标贯试验和双桥静探试验在风电场地基液化判别中的对比分析

2021-11-29赵志祥韩建军

西北水电 2021年5期

梁海，赵志祥，杨飞，韩建军

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065；2.内蒙古察哈尔新能源有限公司，内蒙古乌兰察布 012000 )

0 前言

饱和砂土(粉土)液化是指在地震作用时间内，饱和砂土内孔隙水压力急剧增大，孔隙水压力来不及消散，全部抵消砂土颗粒接触压力(有效压力)，使砂土完全丧失抗剪强度和承载能力，从而整体形成液体状态的一种现象。液化现象往往造成地表喷砂冒水、地基不均匀沉降以及地裂等现象，从而导致建筑物沉降、倾倒甚至倒塌[1-3]。

饱和砂土或粉土主要分布于河流阶地、平原以及湖泊周边区域。该区域地形平坦开阔，风资源一般较好，是投资风电场的良好场地。但该区域一般地下水埋深浅，地基土多呈饱和状，地质条件复杂，工程地质问题突出，其中最主要的地质问题是砂土(粉土)液化问题[4-6]。

目前，国内常用的判别液化方法是标贯试验判别法和静探试验判别法。标贯试验判别法是根据GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》(2016版)。静探试验判别法国内涉及的规范较多，但大多规范没有明确液化指数的计算方法。本文根据DGJ08-37-2012《岩土工程勘察规范》和DG/TJ 08-2189-2015《上海市静探技术规程》，明确液化指数的计算方法，并以平原风电场为例，详细阐述两种液化判别方法成果的异同和原因，为同区域类似工程提供借鉴[7-8]。

1 液化判别方法原理

本文的液化判别方法是针对饱和土层在初判液化的基础上进行的复判，并确定液化指数和液化等级。

1.1 标贯试验液化判别原理

根据GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》，当饱和土标贯锤击数(未经杆长修正)小于或等于液化判别标贯锤击数临界值时，应判为液化土。在地面下20 m深度范围内，液化判别标准贯人锤击数临界值可按下式计算[9]：

(1)

式中:Ncr为液化判别标贯锤击数临界值；N0为液化判别标贯锤击数基准值，按表1取值；ds为饱和土标准贯人点深度，m；dw为地下水位埋深，m；ρc为黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时，采用3；β为调整系数，设计地震第1组取0.8，第2组取0.95，第3组取1.05。

表1 不同地震加速度下液化判别标贯锤击数基准值表

对存在液化砂土、粉土的地基，应探明各液化土层的深度和厚度，按式(2)计算每个钻孔的液化指数，并按表2综合划分地基的液化等级。

(2)

式中:IlE为液化指数；n为判别深度内每一钻孔标贯试验点的总数；Ni、Ncri分别为i点标贯试验实测值和临界值；di为i点代表土层厚度，m；Wi为i土层单位土层厚度的层位影响权函数值，m-1。

表2 液化等级与液化指数对应关系表

1.2 双桥静探试验液化判别原理

根据DGJ08-37-2012《岩土工程勘察规范》和DG/TJ 08-2189-2015《上海市静探技术规程》，当双桥探头实测锥尖阻力qc小于临界锥尖阻力qccr时,应判为可液化土[10-11]。

(3)

ρc=7.28Rf+0.58

(4)

式中:qc0为液化临界锥尖阻力基准值,MPa,取2.35 MPa；ds为静探试验点深度, m；a=1，b=0.75；dw和ρc意义同1.1节。

对存在液化土层的地基，应按公式(5)逐点计算液化强度比Fle，按公式(6)计算每个钻孔的液化指数，并按表2综合划分地基的液化等级。

(5)

(6)

式中：Flei为第i试验点的液化强度比,当Flei>1.0时,取Flei=1.0；qc为实测实测锥尖阻力(MPa)；IlE、n、di、Wi意义同1.1节。

2 风电场工程地质条件

平原风电场位于山东平原县境内，海拔约18～20 m，为冲积平原地貌，地形平缓开阔。钻探和标贯试验现场情况见图1，双桥静探试验现场情况见图2。地层岩性主要为第四系全新统冲积松散～稍密的粉土、粉砂和可塑状粉质黏土等，单层地层厚度一般3～7 m，层内富含透镜体，地层总体上呈互层状。地下水为第四系孔隙潜水，埋深为1.8～3.5 m，调查年水位变幅2 m。

图1 钻探和标贯试验现场图

图2 双桥静探试验现场图

根据GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》，场址区地震基本烈度为Ⅶ度，地基土多呈饱和状，应考虑地震液化对工程的影响。场址区地基土多以软弱饱和土为主，力学性质较差，不能采用天然地基，设计方案采用桩基础。

