砂土液化对地铁建设运行的影响初判

郑 奕 彭瑞杰 李连营

(天津市勘察院，天津 300191)

砂土液化对地铁建设运行的影响初判

郑 奕 彭瑞杰 李连营

(天津市勘察院，天津 300191)

对地铁沿线故河道粉土液化情况及喷砂冒水情况进行了初步判别，同时对可能产生的震陷及地面沉降进行了估算，结果表明，地震产生震陷量较小，但在长期振动下可能产生的沉降较大，应引起关注。

砂土液化，地铁，震陷，沉降

随着国内各大城市地下空间的不断开发和利用，大断面、浅埋地下结构越来越多，以往震害情况表明地铁结构容易遭受地震作用的破坏，地震中饱和砂土地层的液化是造成地铁结构破坏的重要原因之一。

天津地铁5号线南段根据区域地质及现场勘察资料局部分布有厚层故河道粉土层，分布范围广、厚度大，在地震及地铁施工、运营振动条件下，可能发生液化现象，对地铁结构产生破坏。

1 现状液化分布及其土层特性

根据2008年《天津市饱和粉(砂)土液化地质灾害调查报告》，区域内有故河道分布，且存在严重液化点；在1976年唐山地震时，地铁沿线有喷砂冒水点分布，液化区域及喷冒点位置见图1。本场地抗震设防烈度为7度，属设计地震第二组，地震动峰值加速度值为0.15g[1]。根据《天津地铁5号线工程场地地震安全性评价报告》，当本场地遭遇50年超越概率10%的地震作用时，地表水平向地震峰值加速度为1.629 m/s2，特征周期Tg=0.70 s。根据已有勘察资料，以天津地铁5号线南段某区间为例。该区间埋深约3.00 m～17.00 m段为近冲积层故河道饱和粉土。根据已有地质资料，该层土属欠固结土，其物理力学指标统计及原位测试统计见表1。

表1 物理力学、原位测试指标统计表

统计项目W%rkN/m3eIpILa1-21/MPaEs1-2MPa静力触探指标锥尖阻力qc/kPa侧摩阻力fs/kPa标准贯入击数/击子样数1121101101101076464103最大值28.620.20.7910.00.660.1718.216.0最小值22.319.20.658.70.300.1010.58.0平均值25.519.70.729.60.470.1313.73515.341.8511.6标准差1.600.230.030.340.110.021.95变异系数0.0630.0120.0470.0360.2310.1510.142标准值25.7919.660.73—0.490.1313.24

区间两端进出站区段盾构结构局部穿越粉土层，中间区段液化粉土层位于盾构顶部(距离约1 m)。因此，地铁沿线分布的饱和粉土液化与否对地铁施工、运行的安全至关重要。

2 液化判定

天津地区对于液化判定多以标准贯入法为主，按GB 50011-2010建筑抗震设计规范中液化判定公式[1]：

(1)

其中，Ncr为液化判别标准贯入度锤击数临界值；N0为液化判别标准贯入度锤击数基准值，天津市区设计基本地震加速度0.15g，取N0=10；ds为饱和土标准贯入点深度,m；dw为地下水位,m；ρc为粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3；β为调整系数，天津市属设计地震第二组，取0.95。

(2)

其中，IlE为液化指数；n为在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数；Ni，Ncri分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值，当实测值大于临界值时应取临界值；di为i点所代表的土层厚度，可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标准贯入试验点深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；Wi为i土层单位土层厚度的层位影响权函数值，m-1。经计算，该区域内故河道粉土液化指数16.44～39.77，属中等～严重液化土层。

3 砂土液化喷砂冒水可能性评价

3.1 地震液化及喷砂冒水机理

饱和松散的砂(粉)土在地震、动荷载作用下，因受到强烈振动而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态，致使地基失效的作用或现象即为地震液化，砂(粉)土液化主要是在静力或动力作用下，砂土中孔隙水压力上升，如果孔隙水不能迅速排出、孔隙水压力就越来越高，而土粒所受的有效应力则相应减少。最终有效应力减至0，土粒间无应力传递，土粒失重，悬浮水中，而孔隙压力上升到等于土的最初的有效应力，此时土骨架崩溃，土粒可随水流动。饱和粉(砂)土的液化是孔隙水压力上升的结果，同时也是土体在外力(振动)作用下排出孔隙水，再次固结的过程。

饱和粉土液化机理可采用有效应力原理来解释：在循环荷载作用下饱和粉土土骨架之间的连接遭到破坏后产生体变变形，同时由于粉土的渗透性较弱，孔隙中的水不能及时排出，致使孔隙水压力不断增大，当其增长到一定程度，粉粒间的剪阻力成为0，在此过程中所含粘粒可能主要起润滑作用，这种作用越强将会使得抗液化强度越小[2]。饱和粉土的液化过程其实就是粉土结构在强烈的剪切变形下发生破坏，原先由粉土骨架承担的粒间应力，在结构被破坏后逐渐转移给孔隙水，引起孔隙水压力的增高和有效应力的降低，排水不畅时产生液化，当孔隙水压力大于上覆土压力时，出现喷砂冒水现象。需要说明的是，喷砂冒水现象只是地震作用下粉土液化的一种表现形式及判断依据，并不是所有的液化都会产生喷砂冒水现象。

