基于2种不同判别方法的深厚软弱场地液化对比研究

程 艺,庄海洋,李兆焱,吴 琪

(1. 南京工业大学 岩土工程研究所,江苏 南京 211816; 2. 中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080; 3. 地震灾害防治应急管理部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

近20 a来,我国发生的重大地震包括2003年Ms6.8巴楚地震、2008年Ms8.0汶川地震、2016年Ms6.7高雄地震及2020年Ms6.4伽师地震等[1]。地震灾害的发生层出不穷,对人民财产安全的影响也屡见不鲜,因为这些地震引发的次生灾害不胜枚举。当地震引起的液化发生时,土体在地震作用下发生软化,刚度和强度降低。因此,我国对于砂土液化及其进一步引起的公路裂缝、上部建筑物倒塌、农田破坏及地下结构变形等影响极为重视。

室内外试验分析法和经验分析法是进行砂土液化判别的主要方法。其中,室内外试验分析法是通过现场试验或室内试验获得相关参数进行液化判别,主要包括Seed简化法、剪切波速法、静力触探法和动三轴试验等。Seed简化分析法是根据室内试验建立的,通过评估土层的地震需求和抗液化能力,判断其液化敏感性,由美国国家地震工程研究中心(National Center for Earthquake Engineering Research, NCEER)收纳更新[2]。目前,国内外使用的大多土体液化判别方法,都是以其为基础,使用更新的地震液化数据基于其上进行修正,但因使用循环应力比评估地震荷载时,其修正系数根据现场案例综合标定,各学者采用的表达式各不相同,因此无法普遍适用[3]。剪切波速法不同砂样在不同固结条件下剪切波速存在差异,静力触探法建立其公式的数据来源较为局限,可能发生误判[4]。经验分析法是利用地震现场土壤液化震害调查的资料,建立或修正判别公式,包括标准贯入试验法、能量法等。我国目前通用的标准贯入试验判别方法是GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版),此规范的判别公式是根据河源地震、邢台地震、通海地震、海城地震和唐山地震等现场勘查数据及经验公式共同整理形成[5]。在2008年汶川地震后做过局部修订,于2010年修订为现行通用版本。众多学者研究发现现行规范的局限性并对其进行修正及补充。孙锐等[6]提出新的标准贯入试验判别公式是具有渐近线的双曲线模型,有很好的连续性,不同深度范围具有一致的统一表达,解决了我国现有规范浅层保守深层严重保守和Seed方法的深层不合理回弯的问题。张小玲等[7]考虑了液化临界深度等因素对实测标准贯入锤击数提出修正,根据双曲线模型建立了新的液化判别公式。中国地震局工程力学研究所研究了2011年新西兰地震的液化现象及此次地震带来的液化土层特征,袁晓铭等[8]完善了孙锐提出的双曲线模型,解决了深层土液化是否具有合理性的难题,并收录于CECS160∶2004《建筑工程抗震性态设计通则》(2019修订版),具有样本性质。

深软场地受到地震的影响严重,其根本原因是遭受震害的土体结构自振周期接近地震动周期,同时,深软场地对长周期地震动有显著放大作用[9]。苏州城区存在深厚松软场地,且因距离苏州主城区约400 km的郯庐地震带在未来被预测可能遭遇8.0级以上远场特大地震[10],深入开展苏州地区可能发生的液化区域研究是十分有必要的。基于GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)和CECS160∶2004《建筑工程抗震性态设计通则》(2019修订版)中液化判别方法的差异性,本文对收集到的苏州市部分地区(120°28′E～120°50′E, 31°08′N～31°25′N)的地下30 m以内存在的饱和粉土层、粉砂层和粉砂夹粉土层,使用标准贯入试验判别法开展了可能发生液化的土层进行液化判别,使用2种判别方法得到的结果进行对比分析,探明二者的区别及联系,并绘制液化分区图。

