平原区土石坝可液化土地基地震液化研究

尤立委

（兰山区施庄水库管理所，山东 临沂 276036）

1 引言

中国是一个地震频发的国家，具有强度大、震源浅、分布广等特点，由地震造成的人员死亡数目占全球地震死亡人数的1/2以上。由于中国水资源分布不均，为了解决用水危机，在许多人口稠密、经济发达的平原地区都兴建了水库，在地震作用下这些水库堤坝往往会因为坝身或者坝基发生液化产生破坏性后果。液化使土体中的孔隙水压力在极短的时间内迅速加大，有效应力急剧减小，土体的抗剪强度严重削弱，最终导致地面喷砂冒水、沉降不均匀、地基失效、滑坡、土坝溃决等一系列灾害[1，2]。1976年唐山大地震、1995年日本神户大地震、2008年汶川地震、2011年日本东北地区大地震无一例外出现了大面积的砂土液化现象，致使人民群众遭受了巨大的生命财产损失[3-5]。关于饱和砂土液化问题，刘汉龙[6]等利用室外大型爆炸液化可控试验场地，对一系列饱和砂土中的单点以及多点开展微差爆炸液化试验，分析了土中孔隙水压力增加规律。陈育民[7]等开展了爆炸液化场地上堤坝变形的大规模模型试验，研究筑坝材料以及堤坝地基加固措施对液化场地上堤坝变形以及裂缝生成的影响。董金玉[8]等利用数值模拟探讨了南水北调中线工程砂土液化和变形破坏特点。魏星[9]等采用颗粒流软件PFC模拟了饱和砂土的不排水剪切循环试验，研究不同因素对饱和砂土液化的影响以及饱和砂土液化后的宏观变形规律。

笔者基于某平原水库土石坝工程，采用岩土软件Geo-slope对饱和砂土地基进行数值模拟，分析了不同上游库水位以及有无设置坝脚压重情况下坝基饱和砂土的液化规律、坝体典型节点的加速度响应以及坝坡稳定性，为类似工程提供一定的参考。

2 计算理论

进行动力分析时采用的是非线性材料模型，Geoslope中非线性材料模型计算地震过程中产生的超孔隙水压力时采用MFS孔压力模型，具体方程如下：

式中：Δu为孔隙水压力增量（kPa）；Er为回弹模量（MPa）；Δεvd为排水加载情况下产生的体积应变增量。

Geo-slope中MFS孔压力函数表达式为：

式中：γ为土体的剪应变，εvd为累积体积应变，C1，C2，C3和C4为模型常量。根据地基土试验参数，动孔压模型常数近似取相对密度为45%的结晶二氧化硅砂常数，即C1=0.8、C2=0.79、C3=0.45、C4=0.73。

3 计算模拟

3.1 计算模型

计算模型以山东某中型平原水库围坝为背景，该围坝为砂壤土均质坝，上游坡面铺设的复合土工膜以及在离上游坝脚不远处设置的混凝土防渗墙构成围坝的防渗体。上下游坡度均为1∶3，坝顶高程为15 m，地面高程为3.5 m，水库设计最高蓄水位为12.5 m、死水位为3.9 m，坝基长200 m、高50 m，围坝下游设有截渗沟。坝基土体共分为5层，根据地质勘测初步判断第1、2、3层为可液化土层，第4、5层为非液化土层。同时，为了便于观测，在坝体各处设置了数个监测点，用于监测地震作用下该点所在单元的动力响应情况。

围坝的典型地质剖面如图1所示，相应的网格剖分如图2所示。该网格图全局单元尺寸为2 m，单元类型为四边形单元和三角形单元，整个模型一共剖分3 054个点、2 932个单元。

