曹妃甸吹填粉細砂液化特性研究?

張夏滔， 胡云壯， 王 棟??

(1. 中國海洋大學山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點實驗室， 山東 青島 266100； 2. 中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

曹妃甸工業(yè)區(qū)位于渤海灣西北部，是我國規(guī)模最大的填海造陸工程[1]，規(guī)劃圍墾的淺灘面積達310 km2。工程自2004年開始，依托原有的淺海和灘涂，通過吹填外海粉細砂進行填筑[2]。由于建設時間短，大范圍的填海造陸砂體處于欠固結(jié)狀態(tài)。同時，填海區(qū)位于1976年唐山大地震震源東南方約100 km處，屬南堡凹陷地震帶[3]，當?shù)卣鸢l(fā)生時，填海區(qū)未經(jīng)處理的地基可能產(chǎn)生大范圍液化，危及整個地區(qū)的安全[4]。

目前對該地區(qū)的液化判別主要通過規(guī)范推薦的原位測試方法，如靜力觸探法和標貫法，均屬于經(jīng)驗性方法[5]，對填筑砂在動力作用下的力學響應以及孔壓發(fā)展演變?nèi)狈γ鞔_認識。當前對砂土液化特性的試驗研究主要集中在級配良好的砂，例如Ottawa砂、Toyouta砂和福建標準砂，通過控制砂土中的細粒摻量、相對密實度及固結(jié)壓力等條件，探索砂土液化的影響因素以及孔壓響應規(guī)律[6-8]。而曹妃甸造陸的吹填砂屬于海陸交互相粉細砂[9-10]，顆粒均勻且存在部分細粒組分，在地震荷載作用下的液化特性與標準砂存在顯著的差異。

本文利用在曹妃甸工業(yè)區(qū)的鉆孔取樣，對吹填粉細砂進行一系列的單調(diào)與循環(huán)單剪試驗，分析吹填粉細砂的靜、動力學特性及在動力荷載作用下的孔壓發(fā)展演變，提出吹填粉細砂動強度的歸一化表達式，并利用該表達式對曹妃甸工業(yè)區(qū)進行地震液化判別。

1 試驗土樣及方法

1.1 試驗土樣

收集曹妃甸工業(yè)區(qū)不同位置未經(jīng)地基處理前的標貫試驗數(shù)據(jù)，包括孔A-C，分別位于礦石碼頭二期堆載場區(qū)[2]、石油碼頭區(qū)和東南海堤內(nèi)側(cè)，標貫孔位置及標貫試驗曲線如圖1和2所示。由于各位置的吹填時間及原有砂基深度不同，吹填砂厚度以及密實度呈現(xiàn)較大差異性，總體來說，未處理的吹填土層呈疏松-中密狀態(tài)。

試驗所用土樣來自于石油碼頭東500 m處的地質(zhì)鉆孔，地質(zhì)鉆孔與標貫孔B相鄰。根據(jù)地質(zhì)鉆孔，地表以下30 m為粉細砂，其中上部13 m為中松-中密狀態(tài)且存在編織袋碎片，下部17 m為密砂。結(jié)合該位置附近的標貫數(shù)據(jù)判斷，上部13 m粉細砂為填海造陸土體。取該深度范圍的粉細砂，將土樣中編織袋和生物碎屑去除后進行顆分試驗，土樣的顆粒級配曲線見圖3。土樣的不均勻系數(shù)為Cu=2.25，曲率系數(shù)為Cc=1.1，土樣顆粒集中在0.075～0.25 mm之間，分選性極好，基本物理參數(shù)詳見表1。

圖1 標貫試驗位置Fig.1 The position of standard penetration test

圖2 標貫試驗曲線Fig.2 Standard penetration test curve

圖3 粒徑級配曲線Fig.3 The particle size distribution curves

eminemaxD60 /mmD30 /mmD10 /mmGs0.3491.2350.0950.0750.0182.65

1.2 試驗方案

單調(diào)和循環(huán)單剪試驗均采用英國GDS生產(chǎn)的循環(huán)單剪儀。試樣用橡皮膜包裹，在外疊放一系列內(nèi)徑相同的光滑鐵環(huán)，限制試樣固結(jié)過程中的側(cè)向膨脹，使試樣處于接近現(xiàn)實的K0固結(jié)狀態(tài)。鐵環(huán)表面涂有特殊材料，保證鐵環(huán)間的低摩擦力不會影響剪切試驗結(jié)果[11]。

單調(diào)和循環(huán)剪切試驗均采用不排水剪切，通過控制剪切過程中的試樣高度不變來實現(xiàn)體積不變，豎向壓力的改變等于超靜孔壓的改變。單調(diào)剪切采用位移控制，剪切的水平速率為0.1 mm/min，當土樣破壞或剪應變達到20%時停止試驗。循環(huán)剪切采用力控制，正弦形式的對稱加載，剪切頻率0.1 Hz。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 單調(diào)剪切

單調(diào)剪切得到粉細砂的應力路徑如圖4所示。不同相對密實度以及不同固結(jié)壓力下的試樣擁有形狀相似的應力路徑。剪切初始階段，試樣出現(xiàn)剪縮趨勢，為保持試樣體積不變，軸向有效應力降低，也就是等效孔隙水壓力上升。當應力路徑到達相位轉(zhuǎn)換點后，土樣呈現(xiàn)應變硬化特性，應力路徑沿直線上升，無明顯破壞點；相同豎向固結(jié)壓力下，相對密實度低的土樣表現(xiàn)出更強的剪縮性質(zhì)。參考Porcino[12]和Carter[13]的建議，取相位轉(zhuǎn)換點處的剪應力τPT作為砂土的靜不排水抗剪強度。相同初始固結(jié)壓力下，Dr小的土樣得到的不排水抗剪強度低。各試樣的試驗條件及結(jié)果如表2所示。