1 研究区概况

1.1 数据来源

本文的数据来源于苏州地区岩土工程勘察报告。通过对苏州轨道交通2号线、3号线、4号线和5号线及部分其他区域的钻孔数据进行整理,并利用Excel和Matlab编程进行计算,可以提取出在地震作用下180个可能发生液化的钻孔的标准贯入试验数据,钻孔分布如图 1所示。勘察报告中的钻孔坐标为苏州市独立坐标系,本文利用ArcMap中投影变换功能将苏州市独立坐标转化为目前通用的2000国家大地坐标系,比例尺为1∶100万。

1.2 区域场地特性

分析中国地震局工程力学研究所提供的岩土工程勘察报告可知,研究区在地下5 m左右开始存在液化层,有6层不同物理学性质的土层可能发生液化,见表 1,重度、含水率和孔隙比为平均值。其中,3-3层粉土层、4-1层粉土夹粉砂层和4-2层粉砂夹粉土层在轨道沿线大有分布,层底标高极差大于15 m。4-3层粉土、5-2层粉砂和6层粉土零星分布。地下稳定水位埋深在0～3 m,由于受沉积环境及水动力作用影响,勘察场地地基土层存在不均匀性,具体体现在同一深度范围内土层的特性存在一定差异性,以及勘察场地同一土层存在着不连续性。

图1 研究区可能发生液化钻孔分布图

苏州地区抗震设防烈度为7度,设计地震分组为第一组,而目前国内外已发生的地震表明,部分深软场地区发生的地震震级明显高于该地区的抗震设防烈度[8]。因此,本文不仅要考虑苏州地区7度设防下的液化问题,同时也将8度设防下震害引起的液化影响纳入研究范围。

表1 可液化土层基本物理力学性质

2 液化判别结果对比分析

2.1 液化判别方法

砂土液化判别方法选用了我国现行GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版,简称规范)与中国地震局工程力学研究所编制的CECS 160∶2004《建筑工程抗震性态设计通则》(2019修订版,简称通则)的判别方法。将2种方法计算出的液化判别结果对比,探讨在苏州地区2种计算方法的差异性及适应性,分析研究区砂土液化的空间分布特征。

1)GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)

在地下20 m深度范围内,液化判别标准贯入锤击数临界值公式[11]:

(1)

对存在液化的土层计算每个钻孔的液化指数:

(2)

式中:N0为标准贯入锤击数基准值;β为调整系数,按设计地震分组,第一组、第二组、第三组分别取0.80、0.95、1.05;ds为标贯点深度(m);dw为地下水位深度(m);ρc为黏粒含量百分率;Ncr为标准贯入锤击数临界值;di为i点所代表土层厚度;Wi为i土层单位厚度土层的层位影响权函数值;IlE为液化指数。

通过对岩土工程勘察报告的分析,对地表以下20 m深区域内可能出现液化的钻孔采用标准贯入试验判别法,根据式(1)计算标准贯入锤击数临界值并和实测标贯值进行对比,以判别是否液化。对于液化的钻孔使用式(2)计算砂土液化指数。

2)CECS 160∶2004《建筑工程抗震性态设计通则》(2019修订版)

与规范方法不同,在地下30 m深度范围内,砂土和粉土液化判别标准贯入锤击数临界值公式[12]:

(3)

对存在可液化的砂土、粉土层,按式(4)、式(5)计算液化指数:

(4)

(5)

式中:amax为设计地震加速度(g);N为实测标准贯入试验锤击数;PLi为i点土层液化概率。

对地面下30 m深度范围内的砂土、粉土层,按照式(3)计算标贯临界值,使用式(4)和式(5)计算液化指数。

2.2 液化判别结果

在抗震设防烈度为7度时,表2中列出了在规范方法中被判别为液化的钻孔在2种不同判别方法下计算的液化指数和液化等级,原因是在通则方法下被判别为液化的钻孔,在规范方法中也被判别为液化。当液化指数IlE≤6时,钻孔液化等级为轻微液化;当液化指数618时,钻孔液化等级为严重液化。规范方法判别条件下部分轻微液化钻孔在通则方法中被判别为不液化;部分钻孔在2种判别方法下判别结果相同均为轻微液化,但液化指数通则方法比规范方法明显偏小;规范方法判别为中等液化的钻孔在通则方法中被判别为严重液化。

