汶川地震液化喷冒高度解析

2020-11-19王维铭凌贤长

交通科技与经济 2020年6期

王维铭，武鹤，凌贤长

（1.黑龙江工程学院土木与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150050；2.黑龙江华正交通工程监理有限责任公司，黑龙江哈尔滨150050；3.哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150090）

地震中的土体液化一直是受到关注的自然现象，土体液化会导致严重灾害［1－5］。自1964年美国Alaska和日本新泻地震以来，液化已成为地震岩土工程中的重要科学研究课题，备受重视。液化导致的主要破坏形式是侧移、震陷及喷冒裂缝等，认识液化震害现象、积累震害经验对发展液化减灾理论和抗液化措施研究起到至关重要的作用。

在我国过去的历次大地震中液化已造成了广泛的震害，因而加深对液化的认识具有理论和实践意义。地震液化最直接的表征是喷水冒砂，这也是现阶段地震现场调查判断场地液化的最主要标志。液化喷冒一般滞后于地震发生的数秒至几分钟，主要是由于孔压累计及喷出地表需要一个时间过程。液化喷冒是场地地震液化的一种自然表现，但液化喷冒在当地居民的心理上会产生一定恐惧，这在震后现场调查咨询中经常遇到，特别是在液化喷冒较严重地区。因此，对液化喷冒现象进行解释研究是一项十分亟需的课题任务。液化喷冒是一个短暂的过程，往往在震后数小时即结束，所以液化喷冒数据很难得到。液化喷冒的调查数据主要来源于当地目击者的描述，主观不确定性较大，但也能在一定程度上反映液化的规模和特征。

液化喷冒从形态上可分为侵蚀型和突发型。侵蚀型在喷冒过程中由于不受力的颗粒会在孔隙中翻腾破坏四周土颗粒的稳定，逐渐形成孔道，水头增大时孔道会向上延伸发展到地面。当孔压达到液化条件时孔道发展为喷孔，突发型喷冒往往发生在孔压迅速增长时期，最终突破上覆土层形成喷射孔道。以往关于液化喷冒高度的研究较少，是由于受到现场观察数据少的限制，所以以往主要通过实验室渗流试验来研究不同土类的液化喷冒形态和喷冒能力，探讨液化喷冒机理与形态及各种土的喷冒能力差异。试验结果表明土颗粒的大小对喷冒能力影响较大，砂砾类土的抗喷冒能力要比细粒土大；砾石、砾砂、粗砂产生喷冒时的水力梯度要比失重时的水力梯度大很多，具有较高的抗喷冒能力［6］。

2008年5 月12 日发生在我国四川省汶川县的8.0级地震是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震，地震的强度、烈度都超过了唐山大地震，造成了数以亿计的经济损失和惨重的人员伤亡。震后进行的液化调查发现，此次地震液化现象显著、特征鲜明，共发现118个液化点（带）［7－8］。液化点主要集中在德阳、成都和绵阳三个区域。通过液化调查发现此次地震中液化喷冒高度从几十厘米到十几米不等，绝大多数小于2.0m。Liu－Zeng等（2017）［9］新近发表的文章从地质学角度研究了液化喷冒高度与地震地质条件的关系，提出导致汶川地震液化喷冒较高的三种可能原因，但这些可能原因尚需要实际数据资料的验证。

由于地震液化喷冒时间比较短暂，所以液化喷冒的数据量较少，对液化喷冒高度的研究也就更少，虽然有一些理论研究，但缺少实际地震数据的检验。在汶川地震液化调查中，积累了一定数量的液化喷冒高度描述，对其中的34个液化场地进行了详细钻孔勘察，数据完备，为本文液化喷冒高度的研究提供了基础资料。

本文主要通过建立简单概化模型模拟场地液化喷冒过程，采用水力学中基本方程对液化喷冒高度进行预测，提出喷冒高度的估计式及喷冒高度预测结果实际调查数据，以解释汶川地震调查中的液化喷冒高度。

