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地基土液化概述——地基基础设计交流,深度好文

359 2020-10-24 09:49:52


1、引言

研究砂土液化的原因,探讨砂土液化的影响因素,对于地基抗震设计有着重要的作用。从工程设计的现点考虑,需要解决的问题首先是正确判别砂土能否液化,其次用有效措施預防液化或减轻液化引起的震害。

工程设计需要的判别方法应该包括:(1)估计液化的可能性;(2)估计液化的范围;(3)估计液化的后果。

根据现有的对地震和液化机理的认识,对某一特定砂层能否液化的判别只能是近似的估计,特别是对接近临界条件的砂层,很可能出现误判。因此,通常将这种判别称为 “液化可能性的估计”或“液化势的估计”。目前所有的分析方法和经验公式都具有这种性质,其差别只是误判的概率有所不同。

2、判别方法的发展

研究砂土液化判别方法,通常遇到四个问題:采用什么指标?如何确定临界线?从什么途径取得资料?判别那些内容?判别方法的发展实际上都是围绕这些问题进行的。

(1)关于判别指标

选用何种判别指标,与考虑哪些影响因素有密切关系。通常需要确定采用什么指标表示地震动的强弱程度;采用什么指标表示砂的抗液化能力。在我国一直是用烈度(I)表示地震动的强弱,这主要是因为我国只有很少的强震记录,而大量的震害描述资料都是与烈度联系起来的,同时我国的抗震设计也是按烈度计算和设防的。烈度是度量地震动强烈程度的综合指标,它比较直观,无需任何仪器即可评定。当用纯经验的方法建立液化判别式时,根据不同烈度总结的经验,用于相应烈度的抗震设计,这种途径比较简单,就全部事例而言也相当可靠。在国外多用地面最大加速度(amax)表示地震动大小,这是因为他们有较多的地震记录。采用地面最大加速度可以直接估算地震应力,在室内也便于模拟。当缺少地面最大加速度时,可根据震级、震中和衰减关系估算它。与根据烈度换算的加速度相比,其误差可能会小一些,但是烈度和地面最大加速度都没有反映震动次数的影响,故近来开始考虑震级(M)影响,以补充采用加速度单一指标的不足。最近,有人用地震释放的能量(E)来表示地震动的强度,得到较好的判别砂土液化经验关系。

除上述表示地震动的指标以外,多年来用得较多的是地震剪应力(τ),它是根据最大地面加速度估算的,优点是考虑了地震动随深度的变化。另外,室内试验证明,应力比(τvv为有效覆盖压力)是控制液化的主要因素,因而采用τv作为表示地震动和静应力状态的综合指标,其优点在于:第一,概括了影响液化的主要因素,例如:砂的埋深、地下水位、覆盖层的厚度、地面最大加速度(或烈度)、震级、震中距等。第二,可以全面而灵活地考虑地震动的特性,例如:估算地震产生的剪应力时,既可以通过烈度一加速度—剪应力的途径,也可以通过震级—震中距一加速度一剪应力的途径。第三,该应力比不仅可表示外力的作用,也可以表示土的抗液化性能。尽管剪应力的大小不同,有效法向应力的大小改变,但只要它们的比值不变,则抗液化强度也基本保持不变。正是由于这一特点,目前室内试验研究,通常都用剪应力比表示土的抗液化性能。在地震现场,也可估算地震剪应力比,液化场地的地震剪应力比的下限和未液化场地剪应力比的上限,就是由现场资料确定的土的抗液化强度。这样,由于采用比值τv作为判别指标,把现场资料和室内试验资料勾通了。

少数研究者不采用剪应力而选用剪应变(γ)表示地震动大小,它的特点是剪应变有明显的阀限,即γ小于某一数值,例如10-3时任何土均不会液化;其次是扰动、应力集中等对液化剪应力很敏感,但对液化剪应变的影响却小得多。它的缺点是由于非线性影响剪应变不容易准确估算。

用什么指标表示土的抗液化性能呢?这是一个尚未圆满解决的问题,困难在于水下松砂很难取出不受扰动的样品,无法选用一个现场和室内都有效的指标。最初采用相对密度(Dr)表示土的抗液化性能,经过多年实践,发现它有两个缺点:Dr很难测准;Dr相同的砂,其抗液化性能不相同。为此,越来越多的研究者改用标准贯入击数(N),它能反映相对密度,有效覆盖压力和土的结构影响,试验设备和试验方法比较简单,更重要的是大多数地爲现场勘测资枓就是用N值表示土的密实度。所以尽管标准贯入试验的设备和操作方法还存在许多不标准之处。如测量的数据枏当离散,却仍获得广泛的应用。为了便于对不同深度测定的N值迸行比较,近来改用修正标准贯入击数(N1),也就是把不同有效覆盖压力下测得的N值,根据试验确定的N-σv关系谓整到σv=1吨/英尺2(≈1公斤/厘米2)时的N1值,经过这种修正以后,不同地下水位,不同埋深的资料可以很方便地绘在同一图上。最近几年开始研究用静力触探(Pc)和剪切波速(Vs)作为表征砂的液化性能指标,但所得的资枓还不够充分。在一些比较详细的分析中,用孔隙水压力(u)作为砂的液化性状指标。但在很多情况下,砂层中的孔隙水压力的增长和消散过程不易估计,因此这种用孔压值来判别液化的方法尚未普遍应用。此外,还有用膨胀角和电特性系数来描述土的液化特征的,不过这种方法都处于开始研究阶段,离实际应用还有相当远的臣离。

