莱州湾滨海地区饱和液化砂土特征及液化评价

徐华

(山东省地质调查院，山东 济南 250013)

0 引言

地震液化已经取得了很多成果[1]，饱和砂土的液化是地基基础震害的主要原因之一[2]。如1966年的邢台地震、1975年的海城地震、1976年的唐山地震、2008年的汶川地震[3-5]及1964年美国的阿拉斯加地震[6]和2010—2011年的新西兰坎特佰雷地震序列[7]等，地震引起的砂土液化均对当地地基基础产生了严重破坏。莱州湾地区历史上曾有地震砂土液化灾害的记载，在1668年郯城8.5级地震发生时，“沿海地裂涌水”(安丘)、“涌裂黑水”(平度)、“近潍堤处开裂、北络庄平地开裂”(昌邑)、“白浪河近堤开裂”(潍县)，喷砂冒水与地裂缝分布基本一致[8]。因此，对莱州湾沿岸滨海地区饱和砂土的液化趋势进行研究及有效评估尤为重要。

1 滨海地区地貌及全新世地层特征

1.1 地貌

研究区总体地势平缓，地貌界线的地表特征不明显。该次研究采用遥感解译、地面调查、人工浅钻、工程地质钻孔等综合手段，以全新世浅部土层沉积相为依据，结合地形变化特征，将研究区划分为剥蚀平原、山前冲积平原、三角洲平原和潮坪区4个大的地貌单元(图1)。

1—三角洲下平原；2—三角洲上平原；3—潮坪；4—山前冲洪积平原；5—剥蚀平原；6—现代黄河三角洲平原图1 莱州湾滨海地区地貌分区图

剥蚀平原位于研究区东南部，地形呈舒缓起伏状，大部分地区基岩裸露。山前冲积平原位于研究区南部，地表平坦，向海方向微倾。三角洲平原位于山前冲积平原以北，是由潍河、白浪河、弥河共同塑造的[9]，以全新世平均高潮位为界，分为三角洲上平原和三角洲下平原，前者为全新世平均高潮位以上部分，顶部发育泛滥平原相沉积；后者为全新世平均高潮位与平均低潮位之间的部分，顶部未见河流相沉积[10]。潮坪区位于莱州湾西岸，全新世潮坪相沉积，大致以老弥河一线为界与三角洲平原相邻，其中小清河以北地表为黄河近代堆积，微地貌称之为现代黄河三角洲平原。

1.2 全新世地层

研究区除东南部剥蚀平原外，全新世地层广泛分布。

黑土湖组：位于全新世底部，滨海湖沼环境，层位稳定，地层厚度一般0.10～4.04m，其南部边界线与三角洲平原南部边界线基本吻合，岩性一般为暗棕色粉质黏土和黏土，局部发育泥炭。

潍北组：位于黑土湖组之上，海陆过渡相沉积，广泛发育于三角洲平原、潮坪地貌区。岩性主要为黄棕色粉砂、粉土及橄榄棕色黏性土与粉土、粉砂互层沉积。

临沂组：河流相沉积，在山前冲积平原和三角洲上平原区大面积出露。岩性主要为亮黄棕色粉质黏土、黏土夹透镜体状砂，厚度一般0.35～8.45m。

黄河组：现代黄河泛滥冲积物，广泛分布于现代黄河三角洲平原。岩性一般为亮黄棕色粉土、粉砂、粉质黏土互层沉积，厚度0.55～8.45m。

白云湖组：陆相湖沼沉积，呈面状分布于寒亭区泊子村两侧的湖积浅平洼地和潍河、弥河冲洪积扇前缘浅部。岩性以暗色粉质黏土、粉土为主，厚度一般0.5～5m。

沂河组：全新世晚期河床相沉积，分布于现代河床，与下伏潍北组或临沂组呈侵蚀不整合接触。岩性主要为黄棕色卵砾石、砾砂、中粗砂、粉细砂，厚度一般3～8m。

寒亭组：近代风成相堆积，呈不规则椭圆状，主要沿潍河发育，岩性主要为黄棕色粉细砂、中砂。

2 莱州湾滨海地区全新世饱和砂土空间分布及颗粒特征

2.1 莱州湾滨海地区全新世饱和砂土空间分布特征

潮坪区和三角洲平原区发育全新世潍北组席状分布的第Ⅰ海相层潮坪相砂体和海陆过渡相三角洲前缘砂体。砂体空间分布受全新世古地形控制，总体由西南向东北方向底板埋深逐渐变深，层厚逐渐变大(图2)。该砂体层厚大、分布广埋藏浅，易液化。