1 液化喷冒高度预测概化模型

场地地震液化是一个较为复杂的过程，将复杂的问题简单化、通过合理假设得出规律是液化研究的一种有效途径。Terzaghi曾经说过：过分的依赖复杂而精准的仪器，试图考虑每个细节，其结果可能只是确认了一个事实，而不是建立一个定律。本文将液化喷冒问题概化为圆管中的均匀流体，采用水力学基本方程之一的伯努利方程进行分析［10］。伯努利方程可表述为：对于不可压缩理想流体恒定流，其总水头c线沿流不变。从能量角度看，伯努利方程是机械能守恒定律的一种表述

式中：z为位置水头，表示单位重量液体具有的平均位能（势能）；p／ρg为单位重量液体具有的平均压能；v2／2g为流速水头，表示单位重量液体具有的平均动能。

图1给出实际液化喷冒的概化模型。地震液化时，液化喷冒起始点和喷冒最高点流线为研究点，其速度均为0，以液化层底面为基准面，且z＝0，则伯努利方程为

在液化喷冒最高点位置处的动水压力p2＝0，则可推导出喷冒高度为

地震液化时，超孔隙水压力等于上覆有效应力，即液化土体起始动水压力，则有

那么

也就是说，喷冒高度与上覆土层厚度、地下水位、液化砂层埋深等砂层埋藏条件有关，且与喷冒的沿程水头损失有关。进一步简化，假定忽略上下土层及喷冒混合物的密度与水密度差异，即

则方程（5）可简化为

若仅考虑沿程水头损失而忽略局部水头损失，由于沿程水头损失与流体流速（vL）、孔径（D）、孔壁粗糙度（或者沿程阻力系数λ）等参数有关，但在实际液化情况下这些参数基本无法确定。通过简化，假定沿程水头损失与ds相关，则有

下面来讨论η的取值。当η＝0，即没有水头损失，则有

此时的液化喷冒高度为最大，基本可认为是液化喷冒高度的上限。当液化场地dw≤ds时有

所以，液化喷冒越高则液化层埋深越大，这对于确定液化层埋深具有一定验证作用。在实际中存在水头损失，若假定孔道内流体均匀流，则沿程水头损失为

即

由于液化喷冒过程复杂，若实际计算η值几乎不可能，可通过合理简化来估算实际液化喷冒沿程中的水头损失量级。根据莫迪图无论是层流还是紊流沿程，阻力系数λ的取值范围均为10－2量级。假设喷冒高度为5m，此时地面孔口流速约为vL＝10m／s，喷孔径D＝0.3m，取沿程阻力系数λ＝0.05，计算得到η＝0.8，所以η的取值范围为10－1～100量级。因此，对实际液化喷冒高度进行估算，本文分别给出了当η为0、0.5和1.0时的结果（见图1）。

图1 场地液化喷冒概化模型

2 汶川地震液化喷冒高度分析

2.1 液化调查喷冒高度数据

喷水冒砂、侧移等表征是确定场地液化的最直接证据。喷水高度、持续时间能够在一定程度上反映液化层的深度和厚度。根据震害现场的液化调查，可整理有喷冒的液化调查数据［11－12］，包括作者的调查数据及整理Liu－Zeng（2017）发表的数据，共208例，数据统计结果如表1所示。图2给出了本次地震液化喷冒高度的统计分布图，由图2可知，大多数液化喷冒高度在2m以内，其中1～2m的场地占43%。但也出现了高喷冒的液化场地，调查中有5.8%的喷冒高度超过了5m。

表1 现场调查液化场地喷冒高度统计表

图2 汶川地震液化调查喷冒高度统计

对德阳地区绵竹祥柳村开展现场调查时，据当地目击者描述，地震时喷冒水柱高度超过了两个电线杆的高度。在成都地区都江堰永寿村和绵阳地区安县土门镇喷水高度都达到了村里的天线架高度，水柱高度均在10m以上，这种高喷冒现象在以往的地震中较少见。按照液化基本原理，初步推测应是深层土液化所导致。Liu－Zeng等（2017）从地质学角度提出了三种可能原因导致汶川地震液化喷冒较高：1）地下存在的断层或隐伏断层破裂时冲过地下高压力的承压水层，断层破裂形成破裂面至地表，高的承压水层会沿孔道冲出地表，形成高喷冒水头；2）在隐伏断层可能存在的区域出现高喷冒水头，隐伏断层存在的地震动强度被放大，液化形成高喷冒水头；3）一些局部场地条件，如软土土层放大效应、盆地边缘效应等放大了地震动强度，使液化喷冒较高。这些解释具有一定的可理解性，但尚需要证据验证。

