砂土液化對(duì)地鐵建設(shè)運(yùn)行的影響初判

鄭 奕 彭瑞杰 李連營(yíng)

(天津市勘察院，天津 300191)

砂土液化對(duì)地鐵建設(shè)運(yùn)行的影響初判

鄭 奕 彭瑞杰 李連營(yíng)

(天津市勘察院，天津 300191)

對(duì)地鐵沿線故河道粉土液化情況及噴砂冒水情況進(jìn)行了初步判別，同時(shí)對(duì)可能產(chǎn)生的震陷及地面沉降進(jìn)行了估算，結(jié)果表明，地震產(chǎn)生震陷量較小，但在長(zhǎng)期振動(dòng)下可能產(chǎn)生的沉降較大，應(yīng)引起關(guān)注。

砂土液化，地鐵，震陷，沉降

隨著國(guó)內(nèi)各大城市地下空間的不斷開(kāi)發(fā)和利用，大斷面、淺埋地下結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，以往震害情況表明地鐵結(jié)構(gòu)容易遭受地震作用的破壞，地震中飽和砂土地層的液化是造成地鐵結(jié)構(gòu)破壞的重要原因之一。

天津地鐵5號(hào)線南段根據(jù)區(qū)域地質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)勘察資料局部分布有厚層故河道粉土層，分布范圍廣、厚度大，在地震及地鐵施工、運(yùn)營(yíng)振動(dòng)條件下，可能發(fā)生液化現(xiàn)象，對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

1 現(xiàn)狀液化分布及其土層特性

根據(jù)2008年《天津市飽和粉(砂)土液化地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查報(bào)告》，區(qū)域內(nèi)有故河道分布，且存在嚴(yán)重液化點(diǎn)；在1976年唐山地震時(shí)，地鐵沿線有噴砂冒水點(diǎn)分布，液化區(qū)域及噴冒點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。本場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，屬設(shè)計(jì)地震第二組，地震動(dòng)峰值加速度值為0.15g[1]。根據(jù)《天津地鐵5號(hào)線工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》，當(dāng)本場(chǎng)地遭遇50年超越概率10%的地震作用時(shí)，地表水平向地震峰值加速度為1.629 m/s2，特征周期Tg=0.70 s。根據(jù)已有勘察資料，以天津地鐵5號(hào)線南段某區(qū)間為例。該區(qū)間埋深約3.00 m～17.00 m段為近沖積層故河道飽和粉土。根據(jù)已有地質(zhì)資料，該層土屬欠固結(jié)土，其物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)及原位測(cè)試統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 物理力學(xué)、原位測(cè)試指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目W%rkN/m3eIpILa1-21/MPaEs1-2MPa靜力觸探指標(biāo)錐尖阻力qc/kPa側(cè)摩阻力fs/kPa標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)/擊子樣數(shù)1121101101101076464103最大值28.620.20.7910.00.660.1718.216.0最小值22.319.20.658.70.300.1010.58.0平均值25.519.70.729.60.470.1313.73515.341.8511.6標(biāo)準(zhǔn)差1.600.230.030.340.110.021.95變異系數(shù)0.0630.0120.0470.0360.2310.1510.142標(biāo)準(zhǔn)值25.7919.660.73—0.490.1313.24

區(qū)間兩端進(jìn)出站區(qū)段盾構(gòu)結(jié)構(gòu)局部穿越粉土層，中間區(qū)段液化粉土層位于盾構(gòu)頂部(距離約1 m)。因此，地鐵沿線分布的飽和粉土液化與否對(duì)地鐵施工、運(yùn)行的安全至關(guān)重要。

2 液化判定

天津地區(qū)對(duì)于液化判定多以標(biāo)準(zhǔn)貫入法為主，按GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中液化判定公式[1]：

(1)

其中，Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入度錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入度錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，天津市區(qū)設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g，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,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)，天津市屬設(shè)計(jì)地震第二組，取0.95。

(2)

其中，IlE為液化指數(shù)；n為在判別深度范圍內(nèi)每一個(gè)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)的總數(shù)；Ni，Ncri分別為i點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實(shí)測(cè)值和臨界值，當(dāng)實(shí)測(cè)值大于臨界值時(shí)應(yīng)取臨界值；di為i點(diǎn)所代表的土層厚度，可采用與該標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)相鄰的上、下兩標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；Wi為i土層單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值，m-1。經(jīng)計(jì)算，該區(qū)域內(nèi)故河道粉土液化指數(shù)16.44～39.77，屬中等～嚴(yán)重液化土層。

3 砂土液化噴砂冒水可能性評(píng)價(jià)

