泵站地下水位升降對土層液化的影響分析

王英豪，朱 恒

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

1 土層液化的危害及液化機(jī)理

1.1 土層液化的危害

當(dāng)?shù)卣鸬膹?qiáng)度到達(dá)一定量時(shí)，飽和無粘性土和少粘性土的性質(zhì)將會發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致土體具有液體的特征，這種現(xiàn)象稱為砂土液化災(zāi)害現(xiàn)象。砂土液化的危害主要表現(xiàn)為：

1.1.1 土體承載力的喪失

連續(xù)的高強(qiáng)度振動使孔隙水應(yīng)力持續(xù)增大，使有效應(yīng)力持續(xù)下降，當(dāng)有效應(yīng)力減小至0時(shí)，砂粒發(fā)生流動，土體喪失承載力，引起地基整體失效。

1.1.2 塌陷

液化的宏觀表現(xiàn)為噴砂冒水，液化砂土在上部土層的壓力下，在覆蓋層較薄處，壓力差可使砂土噴出地表，使得地下形成空洞，地表塌陷。而噴出的砂土掩蓋了農(nóng)田、渠道、水井等。

1.1.3 地面開裂下沉

當(dāng)液化的砂土從地下沿地裂縫噴到地面時(shí)，加劇了地裂縫的加速發(fā)展，液化土層在重新沉積之后會加劇上部結(jié)構(gòu)的破壞。

砂土液化災(zāi)害對我國的城鎮(zhèn)建設(shè)影響較大，是進(jìn)行地震安全性評價(jià)、抗震設(shè)防、震害預(yù)測的重要環(huán)節(jié)，所以應(yīng)予以足夠的重視。

1.2 土層液化的機(jī)理

飽和無粘性土和少粘性土在振動作用下，顆粒移動、變密，通過顆粒間接觸面?zhèn)鬟f的有效應(yīng)力轉(zhuǎn)移至由飽和土體中孔隙水承擔(dān)的孔隙水應(yīng)力，由太沙基（Terzaghi）有效應(yīng)力原理：

式中 σ為總應(yīng)力；σ′為有效應(yīng)力；u為孔隙水應(yīng)力。

當(dāng)總應(yīng)力保持不變時(shí)，孔隙水應(yīng)力和有效應(yīng)力可以相互轉(zhuǎn)化，即隨著孔隙水應(yīng)力的增加，有效應(yīng)力不斷減小，當(dāng)有效應(yīng)力減小至0時(shí)，顆粒在水中處于懸浮狀態(tài)，此時(shí)砂土發(fā)生液化。

飽和砂土或粉土液化除了地震的振動特性外，還取決于土的自身狀態(tài)：①飽和，即要有水，且無良好的排水條件。即使再松散的土，如果沒有水的參與，也不可能發(fā)生液化。②足夠松散，即砂土或粉土的密實(shí)度不好。即使水位很高，若砂土或粉土的密實(shí)度很高，也不會發(fā)生液化現(xiàn)象。

2 液化處理措施

2.1 提高飽和無粘性土和少粘性土的密實(shí)度

常用的有振沖、夯實(shí)、爆炸、擠密樁等措施，提高砂土密實(shí)度。在水利水電工程的渠道工程中，常采用夯實(shí)、翻壓等措施提高砂土密實(shí)度，效果較為理想。在巖土工程中，擠密樁的使用則更為普遍。

2.2 改善砂土排水條件，降低孔隙水壓力

在工程條件滿足的條件下，改善砂土的排水條件，可有效降低飽和砂土中的孔隙水壓力。孔隙水壓力的降低在總應(yīng)力保持不變的條件下，可明顯增大土顆粒之間的有效應(yīng)力，從而使液化的可能性降低，以致消除。

