某坝基覆盖层深层粉土地震液化判别方法研究

余 敏 陈曦阳

（中机三勘岩土工程有限公司，湖北武汉 430014）

0 引言

土的液化是指饱和砂土或粉土等无黏性土或少黏性土在振动作用下由于孔隙水压力上升，有效应力减小所导致的土体由固态到液态而不具有任何抵抗剪切的能力的变化现象[1]。地基土的液化会造成地基失效，导致建筑物或构筑物发生破坏，因此，需要对地基土层进行液化判别，预测场地在地震作用下发生液化的可能性，进而采取工程措施进行处理。饱和砂土和粉土的液化判别一般分为初判和复判，对于初判为可能液化的土层需要进一步采用标准贯入试验、相对密度法或结合动三轴振动液化试验等进行复判[2]。由于通常认为20 m 以下的砂土或粉土层在上覆土层的作用下不会发生液化，《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（2016年版）[3]中的判别方法只是针对埋深在20 m 范围内的砂土层或粉土层进行液化判别，张夏滔等[4]、陈文化等[5-6]、杜广印等[7]、周相国等[8]、李 彬等[9]对工程场地液化判别主要是结合标准贯入试验、剪切波速试验和室内动三轴结果针对埋深20 m 以内的土层进行判别。但是在一些重大工程的场地液化判别中，考虑到深层土层发生液化，造成的损失与影响较大，也对工程场地埋深大于20 m的土层进行了液化判别，黄雅虹等[10]、王 薇等[11]、陈存礼等[12]、刘建达等[13]、刘 林等[14]对深度大于20 m 的砂土采用室内试验结合动力数值计算的方法进行了液化判别，得出深度大于20 m 的砂土也存在液化的可能性，需要进行液化判别。在2008年汶川地震灾害调查中，袁晓铭等[15]证实了埋深大于20 m的砂土层液化的事实，因此，对于一些重大工程埋深大于20 m 的砂土或粉土层进行液化可能性判别是有必要的。

本文以某坝基覆盖层埋深19.5～31.0 m 范围的粉土层为研究对象，进行了地震液化判别。依据土层颗粒级配进行初判，对于可能发生液化的土样采用相对含水率法进行复判，并结合动三轴试验成果对土层液化复核验证，采用的判别方法和取得的成果可以为类似工程场地液化判别提供参考。

1 工程概况

某坝基覆盖层土层平均分布深度为：中砂0～8.5 m、粉细砂8.5～19.5 m，粉土19.5～31.0 m，粉土以下为砂卵石。根据《中国地震动参数区划图》（GB 18036-2015）[16]，工程所在场地基本地震设防烈度为Ⅷ度，设计峰值加速度为0.30g，需要对场地的地震液化性进行判别，对于上层中砂与粉细砂，依据规范，结合颗粒级配指标进行初判，并采用标准贯入锤击数法进行复判，判定为液化土层。粉土层深度19.5～31.0 m，一旦发生液化，将会引起大坝破坏，造成巨大损失，需要对其进行液化判别。由于标准贯入锤击数法是适合埋深20 m 范围内的土层液化复判，因此对于粉土层的液化判别结合颗粒级配进行初判，采用相对含水率法进行复判，并结合动三轴试验成果对土层液化进行复核验证。

2 液化初判

地基土的液化初判依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)[17]，根据土层的颗粒成分对粉土液化进行初判。规范规定：土的粒径小于5 mm 颗粒含量的质量百分率小于或等于30%时，可判为不液化；对粒径小于5 mm 颗粒含量的质量百分率大于30%的土，其中粒径小于0.005 mm 的颗粒含量质量百分率相对于地震动峰值加速度为0.20g时不小于19%，可判为不液化。

土样液化初判结果见表1，14 个粉土土样中小于5 mm 颗粒含量范围均为100%，粒径小于0.005 mm的颗粒含量范围为6.8%～22.6%，平均值为14.6%，14 组土样中有9 组小于19%，可能液化的概率为64.3%，初判为可能液化土层，需要对可能发生液化的土样进行复判。

表1 粉土液化初判结果

3 液化复判

依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)，对于埋深大于15 m 的饱和少黏性土，可以采用相对含水率复判法液化进行复判。相对含水率wu采用式（1）计算：

式中：wu为相对含水率，%；ws为饱和含水率，%；wL为液限含水率，%。

根据规范：峰值加速度0.30g条件下，少黏性土的相对含水率大于或等于0.9 时，可判为可能液化土。土样相对含水率液化复判结果见表2。初判为可能液化的9 组土样中有5 组判为可能液化土，地震作用下液化的可能性较大，复判为可能液化土层。