2.2 液化喷冒高度

本文根据地震液化喷冒简单概化模型，从水力学角度对地震液化的喷冒高度给出合理估计，对汶川地震液化喷冒高度进行解释。自2008年汶川地震液化以来，作者对汶川地震的液化现象及机理解释、液化特征进行了系统研究。对汶川地震中成都平原的液化点进行了详细现场勘察、钻孔取样及测试等，其中具有液化喷冒数据的液化点如表2所示。现场数据对本文的研究提供了必要的基础资料，在汶川地震调查中共发现了上百个液化场点，但并非对所有液化点进行详细勘察，本文主要针对勘察点进行分析。

按照式（9）估算液化喷冒高度及液化土的饱和重度是一个重要参数，汶川地震发现的液化中85%为砾性土液化［13］。表2列出的34个液化测试点均属于砾性土液化场地［13］，由于没有现场液化土饱和密度数据，本文根据现有资料采用估计值。对汶川地震液化土现场取样，实验室测得的颗粒比重为Gs＝2.84，干密度为1.92～2.12g／cm3。现有实验室内制得的饱和砾性土试样重度取值为20～24kN／m3［14］。所以，本文研究中采用的液化土饱和重度估计值γ2＝25kN／m3。

按照前文的液化喷冒高度估计式（7），表2给出当η为0、0.5和1.0时的场地液化喷冒估算结果。由表2可以看出，当η＝0时，即忽略沿程水头损失，此时喷冒高度基本上是液化喷冒的上限，表中数据也显示此时预测值一般比观测值高。当η＝1.0时，即沿程水头损失等于液化层埋深，此时液化喷冒高度估计值基本上认定为喷冒高度的下限。其中，估计值为负值表示液化土体不能喷出地表，图3显示液化喷冒高度预测值和观测值的对比三维图（η＝0、0.5和1.0）。其中Hr的取值为调查液化喷冒数据，若调查数据为估计区间，取中点值。η＝1.0时，预测值高于观测值；η＝0时，预测值在观测值点的下方；η＝0.5时，液化喷冒高度估计值与观测值基本相符，但也存在一些差异较大的场地。

表2 现场勘察的液化场地特征参数及喷冒高度

图3 汶川地震液化喷冒高度观测值与预测值对比

由表2数据可知，饱和液化砂层埋深越大、地下水位越深，喷冒高度就越高。喷冒高度与可液化土层的超孔隙水压力或上覆有效应力相关，所以饱和砂层埋深、地下水位是喷冒高度直接关联的特征参数。反言之，液化喷冒高度可直接反应液化土层的埋藏特征，对现场液化层确认可起到辅助和验证作用。液化土层的判别确认需要综合多种因素和方法［19－20］，常用的 Seed 简化方法［15］是通过 CSR 和CRR的计算结果来比较确定液化土层。通过液化喷冒高度数据来间接验证液化层的埋深，即式（10）所示。

3 现场调查液化喷冒高度分析

3.1 成都市唐昌镇金星村

地震后的现场调查描述如下：农田发现大面积液化现象；目击者介绍，附近农田大面积喷水，喷冒高度为2～3m；喷出物中含黑色中砂，喷砂量约为0.5m3（见图4）。液化点的PGA估计为0.21g。

对该液化点进行了现场钻孔及CDPT和剪切波速测试，勘察与测试结果确认2.1～5.0m的松散砾性土液化（见图5），此液化点的地下水位为0.9m。按照式（7）估计喷冒高度为－0.2～2.7m，中值为0.9m，与现场目击者的描述进行比较，值偏小。