图1 围坝典型地质剖面

图2 模型网格

3.2 材料参数

由坝址现场地质勘查以及室内土体物理试验测得坝体以及坝基各土层的物理力学参数，详见表1。

根据可研性研究报告，围坝所在库区的地震动峰值加速度为0.15 g，相应的地震烈度为Ⅶ度。采用国际上常用的EI-Centro水平方向的地震加速度时程曲线，截取地震振幅较大的前10 s作为输入波，在对地震波进行滤波以及基线校正处理的基础上将其峰值调为0.15 g，如图3所示。

表1 土层物理力学参数

图3 校正后的水平加速度时程曲线

4 计算结果及分析

4.1 未设置压重情况

图4（a）和4（b）分别为未设置压重情况下正常蓄水位和死水位下饱和砂土地基的液化区域图，图中A区域表示土体发生液化。从图4（a）可知，当上游库水位为正常蓄水位时，地震结束时刻除了大坝正下方区域外，饱和砂土层都发生了不同程度的液化：在远离上游坝脚的可液化土层发生中等面积的液化，上游坝脚附近的可液化土层也发生小范围的液化；下游坝脚下方的可液化土层以及远离下游坝脚的可液化土层发生了大面积的液化。这是由于当上游库水位处于高水位时，上游迎水面的土工膜上承受了比较大的水压力荷载，可液化土层中的饱和砂土所受的初始围压大，在地震的剧烈震动下，可液化土层中的孔隙水压力难以上升，土体不易发生液化；坝体正下方的可液化土层由于承受来自坝体自身的重力作用，孔隙水压力上升最慢，此处土体最不易发生液化；虽然上游迎水面上铺设了复合土工膜，但是在渗流的作用下，下游坝脚及远离坝脚下方的地下水位线升高，使得可液化土层的初始围压较小，土体易发生液化。

图4 无压重下不同库水位坝基液化分布

如图4（b）所示，当上游库水位为死水位时，地震结束时刻饱和砂土地基发生与图4（a）相似的液化：从上游坝脚附近到远离上游坝脚的可液化土层发生大面积的液化，而且面积比正常蓄水位情况下要大；下游坝脚以及远离下游坝脚的可液化土层也发生了大面积液化，但是面积较正常蓄水位下要小。这是因为当上游水位处于低水位时，上游迎水面的复合土工膜上基本上不承受水压力荷载，可液化土层的上覆压力大大减小，在地震震动作用下，孔隙水压力急剧上升，有效应力大幅度减小，土体极易发生液化。死水位情况下，下游坝脚以及远离坝脚的可液化土层虽然上覆压力较正常蓄水位大，但是也无法避免液化的发生。

4.2 设置压重情况

图5（a）和图5（b）分别为增加压重情况下正常蓄水位和死水位下饱和砂土地基的液化区域图。从图5（a）可以很明显地看出，增加上下游压重后，正常蓄水位下地震结束时刻上下游坝脚下方的可液化土层几乎不发生液化，其中上游坝脚处的液化区域几乎为0，下游坝脚下方只有小范围的液化区域，上下游远离坝脚的可液化土层的液化区域较无压重情况下无明显减小。从图5（b）可以看出，死水位情况下，地震结束时刻上下游坝脚下方的液化区域大大减小，上下游远离坝脚的可液化土层液化区域较无压重情况下无明显变化。

图5 有压重下不同库水位坝基液化分布

5 结论

（1）正常蓄水位下，当上下游坝坡未设置压重时，上下游坝脚处出现小范围液化，远离上下游坝脚的可液化土层出现不同程度的液化；正常蓄水位下，当上下游坝坡设置压重时，上下游坝脚处几乎不发生液化，但是远离上下游坝脚的可液化土层出现液化的范围与大小几乎与未设置压重情况下相同。死水位下，上下游坝脚无论设置压重与否，远离上下游坝脚的可液化区域都出现大面积的液化，但是设置压重后上下游坝脚处的液化区域明显减小。

（2）设置压重在一定程度上能够减轻坝基可液化土层的液化情况，但是工程实践中，对于浅层液化土体，一般要挖除液化土层，并用非液化土替换，或者在坝脚处设置挤密桩，保证工程安全。