1—砂体厚度等值线(m)；2—地质剖面及编号图2 莱州湾滨海地区全新世砂体等厚线图

2.1.1 潮坪区

潍北组砂体全区分布，其底板高程一般低于-5m，顶板埋深1.7～9.0m，厚度4.35～14.65m，总体上由西南向东北方向顶板埋深逐渐变深，厚度逐渐变大，最厚处位于羊口附近(图3)。岩性以橄榄棕色和黄棕色粉土、粉砂与黏性土互层沉积为主，具水平纹理，含海相贝壳碎片，见动物潜穴和植物腐根。小清河以北潍北组之上为黄河组现代黄河三角洲沉积，底板埋深2.0～9.0m，厚度0.5～8.45m，总体厚度由南向北逐渐变大，最厚处位于潮坪区东北角。岩性以亮黄棕色粉土、粉质黏土为主，夹薄层粉砂，具水平层理，见海相贝壳、淡水螺壳碎片及植物根茎。

2.1.2 三角洲平原区

潍北组砂体全区分布，其底板高程一般低于0m，该层顶板埋深自0.5～3.9m，厚1.5～14.0m，总体上顶板埋深由南向北逐渐变浅，厚度逐渐变大，其三角洲下平原砂体厚度变化不大、绝大部分砂体厚度均在10m以上(图4)。岩性主要为亮黄棕色、黄棕色，浊黄橙色粉砂、粉土，具水平层理，含海相贝壳碎片，偶见动物潜穴和未完全腐烂的植物根茎。

1—河流相；2—近代黄河三角洲；3—滨海湖沼；4—三角洲前缘；5—潮坪；6—人工填土；7—年代地层界线图3 莱州湾西岸全新世地质剖面图(24-24＇)

1—河流相；2—湖沼相；3—三角洲前相；4—人工填土；5—年代地层界线图4 莱州湾南岸全新世地质剖面图(5-5＇)

2.2 莱州湾滨海地区全新世饱和砂土颗粒特征

大量砂土颗粒分析表明：莱州湾沿岸第Ⅰ海相层砂土颗粒多数在0.02～0.2mm，砂体粒度累积曲线呈“S”型(图5)，主要由粉土和粉砂组成，粒度分布以砂粒为主，砂粒含量40%～80%，颗粒均匀，分选性好，为不良级配土，砂土层透水性差，易发生液化。

图5 莱州湾滨海地区第Ⅰ海相层砂土粒度累积曲线

3 莱州湾滨海地区地下水位埋深现状

2015年浅层地下水位埋深图表明(图6)，莱州湾西岸地下水位埋深较浅，一般小于5m。南岸由于地下水长期超量开采致使地下水位持续下降，逐渐形成多个地下水降落漏斗，漏斗区地下水位埋深均大于10m。山东省卤水资源的开采主要集中在莱州湾南岸，开采利用的均是埋藏深度在100m以浅的卤水资源[11]，在三角洲平原卤水分布区，持续不断的大规模开采卤水矿，形成了平行于海岸线的大面积的卤水漏斗区，大致以大家洼—央子—下营一线为中心，中心水位埋深近40m左右，漏斗区面积约1090km2。

1—地下水位埋深(m)；2—地下卤水分布边界图6 浅层地下水位埋深图

4 砂土液化的评价

4.1 砂土液化的主要影响因素

已有研究表明，砂土液化与地基土地质年代、土颗粒粒径、砂土密实度、上覆非液化土层厚度、地下水位埋深、地面震动强度和地面震动的持续时间等因素有关[12-17]。地层年代越新，砂土的相对密度越小、颗粒级配越好、颗粒粒径越小、埋藏深度越浅、地下水位越浅、地震烈度越高的饱和砂土越容易液化。

4.2 砂土液化评价方法

鉴于土层液化的影响因素较多，我国规范建议采用标准贯入法、静力触探法、剪切波束法，但单一判别方法都有局限性和适用范围，宜用各种方法综合判别[18-19]。《山东半岛蓝色经济区地质环境调查评价项目》在莱州湾沿岸地区施工了大量工程地质钻孔且每个钻孔旁边亦同时施工静力触探孔。该次研究利用标准贯入试验、静力触探资料，依据《建筑抗震设计规范GB50011—2010》[20]和《铁路工程地质原位测试规程(TB10018—2003)》[21]，对莱州湾滨海地区进行现状条件下和未来地下水限采条件下砂土液化综合评价。评价原则就高不就低，无论哪种单一方法判别结果为液化，其综合评价结果均为液化。

