浅海海域饱和砂土地震液化方法分析探讨

2011-02-15周玉明周世冲张家凤孙怀军刘月辉

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2011年2期

周玉明，周世冲，张家凤，孙怀军，刘月辉

(1．天津市勘察院，天津 300191;2．天津大学建筑工程学院，天津 300072)

0 引言

近年来随着海洋石油和其它矿产资源开发的迅速发展，大量海上工程设施的不断建造，海洋地基土的稳定性对海洋工程建设的影响越来越重要，同时也受到了国内外学者和工程界的高度重视。影响海洋工程地基稳定性的主要因素之一是土体的液化，海洋地基饱和砂土液化与陆地相似，就其产生机理而言，是一种剪切液化，在地震作用下当孔隙水产生的动水压力超过上覆土层有效压力时，即顶破上覆土层而冲出海底表面，此时具有一定压力的水携带着大量土颗粒喷冒出海底面而发生喷砂冒水现象，这种现象往往造成海底表面塌陷、地裂滑移、地基不均匀沉陷，引起建筑物或构筑物的沉降、倾斜、结构地基基础破坏，危及建( 构) 筑物的正常使用与安全。震害调查与经验表明，砂土液化产生地基失稳是导致工程结构破坏的主要原因之一，海底土体液化是影响海洋工程地基和基础稳定性的主要因素，因此对海底土体进行液化分析是十分必要的。

运用比较成熟的标准贯入试验和抗液化剪应力经验法对辽东某海域砂土在地震作用下的液化可能性进行了综合评价，并对7 度，8 度地震作用下砂土的液化情况进行了分析，发现对海域海底浅表层砂土采用《建筑抗震设计规范》( GB50011)2001 版与2010 版标准贯入试验法判别液化临界击数差别较大的规律，为工程避免和减少地震中带来的危害提出一些分析和建议，可为类似项目的工程勘察和地基基础设计提供参考。

1 液化判别方法

现有液化判别方法可分为两种类型，第一种类型是基于地震后现场液化调查资料，经过分析研究建立起来的经验液化判别方法，该方法要求有足够数量的液化调查资料，其中包括砂土或粉土层的埋藏条件、地震动水平、砂土或粉土的抗液化能力的定量描述等。第二种类型是基于液化试验和地震反应分析的液化判别方法，这种判别方法需要很复杂的计算分析，主要应用于有特殊要求的大型建筑物和土工结构物地基中砂土或粉土的液化判别，因其专门研究时间长、成本高、计算分析复杂，除特殊工程要求外，一般不采用该判别方法。对于地震活动区的浅海海域，当存在可液化土层时可采用陆地上的液化判别分析方法，本文仅对第一种类型目前常用的标准贯入试验法、抗液化剪应力法进行介绍。

1．1 标准贯入试验液化判别方法

我国规范中标准贯入试验判别法均属于经验法，是将饱和砂土或粉土实际标准贯入击数N 与临界标准贯入击数Ncr对比的方法来判别饱和砂土或粉土是否液化，即N ≤Ncr时应判别为液化土，否则不液化。《建筑抗震设计规范》( GB50011)［1］2001 版推荐的原判别公式规定为在地面下15 m 深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr值为

式中，N0为液化判别标准贯入锤击数基准值，对设计地震分组为第一组，地震烈度7 度，设计基本地震加速度0．10g 时取6，地震烈度8 度，设计基本地震加速度0．20g 时取10; ds为饱和土标准贯入试验点深度( m) ; dw为地下水位深度( m) ; ρc为粘粒含量百分率，当ρc小于3 或为砂土时均采用ρc= 3 。

《建筑抗震设计规范》( GB50011)［2］2010 版推荐的新液化判别公式为

式中，β 为调整系数，设计地震第一组取0．80，其它符号含义同式(1) ，其中N0取值为设计基本地震加速度0．10g 时取7，0．20g 时取12。

1．2 抗液化剪应力法

在海洋土体液化评价中，目前广泛使用的抗液化剪应力法是Seed 简化判别法，该方法的实质是将砂土中由地震作用产生的剪应力与砂土产生液化所需的剪应力( 即相应动力作用下砂土的抗剪强度) 进行比较，地震产生的剪应力大于砂土产生液化所需剪应力时判断为液化。本方法根据地下某一深度砂土层的实际应力状态，计算出能够引起该砂土层液化的剪应力，即按经验公式或通过动三轴试验确定的砂土层抗液化剪应力τd，将其与地震作用时产生的等效平均剪应力τe进行比较，如果τd≤τe可将砂土判定为液化，否则为不液化。

地震等效平均剪应力τe计算式为［3］τe=其中，γd为应力折减系数，取值见表1; αmax为地震作用下地面峰值加速度，当抗震设防烈度为7、8 度时，αmax分别取0．10g(0．15g) 、0．20g(0．30g) ，g 为重力加速度; σv为砂土层在深度h 处上覆土层竖向总压力，σv= ∑γihi，γi，hi分别为计算砂土单元之上第i 层土重度和厚度。

表1 应力折减系数取值表

使砂土产生液化所需要的剪应力，即抗液化剪应力为τd=其中，Cv为应力校正系数，取值见表2; σv′为地震前砂土单元在深度处上覆土层自重有效压力，分别为第i 层土的有效重度和厚度;化应力比，当砂土平均粒径d50为0．40、0．30、0．20、0．10、0．07 mm 时，相对于7 级地震等效应力循环次数为砂土的相对密实度Dr等于50%时与指定的等价作用次数相应的液Ne为10，液化应力比分别取0．26、0．25、0．24、0．22、0．21，相对于8 级地震等效应力循环次数Ne为30 时，液化应力比分别取0．23、0．22、0．21、0．18、0．18。

