公路與鐵路規(guī)范飽和砂土地震液化判別準(zhǔn)則對比分析

陳偉，李偉元

(1.中鐵二院成都地勘巖土工程有限責(zé)任公司，四川成都610031;2.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，云南昆明650011)

公路與鐵路規(guī)范飽和砂土地震液化判別準(zhǔn)則對比分析

陳偉1，李偉元2

(1.中鐵二院成都地勘巖土工程有限責(zé)任公司，四川成都610031;2.云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，云南昆明650011)

自飽和砂土地震液化初判與詳判中的試驗點深度、地下水埋深、地震動峰值加速度、黏粒含量幾方面入手，對比和分析《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20—2011)與《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50111—2006，2009版)中砂土液化判別準(zhǔn)則的差異，總結(jié)其中存在的問題。分析結(jié)果表明初判時兩者差異不大，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗詳判時，根據(jù)公路規(guī)范判定臨界錘擊數(shù)普遍大于或等于鐵路規(guī)范的計算值，公路規(guī)范的判定方法較鐵路保守。

地震 砂土液化 標(biāo)準(zhǔn)貫入 臨界錘擊數(shù)

地震時飽和松砂(含粉土)發(fā)生液化現(xiàn)象，使房屋傾斜、倒塌，地坪隆起、開裂，路基滑移縱裂，岸坡滑動。因此，地震液化的判定成為公路與鐵路地質(zhì)勘察工作的重要內(nèi)容。通過對新中國成立后幾次大地震如邢臺、通海、海城、唐山地震震區(qū)可液化土層的統(tǒng)計分析，同時借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究成果和經(jīng)驗，公路和鐵路兩個行業(yè)形成各自獨立的液化砂土判別方法，液化判別均采用初判和詳判兩個步驟。

現(xiàn)行公路砂土液化判別相關(guān)技術(shù)規(guī)范有《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02—3013)、《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》(JTG/T B02-01—2008)與《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20—2011)。鐵路相關(guān)技術(shù)規(guī)范有《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50111—2006，2009版)。其中《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》、《公路工程抗震規(guī)范》判別方法參考了《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2001，已作廢)，在此不進(jìn)行討論。本文重點對比分析《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》與《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》中飽和砂土(含粉土)地震液化判別準(zhǔn)則的差異。

1 初判準(zhǔn)則對比

1)公路規(guī)范

飽和砂土液化初判準(zhǔn)則第7.11.6～7.11.7條如下。

判別深度20 m，滿足以下三個條件之一可初判為不液化或不考慮液化影響:

①地質(zhì)年代為第四紀(jì)晚更新世(Q3)及其以前時，可判為不液化;

②當(dāng)抗震設(shè)防烈度為7，8，9度，粉土的黏粒(粒徑＜0.005 mm的顆粒)含量百分率分別不小于10%，13%和16%時，可判為不液化;

③基礎(chǔ)埋置深度不超過2 m的天然地基，當(dāng)上覆非液化土層厚度和地下水位深度符合下列條件之一時，可不考慮液化影響。

式中:du為上覆非液化土層厚度，m;dw為地下水位埋置深度，m;db為基礎(chǔ)埋置深度，不超過2 m時，采用2 m;d0為液化土特征深度，在地震設(shè)防烈度為7，8，9度時粉土分別取6，7，8 m，砂土取7，8，9 m。

2)鐵路規(guī)范

初判準(zhǔn)則第4.0.2～4.0.3條如下。

7度地震時判別深度為地面以下15 m，8度或9度時為地面以下20 m。滿足以下三個條件之一時，可不考慮液化影響，并不再進(jìn)行液化判定:

①地質(zhì)年代屬于上更新統(tǒng)及其以前年代的飽和砂土、粉土;

②土中黏粒含量百分比在抗震設(shè)防烈度為7度時＞10%，8度時＞13%，9度時＞16%;