4.2.1 初判

研究区抗震设防烈度为7°，全新世砂土可判为液化土。区内浅基础埋置深度一般2m左右，液化土特征深度为7m，除地下水位埋深大于6m的地区可不考虑液化的影响外，其他地区地面下20m范围内全新世砂土采用静力触探法和标准贯入法进一步判别。

4.2.2 静力触探法判别

区内地震动峰值加速度莱州湾南岸为0.15g、西岸为0.10g，根据铁路工程地质原位测试规程(TB10018—2003)宜使用静探方法判断砂土液化。当实测计算贯入阻力qcca小于或等于双桥静探液化临界贯入阻力qc′时，判为液化土。

液化临界贯入阻力qc′

qc′=qc0·α1·α3·α4

α1=1-0.065(dw-2)

α3=1-0.05(du-2)

式中：α1—地下水位埋深dw(m)修正系数，地面常年有水且与地下水有水力联系时，α1=1.13；α3—上覆非液化土层厚度du(m)修正系数；对于深基础，恒取α3=1；α4—黏粒含量百分比修正系数，qc0—dw=2m，du=2m，α4=1时依据规范取值。

4.2.3 标准贯入法判别

当饱和土实测锤击数小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值时，判为液化土。液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算：

式中:Ncr—液化判别标准贯入锤击数临界值；N0—液化判别标准贯入锤击数基准值；ds—饱和土标准贯入点深度(m)；dw—地下水位埋深(m)；ρc—黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3；β—调整系数，设计地震第一组取0.80，第二组取0.95，第三组取1.05。

根据《建筑抗震设计规范GB50011—2010》附录A，莱州湾南岸液化判别标准贯入锤击数基准值为10，调整系数取0.95；西岸基准值为8，调整系数取1.05。

对存在液化土的地基，按下式计算每个钻孔的液化指数，并按表1综合划分地基的液化等级。

式中:IiE—液化指数；n—在判别深度范围内每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—i点所代表的土层厚度(m)，可采用与该标贯实验点相邻的上、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—i土层单位土层厚度的层位影响权函数值(m-1)。当该层中点深度不大于5m时，应采用10，等于20m时应采用0值，5～20m时应按线性内插法取值。

表1 液化等级与液化指数的对应关系

4.3 现状条件下砂土液化评价结果

研究区共有钻孔257个，其中全新世砂体分布区189个，对全新世砂体分布区的189个钻孔进一步评价结果表明：其中100个为液化孔，占全新统砂体分布区钻孔的59%。潮坪区地下水位埋深均小于5m，区内44个钻孔，均为液化孔，全新世砂土的厚度较大，液化级别为严重、中等，是研究区现状条件下砂土液化最严重的区域。三角洲平原区中部因地下卤水开采强度大，形成了地下水降落漏斗，漏斗区大部分地区地下水位埋深大于10m,全新世砂性土基本被疏干，不具备砂土液化的条件，仅在近海岸地带、卤水开采漏斗和浅层淡水开采漏斗之间的地下水分水岭附近存在砂土液化，前者液化级别为严重、中等，后者以轻微液化为主(图7)，液化区总面积779km2，占三角洲平原区陆域面积的34.8%。

4.4 未来地下卤水限采条件下砂土液化评价

三角洲平原地下卤水漏斗区在卤水开采前水位埋深一般在2m左右，大体与目前的莱州湾西岸相同。随着漏斗规模的逐渐扩大，地下卤水将面临枯竭的局面。未来必将压缩地下卤水的开采量，莱州湾南岸地下水位将逐步回升。原先未饱和的砂土体变为饱和，有效重度降低，砂土产生液化的超孔隙水压力相应减少，当遭受同样能量的地震荷载作用时，砂土层更易产生液化变形，必然加剧砂土液化灾害。

1—严重液化；2—中等液化；3—轻微液化；4—三角洲平原边界线图7 现状条件下砂土液化评价图

4.4.1 非饱和砂土在未来饱水条件下静探阻力和标贯击数估算

饱和砂土中，地下水对标准贯入击数值有影响早已被人们所接受，我国目前尚未见有成熟的地下水校正方法[17]。静力触探试验与标准贯入试验原理一致，同样地下水对静力触探数值亦有影响。研究区三角洲平原内同一时代，相同沉积环境、相同岩性特征的同层砂体，饱水状态下，其工程地质力学性质应相同或相近[22]，因而可通过对比分析同层砂体的静探数据和标贯数据，采用数理统计方法，建立非饱和砂土对饱和砂土的静探锥尖阻力与锥尖阻力、标贯击数与标贯击数的相关关系式，求取地下水对静探锥尖阻力与标贯击数得影响值。

