天津滨海吹填场地震陷评价方法及应用研究

刘　芳，陈宇坤，何　颖，吕丽君，高武平，付占岭

(1.天津市地震局，天津 300201；2.天津城建大学，天津 300384)



天津滨海吹填场地震陷评价方法及应用研究

刘芳1，陈宇坤1，何颖2，吕丽君2，高武平1，付占岭1

(1.天津市地震局，天津 300201；2.天津城建大学，天津 300384)

摘要:震陷是导致地基失效的主要震害形式之一，选取天津滨海三个典型吹填场地，开展循环荷载下吹填土震陷特性研究，建立吹填软土震陷量计算模型；依据分层总和法提出了吹填场地震陷评价方法，并给出震陷等级划分标准，进行了吹填场地软土震陷评价方法研究。利用提出的评价方法，对天津滨海吹填场地进行了50年超越概率10%和2%地震影响下的震陷评价和分区。研究结果可为场地地基处理、土地规划和防灾减灾对策提供依据。

关键词:滨海软土，吹填土，震陷评价。

围海造陆是当今沿海国家及城市开发获取土地资源的重要措施，“天津滨海新区”被纳入国家总体战略后，加大了通过围海吹填造陆获取土地资源的力度，2010年累计填海面积312.78 km2，到2020年，滨海新区的总填海面积为425.94 km2。天津滨海吹填造陆的吹填物质有别于我国其他沿海地区吹填土，该土具有压缩性强、含水量大、颗粒细、灵敏度高、强度低等特性，属典型软土，在地震作用下极易引发地基失效，从而对工程建构筑物产生十分不利的影响[1]。

1978 年唐山7.8级地震期间，天津沿海地区普遍出现了严重的震陷现象，很多场地产生了10～30 cm的震陷[2-3]，有些甚至造成了建构筑物的倾覆和倒塌。天津滨海地区吹填土为新近人工填土，较塘沽地区的软土更易发生震陷破坏，在本地区Ⅶ～Ⅷ度地震烈度作用下，存在发生较严重震陷的条件和可能，因此需要对吹填场地震陷给予合理判别，给出震陷量及震陷危害程度，为场地地基处理、土地利用提供依据。地震作用和震陷机理的复杂性、影响因素的多样性使得土体震陷研究起始较晚，国内外及现有相关规范对于软土震陷的成因、影响因素和评判方法只给出了定性的、概略性的说明与判定，对于震陷量计算，震陷分级评价均未加以确切规定[4-5]，因此以典型的天津滨海吹填土为研究对象，通过实验研究软土震陷特性及判别方法，这对于探索解决上述问题具有重要的实践意义。

本文在对天津滨海吹填土进行循环荷载下动应变实验研究基础上，提出吹填土震陷值计算公式，给出了吹填场地震陷的判别方法及评价标准，绘制出天津滨海吹填区域震陷分区图，为天津吹填造陆地区国土资源利用、土地规划、重大工程建设和综合防灾提供科学依据。

1吹填土震陷特性实验

1.1　震陷实验简介

实验采用美国GCTS公司的空心圆柱扭剪仪，仪器采用先进的伺服加载系统实现力和位移的静态和动态加载。轴向加载可达到50 kN，围压可达到2 MPa，反压可达到2 MPa，轴向位移最大至100 mm，径向位移最大至75 mm，频率最大为20 Hz。

实验采用的试样取自天津滨海旅游区、南港工业区和临港工业区三个围海造陆场地的吹填土，其取土深度在1~5 m之间，其基本物理力学参数如表1所示。

表1　土样基本物理力学指标

表2　吹填土震陷实验方案

震陷(残余应变)的定义是指动荷载卸除土体产生的不可恢复的变形量，在动三轴实验中则表现为动应力作用前后试件的高度差与动应力作用前试件高度之比，亦即动应力卸除后土试件的不可恢复应变，定义为残余应变[6]。本实验近似取σd=0时对应的应变为残余应变εd。

在地震荷载下饱和软粘土几乎不排水，因此实验采用固结不排水剪切实验模拟，具体实验方案如表2所示。

1.2　实验结果及分析

通过天津滨海吹填土震陷实验研究，分别探讨了围压、动应力比、振动频率、静偏应力对原状土动应变的影响。实验结果分别示于图1～图3。

(1)图1为不同循环应力比的土样残余应变曲线图，图1(a)、图1 (b)、图1 (c)分别表示50 kPa、75 kPa和100 kPa的围压条件。图1中显示，残余应变随振动次数的增加而逐渐增大，动应力越大，土样所发生的残余应变就越大，土体围压增大动变形减小。相同固结条件和围压作用下，存在一个临界循环动应力比，当动应力比大于或等于临界循环动应力值时，土体动应变迅速增加达到破坏状态[9]。根据实验可得，吹填土的临界循环动应力比在0.17左右。当动应力比小于临界动应力比时，吹填土动变形属于稳定型发展，试样不会达到破坏状态；当大于临界循环应力比时，动变形属于破坏型，变形在较小的振次下急剧增加。通过临界循环应力比可估算出产生震陷的最小地震加速度值，临界循环应力比0.17对应的最大地震加速度值约为0.13 g。当地震峰值加速度小于0.13 g时，可不考虑震陷影响，以此作为震陷初步判别的条件。