③基礎(chǔ)埋置深度不超過2 m的天然地基，應(yīng)符合液化初判圖(圖1)要求。

對比公路和鐵路規(guī)范可以看出公路與鐵路液化初判時均不考慮上更新統(tǒng)(Q3)及其以前砂土液化的可能。公路規(guī)范初判準(zhǔn)則第2條對土的類別進(jìn)行了限制，僅為粉土中黏粒含量達(dá)到要求時可判定為不液化，砂土無論黏粒含量多高均需要進(jìn)行液化判定。初判第3條件看似差別較大，實則兩者對基礎(chǔ)埋深＜2 m的淺基礎(chǔ)判定大體相同，僅du+dw在液化初判圖中斜線邊界附近時，相較于判定公式(3)安全。但液化初判圖在使用中存在精度不高、使用不方便的問題。此時式(1)～式(3)中db=2，上述三式改寫為

圖1 液化初判

同時，也可以看到公路規(guī)范7.11.7條第3款中的db“不超過2 m時，應(yīng)采用2 m”與前提“基礎(chǔ)埋深不超過2 m的天然基礎(chǔ)”表述的不合理之處。前提應(yīng)改為“基礎(chǔ)淺埋的天然地基，當(dāng)上覆非液化土層厚度和地下水位深度符合下列條件之一時，可不考慮液化影響”。

2 詳判準(zhǔn)則對比

經(jīng)初判可能液化的土層，公路和鐵路規(guī)范均規(guī)定可采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗進(jìn)行飽和砂土液化判別。

1)公路規(guī)范評判準(zhǔn)則(第7.11.8條)如下

當(dāng)N1＜Ncr(即N＜Ncr/Cn)時，為液化土。式(7)與式(8)中:N1為修正標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù);Cn為標(biāo)貫入錘擊數(shù)修正系數(shù);N為實測標(biāo)貫錘擊數(shù);Ncr為修正的液化臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù);σ0為標(biāo)貫點處土的總上覆壓力，σ0=γudw+γd(ds－dw);σe為標(biāo)貫處土的有效覆蓋壓力，σe=γudw+(γd－10)(ds－dw);γu為地下水位以上土的重度，砂土取18.0 kN/m3，粉土取18.5 kN/m3;γd為地下水位以下土的重度，砂土取20.0 kN/m3，粉土取20.5 kN/m3;ds為標(biāo)準(zhǔn)貫入點深度;Kh為水平地震系數(shù);Cv為地震剪應(yīng)力隨深度的折減系數(shù);ξ為黏粒含量修正系數(shù)，ξ=1－0.17ρ1c/2，ρc為黏粒含量百分率。

2)鐵路規(guī)范附錄B規(guī)定

當(dāng)N＜Ncr時，為液化土。

式(9)～式(13)中:N0為臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù);α1為地下水位埋深修正系數(shù)，當(dāng)?shù)孛娉Ｄ暧兴遗c地下水有水力聯(lián)系時，dw為0;α2為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗點的深度修正系數(shù);α3為上覆非液化土層厚度修正系數(shù)，對于深基礎(chǔ)α3取1;α4為黏粒重量百分比Pc的修正系數(shù)。

上述公式同時受試驗點深度、地下水位埋深、地震動參數(shù)、黏粒含量、土質(zhì)類別等因素影響。為方便與標(biāo)準(zhǔn)貫入實測錘擊數(shù)N對比，以Ncr/Cn表示公路標(biāo)準(zhǔn)貫入臨界錘擊數(shù)，Ncr表示鐵路標(biāo)準(zhǔn)貫入臨界錘擊數(shù)。受篇幅所限，在此考慮常見的地震基本烈度Ⅶ度、動峰值加速度0.10g，上覆非液化層厚度為0，飽和砂土黏粒含量為4%的組合，探討單因素變化對臨界錘擊數(shù)Ncr/Cn與Ncr的影響。當(dāng)?shù)卣鸹玖叶?、動峰值加速度，上覆非液化層厚度與黏粒含量為其他組合時，臨界錘擊數(shù)Ncr/Cn與Ncr的變化趨勢相似。