3.1 地震液化及噴砂冒水機(jī)理

飽和松散的砂(粉)土在地震、動(dòng)荷載作用下，因受到強(qiáng)烈振動(dòng)而喪失抗剪強(qiáng)度，使砂粒處于懸浮狀態(tài)，致使地基失效的作用或現(xiàn)象即為地震液化，砂(粉)土液化主要是在靜力或動(dòng)力作用下，砂土中孔隙水壓力上升，如果孔隙水不能迅速排出、孔隙水壓力就越來(lái)越高，而土粒所受的有效應(yīng)力則相應(yīng)減少。最終有效應(yīng)力減至0，土粒間無(wú)應(yīng)力傳遞，土粒失重，懸浮水中，而孔隙壓力上升到等于土的最初的有效應(yīng)力，此時(shí)土骨架崩潰，土?？呻S水流動(dòng)。飽和粉(砂)土的液化是孔隙水壓力上升的結(jié)果，同時(shí)也是土體在外力(振動(dòng))作用下排出孔隙水，再次固結(jié)的過(guò)程。

飽和粉土液化機(jī)理可采用有效應(yīng)力原理來(lái)解釋：在循環(huán)荷載作用下飽和粉土土骨架之間的連接遭到破壞后產(chǎn)生體變變形，同時(shí)由于粉土的滲透性較弱，孔隙中的水不能及時(shí)排出，致使孔隙水壓力不斷增大，當(dāng)其增長(zhǎng)到一定程度，粉粒間的剪阻力成為0，在此過(guò)程中所含粘?？赡苤饕饾?rùn)滑作用，這種作用越強(qiáng)將會(huì)使得抗液化強(qiáng)度越小[2]。飽和粉土的液化過(guò)程其實(shí)就是粉土結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈的剪切變形下發(fā)生破壞，原先由粉土骨架承擔(dān)的粒間應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)被破壞后逐漸轉(zhuǎn)移給孔隙水，引起孔隙水壓力的增高和有效應(yīng)力的降低，排水不暢時(shí)產(chǎn)生液化，當(dāng)孔隙水壓力大于上覆土壓力時(shí)，出現(xiàn)噴砂冒水現(xiàn)象。需要說(shuō)明的是，噴砂冒水現(xiàn)象只是地震作用下粉土液化的一種表現(xiàn)形式及判斷依據(jù)，并不是所有的液化都會(huì)產(chǎn)生噴砂冒水現(xiàn)象。

3.2 飽和砂土液化、噴冒初判

場(chǎng)地內(nèi)故河道粉土應(yīng)按照不利情況確定為中等～嚴(yán)重液化粉土，液化指數(shù)最大達(dá)39.77，根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》[3]對(duì)地基液化等級(jí)判定，該區(qū)域在地震條件下發(fā)生噴砂冒水可能性大，噴冒程度嚴(yán)重。

3.3 砂土液化可能產(chǎn)生的危害

地震中飽和粉土地層的液化是造成地鐵結(jié)構(gòu)破壞的重要原因之一。地鐵車站、隧道等地下結(jié)構(gòu)可能由于地基液化時(shí)過(guò)高的孔隙水壓力而產(chǎn)生上浮或沉陷破壞。對(duì)于地鐵車站及明挖區(qū)間，多采用剛性支護(hù)，抗彎剪能力較低，地震中比較容易發(fā)生開(kāi)裂破壞，在高烈度地區(qū)甚至?xí)?dǎo)致襯砌塌方。

4 液化引起地面沉降預(yù)測(cè)

4.1 地震作用下震陷量估算

根據(jù)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范條文說(shuō)明對(duì)在地震作用下粉土液化平均震陷量進(jìn)行試算，公式如下[1]。

(3)

由于場(chǎng)地地面無(wú)附加荷載，計(jì)算時(shí)按上覆土層作為荷載進(jìn)行試算。計(jì)算條件：上覆土厚度5.0m，液化粉土厚度10m，地下水水位1.0m，由于條文說(shuō)明中無(wú)第二組經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按8度考慮進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為0.15m左右。

4.2 長(zhǎng)期振動(dòng)作用下震陷量估算

由于地震荷載為瞬時(shí)荷載，而地下鐵路深度一般位于地下8m～20m左右，而其環(huán)境振動(dòng)影響范圍約20m。地下線的振動(dòng)影響主要取決于線路的線形、埋深,尤其與敏感點(diǎn)的距離、運(yùn)行速度關(guān)系較大。地鐵隧道上方5m以內(nèi)的建筑,環(huán)境振動(dòng)無(wú)明顯變化；5m～20m振動(dòng)級(jí)衰減比較明顯[4]。同時(shí)地鐵運(yùn)行是長(zhǎng)期持續(xù)的，若這個(gè)振動(dòng)影響到液化土層產(chǎn)生震陷，可能會(huì)對(duì)地表產(chǎn)生一定的影響。區(qū)域內(nèi)故河道土屬欠固結(jié)土，當(dāng)考慮液化粉土在長(zhǎng)期振動(dòng)固結(jié)作用的體積變化，即液化粉土在地下鐵路振動(dòng)的長(zhǎng)期作用下，排出孔隙水，進(jìn)行固結(jié)引起的體積變化時(shí)，我們采取假設(shè)部分條件的方法進(jìn)行了試算。

