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廣州地鐵砂土層液化判別論文
摘要: 在廣州地鐵工程砂土地震液化判別過程中, 考慮了地鐵結構與液化土層的相互作用。通過大量的現場實驗、室內動三軸實驗, 總結了水平場地、區(qū)間、車站土層液化分布情況和液化特點; 為了提高液化判別精度, 進一步詳細地對比和檢驗了現場和室內的判別結果, 分析了液化土層與結構的空間相對位置以及結構對液化勢的影響, 所采用的多參數和多手段的液化判別技術為合理的抗液化設計提供幫助。
關鍵詞: 廣州地鐵; 砂土; 地震液化判別
引 言
有建筑物地基的地震液化問題至今研究得很少,原因可能是沒有明確區(qū)分開場地和地基的差異, 另一方面由于建筑物的存在使得問題變得更加復雜。有建筑物存在的飽和砂土和粉土地基, 其液化情況無疑地還應與建筑物的存在情況有關, 不是能和場地液化情況等同的。特別是對重大建筑又無法避免地必須修建在可液化地基上時, 如有些地鐵的地基位于砂層中,所以必須給予足夠的重視。重點建筑物地基的液化判別及危害性分析與預測與場地不同, 應考慮上部結構存在的影響和土體與結構體的相互作用, 上部結構存在首先使地基中動、靜應力發(fā)生較大變化, 不僅正應力發(fā)生變化, 而且剪應力也發(fā)生變化, 總之, 不像場地那樣簡單。廣州地鐵二號線東部砂層地震液化判別問題是一個目前抗震規(guī)范中尚未完全解決的問題, 關鍵在于已有的抗震規(guī)范都是針對自由場地, 對于廣泛存在的有建筑物或構筑物的場地液化判別不適用 [1-8]。
1、現有液化判別方法的分析
影響液化的因素主要有土壤的松散程度、土壤介質結構、顆粒特性、側壓力系數和固結狀態(tài)、土壤的地質年代、應變歷史等等。自由場地的液化判別方法主要有 Seed 簡化法、 經驗公式法、概率與統(tǒng)計方法和土層反應分析法 [10]。 ( 1) Seed 簡化法是最早提出的自由場地液化判別方法,也是目前普遍接受的方法之一, 其判別的主要步驟為: A) 給定的最大地面加速度下的飽和砂土承受的水平地震剪應力; B) 飽和砂土單元發(fā)生液化所需的剪應力, 由試驗確定; C) 比較上述兩種剪應力的大小, 從而判別是否發(fā)生液化。對不規(guī)則的隨機剪應力可轉變?yōu)榈葍r的規(guī)則的循環(huán)剪應力, 然后再進行比較。 ( 2) 經驗法是通過地震現場災害調查建立了不少液化判別的經驗公式, 雖然比較粗略, 但簡單, 容易應用。建立在世界各地的廣泛地區(qū)的地震液化震害調查基礎上, 得出一些經驗準則與公式, 如以標貫值, 觸探值, 剪切波速、顆粒級配和圓滑度等為參量的經驗公式, 如《 建筑抗震設計規(guī)范》 ( 2001) 。 ( 3) 概率法與統(tǒng)計法, 對自由平坦場地的液化勢的判別, 有人引入了概率法、模糊評判法、灰色預測法、神經網絡法等。但由于可依據的原始樣本資料的限制, 這些方法仍處于發(fā)展階段。( 4) 分析法主要包括總應力法和有效應力法。如土層動力反應分析法、Seed 法簡單明了, 廣泛使用, 但確定 比較粗略; 經驗法、概率法都是基于震害調查, 參數單一, 公式簡明, 不確定性因素較多, 是過去多數事件的統(tǒng)計, 不適于預測將來單個事件的行為; 土層反應分析方法考慮的因素可以較多, 計算較為嚴密, 但參數選用得適當。幾種判別法的預測精度、可靠度和適用條件不同, 都存在一些不足之處。
國內幾種抗震設計規(guī)范的液化判別方法主要適合水平場地液化判別, 判別公式均是以液化震害資料為基礎建立的。除了實測標貫擊數或修正實測標貫擊數為場地液化判別指標外, 有的規(guī)范還將靜力觸探貫入阻力或相對密度作為液化判別指標。在抗震設計規(guī)范中, 增加其他判別指標是必要的, 如以剪切波速為液化判別指標。但所有的方法都有一定的局限性。
2、廣州地鐵地震液化判別研究
2.1 工程地質和巖土條件
地鐵二號線的東部的土層從上到下依次大致分為: 人工填土層、淤泥質土層、砂層、沖積-洪積土層、殘積土層、巖石全風化帶、巖石強風化帶、巖石中等風化帶、巖石微風化帶。其中, 2- 2 層淤泥質砂層, 主要為淤泥質粉砂及淤泥質細砂, 松散、稍密,局部中密, 飽和。3- 1 層海相沖積層, 主要為粗砂,其次為細砂、中砂, 松散～中密, 局部密實, 飽和。含粘粒少, 顆粒均勻, 級配差。珠江三角洲軟土的天然孔隙比為 1.64￣2.23, 珠江三角洲土壤顆粒的礦物成分主要是石英、云母, 長石, 少量綠泥石。土中大于 2 mm 的顆粒多為貝殼、腐朽木碎片等, 飽和松砂易發(fā)生液化, 輕亞黏土在足夠的地震能量作用下都易發(fā)生液化, 而淤泥和淤泥質土則不會發(fā)生液化。珠江三角洲雖然不是強震區(qū), 但地層的抗震性能較差, 1962 年河源地震的震害仍然很大, 珠江沿岸的震害與比丘陵地區(qū)明顯重, 主要原因是土壤及其不均勻性導致。珠江沿岸平原發(fā)生液化的可能性較其他地區(qū)大。
