泵站基础液化判别方法分析

赵志江

(北京市水利规划设计研究院，北京 100048)

泵站工程一般布设在临近河流和湖泊的区域。我国河流众多，含砂粉土的成因使其在河流沿岸广泛存在。[1]因此，在工程设计时，很大一部分中小型泵站的地基基础位于存在液化可能的粉土和砂土地层之上。王英豪等[2]在泵站地下水位升降对土层液化的影响进行了分析，并得出在液化的前提下，水位的升降对液化指数的影响呈现一定的规律性，其对数趋势线关系为ILE=-6.6534ln(dw)+28.18；许成顺等[3]研究了循环加载频率对砂土液化模式的影响，得出液化砂土在低频荷载作用下，均呈现出显著的剪胀特性，而在高频荷载作用下，均呈现出显著的剪缩特性；邢明源等[4]对应变循环加载下饱和含砾砂土的液化特性进行了研究；袁近远等[5]；提出了一种土层液化概率评价的半经验半理论方法与新的计算公式；张林[6]选取国外某港口项目的原位试验数据，采用美国地震工程研究中心(NCEER)推荐的液化判别方法与Boulanger和Idriss判别法进行对比分析；杨凯等[7]针对饱和砂土坝基的动力响应和液化规律，开展了两组超重力振动台试验，分析了饱和砂土地基在坝闸荷载作用下的地震响应规律；高清材等[8]分别利用剪切波测试方法及标准贯入试验结果进行了砂土液化判别，并对判定结果的可靠性进行了评估；董青等[9]针对饱和砂土液化大变形条件下的动力反应分析，基于不排水循环三轴试验数据分析得到的饱和砂土液化后大变形应力-应变行为的规律，提出适用于饱和砂土液化后大变形的加卸载准则，并得到能定量描述饱和砂土液化大变形途径的大变形本构；朱俊高等[10]利用某土坝作为算例，模拟了土石坝土体在出现液化后单元应力重新分配，以及液化区逐渐扩大的过程；耿飞[11]以吉林西部松花江流域的典型含砂粉土为研究对象，开展了循环荷载下吉林西部含砂粉土动力特性及不良地质堤防地震响应研究。

这些科技论文对砂土液化的机理、砂土液化判别的方法以及动荷载对砂土液化的影响都有涉及，但结合现行工程勘察设计规范中砂土液化判别方法对比的涉及较少。泵站工程是水利工程中较为特殊的一种，近些年往往在市政工程中也经常应用，其既可以归纳为水利工程，也可以按市政排水工程进行勘察设计。本文通过分析现行主要规范砂土液化判别的原理，以某河道中排涝泵站为例，分别采用不同的方法对泵站基础地层的进行液化判别，为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

某河道治理工程拟在河道末端修建一座排涝泵站，达到区域内防洪排涝标准。拟建泵站宽约8m，长约10m，主厂房高约4m，水泵置于现状地面以下约3m。厂房附加荷载按10000kN考虑，水泵静荷载按3000kN考虑，水泵运行荷载按4500kN考虑，水泵最大荷载按5200kN考虑。工程位置如图1所示。

图1 工程位置图示意图

泵站场区地面高程约42～43m，地面以下20m深度范围内地层分布基本为填土层、粉土层和黏性土层。地下水埋藏类型主要为潜水，含水层主要为粉土层，水位埋深约5～6m，水位高程约37～38m。场区历史最高水位为自然地表，高程为42.7m。泵站启泵水位为40.00m，最高运行水位为40.40m。

拟建泵站置于存在液化可能的②层砂质粉土之上，泵站基础高程约39.5m，基础持力层②层砂质粉土呈褐黄色～灰黄色，稍湿～饱和，中密～密实，含云母、氧化铁，揭露一般层厚约4m，层底高程约36m。该层分部较均匀，承载力标准值fka=160kPa，经深宽修正后该层承载力满足设计要求，可作为良好的基础持力层。工程位置地层结构如图2所示。

图2 工程位置地层剖面示意图

2 不同标准地基液化判别方法分析

为定量分析不同标准下地基液化程度，该泵站工程区地震动峰值加速度按0.20g考虑，抗震基本烈度按8度考虑。泵站场区钻孔内②层砂质粉土标准试验成果见表1。

表1 ②层砂质粉土标准试验成果表

2.1 水利抗震规范地基液化判别方法

依据GB 50487—2008对泵站基础进行液化判别，依据该规范，针对可能发生液化的地层进行复判计算公式如下[12]。

(1)

式中，N′—实测标准贯入锤击数；ds—工程正常运用时，标准贯人点在当时地面以下的深，m；dw—工程正常运用时，地下水位在当时地面以下的深度，m，运行时地面淹没于水面以下，取0；ds′—标准贯入试验时，标准贯入点在当时地面以下的深度，m；dw′一标准贯入试验时，地下水位在当时地面以下的深度，取勘察时钻孔水位埋深。

(2)

式中，Ncr—液化判别标准贯入锤击数临界值；N0—液化判别标准贯入锤击数基准值，取10；当标准贯入点ds在地面以下5m以内的深度时，校正后采用5m计算；ρc为土的黏粒含量质量百分率，取6.5；场区②层砂质粉土液化计算成果见表2。

