德商高速公路鄄城黄河大桥桥基砂土液化综合评判

Question

如题所述

Answer 1

邢永强

（河南省国土资源科学研究院地质环境所，郑州 450053）

《隧道建设》，文章编号：1672-741X-(2006)-03-0017-04

摘要 德商高速公路鄄城黄河大桥桥位区地震活动频繁，地基饱水的粉、细砂层发育。通过场地液化势宏观和微观判别，对桥区地基进行了液化综合评判，计算了桥区地基液化指数，划分了液化等级；指出砂土液化必须采用多种方法进行综合判别，以提高液化判别的可靠性。

关键词 砂土液化 场地液化势 综合评判

1 引言

地基液化是地震所引起的显著震害之一，地震引起的砂土液化导致建筑物整体失稳等现象越来越受到人们的关注。我国1966～1976年期间先后发生的邢台、海城和唐山3次强地震事件，都伴随着大范围的地震液化，致使建筑物倒塌，造成了严重经济损失和人员伤亡。地基的抗震问题中最突出的是饱和砂土的液化，若能事先准确判别液化，就可在设计中采取适当措施加以预防；如果漏判、误判，将会给工程留下安全隐患。在烈度值较高的地区进行工程建设，液化判别是可液化地基需要解决的首要问题。

饱和砂土的地震液化是基于多种因素共同作用的一个复杂过程，其内因在于砂土质条件，如相对密度、颗粒级配、平均粒径、不均匀系数、渗透系数、塑性指数、粘粒含量、土体结构及超固结比等，即地基土质条件；外因在于动荷条件，如震级大小、幅值、频率、历时及方向等，主要指区域地震条件；媒因即催化因素，埋藏条件（包括上覆地层的排水条件、有效压力及应力历史等）、场地地形地貌、地下水作用、地基与建筑物的相互作用等，主要指场地条件。对于地震液化的评价，实质上就是对上述各种因素在给定条件下可能产生的作用进行全面的估计。本文通过场地液化势宏观判别与微观判别相结合的方法对桥位区的砂土液化进行了比较详细的综合评判，并以此为例，探讨评判中值得研究的问题和方法，以便今后能尽量合理地评价在地震作用下的饱和砂土的液化问题。

2 工程概况

拟建鄄城黄河公路大桥是一座横跨黄河的特大桥梁，地处山东省西南部鄄城县以北，位于山东、河南两省交界处，地理位置在东经115°15′～115°35′，北纬35°35′～36°00′之间，是规划建设的德（州）至商（丘）高速公路的一个重要控制工程，起点桩号K199+150，终点桩号K206+870，全长7.720km，工程投资估算总金额为9.12亿元。鄄城黄河公路大桥的建设，将成为解决拟建的德州至商丘高速公路运输的关键；对改善我国公路交通网，晋煤东运、中原油田的开发等均具有重要意义。

3 桥基场地岩土工程条件

拟建大桥桥位区（以下称评估区）位于黄河中下游，地处黄河冲积平原，属华北平原的一部分；黄河两岸为广阔的河漫滩地，地形平坦开阔，地层地貌总体变化不大，为河漫滩相二元结构。地基土主要以第四系全新统冲积低液限亚砂土为主，夹薄层低液限亚粘土和粉细砂，黄色、黄褐色、灰黄色，粘粒平均含量小于7%，软塑或流塑状，容许承载力80～110kPa。由于地下水位埋藏较浅（0.00～3.00m），上部砂性土、黏性土常处于地下水位以下，土层松散饱和、力学强度较低，工程地质条件较差，压缩性高，结构疏松不均匀，层位、层次变化大，常以互层状、薄层状及透镜体状出现；标贯击数为3～13击，底板埋深25～30m（河南省国土资源科学研究院，2005）。