2.2 現場試驗研究
現場液化判別的方法主要是把地基先視為一般意義的水平自由場地, 當經初判為不符合不液化的場地, 當實測標貫擊數 ( 未經修正) N63.5 小于臨界值時, 應判為液化, 否則為不液化。
自由場地的液化等級, 根據液化指數分為輕微、中等和嚴重。表 2 為現場實驗結果。
2.3 室內動力實驗研究
室內液化判別研究主要依據動三軸, 但也用振動臺和離心機, 還有扭剪儀, 循環(huán)單剪儀等。對于場地和深層地基的砂土層地震液化判別主要依據動三軸實驗�？煞譃闇y定抗剪強度法和有效應力法, 荷載形式主要有等幅荷載和地震荷載。由于地震震級、持續(xù)的時間不同, 在室內動力試驗中, 采用不同等效循環(huán)的幅值和周次來模擬。本文采取有效應力的方法。
MTS 動力三軸儀, 能夠施加各種循環(huán)荷載, 等幅或非等幅荷載, 主要模擬低頻運動。在測定砂土液化時, 圍壓可以變化, 也可以模擬土樣在變幅荷載作用下的液化情形, 為此我們在二號線東部進行大量取樣, 進行系列室內試驗研究。土樣的制備主要有砂雨法、濕振法和濕搗法等, 提高飽和度的方法主要有通入二氧化碳或氮氣, 或進行反壓飽和等。實驗條件與結果見表 2、表 3。
3、液化判別綜合對比研究
可能發(fā)生液化的土層主要是 2-2 層和 3-1 層, 隨土壤種類、厚度、埋深、有無結構影響, 賦存條件的不同, 發(fā)生液化的程度和液化可能性不同, 通過現場液化和室內研究的統(tǒng)計分析, 提高判別的效率和準確性。
3.1 土壤種類的液化對比分析
為了更明確地描述和判斷液化發(fā)生的情形, 將砂土試件發(fā)生液化和不液化的數目和百分比進行對比分析。從統(tǒng)計分析表 4、表 5 中不難發(fā)現以下問題:
( 1) 從土壤種類來看, 依次液化的程度由輕到重為: 砂礫、粗砂、中砂、淤泥質粉砂和淤泥質細砂、粉砂、細砂; 從統(tǒng)計來看, 粉砂、細砂均會發(fā)生液化,大部分中等液化發(fā)生的土壤種類為粉砂、細砂。 ( 2)從地層分層來看, 2- 2 層的液化可能性和 3- 1 層砂層液化可能性均較大。液化大部分發(fā)生在兩層的過渡部分。大部分發(fā)生液化的深度為 5￣15 m, 主要液化土層主要分布的深度為 5￣15 m。從上述現場和室內的研究分析, 廣州地鐵二號線東部琶洲至赤崗間砂層在VII 度地震烈度下主要以不液化、輕微液化為主, 部分地段發(fā)生中等程度的液化, 可液化砂土層一般在15 m 以內, 但也有接近 20 m。
3.2 車站和區(qū)間液化判別的相對分析
赤崗站不會發(fā)生液化; 磨牒沙站和琶新區(qū)間主要以不液化、輕微液化為主, 個別地方發(fā)生中等液化;琶洲站以輕微液化和中等液化為主, 個別地方發(fā)生嚴重液化; 赤沙車輛段以中等液化為主。從對比分析結果來看, 實驗結果基本一致、可信。
3.3 液化分布的空間相對位置分析 [ 11]
從防災和結合工程造價來考慮, 液化范圍越具體越好。若輕微液化主要發(fā)生在地鐵結構上部或頂上, 從理論上破壞不大, 可以不考慮其加固措施。若輕微液化直接位于結構下部、斜下部分或下部分側向位置, 有側向液化的地層, 同時考慮地層的產狀,對于有較大傾斜角度的地層, 還要分析液化地層對結構的作用方向。結合結構設計和線路布置, 針對不同車站, 結構的基礎正下方、邊緣和自由場地的液化判別及液化等級, 這樣對于結構的空間和平面位置有一個較為具體的認識, 再考慮處理措施。大致見表 6。
從表 6 中不難發(fā)現: 位于結構基礎下的液化土層主要在琶洲站、應引起結構設計注意, 磨碟沙站、琶洲站、赤沙車輛段的基礎邊緣有中等液化的土層, 自由場地輕微液化為主。若埋藏較淺, 可能液化土層在區(qū)間或結構之上。若在區(qū)間或車站的結構中上部, 要分析可液化砂土層與結構的相對位置進行分析。可液化土層是否在結構底部, 同時附近是否有不均勻的砂層, 若有可液化土層坡度都應引起結構設計的注意。
4、結論
通過了大量現場實驗、系列室內動力實驗研究工作, 重點判別了二號線東部車站、區(qū)間的 2- 2 土層和3- 1 土層的液化情況, 總結液化的特征, 各研究工作之間相互比較, 相互驗證, 相互補充; 并進行判別方法的對比研究, 提高了判別精度和準確性, 分析了各車站和區(qū)間的相對液化情形, 結合車站和區(qū)間的結構設計詳細地分析液化土層相對空間位置, 多手段、多參數的判別工作有利于抗液化設計, 為重大工程液化判別和昂貴的抗液化工作提供新的思路和范例。
參考文獻
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