表2 水利规范液化判别成果表

判别结果表明，抗震基本烈度8度、运行时地面淹没于水面以下时，②砂质粉土层存在液化问题，且校正后标贯击数远远小于临界标贯击数，已不具有可代表性。原始标贯击数、修正后标贯击数和临界液化标贯击数如图3所示。

图3 水利规范标贯击数对比图

2.2 建筑抗震规范地基液化判别方法

将泵站按市政工程考虑地震液化，依据GB 50011—2010进行液化判别，针对可能发生液化的地层进行复判计算公式如下[13]：

(3)

式中，N0—液化判别标准贯入锤击数基准值，取12；ds—饱和土标准贯人点深；dw—地下水位，m；ρc—土的黏粒含量质量百分率，取6.5；β—调整系数，取0.95；场区地下水位按最高运行水位为40.40m计算时，②层砂质粉土液化计算成果见表3。

表3 建筑抗震规范液化判别成果表

建筑抗震规范对标准贯入试验击数不进行修正，直接采用原始标贯击数，同一场地，同一地层的液化计算所临界液化标贯击数与原始标贯击数如图4所示。

图4 建筑抗震规范临标贯击数对比图

3 影响砂土地基液化因素分析

根据GB 50487—2008和GB 50011—2010的计算方法可知，影响砂土液化计算的主要有以下两点：

(1)地下水位dw取值不同，水利规范一般取工程正常运用时的深度，运行时地面淹没于水面以下时取0。而建筑抗震规范，dw宜按设计基准期内年平均最高水位采用，也可按近期内年最高水位采用。

(2)水利规范对标贯击数需根据运行时水位和标准贯入试验深度进行修正，而建筑抗震规范不进行修正。

3.1 地下水深度取值的影响

勘察时泵站场区地下水位埋深约5.4～5.9m，分别采用钻探时水位、最高运行水位和历史最高水位3种工况计算场区②砂质粉土液化程度，计算结果见表5。

表5 建筑抗震不同水位取值液化指数计算成果表

由计算结果可知，GB 50011—2010计算地层液化中地下水位的影响较大。若按钻探时水位计算，不存在液化问题；采用最高运行水位计算，液化等级为轻微；采用历史最高水位计算，液化等级为中等。

工程场区砂土液化计算中，按GB 50487—2008计算时地下水位dw取值较为明确。而采用GB 50011—2010进行计算时，dw取值受主观因素影响较大，若按现状水位取值计算值偏小，若取历史高水位时计算结果又趋于保守，只适用于极限工况下液化判别。

3.2 有效应力修正标贯击数的影响

考虑基础开挖对标贯点处有效应力的影响，依据现行GB 50487—2008中对试验标准贯入锤击数进行校正，若上覆有效应力增大，校正后的试验标准贯入锤击数偏大，高估了土体的抗液化能力，导致液化判别结果偏于不安全。若上覆有效应力减小，校正后的标准贯入锤击数偏小，低估了土体的抗液化能力，导致液化判别结果过于保守[14]。

由于泵站基础荷载一般大于上覆土体自重，实际增加了试验标准贯入锤击处的有效应力。按照GB 51247—2018，当工程正常运行时标准贯人点深度和地下水位深度与进行标准贯入试验时的贯入点深度和地下水位深度不同时，实测标准贯入击数修正公式如下：

N=N′(σv/σvw′)0.5

(5)

式中，σv—工程正常运行时标准贯人点有效上覆垂直应力；σv′—进行标准贯入试验时标准贯人点有效上覆垂直应力，不小于35kPa，且不大300kPa。

水利工程与市政工程相比，水利水电工程一般地处偏远地区，不能直接采用现行国标地震分组结果，按照GB 51247—2018地震分区调整系数一般取1。

(6)

以本文泵站工程为例，泵站基础埋深为地面下3m，场区上覆土天然重度按19kN/m3计算，饱和浮重度按10kN/m3计算，泵站基底附加荷载190kPa计算，dw按运行时地下水位深度0m计算，N0取12计算，地下水按进行标准贯入修正取值及计算结果见表6。

表6 有效应力修正标准贯入试验计算成果表

原始标贯击数、按有效应力修正后的标贯击数和临界液化标贯击数如图5所示。

按照GB 51247—2018《水工建筑物抗震设计标准》对标准贯入击数进行修正后的计算结果结论与GB 50011—2010中按最高运行水位为40.40m计算时的结果较为接近，工程场区的液化等级为轻微。

4 结语

(1)在泵站砂土地基基础液化判别计算中，在对标准贯入试验进行修正时，应考虑上覆有效应力的作用。若仅考虑钻探时和运行时的试验深度和水位深度，容易低估了土体的抗液化能力，导致液化判别结果过于保守。

(2)对泵站砂土地基采用GB 50011—2010计算其液化程度，地下水位应根据设计工况取合理的数值。

(3)针对泵站等此类既是水利工程也是市政工程的建筑物，依据GB 51247—2018来计算液化即考虑了有效应力对标准贯入试验修正的影响，也考虑到了水工建筑物水位变化较大的特殊性。

(4)本文泵站附加荷载按水泵最大荷载按5200kN考虑，并未充分考虑泵站运行时循环荷载对基底液化的影响。同时本文也未考虑在多台水泵同时运行时其功率对基础液化的影响。在以后的研究中，可以充分研究一下多台水泵循环荷载下形成的震动波对地基液化的影响。