4 评估区地质构造

评估区位于中国三级阶梯的中后部，区域大地构造上属中朝准地台，地处新华夏系第二沉降带东濮凹陷与鲁西隆起区菏泽断凸的交汇地带，区域地质构造较复杂。评估区处于鲁西隆起的西部边缘，处于断裂强烈活动带，较大断裂主要有：西侧为呈南北向分布的聊兰大断裂，南侧呈东西向分布的郓城断裂，东部呈南北向分布的曹县断裂，范县与鄄城交界处呈东西向分布的范梁断裂，范梁断裂沿鄄城北部伸入范县境与聊兰断裂交会，桥位北岸接该断裂呈现垂直交叉态势。其中，聊兰大断裂为本区的主要控震断裂，该断裂为新华夏系构造体系，生成时间晚、规模大，新生代乃至全新世仍有强烈活动迹象；该断裂使东西两侧菏泽断凸与东濮凹陷落差最大达7 000余m，成为东濮凹陷与鲁西隆起的主要分界断层。西部凹陷区的持续下降，沉积了巨厚的新生代地层，凹陷区与东部相对稳定的鲁西隆起之间产生强大的剪切能，在交界断层上逐渐集聚，促使断层深部撕裂和浅部滑动，成为强震源泉，形成了范县、鄄城、菏泽地震构造带。国家地震局将该地区列为地震重点监视区，对各类工程建设有较大影响。

5 地震活动概况

评估区位于华北平原地震带南端，历史上鄄城、范县及附近地区发生2.0级以上地震部分记录见表1。国家地震局通过分析华北地区历史上发生的地震，得出地震活动具有周期性的规律，活跃期之间为稳定期，其中活跃期如下：

第一活跃期：1022～1068年共46年，后接平静期140年；

第二活跃期：1209～1368年共159年，后接平静期115年；

第三活跃期：1484～1730年共246年，后接平静期84年；

第四活跃期：1815～现在（未结束）。

评估区区域新构造运动强烈，构造上处在华北第二沉降带和第三隆起带过渡带，是华北第4个地震活动期内强震的空白地段。3级以上地震发生频率为23年/次，大部分的强震都集中在断裂带交会的部位。根据本区新构造运动非常活跃的特点，推测本区地震今后仍会频繁发生。

根据国家质量技术监督局发布的GB18306—2001《中国地震动参数区划图》，评估区内地震动峰值加速度为0.20 g，评估区内地震基本烈度为Ⅷ度。

表1 鄄城、范县及附近地震部分记录一览表　Table1 The partial earthquake records in Juancheng，Fan county and nearby regions

6 场地液化势宏观判别

场地液化势宏观判别主要考虑下列3个因素：地基土质条件、区域地震条件和场地条件。

6.1 地基土质条件

（1）砂土类型：从唐山和海城地震地表喷砂的粒度分析，七度区液化砂土主要为粉、细砂及部分亚粘土，其平均粒径D₅₀介于0.021～0.170mm之间，不均匀系数U_c介于1.9～3.4之间，而粒径D₅₀小于0.005mm的粘粒含量不大于10%。评估区内粉土的粘粒（粒径小于0.005mm的颗粒）含量百分率小于7%，不均匀系数U_c介于2.0～3.6之间，具备砂土液化形成条件。

（2）砂土密实度：地震时，松散、饱水的砂土比密实状态下的砂土更易液化。因为饱和砂土受震动作用时产生的孔隙水压力与土的密度有密切的关系，土的密度越小，自由水越多，孔隙水压力就越大。因此，砂土的相对密度是判别是否产生地震液化的定性指标之一。从海城、唐山地震经验来看，砂的相对密度如大于0.55，七度区可不发生液化；由于标贯值N_63.5值越小，表示土越松，其沉降液化量也越大，所以实际工程中，砂土的相对密度一般可根据所得实际土层的标准贯入锤击数N_63.5查得相对密度。评估区内标贯击数为3～13击，砂土的相对密度在0.28～0.58之间。

6.2 区域地震条件

地震强度和历时是产生液化的一个必要条件。研究表明，在一定条件下，地震强度越大，震动历时越长，砂土越容易液化。据宏观经验，液体一般出现在地震烈度大于Ⅵ度地区；按海城、唐山和国外一些震例调查结果，一般可液化区的烈度为Ⅶ度。评估区区域新构造运动强烈，处于范县、鄄城、菏泽地震构造带内，国家地震局将该地区列为地震重点监视区；评估区内地震基本烈度为Ⅷ度，正处于可液化区的烈度值之内。