表2 粉土液化相对含水率法液化复判结果

4 依据室内动三轴液化试验液化判别

依据室内动三轴液化试验进行液化判定，主要是利用动三轴试验测定土样的抗液化强度，与根据土样深度计算得到的地震动剪应力进行比较[18]。具体判别过程如下：①根据土样的天然干密度制备三轴试样，采用反压对试样进行饱和，然后根据土样深度计算固结周围压力σ3，对试样进行固结，固结完成后在不排水条件下施加动荷载，试验过程中动态采集动荷载、动位移及孔隙水压力，根据求得相对于不同振次下的液化动应力，根据试验曲线求得土样的动荷载与相应液化振次，进而绘制液化动应力与液化振次的曲线，插值得到规定振次的抗液化强度；②根据土层深度计算地震动剪应力；③求得的地震作用剪应力与抗液化强度相比较，判别土样液化的可能性。

4.1 动三轴液化试验

对初判可能发生液化的9 组土样动三轴液化试验，试验试样采用重塑成型[19]，制样干密度采用天然干密度，固结围压根据土样埋深确定，固结比取1.0，动荷载频率取1.0 Hz。具体的试验方案见表3。

表3 液化试验方案

动强度试验采用重塑样进行试验，将土样风干后，测得其风干含水率，根据制样密度称取土样；重塑土样的制备在动三轴仪上进行，试样高8.0 cm，直径3.91 cm，采用多层湿捣法，分三层击实，每层击实至要求高度后，将表面刨毛，然后倒入下一层土料，继续击实，试样击实后量取其直径及高度，计算试样密度，所有试样制样干密度差值应小于0.03 g/cm3。试样饱和采用真空抽气饱和结合反压饱和，当孔压系数B>0.95 时，可认为试样满足饱和度要求。试样饱和后，按照规定的围压进行固结，固结完成后，在不排水条件下按给定的动应力比值在试样的上部施加循环往复的动荷载，每组土样按4 个动应力水平进行。

4.2 液化试验成果

液化试验孔压比u/σ3与振次典型曲线见图1，液化试验以孔隙水压力达到围压时作为该动应力水平下的液化振次。根据土样的动三轴液化试验结果，以液化应力比τd/σ′0为纵坐标，以液化振动次数Nf为横坐标，绘制液化应力比与破坏循环振动次数关系曲线见图2。根据关系曲线整理出不同震级(分别对应不同等效循环振次，7 级地震对应12 次、7.5 级地震对应20 次、8 级地震对应30 次)下的液化应力比（见表4）。

图1 液化试验孔压比与振次关系曲线

图2 液化应力比与液化振次关系曲线

4.3 液化判别

（1）抗液化剪应力计算

天然状态下的抗液化剪应力由式（2）计算

式中： τL为抗液化剪应力；Cr为应力校正系数，取0.57；γ′为土的有效重度，地下水位以下为浮重度；h为土的埋深，m； (σd/2σ′0)N为相应等效循环次数下土的抗液化应力比。

计算得到的土体抗液化剪应力见表4。

表4 抗液化剪应力计算结果

(2) 地震作用下等效平均剪应力的计算

由式（3）计算得到深度h处的等效地震剪应力

式中：τe为地表水平向地震动峰值加速度；amax为地表水平向地震动峰值加速度；g为重力加速度；γ为土的天然重度，地下水位以下为饱和重度；h为土的埋深，m；γd为动剪应力折减系数，可按Iwasaki[20]建议的公式γd=1-0.015h计算。地震作用下等效平均剪应力计算结果见表5。

表5 地震剪应力计算结果

（3）液化判别

液化判别通过地震等效作用剪应力τe与抗液化剪应力τL的比值FL来判别（FL=τe/τL）,FL≥1 判为可能液化，否则判定为不液化，FL的计算结果见表6，根据结果可知：①随着震级（等效循环次数）的增大，FL增大，土层液化可能性也增大；②9 组土样中，有6 组土样FL>1,判定为可能液化土，判别结果基本与采用相对含水率判别结果一致，粉土层存在着不同程度液化的可能。

表6 动三轴液化判别结果

5 结论

对某坝基覆盖层埋深19.5～31.0 m 范围的粉土层进行液化判别，得到以下结论：

（1）根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487-2008)中的方法进行初判和复判，深度19～31.0 m 内的粉土层存在着不同程度液化的可能，判别为可能液化土层。

（2）通过室内动三轴试验，采用抗液化剪应力发对粉土层进行了液化复核验证，结果基本与采用规范的方法得到判别结果一致，该粉土层存在着不同程度液化的可能。研究成果为大坝工程抗震设计提供了合理、可靠的依据，判别方法及成果可为类似工程场地液化判别提供参考。