图1　不同循环应力比的残余应变曲线

(2)图2为不同振动频率作用下试样的残余应变曲线图。图2中显示，随着频率的增加，相同振次下土样的残余变形逐渐减小。当频率为0.2 Hz时应变增长很快，在很小的振次下就会破坏。当频率大于0.5 Hz时在初始阶段应变增长较快，之后出现转折点，应变继续增加，但是增加的幅度变缓。当振动频率为5 Hz时，应变曲线振动初期，变形增长比较快，但很快就趋于稳定。这说明频率越小，土样变形增大越快。由此可以推断，当天津滨海吹填场地遭遇地震时，长周期地震波比短周期的地震波更易造成震陷。

图2　不同频率的残余应变曲线

(3)图3为不同静偏应力作用下的残余应变曲线图。由图3可知，在静偏应力作用下吹填土的残余应变的发展速率比静偏应力为零时快。随着静偏应力的增加，残余应变逐渐增大，变化速率加快，而且残余应变达到应变稳定的时间变长。这表明地震荷载的不规则性促使了残余应变加速累积，应考虑地震荷载不规则性对震陷的影响。

图3　不同偏应力下的残余应变曲线

2吹填土震陷公式建立

对实验数据进行整理，在一系列不同条件下的εd-N曲线中，取同一围压、固结比和频率条件下不同εd下的σd-N曲线，从上找出应变为1%、2%、3%、4%、5%的点，可以发现当应变选定时，将点绘制在横坐标为振次N，纵坐标为循环应力比σd/2σ3的双对数坐标时呈直线状。一系列应变值在双对数坐标上接近平行的直线簇。

直线方程可表示为:

(1)

式中：S1是直线簇的斜率，C1是N等于10次产生某一εd值时的动应力σd值。

以C1/σ3作为纵坐标，εd作为横坐标，绘制C1/σ3-εd曲线，在双对数坐标上是一簇直线，直线方程表示为：

C1=C2εdS2。

(2)

把式(1)、式(2)合并得到估算残余应变εd的经验表达式如下：

(3)

式中：C2、S1和S2是土壤的震陷参数，由实验确定。

按式(3)计算得到初始应变较大，不符合实际。应变曲线在双对数坐标系中，以N=10为界呈现为折线，因此拟合直线分为两段，N>10时为公式(3)，N<10时为以(1，ε1)和(10，ε10)两点所确定的直线。ε1可取平均初始应变，本文中依据实验数据取为0.006%；ε10为循环振动次数N=10对应的土体应变。

由实验数据采用上述处理方法可分别得到天津滨海新区吹填土三个场地土的震陷参数，见表3。

表3　吹填场地震陷实验参数

为了便于估算天津滨海新区吹填土在不同地震烈度下场地的震陷量，用上述三个不同场地的震陷公式求取不同地震烈度下的残余应变曲线，进行平均处理，最终建立天津吹填场地的综合震陷公式。

(4)

3吹填场地震陷评价方法

由震陷公式(4)可知，只需确定各土层的循环应力比σd/2σ3和等效循环振次N即可求得各土层动应变εdi。本文引入Seed和Idriss[7]估算地震剪应力和等效循环振次的方法确定上述参数。利用分层总和法将各土层震陷值累计求和，结果即为吹填场地的震陷量，具体步骤如下所示。

(1)根据工程勘察资料确定各软土层的分布，设hi为第i分层厚度，分层总数为n。

(2)确定各土层循环应力比Rf，首先需要确定地震引起的剪应力τd。当地面最大加速度为αmax时，土柱底部单元所受的最大地震剪应力可用下式计算[7]：

(5)

其中γdi按下式确定[10]：

γdi=1.0-0.00765z，(z≤9.15m) ；

(6)

γdi=1.174-0.267z，(9.15

(7)

(8)

σ3为固结应力，表示为：

σ3=γ′h

(9)

将式(5)和式(9)代入式(8)中，得到循环应力比Rf计算公式：

(10)

(3)确定等效循环次数N。seed根据强震记录的计算得出了不同震级对应的等效循环次数[7]，见表4。

表4　不同地震震级 对应的等效循环次数

根据我国1900年以来的152次地震资料，求得震级与烈度关系公式[11]：

M=0.66I0+0.98。

(11)

从中可以得到地震动峰值为0.10g(7度)、0.15g(7.5度)、0.20g(8度)、0.30g(8.5度)和0.40g(9度)时对应的等效振次分别为5、5、8、10和12。

(4)由式(4)求出各土层应变值εdi，利用公式：

(12)

求得吹填场地总震陷量S。

(5)依据震陷量大小提出吹填软土震陷等级划分标准。目前有关抗震规范还没有建立完备的震陷评价体系，本文结合吹填软土动力特性及规范[4-5]的相关规定，提出了吹填软土震陷等级划分标准，见表5。