圖4 單剪試驗應力路徑Fig.4 The stress path in monotonic shear test

組別①豎向固結(jié)壓力②σ'v0/kPa壓縮量③/mm固結(jié)后相對密實度④/%τPT /kPa1-1500.11661.19.281-21000.25462.0171-31500.38463.025.51-42000.36562.3362-1500.27640.38.72-21000.39040.513.82-31500.46740.423.92-42000.53140.030.8

Note：①Group; ②Vertical consolidation pressure; ③Deformation of consolidation; ④Relative density.

2.2 循環(huán)剪切

2.3 循環(huán)強度比與循環(huán)次數(shù)關(guān)系歸一化表達

(1)

其中a和b為常數(shù)，對于曹妃甸吹填粉細砂，a=1.06，b=0.18，如圖7虛線所示。利用公式1即可通過砂土的靜力不排水強度預測動力不排水強度。

3 場地液化可能性判別

采用Seed-Idriss的地震液化判別簡化公式[14]，判斷現(xiàn)場土體在不同地震荷載的作用下是否液化。該方法的基本思路為：假定場地土體為剛體，計算不同深度處水平面上的峰值剪應力，將峰值剪應力進行折減，得到實際土層狀態(tài)下的峰值剪應力，利用土工試驗得到的抗液化剪切力與場地峰值剪應力對比，若后者大于前者，則認為土層發(fā)生液化[15]。

圖5 Dr=40%粉細砂循環(huán)單剪結(jié)果Fig.5 Cyclic response of sility sand with Dr=40%

3.1 等效地震剪應力和等效循環(huán)次數(shù)

等效地震峰值剪切力由公式(2)求得

(2)

其中：τc為等效地震剪切力；γ為上覆土的平均容重；h代表上覆土層厚度；amax為地面最大地震加速度；rd為剪應力折減系數(shù)。采用Idriss和Boulanger[16]在Golesorkhi[17]研究基礎上提出的計算公式，該式考慮了不同地震震級對rd的影響：

(3)

圖6 Dr=60%粉細砂循環(huán)單剪Fig.6 Cyclic response of sility sand with Dr=60%

其中：α和β為深度相關(guān)系數(shù)；z為計算點埋深，單位為m；M為地震震級。該公式適用于不超過20 m深度范圍內(nèi)土體液化判別計算。曹妃甸填海區(qū)造陸深度在20 m以內(nèi)，因此公式(3)適用。

3.2 液化性評價

地震荷載的等效應力循環(huán)次數(shù)和持續(xù)時間如表3所示[18]，代入公式(1)表征的循環(huán)強度比與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，即可計算不同震級下土體的抗液化剪切力。

圖7 循環(huán)強度比值與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between cycle strength ratio and cyclic numbers

震級①5.5～66.57.07.58.0等效循環(huán)次數(shù)②58122030持續(xù)時間③/s814204060

Note: ①Earthquake magnitude; ②Cyclic number of equivalent stress; ③Time of duration.

根據(jù)渤海海域潛在震源區(qū)劃分圖，曹妃甸填海造陸區(qū)處于南堡7.0級潛在震源區(qū)[19]，最小震級取7.0級，判斷相對密實度為60%的中密砂在不同深度處的液化性，計算結(jié)果如表4所示。在7.0級地震荷載下，地面下10 m范圍內(nèi)土層的峰值剪切力接近抗液化剪切力，認為土體到達液化狀態(tài)，當震級大于7.0級時，整個填海土層均處于液化狀態(tài)。而實際的曹妃甸工業(yè)區(qū)大部分場地吹填深度小于10 m，且由于填筑前地形以及填筑完成時間的不同，場地不同位置土層的固結(jié)程度不均勻分布，廣泛分布相對密實度小于60%的疏松或中密砂層，震級小于7.0級時即發(fā)生液化?？傮w來說，曹妃甸圍海造陸場地處于液化高風險區(qū)，在工程建設前需要進行地基加固措施。

表4 不同深度的液化性判別Table 4 Liquefaction evaluation at different depths

Note: ①Depth; ②The 7.0 magnitude earthquake; ③Liquefied; ④Critical; ⑤No; ⑥Yes.

4 結(jié)論

以曹妃甸吹填粉細砂為研究對象，利用單剪儀對其靜、動力學特性進行了分析，提出了粉細砂的循環(huán)強度比與循環(huán)次數(shù)的歸一化曲線，進而對地區(qū)的液化特性進行判別。

(1)疏松-中密狀態(tài)下的吹填粉細砂在循環(huán)荷載作用下，等效孔隙水壓力增長迅速。當?shù)刃Э讐旱竭_初始固結(jié)壓力的80%后，土樣快速破壞，液化發(fā)生具有突發(fā)性。

(2)根據(jù)大量單剪及循環(huán)單剪試驗數(shù)據(jù)，總結(jié)了粉細砂動強度的歸一化表達式，可以通過靜力不排水強度推測動強度。

(3)采用Seed[14]提出的場地液化判別簡化公式，曹妃甸吹填粉細砂在7.0級地震荷載作用下，深度10 m以內(nèi)土層達到液化。在地區(qū)工程建設中應重點預防場地液化帶來的危害。