用多指标(例如Mτ)代替单指标(例如Iamax)。用沿深度变化的指标代替地表面的指标来表示地震动影响,是一种发展倾向,用标准贯入击数(NN1)表示土的抗液化性能仍是一种主要向。

   (2)关于临界线的确定

无论用什么判别指标,都要确定区分液化和不液化的临界线,确定临界线的方法有两种:一是用直观的方法划定;另一是用概率理论的方法确定。直观划线的方法含有人为的任意性,其结果因人而异,不够精确。但少数特殊事例的结果对临界线的确定无影响,如果考虑到现有知识和经验水平只能确定一个临界带,而不是一条临界线,则采用直观的划界方法也是满足实际要求的。根据概率理论确定分界线,没有人为的因素,从数学上考虑是比较准确的,而且对不同重要性的场地可给出不同的临界线,毎一临界线都有明确的可靠率。但应该注意到从液化現场和未液化现场取得的资料,其可靠程度是不相等的,因为拫据地表有喷砂冒水现象确定的液化场地通常是可靠的,而根据地表无喷砂冒水现象确定的未液化场地有时是靠不住的,因为较深的砂层液化不一定会喷到地面。将这些可靠性不同的(甚至有明显矛盾的)资料放在一起判别分析,其结果也未必符合实际。另外,判别分析一般只能确定判别式中各项的系数,而判别式的形式主要还是靠经验确定的。目前,采用直观划界方法的较多,今后随着资料增多可采用概率理论确定临界线。

(3)关于资料基础

确定临界线的资料,大多数来自地震现场的震害考察和场地勘测。有时把这种根据现场资料确定的判别方法称为基于经验的方法。经验方法是基本的方法,在七十年代,各国研究者所提出的方法大多是基于经验的方法。我国的规范和我国有关单位所研究的方法,绝大多数都是经验方法。目前和今后相当长的时期内,经验方法仍是很重要的。

随着室内试验技术和电子计算技术的发展,在室内模拟地震作用试验测定土的动力性能的工作,得到迅速的发展,估算土层中的地震应力的能力也大大提髙,因此提出了基于地震反应分析和模拟试验的所谓理论方法。这种理论方法对于研究某些因素的影响,弥补现场资料的不足,有着重要作用。

单靠现场宏观资料来制定设计规范常常感到资料不足,例如,如何考虑震级的影响,如何估计深埋土层的液化势就属于这种情况。单靠理论分析和室内试验来制定设计规范,目前还有很多困难,理论分析的假设,模似试验的条件都与现场实际情况有一定的差别,必须作一些修正,而这种修正需要判断,判断的基础就是现场经验。

(4)关于判别内容

    在1975年海城地震以前,我国规范和研究工作提出的判别方法,都是针对砂层能否液化的。只是在海城地震考察中才大量地发现地基液化不一定使上部结构破坏。大约从那时开始研究土层液化的后果,在这种研究中要考虑液化区的发展和基础的特征。由于土层中液化区的范围由排水条件和地震动持续时间有关;而土层液化对上部结构的影响又与液化层的位置、厚度、基础的型式和埋深有关。这些方面的资料至今仍很缺乏。目前已开展的工作是计算液化指数,划分地基液化等级,按等级采取抗震措施。

    就判别内容而言,从单纯地判别能否液化,发展到估计液化范围和液化对上部结构的影响,这是合乎实际要求的发展趋势。纵观上述发展趋势,拟在这次规范修改时实现下列几点:

    ①总结现场经验,提出初步判别准则,使一部分地基无需作专门研究即可排除液化的可能性。

    ②考虑震级的影响和地震动随深度的变化;根据现场资料,同时也参考室内研究成果划定临界线。

    ③划分地基液化等级,对不同的液化等级提出相应的设防措施。

3、实际应用

    以上所述液化判别方法的发展,有的比较成熟,有的则只是初步探讨。如何在实际应用中,特别是在制定和修改设计规范时,及时地反映可靠的研究成果,也并非一件容易办到的事。下面就修改我国抗震规范砂土液化判别式提出一些看法。

   (1)现有规范判别式的优缺点

    我国《工业与民用建筑抗震规范》用下列公式判别砂土液化是否发生

         

       (1)

式中:

