渭南北湾水库库坝地基砂砾土液化判别浅议

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(陕西省水利电力勘测设计院勘察分院，陕西 咸阳 712000)

砂砾土是指砾粒含量最多，在33%～50%之间，且砂粒含量多于粉粘粒的砾类土。在以往地震中很少出现砂砾土的液化现象,因此对砂砾土在地震中是否发生液化问题存在很大争议。汶川地震发生以后，有学者对地震主震区的砂砾土进行了研究分析，认为8级地震下砂砾土存在液化问题[1]。目前国内外对砂砾土液化的震害研究不多，现有的液化判别方法也不成熟。其判别方法主要是建立在砂土液化判别方法的基础上，对砂砾土能否适用还尚不可知。另外，砂砾土(粗粒土)场地上不能实施标准贯入试验，因此现有规范中采用标贯试验的液化判别方法并不适用于砂砾土。

目前国外对砂砾土的液化判别方法有：日本学者提出的动三轴实验方法[2]和美国学者提出了基于贝克贯入试验(BPT，Becker Penetration Test)的砂砾土液化判别方法[3]。这两种方法都有其自身局限性，砂砾土动三轴液化实验技术复杂，实际应用上受到很大限制；BPT试验方法国内很少使用。

鉴于此，我国学者通过对汶川8级地震主震区的砂砾土液化现象进行研究，以规范[4]中砂土的剪切波速液化判别方法为基础，建立了一个新的模型公式[5]判别砂砾土的液化性。本文以渭南市蒲城北湾水库工程现场勘察测试为基础，采用该模型公式对工程区的砂砾土进行液化判别。

1 工程地质背景

北湾水库工程位于洛河渡槽下游右岸的一级阶地上，利用岸边自然边坡，临河右侧修建堤防而成。北湾水库工程总库容为944万 m3，正常蓄水位371 m，淤积水位359.8 m。大坝类型初选为当地材料堤防，按照均质土坝标准进行设计。

选定坝址在北湾村，大坝线起于北湾坡下村以北750 m左右，沿着洛河右岸河堤向下游延伸，止于龙阳南一抽水站附近，大坝线长约1.6 km。工程等别为Ⅳ等，工程规模为小(1)型。

1.1 地形地貌

工程区位于黄河西岸的渭河盆地中，北部紧邻北山，南部为渭河冲洪积平原，西部与石川河接壤，地形总体表现为北高南低，地面高程在1 100～320 m之间，南北高差悬殊，呈阶梯状向渭河倾降。

库坝区大部分位于洛河一级阶地上，东侧局部为洛河高漫滩，西侧为后期土料场开挖后部分为二级阶地。

1.2 地层岩性

据地质调绘和钻孔揭示，库区、大坝所处地层主要为第四系上更新统～全新统河流相冲洪积堆积的砂壤土、壤土、卵砾石、细砂等，具体如下：

④全新统冲积堆积(Q42al)为洛河河漫滩及库区西南处冲沟堆积物，按不同地段及岩性分为四层：

④-1层为洛河河漫滩砂壤土，厚度11～12 m，灰色，湿，硬塑状态，含少量砂质，土质疏松，层位稳定，分布在河漫滩上部；

④-2为砾石层，厚1.7～3.5 m，杂色，以灰岩，砂岩等为主，最大粒径约6 cm，中细砂充填，稍密状态，具强透水性，分布在河漫滩下部，层位较稳定，夹层稳定性差；

④-3为细砂层，厚0.9 m，灰黄色，成分以石英、长石为主，具水平层理，稍密～中密，呈透镜体状分布在河漫滩下部。

⑤全新统冲积堆积(Q41al)为一级阶地堆积物，分为四层：

⑤-1层砂壤土：分布在阶地上部，灰色，稍湿，硬塑，含少量砂质，土质疏松，层位稳定；

⑤-2层砂砾石：分布在阶地下部，杂色，厚0.4～4.2 m，杂色，以灰岩，砂岩等为主，最大粒径约6 cm，中细砂充填，稍密，具强透水性，层位基本稳定，局部相变为细砂层，在ZK4钻孔中可见，厚度小，其为一级阶地的基底。