表2 抗震7度设防部分钻孔在2种判别方法下的液化指数和液化等级

本文计算可能发生液化的钻孔共180个,如表3所示,在7度设防下,规范方法有16个钻孔被判别为液化,而通则方法仅有4个钻孔被判别为液化,且前者不存在严重液化钻孔,后者不存在中等液化钻孔。在20～30 m超过规范方法判别范围的深度区间,使用通则方法判别不存在液化点。

表3 抗震7度设防液化钻孔数目

为了适应国内外抗震设防可能偏低的现状以及通过苏州地区液化钻孔寻找液化普遍规律,本文计算了在8度设防下,对研究区内的180个可能发生液化的钻孔,使用2种液化方法计算液化指数并划分液化等级,如表4所示。因篇幅所限,采用等距抽样法抽取钻孔仅作展示,分段间隔为5,从Z5钻孔作为第一个个体,抽取了36个钻孔。

表4 抗震8度设防部分钻孔在2种判别方法下的液化指数和液化等级

表5 抗震8度设防不同液化等级的钻孔占比

可以发现基本规律与7度设防下相似,并补充了7度设防下缺少的中等液化及严重液化钻孔数据,使寻找的规律更加可靠。8度设防下,研究区内场地液化判别的钻孔数量如图 2(a),钻孔液化程度如图 2(b)所示。收集到的180组数据中,在我国现行的规范方法的判别公式下,未液化的钻孔为54个,发生液化的钻孔为126个,其中有72个为轻微液化,48个为中等液化,6个为严重液化。从表 5中可知,分别占液化总数的57.1%,38.1%,4.8%;在通则方法的判别公式下,未液化的钻孔为119个,发生液化的钻孔为61个,其中有24个为轻微液化,20个为中等液化,17个为严重液化,分别占液化总数的39.3%,32.8%,27.9%。

图2 抗震8度设防液化钻孔判别结果

研究区内场地液化钻孔的埋深及其液化等级散点图如图 3所示,从图中可见,液化等级为轻微液化,规范方法判定的液化点埋深在[5,10)m、[10,15)m、[15,20]m间的数目分布均匀,液化等级为中等液化时,液化点埋深集中于10～20 m间,部分接近20 m埋深的钻孔被判别为严重液化。通则方法和规范方法在10 m内浅层液化判别结果基本一致,但同时也可以看出,对于10 m深度范围外,2种判别方法差异较大。主要体现于规范方法在浅层判别保守,深层严重保守,在规范方法中被判别为轻微液化的钻孔由于通则方法抛弃了过于保守性,部分轻微液化的钻孔被判别为不液化。规范方法局限于判别20 m深度范围内,而地铁车站埋深存在20 m以下,且经众多研究和现场震害调查发现,目前的地震震害调查中已发现液化深度超过20 m的现象,因此通过通则方法能够给出该深度范围内的液化预估结果。

图3 抗震8度设防液化土层埋深

图4 不同烈度2种判别方法的钻孔液化程度

2.3 不同设防烈度的液化判别对比

图 4 展示了7度设防下被判别为液化的16个钻孔在8度设防下液化程度的变化。根据经验,烈度越大液化程度越高,同时可以看出,当烈度增大时,通则方法比规范方法液化程度变化大。同样的钻孔,7度设防下在规范方法判别条件下为轻微液化,在通则方法判别条件下为不液化或轻微液化;8度设防下在规范方法为中等液化,在通则方法中为严重液化,即同样的钻孔烈度从7度到8度在规范方法下完成了轻微液化向中等液化过渡,在通则方法下完成了不液化向严重液化的过渡。

3 基于ArcGIS图的液化分区对比

综合考虑之前研究者的文献及成果[13-16],选取了克里金插值法(Kriging)来分析液化空间分布特征。克里金插值法是一种最佳线性无偏估计内插法,以法国学者D.G.Krige名字命名[17],可以根据一定数量的已知测点数据预测附近未知测点的相关属性,具有无偏、最优内插的优点,适用范围较广,已被证实基于已知测点数据估计未知测点数据具有足够的准确性[15]。在ArcGIS中计算液化等级的空间自相关的全局莫兰指数(Moran’s I)为0.130,因此,数据之间不存在明显的正相关性,且插值区域连续,此时适合使用普通克里金插值。由于检验数据趋势分析图投影到垂直平面呈现出的趋势始终为倒置的“U”形,因此,使用二阶多项式用作全局趋势模型。