3 地下水位升降對土層液化的影響

3.1 工程概況

某泵站工程地層結(jié)構(gòu)為粘砂多層結(jié)構(gòu)，取典型地層進(jìn)行液化判別。其地層分布由上至下分別為：第①層第四系全新統(tǒng)人工填土（Qml）素填土，層厚0.8m；第②層第四系全新統(tǒng)第一陸相層壤土，層厚4.4m；第③層第四系全新統(tǒng)第一陸相層粉砂，層厚1.8m；第④層第四系全新統(tǒng)第一陸相層壤土，層厚1.5m；第⑤層第四系全新統(tǒng)第一海相層粉砂，層厚11.6m；第⑥層第四系全新統(tǒng)第一海相層壤土，揭露厚度2.7m。

本孔標(biāo)貫深度及標(biāo)貫擊數(shù)分別為：5.1～5.4m，N=7；5.9 ～6.2m，N=8；9.1 ～9.4m，N=8；9.9 ～10.2m，N=9；10.9 ～11.2m，N=9；11.9～11.2m，N=10；13.9～14.2m，N=11；14.9～15.2m，N=12；15.9～16.2m，N=13；16.9～17.2m，N=13；17.9～18.2m，N=14；18.9～19.2m，N=15。地下水位埋深3m。

3.2 液化分析

為判斷砂土的液化潛勢，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)范》進(jìn)行判定，依據(jù)公式為：

式中 Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，本工程取N0=10；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度（m）；dw為地下水位深度（m）；ρc為粘粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3；β為調(diào)整系數(shù)（本工程取0.95）。判別結(jié)果見表1。

表1 飽和砂土液化

如果地下水位抬升或降低，按0.3m幅度變化，重新判別液化指數(shù)，見表2。

表2 水位升降后飽和砂土液化指數(shù)

為形象描述水位的升降對液化指數(shù)的影響，繪制水位埋深與液化指數(shù)的關(guān)系曲線如圖1。

圖1 水位埋深與液化指數(shù)的關(guān)系曲線

由圖1可知，在液化的前提下，水位的升降對液化指數(shù)的影響呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，其對數(shù)趨勢線關(guān)系為ILE=-6.6534ln（dw）+28.18。由圖可知隨著水位的升高，液化指數(shù)逐漸變大，但這種變大的幅度是有限的，水位上升最高點(diǎn)位地表，此時(shí)的水位埋深值為0，液化指數(shù)不再增加；隨著水位降低，液化指數(shù)在不斷減小，當(dāng)水位埋深大于20m的判定深度時(shí)，液化指數(shù)的變化將不具實(shí)際工程意義。由于參與統(tǒng)計(jì)的判別數(shù)據(jù)較少，ILE～dw的關(guān)系曲線不是很確定，特別是地下水位升降在液化臨界點(diǎn)處的變化規(guī)律。

4 結(jié)語

砂土液化的危害主要表現(xiàn)為土體承載力的喪失、塌陷、地面開裂下沉。液化的機(jī)理決定了處理的一般措施有：提高飽和無粘性土和少粘性土的密實(shí)度、改善砂土排水條件及降低孔隙水壓力。

在工程運(yùn)行期間，由于各種外在和內(nèi)在的因素，地下水位可能會有所上升，而其升降會對具飽和砂土液化潛勢的土層的液化指數(shù)有所影響，液化指數(shù)的大小，液化等級的高低，直接決定著經(jīng)濟(jì)投入和工程安全設(shè)計(jì)，因此有必要弄清地下水位升降對液化程度的影響。由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較少，ILE～dw的關(guān)系曲線確定，特別是地下水位升降在液化臨界點(diǎn)處的變化規(guī)律不得而知，希望有新的方法可以解決。

［1］盧延浩.土力學(xué)［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2002.

［2］陸兆溱.工程地質(zhì)學(xué)［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.

［3］顧曉魯，劉慧珊，等.地基與基礎(chǔ)［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［4］KIDYBINSKI A.Bursting liability indices of coal［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts，1981，18（4）；295-304.

［5］常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊［K］.中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［6］夏邦棟.普通地質(zhì)學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，1995.