N0——地表附近(ds≈3米,ds0≈2米)砂土发生液化的临界标准贯入击数,地表烈度为  

      7、8和9度时分别为6、10和16;

as——砂的埋深影响系数,取为0.125;

as0——地下水位影响系数,取为-0.05;

ds0——地下水位(米);

ds——砂的埋深(米)。

    当现场实测的平均贯入击数及大于由式(1)计算的临界贯入击数N时,判为不会液化;反之,则判为发生液化。

式(1)的N0值是根据我国1971年以前的6次大地震的资料确定的,方括号中的系数是根据西特教授的简化方法估算的:

式(1)试用以后,发生了1975年海城地震和1976年唐山地震,这两次强震为检查式(1)的可靠性提供了宝贵的资料。

检查结果表明,成功判别率超过80%,结果基本上是满意的。

式(1)的缺点在于:

①只利用了现场的资料,未考虑室内研究成果,因而未将震级等重要因素考虑在内;

②式(1)为直线形式,虽然简单方便,但用于深层砂土是否可行,缺乏论证。

③不适用于轻亚粘土。

(2)原始资料的收集和筛选

    修改我国抗震规范的砂土液化判别式,主要依靠地震现场的勘察资料,但也要参考室内模拟试验的结果,地震现场资料以我国近年的强震为主,但必须补充国外的资料。某12次强震的资料尽管非常详细,在震源特性和土壤特性方面都存在严重的局限性,因此仅根据12次强震资料确定的临界值是否适用于其他地震是有待验证的。为此,我们尽量收集了国内外的资料:国内部分有8次大震,174个场地,其中液化场地101个,无明显液化迹象的场地73个;国外部分有17次强震,67个场地,其中液化场地52个,无明显液化迹象场地15个。

    现将这些资料之中位于液化与未液化边缘处的资料挑选出来,共计20次强地震,67个场地,其中液化场地40个,无明显液液化迹象场地27个,作为建立或检验判别方法的基础资料,但限于篇幅这里就不一一列举了。这些资料当然是可贵的,但它们也存在下列主要缺点:

    ①标准贯入试验的设备和操作方法不尽相同,不仅各国的试验条件不一致,即使国内各单位的操作方法也有差别,而且这类差别目前还无法修正,因为对试验条件缺乏详细的描述。

    ②最大地面加速度少数是实测的,大多数是估算的;而估算的方法也有差别,例如国外是根据震级、震中距等估算,国内则是根据烈度换算。这种不一致也帯来某些误差。

(3)可能的修改方案

    根据以上液化与未液化边缘处的资料可以发展不同形式的判别方法,例如若用τv表示地震动的作用,用N1表示砂的密度,确定液化与非液化界限就有许多优点。今以τv为纵坐标,以N1为横坐标作图,将上述的资料全部绘上,用直观的方法确定液化与不液化的分界线,结果如图1所示。确定临界线时主要依据液化资料的下限,因为液化点比较明确可靠。

图1 推荐的砂土液化判别式

图1所示的临界线,可用下列方程式表示

         (2)

式(2)大约相应于震级为7.5时的临界线。

    震级愈大,震动持续时间愈长,愈容易引起液化。由于实际资料不够,目前尚难按不同震级用上述方法确定分界线。仿照西特教授采用的方法,对不同的震级,确定相应的等效循环次数;对不同的循环次数测定相应的液化应力比。西特推荐的数值如下:

 

震级

等效循环次数

液化应力比之比值

8.5

26

0.89

7.5

15

1.00

6.75

10

1.13

6

5

1.32

将图1的曲线的纵坐标值,乘以上述比值,得到M为8.5、7.5、6.75、6时的分界线,如图2所示。

图2 推荐用于不同震级的判别式

    如果考虑到式(1)所示的形式已为工程师所熟悉,希望加以保留,则根据图2的结果,很容易换算出ds=3,ds0=2米处不同震级的临界标准贯入击数N0

通过与实际资料比较,发现下式判别成功率较髙(特别是当ds=1015米时)。N0采用表1,2中给定的数值。

      ( 3 )

图2所示的一组曲线或式(3)可考虑用来代替式(1)。

关于砂土液化的初判条件以及液化等级的划分,限于篇幅将另作介绍。

不同震级时的临界N0值 表1

烈度

震级

6

7

5

6

7

8

8

10

11

12

13

9

16

18

19

21

不同震中距的临界N0值 表2

烈度

震中距

7

5

7

8

8

10

12

(13)

9

16

(19)

(21)

八、液化处理措施效果统计(陈国兴,2015)

1989~2011期间8次大地震中场地抗液化处理措施的效果统计

场地抗液化工程措施

烈度

地表PGA/g

0.06~0.07

0.11~0.18

0.19~0.30

0.37~0.69

0.8

抗液化处理场地数

经抗液化处理后破坏或未破坏场地数

破坏

未破坏

破坏

未破坏

破坏

未破坏

破坏

未破坏

破坏

未破坏

挤密砂桩法

18




1

1

4

7

5



碎石桩法

11


1


8


2





强夯法

10


2


2


3

1

2



砾石排水法

2






1


1



砂井法

5







5




预压法

4







4




注浆法

3






1


2



深层搅拌法

5







1

3


1

旋喷法

2






2





 

作者:秋仁东  李冰

版权归原作者所有