表5　天津滨海吹填软土震陷等级划分标准

4天津滨海吹填场地震陷分区

天津滨海吹填区域广泛分布着软土层，主要以吹填土、淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土组成，厚度在8～15 m之间[12]，本文利用上述震陷量计算方法及评判标准对天津滨海吹填场地进行震陷评价，评价范围北至天津滨海旅游区，南至南港工业区的吹填区域。

依据地震危险性分析结果，评价区域按50年超越概率10%的地震峰值加速度值可分为0.1g、0.15 g和0.2 g三个区，按50年超越概率2%的地震峰值加速度值可分为0.2 g、0.3 g和0.4 g三个区。分别对10%(中震)和2%(大震)两种概率水平下的震陷量进行计算。

结果显示，中震影响下的震陷值在0.36～7.26 cm之间，其中0.1 g、0.15 g、0.2 g区域内震陷值分别在0.36～0.69 cm，0.96～1.7 cm，4.2～7.26 cm之间，依据表5全区可划分为轻微震陷区和不震陷区，滨海旅游区北部为轻微破坏区，其余地区为不震陷区，见图4(a)。

图4　不同超越概率震陷分区图

大震影响下的震陷值在4.2～81.7 cm之间，其中0.2 g、0.3 g、0.4 g区域内震陷值分别在4.2～7.26 cm，21.1～38.2 cm，46.9～81.7 cm之间，依据表5可划分为轻微震陷区、严重震陷区和破坏区，破坏区分布在临港工业区南部、临港产业区及滨海旅游区北部，南港工业区为轻微震陷区，其余地区为严重破坏区，见图4(b)。

据唐山地震现场调查资料，1976年唐山地震时自然地面的震陷值约为8 cm，在塘沽北塘糖果食品仓库，震后发现原与地面相平的桩头露出地表约12 cm[3]。上述地区在1976年唐山地震时烈度为Ⅷ度，与本文地震峰值加速度0.2 g时的震陷值吻合，证明本文提出的震陷评价方法是合理的。

5结论

通过一系列天津滨海吹填土循环荷载下的震陷实验，得到残余应变随动应力比、振动频率及静偏应力的变化规律，并推导出震陷计算公式。提出吹填场地震陷的判别方法和等级划分标准，对吹填场地进行了震陷区划，主要结论如下所示。

(1)震陷实验表明，残余应变随振动次数的增加而逐渐增大，动应力越大，土样所发生的残余应变就越大，土体围压增大动应变越小。随着频率的增加，相同振次下土样的残余变形逐渐减小。随着静偏应力的增加，残余应变也逐渐增大。

(2)利用三个典型吹填场地实验结果，建立吹填场地震陷公式。

(3)依据分层总和法的思路，计算出吹填场地总的震陷量，根据吹填软土震陷等级划分标准，对吹填场地震陷程度进行评价。

(4)对天津吹填场地进行震陷评价和分区，分区结果显示在50年超越概率10%地震影响时滨海旅游区北部为轻微破坏区，其余地区为不震陷区；在50年超越概率2%地震影响时，破坏区分布在临港工业区南部、临港产业区及滨海旅游区北部，南港工业区为轻微震陷区，其余地区为严重破坏区。

(5)本文提出的评价方法参数确定简单方便快捷，操作性强。给出的滨海吹填造陆地区震陷分区结果，可为天津近海域和吹填造陆地区的土地规划、产业布局和综合防灾提供科学依据。

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Evaluation Method and Application of Seismic Settlement on Dredger Fill Ground in Tianjin Binhai Area

Liu Fang1, Chen Yukun1, He Ying2, Lv Lijun2, Gao Wuping1and Fu Zhanling1

(1.EarthquakeAdministrationofTianjinMunicipality,Tianjin300201,China;

2.TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China)

Abstract:Seismic settlement is one of the earthquake damage forms of foundation failure. Based on three sites in Tianjin Binhai area, we built a seismic settlement computation model of dredger fill ground and did a research on seismic settlement of dredger fill under cyclic loading. An evaluation method of seismic settlement in dredger fill ground is established based on layer summation method and the division standard of seismic settlement grade also proposed, and we also studied the evaluation method of seismic settlement in soft soil site. According to the method, we obtained the seismic settlement of dredger fill ground in Tianjin Binhai area under the earthquake intensity with a 10% and 2% exceeding probability in the future 50 years. The results can be used as a reference in foundation treatment, land planning and earthquake disaster reduction.

Key words:Binhai area soft soil; dredger fill; evaluation of seismic settlement

作者简介：刘芳(1974-)，女，天津人，高级工程师，主要从事地震灾害防御工作.E-mail：jiliufang@qq.com

基金项目：地震科技星火计划项目(XH13002)

收稿日期：2015-07-08修回日期：2015-09-06

中图分类号：X43

文献标志码：A

文章编号：1000-811X(2016)01-0045-05

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.010