根據(jù)前文中式(3)注釋，利用標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N對(duì)粉土密實(shí)度進(jìn)行估算。

式中有效上覆壓力取上覆土厚度5m進(jìn)行估算，有效壓力約為56kPa，粉土層密實(shí)度Dr按標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)平均值計(jì)算約為63%。

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》，當(dāng)按抗震設(shè)防烈度7度，即地面最大加速度0.15g，粉土密實(shí)度Dr應(yīng)提高至73%，可視為不液化土[3]。按上述式(3)注釋公式反推可得標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N應(yīng)不小于15.2擊。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入與孔隙比經(jīng)驗(yàn)關(guān)系e=0.658-0.003 4 N[5]，可得到當(dāng)孔隙比小于0.61時(shí)，可視為不液化土。

則液化土在固結(jié)前后的厚度變化值可按式(4)計(jì)算：

(4)

其中，ΔH為土層厚度變化值，m；H為原液化土層厚度，m；e0為原孔隙比；e1為固結(jié)完成后孔隙比。

根據(jù)本區(qū)域內(nèi)勘察資料，故河道粉土層孔隙比介于0.65～0.79，平均值e1=0.74，可得到ΔH=0.063 9H。當(dāng)液化粉土厚度10m時(shí)，在長(zhǎng)期振動(dòng)作用下，液化粉土固結(jié)壓縮厚度變化應(yīng)不大于0.64m?？紤]到由于地鐵施工階段工期較短，同時(shí)有一定的補(bǔ)償控制措施，而運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生的振動(dòng)能量總體較小，應(yīng)對(duì)于估算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p，按照40%～60%計(jì)算，其厚度變化可能引起的沉降約為0.26m～0.38m。

5 結(jié)語(yǔ)

1)區(qū)域內(nèi)故河道粉土綜合判定應(yīng)按照不利情況確定為中等～嚴(yán)重液化粉土。該區(qū)段場(chǎng)地為中等～嚴(yán)重液化場(chǎng)地。地鐵設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)充分考慮砂土液化對(duì)于地鐵建設(shè)、運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的不利影響。2)區(qū)域內(nèi)故河道粉土在地震作用下產(chǎn)生震陷量約0.15m，總體影響較??；在長(zhǎng)期振動(dòng)下可能引起的沉降約0.26m～0.38m，區(qū)域內(nèi)故河道粉土在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)振動(dòng)作用下可能引起的變形較大。3)地鐵長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的振動(dòng)可能對(duì)其影響范圍內(nèi)的故河道粉土產(chǎn)生震陷、擠密作用，從而引發(fā)地面沉降等工程問(wèn)題，應(yīng)引起注意。由于該僅為假設(shè)條件下估算，實(shí)際條件下地鐵運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng)影響范圍及模式、對(duì)故河道粉土的相互作用可進(jìn)行進(jìn)一步的專項(xiàng)研究。

[1]GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 李立云，崔 杰，景立平，等.飽和粉土振動(dòng)液化分析[J].巖土力學(xué)，2005(10)：1663-1666.

[3] 工程地質(zhì)手冊(cè)編寫組.工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[4]DB29-20-2000，巖土工程技術(shù)規(guī)范[S].

[5] 謝詠梅，劉 揚(yáng)，辜小安.城市軌道交通地下線振動(dòng)環(huán)境影響分析[J].都市快軌交通，2012(2)：59-62.

[6] 馬良榮，趙 亮，王燕昌，等.標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與砂土參數(shù)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì)，2009(3)：5-8.

Theinfluencepreliminaryestimationofsandliquefactiontosubwayconstructionandoperation

ZHENGYiPENGRui-jieLILian-ying

(TianjinSurveyInstitute,Tianjin300191,China)

This paper made the preliminary estimation to Guhedao silt liquefaction situation and water spraying and sand emitting along the subway, and estimated the possible seismic subsidence and land subsidence, the results showed that: the seismic subsidence quantity was small generated by earthquake, but in the long term vibration may be larger settlement, should be paid more attention.

sand liquefaction, subway, seismic subsidence, subsidence

1009-6825(2014)36-0043-02

2014-10-11

鄭 奕(1978- )，男，高級(jí)工程師； 彭瑞杰(1978- )，男，高級(jí)工程師； 李連營(yíng)(1965- )，男，教授級(jí)高級(jí)工程師

TU441

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