抗震设防烈度为8度时,使用规范方法图 5(a)和通则方法图 5(b)判别结果绘制的液化分区图中,规范方法对轻微液化的判别偏于保守,而对中等和严重液化的判别又偏于不完全;通则方法的中等液化和严重液化区域较规范方法范围更大,这是因为通则方法考虑到了一旦发生液化不可低估其严重性。而如研究区西北部在规范方法中被判别为轻微液化,通则方法被判别为不液化,这是因为规范方法在经新西兰地震数据检测后被发现在低烈度区10 m以内表现良好,8度区及以上表现出保守或严重保守[8],将很多不会发生液化的地区判定为轻微液化,而通则方法表现良好,与表 4展现出的规律相同,同时证明了克里金插值结果的合理性。我国现行的规范方法是一种经验法,分析的历次地震资料在15 m以内,其15～20 m对不液化和轻微液化的判别方法因此十分保守,这就导致了可能不会发生液化的地区仍被判别为轻微液化,造成资源的浪费。经多方查证,规范方法采用的液化概率判别公式因为只考虑了标贯比,会低估液化发生概率偏大的砂土粉土层的危害,并且规范方法液化概率判别公式极易因不同勘察方式而产生较大误差,而通则方法的液化概率基本是不会受到勘察方式的影响[12]。因此,苏州地区对于通则方法中的判别方法适应良好。

图5 抗震8度设防2种不同判别方法得到的液化分区图

孙锐等[6]使用形成规范公式的原始数据进行回判后发现,规范方法采用的对数曲线受浅层10 m内数据点控制,深层为对数曲线顺延,将深层不液化的点判别为液化,明显发生误判。因此,提出合理的临界标准贯入曲线应满足浅层内曲率快速变化,到深层时变化明显变缓且应有渐近线存在。而通则方法采用双曲线模型,由于双曲线本身的特性,当自变量为深度,随着深度的增加,临界标准贯入曲线的曲率能够达成浅层快速深层缓慢这一需求,规避了规范方法中对数曲线持续增大的特性,显然通则方法的判别公式合理性比起规范方法有所提升。袁晓铭等[8]对2011年新西兰地震液化数据进行分析,发现我国现行规范方法对于PGA>0.4g的剧烈地震动下判别超过10 m的砂层判别结果均为保守,PGA>0.15g时严重保守;通则方法在新西兰地震的液化数据检验下,对于埋深超20 m的砂层弥补了规范判别方法的不足。本文意在展示其在国内地区的普适性,从计算结果和判别公式本身分析来看,获得的基本规律与预期一致,通则方法判别结果可以做到浅层准确,深层合理的需求,在苏州地区兼具先进性及适应性,且有一定的优势。

4 结论

基于目前GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)中砂土液化判别方法存在的明显不足,以及CECS 160∶2004《建筑工程抗震性态设计通则》(2019修订版)中液化判别方法的改进。采用上述2种方法对苏州部分地区深厚场地液化进行判别,对比分析了2种不同方法判别结果存在的差异性,主要结论如下:

1)针对苏州研究区,按照7度抗震设防要求,规范方法有16个钻孔被判别为液化,而通则方法只有4个钻孔被判别为液化。按照8度抗震设防要求,规范方法判别的液化钻孔为126个,通则方法判别的液化的钻孔为61个,通则方法判别液化的钻孔数约占规范方法判别结果的50%。

2)规范方法与通则方法的液化判别结果存在明显的差异,在是否液化的判别上(即轻微液化判别)规范方法判别结果更加地保守。同时,当2种方法都判别为液化的钻孔,通则方法对中等液化和严重液化的判别液化程度明显会比规范方法的更高。上述结论基本与袁晓铭等[8]的研究结论相一致。

3)通过ArcGIS使用空间插值法绘制液化分区图,可以发现研究区内严重液化和中等液化区域分布面积明显比规范方法的要大,而轻微液化区明显比规范方法判别区域要小,进一步验证2种判别方法的差异性。