三角洲平原地下水漏斗区，非饱和砂土共涉及全新世三角洲平原平原海陆过度相上部砂体、中部砂体、下部砂体和全新世河流相砂体4个砂体层。统计整理上述4层砂体层各层的静探锥尖阻力与标贯数据，求取各层饱和砂土和非饱和砂土的静探锥尖阻力和标贯实测击数算术平均值(表2)。

静探锥尖阻力与标贯击数相关关系图(图8)所示：非饱和砂土和饱和砂土静探锥尖阻力与标贯击数均存在正相关关系，相关性系数均大于0.95，表明该次研究所用静探与标贯数据较为真实可靠。

表2 各工程地质层静探锥尖阻力与标贯击数统计

锥尖阻力及标贯击数相关关系图表明(图9)：非饱和砂土与饱和砂土的静探锥尖阻力与锥尖阻力、标贯击数与标贯击数均存在正相关关系，相关性极高；地下水使砂性土锥尖阻力值及标贯击数变大，其变化值见如下相关方程式：

qc(非饱和和砂土)=1.0qc(饱和砂土)+0.84R=0.99

N(非饱和砂土)=1.08N(饱和砂土)+5.7R=0.98

4.4.2 未来地下水限采条件下砂土液化评价及结果

在未来地下卤水限采条件下，预估三角洲平原区地下水位将恢复至卤水大规模开采前的2m左右。依据上述非饱和砂土在水位恢复后估算的静探和标贯数据，采用标准贯入和静力触探综合判别法再次对莱州湾滨海地区饱和砂土进行评价。

莱州湾西岸砂土液化分布没有变化。南岸三角洲平原区区内145个钻孔中134个判定为砂土液化孔，砂土液化区面积2062km2，占三角洲平原区面积的92%，其中严重、中等和轻微液化区面积分别占区内总面积的57.9%、20.6%和13.5%，其液化等级区分布由海向陆依次为严重—中等—轻微—不液化(图10)。

图8 静探锥尖阻力与标贯击数相关关系图

图9 锥尖阻力及标贯击数相关关系图

1—严重液化；2—中等液化；3—轻微液化；4—三角洲平原边界线图10 未来地下卤水限采条件下砂土液化评价图

5 砂土液化的防御措施

莱州湾滨海地区饱和砂土液化区的工程建设必须充分重视饱和砂层的液化问题，采取相应的预防措施，提高建筑物的抗震稳定性。

(1)当可液化砂土厚度较薄(<3m)、埋藏较浅(<5m)时，采用全部清除换土处理[23]。

(2)当可液化砂土厚度较大(>5m)时，可采用地基加固法，如振冲、振动加密、砂桩挤密、强夯、化学注浆等方法处理可液化地基。

(3)当不具备加固条件时，可采用桩基，桩长应穿过可液化层，桩端伸入液化层以下稳定土层中的长度(不包括桩尖部分)应按计算确定，对碎石土、砾砂、中粗砂、坚硬土应不小于0.5m，其他非岩石土层就不少于2.0m。

(4)根据建筑物类型等级，通过对建筑物的地基基础和上部结构的调整和优化，减轻砂土液化对基础和结构的影响。

6 结论

莱州湾滨海地区由东南向西北地貌单元依次为剥蚀平原、山前冲积平原、三角洲平原和潮坪区，三角洲平原和潮坪区内发育全新世席状分布的第Ⅰ海相层潮坪相砂体和海陆过渡相三角洲前缘砂体。采用数理统计方法，建立了三角洲平原区非饱和砂土对饱和砂土的静探锥尖阻力与锥尖阻力、标贯击数与标贯击数的相关关系式。砂土液化评价结果表明：现状条件下，整个潮坪区均为砂土液化区，液化级别为严重、中等。三角洲平原区砂土液化面积779km2，占三角洲平原区陆域面积的34.8%，中部地下水位漏斗区不液化。未来地下水限采条件下，三角洲平原区砂土液化区面积将达2062km2，占三角洲平原区面积的92%，其中严重、中等和轻微液化区面积分别占区内总面积的57.9%、20.6%和13.5%。根据砂土液化治理效果、经济效益分析，液化砂土厚度较薄时，采用全部清除换土处理，液化砂土厚度较大(大于5m)时，可采用地基加固法，如振冲、振动加密、砂桩挤密、强夯、化学注浆等方法处理，当不具备加固条件时，可采用桩基。