6.3 场地条件

（1）地质地貌特征：砂土液化的发生与一定的地质地貌特征有着内在联系。据唐山地震时76个液化点和15个非液化点的工程地质资料统计：砂土液化分布较多的地貌单元分别为冲积平原区，Ⅰ级阶地、河漫滩，地层时代为Q_4-新两种。国外学者Youd和Perkins的研究结果表明：饱和松散的水力冲填土差不多总会液化。评估区为全新统，位于黄河中下游，地处黄河冲积平原，由现代河床、Ⅰ级阶地及河漫滩地貌单元组成，具备容易液化的地质地貌特点。

（2）埋基深度及地下水位情况：砂土埋藏深度多数在地表30m范围内，少数大于30m，地下水埋深极浅（0.00～3.00m），根据海城、唐山地震的统计资料表明，地下水位深度3m以内地区易发生液化，因而当地下水位高于液化层层顶或较为接近时，孔隙水动水压力容易产生作用，形成足够的水压，使砂土颗粒处于悬浮状态达到完全液化。

综上所述砂土液化判别结果：评估区区域新构造运动强烈，处于地震构造带内，地震基本烈度为Ⅷ度；区内为全新统，地处黄河冲积平原，由现代河床、Ⅰ级阶地及河漫滩地貌单元组成；粘粒（粒径小于0.005mm的颗粒）含量百分率小于7%，不均匀系数U_c介于2.0～3.6之间，相对密度在0.28～0.58之间，地下水埋深极浅（0.00～3.00m），具备砂土液化形成的区域地震条件、地基土质条件以及场地条件。

7 场地液化势微观判别

有关液化判别的微观方法很多，笔者主要采用标准贯入试验法、剪切波速法和静力触探法对场地的液化势进行判别。

7.1 标准贯入试验法评判

当饱和土标准贯入锤击数（未经杆长修正）小于液化判别标准贯入锤击数临界值时，则判为液化，否则不液化。在地面以下15m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值按下式（建筑抗震设计规范GB50011—2001，2001）计算：

N_cr=N₀［0.9+0.1（d_s-d_w）］（3/ρ_c）^1/2

在地面以下15～20m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值按下式（建筑抗震设计规范GB50011—2001，2001）计算：

N_cr=N₀（2.4-0.1d_w）（3/ρ_c）^1/2

将计算结果按

计算液化等级，式中符号意义见文献：建筑抗震设计规范GB50011—2001，2001。

应用该法对场地内6个孔共28个计算点进行液化判别（表2，式中原始数据见文献：河南省交通规划勘察设计院，2005），除埋深在18～20m的4个试验点不液化外，其余各点均液化。该工程液化指数平均值为23.83，判别结果为严重液化。

表2 鄄城黄河大桥饱和砂土液化计算结果（建筑抗震设计规范法）　Table2 The result of saturated sand liquefaction at Yellow River Bridge of Juancheng（Regulations on Seismic Design of Building）

7.2 剪切波速法评判

波速法评判即依据土层剪切波速的观测数值，按下列公式（岩土工程勘察规范GB50021—2001，2002）进行计算判别：

当实测剪切波速V_s大于按下式计算的临界剪切波速时，可判别为不液化。

环境·生态·水文·岩土：理论探讨与应用实践

将计算结果按

计算液化等级，式中符号意义见文献：岩土工程勘察规范GB50021—2001，2002。

此方法仅适用于判别地下15m范围内饱和砂土和粉土的地震液化。根据现有的宏观震害调查资料，地震液化主要发生在浅层，深度超过15m的实例极少，故本方法仍有其积极的现实意义。

本次对评估区内进行剪切波速值测试的钻孔共计3个，结果见表3，液化指数平均值为31.83，判别结果为严重液化。

表3 鄄城黄河大桥剪切波速孔饱和砂土液化计算结果　Table3 The result of saturated sand liquefaction of shear wave velocity hole at Yellow River Bridge of Juancheng

7.3 静力触探法评判

静力触探法评判是当实测计算比贯入阻力P_s或实测计算锥尖阻力q_c小于液化比贯入阻力临界值P_scr或液化锥尖阻力临界值q_ccr时，应判别为液化土。参数值按下式（岩土工程勘察规范GB50021—2001，2002）确定：