⑤-3为细砂层，成分以石英、长石为主，具水平层理，稍密～中密，呈透镜体状分布在一级阶地下部。

1.3 地质构造

工程区位于中朝准台地(Ⅰ)中汾渭断陷(Ⅰ2)区内的渭河断凹(Ⅰ21)带上，属新生代复杂的“箕状”地堑式断块凹陷，受断凹北缘北山山前与南缘秦岭山前两大断裂所控制。此带西起宝鸡，东到潼关，长约300余公里，宽约30～60 km，表面陆相堆积层厚度大于7 000 m，与秦岭地形高差3 000多米，总断距上万米。

1.4 地震基本烈度

工程区位于中朝准台地汾渭断陷区内的渭河断凹带上,依据《中国地震动参数区划图》GB18306-2015(1:400万)，工程区Ⅱ类场地地震动峰值加速度a为0.15 g，地震动反应谱特征周期T为0.40 s，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。在库区南约几百米处为地震动峰值加速度0.15 g与0.20 g的分界线，其以南地区相应的地震基本烈度为Ⅷ度，建议调蓄水池工程区地震基本烈度按Ⅷ度考虑。

1.5 水文地质特征

库区水文地质条件较为简单，地下水类型为松散层孔隙潜水，含水层为一、二级阶地的壤土、砂壤土、细砂及砾石层等，由西侧黄土塬地下水、降水及灌溉等补给，由西至东向洛河排泄，水量颇丰，据调查多年前洛河漫滩前缘泉水众多，且流量较大，最近几年由于村民在二级阶地前缘打井取水，泉水消失，单井出水量可达60～80 m3/h，一方面说明含水层水量丰富，另一方面也说明含水层渗透性能强。

在本次勘察观测地下水位均高于河水位，即地下水补给河水。水库建成后，水文地质环境会发生变化，尤其是关闭了西侧岸边的机井后，水位会有较大幅度的恢复，地下水位会抬升。

图1 液化以及非液化点砂层埋深与地下水位深度关系

2 砂砾土液化判别模型的介绍

在相同波速条件下，砂砾土与砂土密实度不同，这也是采用砂土液化判别方法来判别砂砾土液化产生误判的原因。例如，当现场实测的剪切波速超过220 m/s后，对砂土来说是密实的，不发生液化；但对砂砾土场地来说土层仍处于松散状态，存在液化的可能。因此，砂土剪切波速液化判别方法对砂砾土的液化判别并不适用。

虽然规范砂土的液化判别方法不适于砂砾土，但仍可将砂砾土的液化判别方法分为初判和复判两个部分。

2.1 初判条件

对符合下列三个条件的砂砾土，初步判定不会发生液化或者可不考虑液化影响：

(1)土层地质时代条件。第四纪更新世QP(含更新世QP )以前的地层，可判为不液化。

(2)土层埋藏条件。将地震砂砾土液化及非液化点砂层埋深与地下水位深度绘于图1，上覆非液化土层厚度和地下水位深度大于图1的数值，可不考虑液化影响。

(3)土层含砾量。当7、8、9度时含砾量分别超过70% 、75% 和 80% ，可判为不液化。

2.2 复判公式

采用剪切波速判别砂砾土层的液化时，可将复判计算公式写为

Vs-cr=Vs-0[1+αw(dw-2) +αs(ds-3)][1+αp(P5-50%)]

式中：Vs-cr为临界剪切波速；Vs-0为剪切波速基准值；αw为地下水位影响系数，αs为砂砾层埋深影响系数，αp为含砾量影响系数。根据汶川地震主震区附近 45 个砂砾土液化场地的数据研究，提出αw、αs、αp分别为0.06、-0.06 、0.5。

在完成初判条件后，当实测的剪切波速Vs大于临界的剪切波速Vs-cr时，可判为不液化，否则判为液化。

2.3 剪切波速基准值

通过对汶川8级地震主震区砂砾土层液化数据研究，砂砾土的埋深与地下水位的深度密切相关，为建立剪切波速与地震烈度之间关系，采用国内外对剪切波速的修正关系[6]，将实测的剪切波速修正至同一水平下的修正剪切波速 (即地下水位埋深为 2 m，砂砾土层埋深为3 m) ，修正公式为：

