【摘要】岩土工程论文帮写讨论砂土地基的抗液化复判分析方法,以某水电站厂房基础砂层的液化判别为例,对标准贯入试验击数的液化判别与简化西特法的液化判别进行了联合分析,并根据分析结论确定工程处理措施。
【关键词】砂层地基；砂土液化；简化西特法；标准贯入试验
1 概述
地震引起建筑物的损坏及地基的破坏问题受到各个国家的重视,国内外学者为防灾减灾对该课题开展了深入研究。1964年日本新泻地震和美国阿拉斯加地震后,美国伯克利地震工程研究中心(EERC)的Seed和Idriss教授(1971)提出了液化判别的“简化方法”[1]。Seed(1979)、Seed和Idriss(1982)、Seed et.al(1985)相继发表了改进方法的经典论文,使得该方法成为北美和世界上许多地区进行砂土液化判别的标准方法。Youd和Idriss(1996、1998)召集了20位著名专家组成的工作小组,依据最新的10年研究成果和资料,改进和完善Seed和Idriss的简化方法[2]。
我国通过对1966年邢台地震和1970年通海地震的震后资料研究,总结出砂土经验液化判别式,根据1975年海城地震、唐山地震和国外大地震的资料和室内液化试验的研究成果,对液化判别规定进行了修改,首次在抗震设计规范中提出液化初步判别的思想。修改后的液化判别式由粘粒含量自动调整,适用于砂土及粉土[3]。在水利水电、铁路、公路各行业颁布了适应于各自行业的抗震规范中,具体规定了砂土地基的液化判别步骤和方法。陈国兴等(1991)对已有多种流行的判别式用建立各式历史资料进行了回判分析,其判别成功率多在90%左右[4],该文献表明有必要在工程实践中用多种判别方法进行综合复判,达到提高判别结果的可靠性和准确性的目的。
本文以某水电站厂房旋喷桩地基为例,对旋喷桩处理后砂层的液化进行综合判别,依据标准贯入试验和动三轴试验的抗液化强度进行地基液化的判别,对标准贯入试验击数的液化判别与简化西特法的液化判别进行联合分析。
2 砂层液化复判方法
砂层地震液化的判别分为初判和复判两步:初判按《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-99),依据地层年代,土中粒径>5 mm颗粒的百分比含量及<0•005 mm颗粒的百分比含量、工程正常运用后的地下水位、土层的剪切波速度与土层的上限剪切波速度等因素进行判别。如该砂层初判为可能液化,则应进行复判。复判方法有两类:一类是依据现场试验的静力触探强度和标准贯入试验的击数方法;二类是依据室内实验的三轴动强度的简化西特法。本文讨论依据标准贯入试验和三轴动强度的砂土液化复判方法。该方法的优点是:标准贯入试验的击数方法为现场测试土体动强度,判别结果直观;简化西特法液化判别能考虑地面荷载,局部工程部位现场原位试验条件不具备时,该方法具有较好的适应性。
2•1 标准贯入试验击数的判别方法
根据实测标准贯入实验锤击数进行砂土液化判别[1]。依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287-99):对符合下式要求的土应判为液化土。
N63•5<Ncr(1)
式中 N63•5———工程运用时,标准贯入试验点在当时地面以下ds(m)深度处的标准贯入锤击数;
Ncr———液化判别标准贯入试验锤击数临界值。
当标准贯入试验点深度和地下水位在试验地面以下的深度不同于工程正常运用时,实测标准贯入锤击数应按下式进行校正,并应以校正后的标准贯入试验锤击数N′63•5作为复判依据。
N′63•5=N63•5(ds+0•9dw+0•7)/(d′s+0•9d′w+0•7) (2)
式中 N63•5———实测标准贯入试验锤击数;
ds、dw———工程正常运用时,标准贯入试验点、地下水位在当时地面以下的深度(m),当地面在水面以下时,dw=0;
d′s、d′w———标准贯入试验时,标准贯入点、地下水位在当时地面以下的深度(m),当地面在水面以下时,d′w=0。
液化判别标准贯入试验锤击数临界值应根据下式计算。
Ncr=No(0•9+0•1(ds-dw))(3%/ρc)1/2(3)
式中 ρc———土的粘粒颗粒含量质量百分率(%),当ρc<3%时,ρc取3%;
No———液化判别标准贯入锤击数基准值,当地震震型为远震、地震设防烈度分别为7、8度时,取8、12。
2•2 简化西特法液化判别方法
地震在土层中引起的等效循环剪应力幅值为:
τav= 0•65amaxσv0•rd/g (4)
式中 τav———循环地震剪应力幅值(MPa);
