水利工程地震液化判定及计算探讨

路 辉，李剑修，杨 锋，宋 奎

(中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601)

地震液化是一种危害性较大的地质问题，往往影响着工程设计及工程成本，因此，通过工程勘察获得各类原位测试数据进行地震液化判断就显得尤其重要，而目前各个行业的规范与国标抗震规范对地震液化判断的某些边界条件存在分歧，因此，本文通过对某工程实例依据水利规范和国标规范的判断方法进行计算研究，总结出不同规范计算结果的差异，从而进一步认识水利工程在地震液化判别与其他规范的异同。

目前，通用的地震液化判定工作分为初判和复判2个阶段，初判首先排除不会发生地震液化的土层，对初判可能发生液化的土层，应进行复判，液化复判目前常用的方法是根据标准贯入击数结合土工试验提供的黏粒含量依据相关公式进行复判，如复判液化则需进行进一步计算液化等级。

1 工程概况

某工程区位于淮北平原东部，地势平坦，由西北向东南缓倾，水系发育，勘探深度内地层为第四系全新统及上更新统冲洪积地层，岩性主要为轻(中)粉质壤土、轻粉质砂壤土、粉质黏土。工程正常运行时各土层均位于地下水位以下。

2 地层岩性特征

工程沿线地层分布差异较大，地质复杂，多见透镜体，夹薄层，勘探深度范围内的主要地层如下。

2.1 第四系全新统

①素填土：主要由轻粉质砂壤土、粉土、轻粉质壤土构成，结构松散、稍湿，局部含有姜石。

②轻粉质壤土：黄色，干～稍湿，软塑状态，夹中粉质壤土，土性不均，摇振反应迅速。

③轻粉质砂壤土：浅灰色，松散，饱和，夹粉土、轻粉质壤土薄层，土性不均，摇振反应迅速。

④粉土：棕黄色、灰黄色，饱和，中密～密实，夹轻粉质壤土，摇振反应迅速。

⑤中粉质壤土：灰黄色，湿，软塑状态，夹粉细砂和壤土透镜体，稍有光泽，干强度高，韧性中等。

2.2 第四系上更新统

⑥粉质黏土：灰色、灰黄色，可塑～硬塑状态，稍湿，含砂礓，局部可塑偏软，局部夹中、轻粉质壤土薄层，稍有光泽，干强度高，韧性高。

⑦轻粉质壤土：黄、灰黄色，很湿，可塑～可塑偏硬状态，土质不均，夹粉细砂薄层，稍有光泽，干强度低。

⑧重粉质壤土：灰色、灰黄色，可塑～硬塑状态，稍湿，局部软塑，夹中、轻粉质壤土薄层，有光泽，干强度高，韧性高。

⑨粉质黏土：棕黄色、灰黄色，呈硬塑状态，夹轻粉质壤土，含砂礓及黑色粒状铁锰结核，有裂隙，有光泽，干强度高，韧性高，该层未揭穿。

3 原位测试及土工试验统计

该工程中某典型勘探孔的原位测试及土工试验统计成果见表1—2。

表1 某典型建筑物勘探点的标准贯入数据

表2 某典型建筑物勘探点的土工试验数据

4 地震液化判断

该工程区基本动峰值加速度为0.10g，相应地震基本烈度为Ⅶ度，需要进行液化判别，《建筑抗震设计规范》(以下简称建筑抗震规范)和《水利水电工程地质勘察规范》(以下简称水利勘察规范)附录P均采用液化初判和液化复判的方法进行液化判别，且液化初判和复判方法不尽相同。

4.1 液化初判

根据建筑抗震规范4.3.3，本工程覆盖层范围内中粉质壤土以上土层均为Q4，轻粉质壤土的黏粒含量大于10，可判为不液化土，轻粉质砂壤土和粉土的黏粒含量均小于10，因此轻粉质壤土为不液化土，中粉质壤土和粉土均为可能液化土，需要进行液化复判。

根据水利勘察规范附录P，本工程覆盖层范围内中粉质壤土以上土层均为Q4，土的粒径小于5mm颗粒含量的质量百分率均大于30%，且其中粒径小于0.005mm的颗粒含量百分率相应于地震动峰值加速度为0.10g时小于16%，工程正常运用后各土层均位于地下水位以下，因此，轻粉质壤土、中粉质壤土和粉土均为可能液化土，需要进行液化复判。

