出各层砂层均属中压缩性土。砂层渗透系数K=10-3～10-2cm/s,属中等透水地层。

2.3 砂层液化的初判及复判

坝基下伏的砂层在未考虑上覆坝体盖重的条件下,首先对砂层采用时代、颗分试验成果、剪切波速等手段进行砂层液化的初步评判。后又结合标贯采用《建筑抗震设计规范》[2]对砂层液化进行复判。坝基下的砂层经初判及复判结果均表明上亚层砂层可能存在液化性问题。

3 砂层液化的动力学特性试验

因砂层复判结果显示,上亚层砂层可能存在液化问题。因此,为了对砂层液化进一步准确研究,又联合西安理工大学对砂层的动力学特性进行研究,室内模拟工程区的地震地质环境,进行了砂层的动三轴试验❶谢定义、胡再强等,下坂地坝基深埋砂层动力学特性试验报告,2003年。。试验对上、中、下三层砂层在控制干密度分别为1.50 g/cm3和1.60 g/cm3,分别施加围压200、400、600 kPa,固结应力比1.0、1.5和2.0的条件下测定动强度及其参数,孔隙水压力及动变形参数(动剪切模量Gd和阻尼λ)。根据试验结果对场地的液化可能性做出以下分析。

3.1 动孔隙水压力的变化特征

室内试验得出最大孔隙水压力ud与围压σ3c之比试验成果如表2,成果有以下特点:

(1)在固结应力比kc=1时,上层孔压比最高,比中、下层砂层差;kc>1时围压的增加对孔压比影响不大。

(2)而对于同一种土,固结应力比kc对孔压比的影响显著,即kc增大,孔压比降低。

(3)增大密度,对降低孔压比并不明显。

(4)各层土只有固结应力比kc=1时,孔压比有可能达到0.9,接近液化时的应力比条件。

(5)各层土在固结应力比kc=1时,随围压的增大,孔压比的变化由快到缓。在固结应力比kc>1时,随围压的增大,孔压比有所下降。

表2 不同试验状态下砂样破坏时的最大动孔隙水压力比(ud/σ3c)Table 2 The maximum dynamic pore water pressure ratio of sand sample destroyed in different experiential condition(ud/σ3c)

再继续对固结应力比kc=1(基本接近于土体抗液化时强度)时的动强度进行研究。试验得到的破坏振次Nf分别为10和100时破坏动应力值如表3,由表可以看出:

表3 固结应力比kc=1.0不同围压及破坏振次时各层土破坏动应力(σd)值汇总表Table 3 Summary statement of dynamic failure stress(σd)of every layer soil under the different confining pressure and number of oscillations while consolidation stress ratiokc=1.0

(1)在固结应力比kc=1时,同等围压条件下,上层所需破坏动强度略小,但各层相差不大。同一土层中影响所需破坏动强度大小的主要还是围压,随着围压的增大,所需的破坏动应力强度越来越大。

(2)干密度的提高可使土所需破坏动强度明显提高。

(3)如果对动剪应力(τd=σd/2)与围压之比研究会发现,同一密度状态下的各种围压下的动剪应力比相当接近。这样就可将同一土层中同一状态下的不同围压的破坏动应力强度基本归一化,取其平均动剪应力比。这样在ρd=1.50 g/cm3、kc=1、Nf=10次时,土层的上、中、下层的动剪应力比分别为0.221、0.245、0.224。在 ρd=1.60 g/cm3、kc=1、Nf=100次时,土层的上、中、下层的分别为0.143、0.180、0.170。这就为以后土层液化判别时的应用带来方便。

3.2 液化可能性评判

有了以上的分析,我们就可通过seed法和岩琦敏男法对坝基砂层的液化可能性进行进一步评判:

表4 seed法及岩琦敏男法计算的砂层安全系数统计分析表Table 4 Statistics of safety factor of the sand layer calculated by the method of Seed and Y.Q

(2)采用岩琦敏男法可分别求出土体的动强度R及地震应力L及安全系数,见表4。

土体的动强度:

式中:在计算R时,对上、中、下砂层的动剪应力比按有效击数N=20进行,其中的是由N=10和N=100的值采用内差法取得,其值分别为0.201、0.225、0.208。c1为侧压力修正系数,取值0.692;c2为试样固震波不规则修正系数;c3为试样扰动系数(应>1);c4为试验再固结压密影响系数(应<1),故c3c4积取1.0,其它影响系数c5取值1.0。