Vs′=Vs(47/σv′)0.25

式中：Vs′为修正剪切波速，Vs为实测剪切波速，σv′为有效上覆压力。修正剪切波速与地震烈度的关系如图2所示。

图2 修正剪切波速与烈度对应关系

通过直观方法确定图2液化点与非液化点的临界曲线，以此作为砂砾层埋深3 m 、地下水位2 m时区分液化与非液化的界线，相应的剪切波速即为基准值，结果如表1所示。

3 库区及大坝地基砂砾土液化判别

3.1 砂砾土的地震液化初判

根据颗分试验资料：河漫滩④-2层砾石层2～60 mm颗粒含量质量百分率为79.7%，可判为不液化土层。一级阶地⑤-2层砾石层2～60 mm颗粒含量质量百分率为73.8%，略小于75%的界限值，可能液化，应进行复判。

3.2 砂砾土的地震液化复判

根据上述复判计算模型公式，对⑤-2层砾石层进行液化计算，结果见表2。由表2可知⑤-2砂砾石层为液化土层。

表1 剪切波速基准值

表2 土层剪切波速液化判别成果表

4 液化土处理措施及地质建议

综上所述，蓄水后库区及大坝地基中分布的砂砾石层属液化土。

目前对液化土处理措施可以大致分为两种，一种是对液化土进行改良，如常规措施中的挤密、置换等；一种为采取工程措施。由于本项目中砂砾土埋深3.5～6.0 m，天然状态下地下水位多位于其中，即部分为非饱和状态，部分为饱和状态。根据《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012，若采取常规的挤密或置换方法处理，不但施工难度及经济代价大而且难以完全消除其影响，单从适应条件及有效加固深度衡量，局部段预处理地层深度位于有效加固深度下限范围，处理效果有待验证。

故建议首选工程设计措施予以防范，第一种方法即尽可能的加大上覆非液化型土厚度，从汶川地震国家震后调查情况看，当上覆非液化性土厚度有保证时即使在高水位条件下，其效应可以忽略。对应本区地震背景，安全的上覆非液化性土特征厚度应不小于7.0 m。其次减低或不改变液化性土含水状态，使液化性土转化为非液化性土。这就要求库区防渗治理保证率高，才能达到此要求。但一般工程要达到如此保证率较难，从目前地质条件分析，最好的处理措施是加大上覆非液化性土特征厚度，结合大坝特征分析，造成大坝因液化而失稳的部位是靠近堤脚的一定范围，因此建议以大坝脚为起点铺填素填土，加大铺填厚度应不低于1.5 m，增长铺填宽度(范围)。另一种方法就是增加饱和土孔隙水的消散通道，即将堤防下游排水棱体建基面座于液化土层的中下部。两种方法建议设计综合比较考虑。

5 结语

本文采用的砂砾土液化的剪切波速判别方法，采用前人在汶川地震实测数据基础上建立的砂砾土液化的剪切波速判别模型公式，判别了北湾水库库区及大坝地基砂砾土的液化性，为设计方案提供了处理依据。

原位测试土层剪切波速技术应用日益普及，我国一些地区砂砾土分布广泛，工程建设中又大量使用砂砾土，因此发展基于剪切波速的砂砾土液化判别方法十分必要。

[1]曹振中,袁晓铭,王维铭.汶川地震砂砾土液化分布及土性特征初步研究[J]. 土木工程学报.2010.43(S2)：312-319.

[2]刘惠珊.砾石的液化判别探讨[C].第五届全国地震工程学术会议论文.北京.1998:183-188.

[3]YOUD T L, IDRISS I M. Liquefaction resistance of soils：summary report from the 1996 nceer and 1998 nceer/nsf workshops on evaluation of liquefaction resistance of soils[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering.2001.127(4):297-313.

[4]中华人民共和国国家标准编写组.GB50011—2001 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社.2001.

[5]曹振中,袁晓铭.砂砾土液化的剪切波速判别方法[J]. 岩石力学与工程学报.2010.29(5)：943-951.

[6]SYKORA D W. Creation of a data base of seismic shear wave velocities for correlation analysis[R].Vicksburg.MI：GL-87-26.1987.