3 液化判别成果对比分析

本文选用具有典型地层特征的ZK8和ZK20为代表性钻孔进行2种试验方法液化判别分析，初判结果均为液化，下面根据试验成果进行液化复判和液化等级比较分析。

3.1 液化复判结果对比分析

当饱和砂土(粉土)初判认为需要进一步进行液化判别时，应按规范采用标贯试验和双桥静探试验进行液化复判计算。由于设计采用桩基础，液化判别深度为20 m。在2种方法液化复判计算中，地下水位相同，并考虑年变幅；黏粒含量ρc，标贯试验法采用土工试验指标，双桥静探试验法采用规范公式(4)计算；其他指标参照各规范。液化复判计算成果见表3。

表3 标贯试验和双桥静探试验液化复判计算结果对比表

由表3可以看出，在钻孔ZK8深度10.65 m和13.15 m处，标贯试验判定液化，双桥静探试验判定非液化，2种方法判别结果不同，其余深度2种方法判别结果一致。可以看出，2种判别方法的复判成果总体上基本一致。

3.2 液化等级对比分析

液化指数和液化等级是风电场抗液化设计的重要指标。计算液化指数和划分地基液化等级的主要目的是将预估的液化危害程度定量化以方便采取相应的抗液化措施。液化土层厚度越大，液化危害性越大；液化土层埋深越浅，危害性越大。划分液化等级的基本思路是：逐点判别液化土层深度→按孔计算液化指数→综合划分液化等级。标贯试验测试成果和双桥静探试验测试成果见图3～6，按规范计算液化指数和评价液化等级见表4。

液化指数的计算是基于液化复判后存在液化的土层，标贯试验法计算液化指数是根据公式(2)对每个钻孔分别计算，双桥静探试验法是根据公式(5)和公式(6)对每个钻孔分别计算，然后根据表2划分液化等级。

表4 标贯试验和双桥静探试验计算液化指数和划分液化等级对比表

图3 ZK8 标贯试验成果曲线图

图4 ZK20 标贯试验成果曲线图

由表4可知， ZK8标贯试验计算液化指数为18.35，双桥静探试验计算液化指数为1.48，两者液化指数计算结果差别较大，划分液化等级差别较大。ZK20标贯试验计算液化指数为4.69，双桥静探试验计算液化指数为6.77，两者液化指数计算结果差别较小，划分液化等级较接近。纵向对比：标贯试验法计算两孔液化指数相差ΔIlE=13.66，同一场址计算结果差别太大，评价液化等级也相差太大。双桥静探试验法计算两孔液化指数相差ΔIlE=5.29，同一场址计算结果差别较小，评价液化等级相差较小。从而看出标贯试验法计算液化指数差别较大，双桥静探试验法计算液化指数差别较小。

图5 ZK8双桥静探试验成果曲线图

3.3 液化指数计算差异性原因分析

根据以上对比成果及资料分析，两种试验成果判定的差异性较大。根据对现场原位测试过程进行跟踪分析，成果资料主要受场址区地层结构和人为因素影响。标贯试验是钻探过程中钻至特定土层进行的一种原位测试手段。该试验简单易行，在国内已积累了大量经验。但平原饱和土地区地层一般以稳定性较差的软弱土为主，钻探一般均采用泥浆护壁钻探方法。根据现场跟踪及资料分析，标贯试验数据影响因素主要如下：

(1) 钻探孔中砂层塌孔、软黏土缩孔等现象很常见，这些现象往往造成孔内沉渣厚度大。虽然标贯试验前多次清孔，标贯器仍旧很难放入孔底，造成标贯击数一定程度偏小，计算液化判别结果往往偏大。

(2) 塌孔和缩孔也使钻探取样质量产生一定误差，引起土工试验成果失真。

(3) 较深位置标贯试验时，钻杆倾斜、钻杆贴紧孔壁这些人为操作因素往往使标贯数据偏大，造成计算液化判别结果偏小。

图6 ZK20双桥静探试验成果曲线图

从以上因素分析，在本场区，标贯法液化判别误差较大，成果可靠性较低。

双桥静探试验则是静探探头连续压入地层，由自动记录仪记录土层随深度的贯入阻力变化情况，并以曲线的方式自动绘图。该试验方法提高了野外工作效率和勘察精度，地层结构和人为因素影响很小，液化判别误差小，成果较为可靠。双桥静探试验判别液化的黏粒含量ρc采用公式(4)计算，目的就是避免采用土工试验成果带来较大人为因素影响。通过上海地区互层状沉积地层大量土工试验成果总结出了黏粒含量ρc与摩阻比Rf的相关关系，可靠性较高。但上海地区主要为海相沉积地层，而本文风电场为黄河冲积平原冲积地层，两个地区土质类别、成因类别、密实度均有差异，公式(4)的适应性还需要大量试验总结验证和修正。