图4 唐昌镇金星村地震液化地表喷砂

图5 唐昌镇金星液化场地钻孔取样

3.2 绵竹市板桥镇板桥中学

板桥中学液化是本次地震中液化的一个典型案例，详细可见参考文献［16］。地震时，一条长约3km、宽300～500m的液化带穿过板桥学校，在板桥学校前院、主教学楼周围及操场发现了大量黄砂喷砂。该液化点PGA估计为0.37g，附近村镇的液化调查显示液化喷冒高度为2.0～2.5m（Liu－Zeng，等，2017）。图6给出地震过后中学院内液化喷冒出来的黄色砂土，此液化场地经过详细的现场勘察确定液化层为3.0～6.1m的松散砾性土层。地下水位dw＝3.0m，计算得到的液化喷冒高度为1.5～5.3m，中值为3.0m，与现场调查的2.0～2.5m液化喷冒高度基本合理。

图6 板桥镇板桥中学校地震液化喷砂

3.3 绵竹市拱星镇祥柳村

该液化点较典型，现场调查时据目击者描述：在20hm2范围内的农田出现喷砂冒水现象，并出现直径为3～4m、深1～2m的塌陷坑8处（见图7），坑边有砾石喷出，主震一两个月之后仍有新塌陷形成，此次地震中发现十余个村庄有液化导致的典型塌陷现象出现；目击者介绍地震时有水柱喷出超过两个电线杆高度，初步估计约为10m。该液化点距离北川地震断层的垂直距离约为20km［9，17］。

现场勘查数据显示，地下3.4～6.2m的饱和松散砾性土层发生液化，地下水位dw＝3.4m。根据预测模型预测出的喷冒高度为1.7～5.8m，中值为3.4m，与实际观测值存在差异。其中可能原因为：喷水高的地点水头点局部压力集中，大大高于其他地方的水压力，沿薄弱孔道向上喷出；勘察结果液化土层的判别有误差，可能存在埋深更大的液化层；目击者描述不准确，夸大了液化喷冒高度，地震时人的心理过于恐惧紧张，对事物的观察不准确，或者存在视觉上的因素，这些不确定因素都可能导致观测值之间的差异。另外一种解释为：该液化点震动强度大，地面出现裂缝，裂缝“张合”拍挤液化涌起的地下水，导致液化喷水高度较大，但对此推测尚需进一步的确认和研究。

图7 拱星镇祥柳村地震液化喷冒导致农田陷坑

3.4 绵竹市土门镇林堰村

地震后现场调查描述：发现液化现象；水沟和农田中喷砂量为2～3m，浅黄色细砂（见图8）；地震时喷冒高度1m，几分钟后停止。该液化点确定的液化层埋深为6.0～8.0m，地下水位dw＝6.0m。根据模型预测得到液化喷冒高度3.0～9.5m，中值6.0m。而实际喷冒高度观测值仅为1.0m左右，与预测值差异较大，原因可能是数据，数据来源于搜集的勘察报告，判断液化层埋深为6.0～8.0m，且地下水位为6.0m，但发生了液化，数据准确性还有待考证。现有的液化判别方法对此点判别结果均出现了误判［13，18］。所以，此场地确定的液化土层埋深或地下水位深度的准确性值得怀疑，对液化数据也需要进一步确认。

图8 土门镇林堰村地震液化导致农田喷砂

3.5 彭州市丽春镇天鹅村

地震调查液化点描述：地震冒水致村委会房屋地面开裂2cm；据目击者介绍，地震时村委会水泥地面裂缝中冒水约10cm高，没有发现冒砂（见图9）。对该液化点进行了详细的现场钻孔勘察及波速测试，图10为现场钻孔取样，该点是典型的砾性土液化场地。通过分析现场测试数据结果，确认液化砾性土层埋深为3.1～5.1m，地下水位dw＝2.4m。根据液化喷冒概化模型，预测喷冒高度为0.9～4.5m，中值为2.4m；而实际观测的喷冒高度仅为0.1m，与预测值差别较大。较大的差别是由于液化点房屋结构的影响，目击者介绍村委会房屋是一层砖混结构，地震时水泥地面裂缝处冒水约10cm，而水泥地面大大阻碍了喷冒高度，致喷冒高度变小。若没有水泥地面阻隔，喷冒高度应在1.5～2.5m。