综上，根据建筑抗震规范初判轻粉质壤土为不液化土，中粉质壤土和粉土均为可能液化土；而根据水利勘察规范初判轻粉质壤土、中粉质壤土和粉土均为可能液化土。原因是由于水利相关规范和建筑行业规范对土的分类标准不同，而水利相关规范对细粒土的分类采用三角坐标法，所以导致根据2种不同规范进行液化初判的结果也产生差异。

4.2 液化复判

液化初判可能液化的土体需要进行液化复判，建筑抗震规范的判别方法仅标准贯入锤击数判别法一种，且对复判液化的土层进行液化指数计算，并根据液化指数综合划分液化等级；水利勘察规范对土的地震液化复判有标准贯入锤击数法、相对密度复判法和相对含水率或液性指数复判法3种。本次仅针对2种规范中均采用的标准贯入击数法进行对比。

建筑抗震规范一般只判断地面下20m深度范围内的土体，采用如下公式：

(1)

(2)

式中，N0—液化判别标准贯入锤击标准值，本工程取7击；ds—饱和土的标准贯入深度；dw—地下水位，本工程取2.0m；ρc—黏粒含量百分率，当小于3%或为砂土时，应采用3%；β—调整系数，本工程取0.80；di—i点所代表的土层厚度；Wi—i点所代表的土层厚度的层位影响权函数值。

根据式(1)(2)计算结果见表3。

表3 建筑抗震规范液化判断及计算表

水利勘察规范中土的地震液化复判标准贯入锤击法只适用于标准贯入点地面以下15m以内的深度，大于15m的深度内有饱和砂或者饱和少黏性土采用其他方法。具体液化判别公式如下：

(3)

式中：N0—液化判别标准贯入锤击标准值，本工程取6击；ds—饱和土的标准贯入深度，ds<5m时，取5m；其余变量含义同前所述。

(4)

本工程标准贯入试验时，地下水位为2.0m，工程正常运用时浸没于水面以下，根据式(3)(4)计算结果见表4。

表4 水利勘察规范液化判断表

综上，按照建筑抗震规范中液化计算方法③层砂壤土为液化土，②层轻粉质壤土、④粉土判为不液化，而按照水利勘察规范附录P②层轻粉质壤土、③层砂壤土均为液化土，究其原因，一是水利勘察规范根据工程运用时地下水位变化对标准贯入试验进行了修正，二是水利勘察规范根据土的三角坐标法对土类进行划分，导致2种规范对黏粒含量在10%～15%之间的土层判别存在差异。

5 液化等级及抗震措施

根据前文，本工程按照建筑抗震规范进行计算的液化等级为严重，应采取相应的处理措施，按照水利勘察规范判断②、③层土为液化土，应采取相应的抗震措施。不同规范对液化土层进行处理的相关措施也存在差异。

根据建筑抗震规范，本工程建筑抗震设防类别为丙类，地基的液化等级为严重，应采取全部消除液化沉陷，或部分消除沉陷且对基础和上部结构进行处理。本工程如果全部消除地基液化沉陷宜采用桩基础或加密法，由于地层液化土层较深厚，不宜采用全部替换非液化土的措施。

根据《水工建筑物抗震设计标准》本工程可采用振冲加密、强夯击实等人工加密或振冲挤密碎石桩等复合地基或桩体以及混凝土连续墙或其他方法围封可液化地基。

综上可以得出，建筑抗震规范根据液化土体的液化等级和建筑的抗震设防类别对液化土体采用相应的处理措施，如果地基土液化等级轻微或抗震设防类别较低可不采用任何处理措施；而水工抗震标准对所有复判液化的地基土层均采取相应的抗震措施，《水工建筑物抗震设计标准》对地基土液化的处理偏于严格。

6 结语

《建筑抗震设计规范》给出了可能液化土层地震液化判别的方法以及处理的措施，而水利工程由于其对土类划分标准的特殊性，《水利水电工程地质勘察规范》对可能液化土层的地震液化判别更具体、更有针对性，从而导致土层地震液化判断结果的差异。其次，两种规范地震液化复判采用的方法和公式也不完全相同，《水利水电工程地质勘察规范》则充分考虑了工程实际运用时的水位对地层液化的影响，更有针对性。最后，《建筑抗震设计规范》按照抗震设防类别和地基土液化等级综合给出相应的地震液化处理措施，而《水工建筑物抗震设计标准》则对所有液化复判为液化土的土层均采用地震液化处理措施，对地震液化的处理更于严格和保守，且两种标准采用的地震液化处理措施也不尽相同。