表2 应力校正系数取值

当工程有特殊要求时可由动三轴试验直接测定与实际相对密实度Dr和等效应力循环次数N 相应的液化应力比，这时砂土抗液化剪应力为。其中，为相对密实度Dr的砂土在等效应力循环次数N 时的室内动三轴试验的液化应力比。

在海洋砂土液化评价分析中，目前广泛采用Seed 简化法，该方法能够简单地确定地震剪应力和饱和砂土的抗液化剪应τe力，当地震剪应力大于砂土的抗液化剪应力τd时属于可能液化，概念清晰，同时该方法能够综合考虑地震烈度、震级、上覆土应力及剪应力随深度的变化等多种因素的影响，适用性较强，现已成为国内外应用最广泛的方法之一。

2 实例工程简介

为了进一步说明浅海海域饱和砂土地震液化分析的确定方法，选取辽东湾北部某油田典型场地进行分析，该场地位于地震烈度7 度区，设计地震基本加速度0．10g，属设计地震分组第一组，在四个海洋平台和海底管线及电缆路由区实施的48 个标准贯入试验孔中，筛选出8 个具有代表性的测试试验孔资料进行饱和砂土的液化分析，钻孔重新统一编号为Y1 ～Y8。地基土分布概况为:海底面以下埋深15．0 m 范围内地基土分为四层;第一层为粉砂层，埋深0 ～3．5 m，局部表层分布有淤泥及淤泥质粘土透镜体;第二层为粉质粘土，埋深在2．5 ～4．0 m 段，厚度有一定的变化，分布不连续，呈透镜体状;第三层为粉砂层，埋深在3．5 ～12．5 m 段;第四层为粉质粘土，埋深在12．5 m 以下。

3 液化层判定及判别结果分析

利用上述介绍的判别方法对选出的8 个钻孔进行液化判别分析，判别结果分别列于表3 ～表6 中。图1、图2 是设计地震第一组7 度( 0．10g) 、8 度( 0．20g) 条件下，采用《建筑抗震设计规范》( GB50011)2001 版原判别公式和新判别公式计算液化临界值的比较图。液化计算时地下水位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 公式计算时N0分别取6、10，采用GB5011—2010 公式计算时N0分别取7、12;剪应力计算时地面峰值加速度amax7 度时取0．10g，8 度时取0．20g。

表3 标准贯入试验法液化判别结果

表4 砂土抗液化剪应力τd 计算结果

表5 地震作用产生剪应力τ 计算结果

表6 新旧规范液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr 比较

图1 液化临界击数差值对比曲线

图2 液化临界击数比值对比曲线

从表6、图1 和图2 可以看出，设计地震第一组7 度时，埋深小于2．5 m，Ncr1- Ncr2≈1 ～2 击，Ncr1/Ncr2= 1．1 ～1．6; 埋深4 ～12 m 时Ncr1- Ncr2= -0．1 ～0．5 击，Ncr1/Ncr2= 0．99 ～1．04 ≈1．0; 说明对埋深2．5 m 以上采用新公式进行液化判别较原公式偏于不安全，较原公式判定的液化临界值Ncr下降了10% ～40%;埋深4．0 m 以下液化判别结果与原公式几乎相等。设计地震第一组8 度时，埋深3．0 m以上Ncr1- Ncr2≈1 ～3．6 击，Ncr1/Ncr2= 1．1 ～1．6; 埋深4 ～12 m 时，Ncr1- Ncr2= - 0．1 ～0．3 击，Ncr1/Ncr2= 0．96 ～1．02 ≈1．0; 说明对埋深3．0 m 以上采用新公式进行液化判别较原公式偏于不安全，较原公式判定的液化临界值Ncr也下降了10% ～40%;埋深4．0 m 以下液化判定结果与原公式判别结果相近。因实际的地震液化调查结果表明，上覆土层对下部土层液化有抑制作用，且随深度增加，抑制作用增大，砂土埋深到一定深度后，即不发生液化。国内外几次大地震液化资料分析结果表明，液化土层主要集中在埋深0 ～8 m 间［4］，液化较严重的多发生在浅部土层，海洋工程海底浅表层多有砂土或粉土沉积，因此当场地位于第一地震组，烈度7 度加速度0．10g 或8 度加速度0．20g 时浅部埋深4．0 m 以上有砂土分布的类似浅海工程，为提高抗震安全度对于砂土的液化判别，建议采用《建筑抗震设计规范》( GB50011)2001 版推荐的原液化判别式进行判别，其判别结果是偏于安全的，尤其对海底浅表层砂土的液化判别结果的安全度明显大于新规范的液化判别结果。

若采用《建筑抗震设计规范》( GB50011)2010 版推荐的新液化判别式进行判别，对于浅层砂土应考虑采用多种方法( 如抗液化剪应力法、静力触探法等) 进行综合判定分析，才可能更符合实际情况。使用标准贯入法和抗液化剪应力法判别浅海砂土液化的效果均较好，采用标准贯入试验法时推荐采用《建筑抗震设计规范》( GB50011)2001 版中提出的液化判别公式，同时结合抗液化剪应力法进行判别，以提高对液化点和非液化点判别的成功率。有条件时尽量进行动三轴试验判别液化，虽因不易取得Ⅰ级不扰动土样、试验周期长、费用高等原因限制了该方法的推广，但该方法在国外仍得到了广泛的应用，是一种值得推广利用的方法。