σv0———上覆土层竖向总应力;
amax———地面最大水平地震加速度;
g———重力加速度;
rd———应力折减系数。饱和砂土单元发生液化所提供的地震水平抗剪应力τl为:
τl=CrDrσ′v0(τd/σ3c)/50 (5)
式中 Cr———动三轴试验45°面上的动剪应力比水平面大的修正系数;
Dr———土层的相对密度;
(τd/σ3c)———砂层三轴动强度;
σ′v0———上覆土层竖向有效应力。
安全系数定义为水平地震抗液化应力与循环地震剪应力之比,即:
K=τl/τav(6)
式中 τav———循环地震剪应力(MPa);
τl———水平地震抗液化应力(MPa);
K———安全系数。
3 复判应用实例
3•1 砂层液化初步判别
某水电站厂房旋喷桩地基以Ⅱ层粉细砂为主,局部夹粉质壤土层或含碎(砾)石土层,层厚7~14 m,d50=0•12~0•20 mm,粘粒含量5•5%~14%,干密度1•56~1•64 g/cm3,孔隙比0•5~0•74,压缩系数0•10~0•15MP-1,为稍密至密实的中压缩性砂层,易液化。砂层液化的初步判别见表1,初判该Ⅱ层粉细砂层可能液化,需进行液化复判。
3•2 标准贯入击数判别方法的应用
厂房基础桩间土标准贯入试验砂土液化判别见表2,ZKj01、ZKj02和ZKj05等3钻孔,共计8组实测标准贯入试验资料揭示,砂层较为密实、标准贯入击数一般为14~40击,按公式(2)、(3)分别计算的修正标准贯入击数(N′63•5)、液化临界击数(Ncr),经公式(1)判别,8组标准贯入试验中有6组为可能液化、2组不液化。ZKj01~05孔的岩芯的取芯率、砂层的密实度和标准贯入资料与施工反映的情况表明,桩间土因受施工扰动及地下水影响,其密实度降低。尤其从ZKj02钻孔的标准贯入试验及钻孔岩芯反映出,砂层顶板段砂层较为松散,标准贯入试验资料与实际地质情况吻合。
厂房基础已有标准贯入试验资料表明,厂区2区和1区靠山部分液化指数ILE为4•11,厂基范围属轻微液化范畴。
3•3 简化西特法液化判别方法的应用
厂房基础经高压旋喷桩处理后,土层的原结构被破坏,土体的抗剪强度降低,尤其2区为最差。为了客观地确定桩间土的动强度,以标贯试验结果为基础对动强度进行敏感性分析,结果表明砂层顶、底板三轴动强度(τd/σ3c)=0•13,厂房出水口无压重荷载。故应分析两种最不利情况:①厂房基础最差的砂层取(τd/σ3c)=0•13,厂房荷载0•35 MPa;②厂房出水口基础较差的砂层取(τd/σ3c)=0•195,无压重荷载。
3•3•1 厂房基础的砂层液化分析
简化西特法液化敏感性分析见表3,基本条件为不计厂房荷载,土性剖面为砂层在建基面下8•57 m,厂基砂层密实度Dr与动强度关系密切,相对密度达到0•395~0•44时,该砂层在遭遇7度地震时不液化,但相对安全裕度较小。局部受施工扰动较大且地下水活跃,其相对密度和三轴动强度有一定程度降低,部分点存在液化的可能。
3•3•2 尾水渠出口的砂层液化分析
厂房基础经防液化处理后,尾水渠出口是最差地段,砂层埋深浅(1•0 m),且无上覆附加荷载,但Dr应提高到0•5~0•57,预计含砾粉砂遭遇7度地震时不会液化,但相对安全裕度较小(见图1—a),地震抗液化应力τl曲线与地震循环剪应力τav曲线分离,随埋深增加安全性也随之增加;预计该段中细砂层遭遇7度地震时为临界状态(见图1—b),τl曲线与τav曲线在0~5 m段是粘连的,液化势无安全储备,为临界状态,理论上不会出现严重液化现象。
3•3•3 工程处理方案
上述研究结果为判断经旋喷桩处理后的地基是否达到设计要求(在7度地震下不液化)、是否需进一步处理提供了理论依据。最终处理方案为:
(1)厂房基础砂层液化处理:对该砂层局部缺桩处增加钢桩,并在基础底部加20 cm的碎石垫层进行处理。其简化西特法液化分析进一步说明该处理措施是安全上必要的、经济上合理的。
(2)尾水渠出口砂层液化处理:用50 m厚的防渗墙进行围封处理,以防在地震作用下产生流滑。
4 结论
标准贯入试验击数的砂土液化判别与简化西特法液化判别相互验证,可提高判别准确度。简化西特法液化判别能考虑地面荷载,当经旋喷桩处理后砂层物理与力学形状发生了变化、局部工程部位现场原位试验条件不具备时,该方法具有较好的适应性。
上述两种判别方法的判定结论为地基是否需要进一步处理提供了理论依据,为工程的顺利建设和该水电站将来的安全运行提供了理论保证。
【参考文献】
[1] http://www.51lu
