地球物理勘查方法在四川某矿区地面液化评估中的应用

2022-10-22谭维佳

矿产与地质 2022年3期

张旭，谭维佳

(1.中建材西南勘测设计有限公司，四川成都 610052；2.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054)

0 引言

在地震中，由于地面液化造成的独立房屋的沉降和倾斜等损害屡见不鲜。地面测量是预测地面液化破坏的重要手段[1]。钻探测量或重量测深测试已被广泛用于捕捉地面状况，虽然这些测量技术可以直接测量地面情况且获得的信息准确性高，但开展这些调查工作周期长，人力消耗大[2-4]。因此，相关测量技术亟待完善与提高。

张广成[5]从面波成像的基本原理出发，总结了天然源面波的在深部结构探测以及工程勘查中的应用，并指出其在地质勘测中的应用以及针对发展前景进行分析。蔡晓光[6]对几种常用的探测方法进行评述，得出液化土层侧向大变形的研究是多方面的，问题还需深入研究。王瑞[7]建立了地面微倾斜液化地基中土体-地下结构相互作用的数值模型，分析了地基液化的分布特征，但数值模拟方法往往针对震后的破坏进行分析，并不具备一定的预测功能。王先龙[8]通过面波探测法和钻孔探测两种方法的对比试验，得出面波探测结果与钻探结果相一致，面波探测可以被广泛应用。石科[9]叙述了用微动勘探进行地下空间探测的勘探效果及其优缺点，为今后进行城市地下空间探测、开展地质调查工作提供了参考。而综合各类研究发现，物理探测调查具有良好的预见性，且准确性高，可有效降低事故发生的风险，因此当前不断得到推广。

在针对液化的评价分析与前期的研究中，李程程[10]利用获取的空间参数给出区域土壤液化的评估方法，可预估震前各地区土壤液化可能性；周新权[11]通过对大连海底隧道的研究分析，确定了各因素的风险等级，并提出相应的风险控制措施；吴凡[12]对美国地震风险灾害模型进行了综合研究，可以通过数据库对风险进行量化分析。而当前的研究中，针对砂土液化风险评估中最常见的便是利用液化安全系数系数FL及液化风险值PL进行评估[13]。

本研究重点介绍了常规地球物理测量方法中的面波测量和微震阵列测量。面波测量可以在很大范围内提供剪切波速(地面刚度)，微震阵列测量可以提供从地面到相当深度处波在阵列中的传播速度。这些测量技术可以比传统的测量技术更广泛、更快速地为液化风险评估提供重要信息。根据获得的地面信息，地面液化的风险可以很容易地进行量化分析。本次选择某露天矿山+155 m开采平台边坡为研究对象，当矿山边坡地基土发生地震液化，地基土层抗剪强度急剧丧失，进而导致边坡失稳。

1 研究方法与目标区域

1.1 面波CMP和被动线阵探测CMP-SPAC

主动面波以木锤为震源进行探测，被动线阵以微震和车辆振动为震源进行探测。在本次主动面波测量研究中，开发了一种能在数据采集后立即计算出横波速度分布的新系统，并且该系统得到广泛应用。在微震阵列测量中，地震仪一般成圆形、等边三角形或“L”形布置。研究中，采用了Kita等[12]最近提出的地震仪直线排列方法。由于震后该测量点周边属于正常区域，周围地区一般没有振动。因此，通过驾驶测量车随着测量线的布置一直进行快速来回移动。主动面波采用固定频率为4.5 Hz的速度地震仪进行测量。在3个调查区，速度地震仪间隔2 m安装一个，测量面波。被动线阵采用速度型地震检波器进行勘探，每隔5 m安装一个，频率为2 Hz。

1.2 研究目标区域

调查区域见图1，为玻璃用石英岩矿。采掘面积为15.6万m2，开采台阶有6个，最大开采边坡高度154.4 m，台阶坡面角65°～80°。本次选择+155 m开采平台边坡为研究对象，边坡高度125 m，边坡角65°。本研究对其进行了主动面波和被动线阵探测。在这些区域里，可以观察到很多房屋在地面液化的情况下受损，发生倾斜和沉降现象，因此，这些区域标记为红色区，不让人居住。

主动面波探测得到二维横波速度结构，3 h内总延伸约400 m。同时，被动阵列测量在3 h内给出了总深度为350 m的横波速度分布。

2 物理勘查结果

通过地球物理勘探技术表明，利用二维面波探测可以了解大面积区域的横波速度的二维分布。并且，被动线阵探测地表至30 m深度的横波波速分布。

图2为测区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ面波测量的结果，CMP为面波。由图2可知，在3个测区内面波均随深度的增加而不断增大；尤其在测区Ⅲ内当深度大于15 m，距离在10～70 m之间时面波出现最大值。测区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ被动线阵探测结果见图3，CMP-SPAC 为被动线性阵列。从调查结果来看，可以发现在距离地表2～4 m范围内存在一个略低于上、下两层的地面横波波速，且速度随深度的增加而增大。根据横波速度分布，地层也有轻微的倾斜。