3.2 饱和砂土液化、喷冒初判

场地内故河道粉土应按照不利情况确定为中等～严重液化粉土，液化指数最大达39.77，根据《工程地质手册》[3]对地基液化等级判定，该区域在地震条件下发生喷砂冒水可能性大，喷冒程度严重。

3.3 砂土液化可能产生的危害

地震中饱和粉土地层的液化是造成地铁结构破坏的重要原因之一。地铁车站、隧道等地下结构可能由于地基液化时过高的孔隙水压力而产生上浮或沉陷破坏。对于地铁车站及明挖区间，多采用刚性支护，抗弯剪能力较低，地震中比较容易发生开裂破坏，在高烈度地区甚至会导致衬砌塌方。

4 液化引起地面沉降预测

4.1 地震作用下震陷量估算

根据GB 50011-2010建筑抗震设计规范条文说明对在地震作用下粉土液化平均震陷量进行试算，公式如下[1]。

(3)

由于场地地面无附加荷载，计算时按上覆土层作为荷载进行试算。计算条件：上覆土厚度5.0m，液化粉土厚度10m，地下水水位1.0m，由于条文说明中无第二组经验系数，按8度考虑进行计算，计算结果为0.15m左右。

4.2 长期振动作用下震陷量估算

由于地震荷载为瞬时荷载，而地下铁路深度一般位于地下8m～20m左右，而其环境振动影响范围约20m。地下线的振动影响主要取决于线路的线形、埋深,尤其与敏感点的距离、运行速度关系较大。地铁隧道上方5m以内的建筑,环境振动无明显变化；5m～20m振动级衰减比较明显[4]。同时地铁运行是长期持续的，若这个振动影响到液化土层产生震陷，可能会对地表产生一定的影响。区域内故河道土属欠固结土，当考虑液化粉土在长期振动固结作用的体积变化，即液化粉土在地下铁路振动的长期作用下，排出孔隙水，进行固结引起的体积变化时，我们采取假设部分条件的方法进行了试算。

根据前文中式(3)注释，利用标准贯入击数N对粉土密实度进行估算。

式中有效上覆压力取上覆土厚度5m进行估算，有效压力约为56kPa，粉土层密实度Dr按标准贯入击数平均值计算约为63%。

根据《工程地质手册》，当按抗震设防烈度7度，即地面最大加速度0.15g，粉土密实度Dr应提高至73%，可视为不液化土[3]。按上述式(3)注释公式反推可得标准贯入击数N应不小于15.2击。依据标准贯入与孔隙比经验关系e=0.658-0.003 4 N[5]，可得到当孔隙比小于0.61时，可视为不液化土。

则液化土在固结前后的厚度变化值可按式(4)计算：

(4)

其中，ΔH为土层厚度变化值，m；H为原液化土层厚度，m；e0为原孔隙比；e1为固结完成后孔隙比。

根据本区域内勘察资料，故河道粉土层孔隙比介于0.65～0.79，平均值e1=0.74，可得到ΔH=0.063 9H。当液化粉土厚度10m时，在长期振动作用下，液化粉土固结压缩厚度变化应不大于0.64m。考虑到由于地铁施工阶段工期较短，同时有一定的补偿控制措施，而运营期间产生的振动能量总体较小，应对于估算结果进行适当的折减，按照40%～60%计算，其厚度变化可能引起的沉降约为0.26m～0.38m。

5 结语

1)区域内故河道粉土综合判定应按照不利情况确定为中等～严重液化粉土。该区段场地为中等～严重液化场地。地铁设计、施工时应充分考虑砂土液化对于地铁建设、运营产生的不利影响。2)区域内故河道粉土在地震作用下产生震陷量约0.15m，总体影响较小；在长期振动下可能引起的沉降约0.26m～0.38m，区域内故河道粉土在长期运营振动作用下可能引起的变形较大。3)地铁长期运营产生的振动可能对其影响范围内的故河道粉土产生震陷、挤密作用，从而引发地面沉降等工程问题，应引起注意。由于该仅为假设条件下估算，实际条件下地铁运行产生振动影响范围及模式、对故河道粉土的相互作用可进行进一步的专项研究。

[1]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[2] 李立云，崔 杰，景立平，等.饱和粉土振动液化分析[J].岩土力学，2005(10)：1663-1666.

[3] 工程地质手册编写组.工程地质手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[4]DB29-20-2000，岩土工程技术规范[S].

[5] 谢咏梅，刘 扬，辜小安.城市轨道交通地下线振动环境影响分析[J].都市快轨交通，2012(2)：59-62.

[6] 马良荣，赵 亮，王燕昌，等.标准贯入试验击数与砂土参数间的统计关系[J].电力勘测设计，2009(3)：5-8.

Theinfluencepreliminaryestimationofsandliquefactiontosubwayconstructionandoperation

ZHENGYiPENGRui-jieLILian-ying

(TianjinSurveyInstitute,Tianjin300191,China)

This paper made the preliminary estimation to Guhedao silt liquefaction situation and water spraying and sand emitting along the subway, and estimated the possible seismic subsidence and land subsidence, the results showed that: the seismic subsidence quantity was small generated by earthquake, but in the long term vibration may be larger settlement, should be paid more attention.

sand liquefaction, subway, seismic subsidence, subsidence

1009-6825(2014)36-0043-02

2014-10-11

郑 奕(1978- )，男，高级工程师； 彭瑞杰(1978- )，男，高级工程师； 李连营(1965- )，男，教授级高级工程师

TU441

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