3.3 砂层的液化成果分析

对比两种算法所得的安全系数值,可以看出在seed法中ρd=1.50 g/cm3、kc=1、Nf=10次时,所求得上层砂7 m以上的安全系数在0.74～0.789,即上层砂7 m以上有液化的可能。而岩琦敏男法中ρd=1.50 g/cm3、kc=1、Nf=20次时,所求得上层砂7 m以上的安全系数在0.851～0.90,即上层砂7 m以上判定为有液化的可能性。

砂层动力学试验对砂层分上、中、下三层砂分析计算表明:天然场地条件下,砂层的上、中、下三层在Ⅷ(地震系数0.309,等效振次为10次和20次)-Ⅸ地震作用下,只有上层有发生地震液化的可能性。试验成果可以看出如增加干密度则可有效提高砂层抗液化能力(此处不再罗列计算),如果上层砂的干密度ρd达到1.60 g/cm3,则也可以基本上不发生液化。按现有的平均干密度1.53 g/cm3计算,液化发生在该层上部7 m左右,安全系数0.817～0.871。从大坝稳定的安全上考虑,需要对其进行加固处理。

3.4 砂层的处理建议及原则

综合室内外的各种砂层液化判定结果分析认为,动三轴试验能够较准确的模拟下坂地工程区Ⅷ-Ⅸ地震的地质环境条件,其对液化的判别较为可靠。按其结果,在现有的平均干密度1.53 g/cm3情况下分析计算,液化发生在该层上部7 m左右,需要对其进行加固处理,使干密度至少增大到1.60 g/cm3。但考虑到下列原因,可以不作专门处理:

(1)上层砂层的抗液化安全系数已在0.81以上,如果实际比计算有适当的安全储备,就有可能限制液化的发生。

(2)模拟分析计算时假定周边完全不透水,但实际上,砂层透镜体四周的冰碛层具有良好的排水条件(周围冰碛层的渗透系数为33.4 m/d,属中、强透水地层),这样,在砂土液化过程中会大大降低动孔隙水压力,提高砂层透镜体的抗液化剪应力。

(3)砂层透镜体位于坝基以下,大坝建成后,透镜体大部分将会被封闭覆盖在坝基下面20 m以上的深处,没有液化场地工作的条件。

(4)大坝修建后,大坝坝体盖重能较大提高上覆土体的有效应力,从而提高砂层的抗液化能力。

(5)试验用粉细砂干密度<1.53 g/cm3,而野外干密度测定结果表明,测定的干密度超过1.53 g/cm3的试样占73.6%,从密度和粒度上均远优于室内试验所用的粉细砂试样。

(6)室内在制样时要控制密度,采用压样法,因只模拟了原状土的密度,而未考虑原状土结构强度的有利因素。

4 结语

砂土液化的判定,按现有规范规程和常规方法尚难以得到肯定和满意的结果。在高地震烈度及地质条件复杂的地区,对砂层进行动力特性分析研究,使我们对砂层的液化问题有了进一步的把握,工程综合考虑其它有关因素,对砂层可不作专门处理,而仅在大坝上下游增加压重的办法进行工程处理,可有效增加砂层抗液化能力,确保大坝的稳定安全。

[1] GB50287—99,水利水电工程地质勘察规范[S].

[2] GBJ11—89,建筑抗震设计规范[S].

[3] 朱思哲,刘虔,等.三轴试验原理及应用技术[M].北京:中国电力出版社,2003.

(责任编辑:于继红)

Study on Dynamic Characteristics of Sand Layer in Dam Foundation in High Earthquake-intensity Area

SONGWenbo
(Shaanxi Province Institute of Water Resources and Electric Power Investigation and Design,X ianyang,Shaanxi712000)

The Xiabandi Reservoir is located at the hinterland of Pamirs,which possesses the characteristics of high altitude,high earthquake intensity and frequent activities of ancient and new glaciers.The thicknessof the river bed cover is 150 m,among them there is sand layer in dam foundation with poor mechanical properties.The seismic intensity of project area is 8.5,so it is very difficult to evaluate liquefaction possibility and take measures for the sand layer.In this paper,the sand layer liquefaction in dam foundation of the Xiabandi Reservoir had been taken as an example,investigation and dynamic characteristics of the sand layer have been summarized.

earthquake;sand layer liquefaction;dynamic characteristic;engineering treatment

TU435

A

1671-1211(2010)05-0473-04

2010-07-01;改回日期:2010-09-02

宋文搏(1974-),男,高级工程师,水文地质及工程地质专业,从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:s wb1974@163.com