P_scr=P_s0·α_w··α_u·α_p

q_ccr=q_c0·α_w·α_u·α_p

α_w=1-0.065（d_w-2）

α_u=1-0.05（d_u-2）

将计算结果按

计算液化等级，式中符号意义见文献：岩土工程勘察规范GB50021—2001，2002。

应用该法对场地内4个孔共19个计算点进行液化判别，除埋深在17～20m的两个试验点不液化外，其余各点均液化。该工程液化指数平均值为29.76，判别结果为严重液化。

8 综合评价

通过上述评判，显然可以看出，由于不同规范的要求和评判方法的不同，得出的结果存在一定的差异，但判别结果宏观相近。综合上述宏观和微观判定，评估区可产生砂土液化现象是客观的趋势，其主要液化特点：

（1）该场地在Ⅷ度地震烈度时具有液化趋势，液化程度为严重。

（2）可液化层以埋深较浅的亚砂土、细砂和粉砂夹层为主，埋深为2.0～17.0m，主要分布于现代河床和两岸上部砂类土层。

9 几点认识

（1）上述经验法都是结合地震液化的影响因素建立的公式，但考虑的范围和侧重点各不相同，对不同场地的适用程度也不同，且各种方法均有误判，因而有必要采用多种方法进行综合判别，以提高判别结果的可靠性。

（2）上覆非液化土层厚度是影响液化的主要因素，覆盖层越薄越易液化（杨健等，2003），评估区内粉土覆盖层较薄，标准贯入法仅考虑埋深，未考虑上覆地层的岩性和厚度，静力触探则很好地考虑了这一点。

（3）对土质的考虑，标贯法与波速法均是以粒度成分（粘粒含量）考虑粘粒对场地液化影响的，静力触探法则是以反映土的固有特性的I_p对场地液化影响的。因为对土体性质起决定作用的是粘土矿物颗粒含量，液塑限主要反映粘土矿物的成分和含量，而粘粒（＜0.005mm）含量仅反映土中细颗粒的含量（尹兴科等，2004）。从这一点上来说，静力触探法比标准贯入法和波速法更适用于粉土场地液化的判别。

（4）采用标准贯入试验虽然是一个比较简单且适用的现场原位测试方法，但在工程地质勘探中受到多种因素的控制：如钻进方法、标准贯入设备、操作的熟练程度和准确性等；而静探试验人为因素少，试验精度高，结果稳定。为此建议在粉土液化判别时，以静力触探方法为主，综合考虑宏观判别和标贯等方法的判别结果，将液化级别适当调整后，作为粉土液化判别的最终结果。

参考文献

中华人民共和国建设部.2001.GB50011—2001，建筑抗震设计规范.北京：中国建筑工业出版社.

中华人民共和国建设部.2002.GB50021—2001，岩土工程勘察规范.北京：中国建筑工业出版社.

河南省国土资源科学研究院.2005.鄄城黄河公路特大桥工程建设场地地质灾害危险性评估报告.郑州：河南省国土资源科学研究院.

河南省交通规划勘察设计院.2005.鄄城黄河公路大桥初步设计.郑州：河南省交通规划勘察设计院.

刘艳华，尹兴科，席满惠.2004.粘粒和粘土矿物对砂土液化影响的探讨.勘察科学技术，（3）：6～8，26.

杨健，路学忠，陈庆寿.2003.砂土液化影响因素及其判别方法.岩土工程界，6（9）：51～53.

Estimation of Sand Liquefaction about the Foundation of the Yellow River-Bridge in the Project of De-Shang Expressway in Juan County

Xing Yong-qiang

（Scientific Academy of Land and Resources of Henan，Zhengzhou 450053）

Abstract：The research region of yellow river-bridge in the project of De-Shang expressway in Juan county lies in Yellow River flooded area，where earthquakes are active frequently，and the ground developed with saturated silt and fine sand beds.Through the macro and microcosmic discriminating method，we analyses the synthetic discrimination of the foundation，and give the index and level of sand liquefaction.We also suggest that sand liquefaction must be synthetic evaluation by using many methods to improve the dependability of evaluation of liquefaction potential.

Key words：sand liquefaction；liquefaction tendency of site；synthetic discrimination