3 液化风险评估

3.1 液化安全系数系数FL及液化风险值PL计算

砂土液化是指饱和砂土在振动作用下表现出液体性质的一种现象，能够导致建筑物的基础失稳，从而造成工程失事。在实际工程中，针对涉及砂土液化的判别问题，通过分析大量的现场试验数据及液化资料基础上总结得出利用液化安全系数系数FL及液化风险值PL值进行评估的方法。液化安全系数系数及液化风险值越小，液化风险值越低。

评估方程见式(1)和(2)：

(1)

(2)

其中，R为液化强度比，L为循环抗剪强度比，Z为离地表深度，ΔZ为土层厚度。如果FL≥1.0，则无液化风险；如果FL<1.0，则发生液化。式(1)中R的计算公式见式(3)和(4)：

R=CwRL

(3)

(4)

式中，Cw是根据地震运动特征计算的修正系数，由公式计算(5)和(6)。RL为反复三轴强度比，Na为考虑晶粒尺寸影响的N值。如果是俯冲带地震，则考虑：

Cw=1.0

(5)

而如果发生内陆地震，

(6)

然后，Na的计算公式见式(7)、(8)、(9)、(10)：

Na=C1N1+C2

(7)

(8)

(9)

(10)

式中，C1、C2为基于细颗粒含量的校正系数，N为标准贯入试验得到的冲击量，N1为N值转换为98 kPa的有效应力，σ'v为有效应力，FC为粒径在75 μm以下的细粒含量比。L的计算公式(11)：

(11)

其中，a为最大地面加速度(gal)，g是重力加速度(gal)，σv为总应力，γd为式(12)计算的折减系数。

γd=1.0-0.015ΔZ

(12)

在这项研究中，没有进行标准穿透测试，因此，N的值应根据经验公式(13)计算：

Vs=80N1/3

(13)

3.2 液化安全系数系数FL及液化风险值PL计算结果分析

为了研究地震烈度的影响，预设式(11)所示的液化强度比的最大加速度分别为220 gal和350 gal。图4a显示了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ测区在加速度为220 gal时的液化安全系数FL值。由图4a可知，FL值是呈现随深度的增加而不断减小的趋势，测区Ⅲ内的FL值与测区Ⅰ、Ⅱ相比，在同一深度或者同一距离下都整体偏高，液化的风险越低。

图4b显示了在加速度为350 gal时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ测区的FL值结果。从基于FL值的评价结果来看，不考虑预设的加速度大小，测试时当横波速度越低，液化安全系数系数越小，液化风险越高。

PL值也根据式(2)计算得出，该值的计算依据文献[14]，其表示液化破坏程度。当PL值>15时，液化损伤程度较高。另一方面，当PL值<5时，则表明其受液化损伤较低。图5a显示了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ测区以220 gal加速时PL值的结果。图5中的红线表示PL值=15，绿线表示PL值=5，黑线表示每个区域的PL值。由图5a可知，当加速度为220 gal时，测区Ⅱ的PL值相比其余两个测区都偏大，PL值均≥15，液化损伤程度较高，且PL值的变化呈现随距离的增加而先减小后增大的趋势。测区Ⅰ的PL值在0～10 m距离内会大于15，在10～170 m距离之间时，整体在5～15之间波动。测区Ⅲ的PL值随距离的增加而不断减小，在距离大于15 m以后，PL值均小于5；在距离超过70 m后，达到最小值0，其受液化损伤较低。

图5b则显示了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ测区在加速度为350 gal时的PL值的结果。测区Ⅲ在加速度为350 gal时，PL值变化的幅值最大，PL值随距离的增大而不断减小，在距离大于70 m后，PL值<5，其受液化损伤较低。测区Ⅱ的PL值相比其他两个测区整体偏大，处于30～45之间，液化损伤程度较高。测区Ⅰ的PL值处于测区Ⅰ、Ⅲ之间，随距离的增大变化趋势较为平缓，且PL值>15，液化损伤程度较高。PL值的结果表明，随着横波波速的降低，液化风险值PL偏大，液化的危险程度逐渐增大。

根据各调查区域结果的对比，图4所示的区域Ⅲ普遍存在液化程度较低的危险区。近地表横波速度对液化风险有很大影响。为了以更高的精度评估液化风险，必须在接近地面的地方进行详细的测量。例如，结合瑞典重量测声等简单测量技术进行面波测量，小型动力锥探测试[15]或螺丝刀测声[16]能更准确地判断液化风险。