在相同的黏粒含量條件下，公路規(guī)范中式(7)、式(8)判定的飽和粉土與砂土的臨界錘擊數(shù)Ncr/Cn之間存在較小的差異，一般在0～0.3擊;鐵路規(guī)范中式(9)～式(13)判定的飽和粉土與砂土的臨界錘擊數(shù)Ncr一致。

2.1 ds對Ncr/Cn和Ncr的影響

為簡化計算，選擇地下水位1，3，6 m時予以分析，試驗點深度對Ncr/Cn與Ncr的影響見圖2。圖中1，2，3區(qū)分別對應(yīng)設(shè)計地震第1，2，3組，即特征周期0.35，0.40，0.45 s。

從圖1可以看出，隨試驗深度ds增加，Ncr/Cn與Ncr總體為增加的趨勢，但ds在17 m以下時，鐵路Ncr出現(xiàn)減小趨勢，相鄰深度間差值不超過0.1擊。Ncr/Cn與Ncr總體出現(xiàn)增加的趨勢不能理解為隨深度的增加，深部的砂土比上部更易液化。隨埋深增大，砂土中有效應(yīng)力增加，液化所需的超孔隙水壓力增大，液化越困難。隨深度增加實測錘擊數(shù)N增大，N－Ncr和N－Ncr/Cn越大。

由鐵路公式計算的Ncr在地震2，3區(qū)均較1區(qū)大，差值在1～3擊。這與建筑物在2，3區(qū)受地震危害較1區(qū)大的實際情況相符。水位埋深1，3 m時，地表淺部5～7 m公路Ncr/Cn與鐵路2，3區(qū)Ncr較為接近;5 m以下公路Ncr/Cn普遍較鐵路2，3區(qū)Ncr大，一般在1～5擊，差值隨地下水位增加而增大。

2.2 地下水埋深對Ncr/Cn和Ncr的影響

為避免與初判矛盾，選擇地下水位在0～6 m內(nèi)變化，試驗點深度分別為6，12，18 m時，地下水埋深dw與Ncr/Cn和Ncr的關(guān)系見圖3。

地下水位0～6 m時，隨水位降低，Ncr/Cn與Ncr均呈現(xiàn)減小趨勢，鐵路為線性減小，公路為曲線降低。隨地下水位降低，水下飽和砂土液化趨勢顯著降低。

在相同水位時，除試驗深度ds=6 m時公路Ncr/Cn與鐵路2，3區(qū)Ncr較為接近(差值0～0.4擊)外，其余公路Ncr/Cn普遍大于鐵路2，3區(qū)Ncr，一般在1～4.3擊，兩者之間的差值隨試驗點深度增加而增加。

2.3 地震動峰值加速度對Ncr/Cn和Ncr的影響

在不同的地震動峰值加速度影響下，砂土的液化能力不同。公路Ncr/Cn與鐵路Ncr受地震影響程度分別體現(xiàn)在水平地震系數(shù)Kh與臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N0的取值上，見表1。

圖2 試驗深度與臨界錘擊數(shù)關(guān)系

圖3 地下水位與臨界錘擊數(shù)關(guān)系

表1 水平地震系數(shù)Kh與臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N0

在上覆非液化層厚度為0，黏粒含量為4%，地下水位為0，試驗點深度為6，12，18 m時，Ncr/Cn，Ncr隨地震動峰值加速度的變化關(guān)系見圖4。

圖4 地震動峰值加速度與臨界錘擊數(shù)關(guān)系

隨地震動峰值加速度增大，不同試驗深度的飽和砂土Ncr/Cn，Ncr均出現(xiàn)增加趨勢，相同地震動峰值加速度、同一試驗深度，鐵路2，3區(qū)Ncr較1區(qū)大，公路Ncr/Cn仍大于鐵路2，3區(qū)Ncr。Ncr/Cn－Ncr隨試驗深度的增加而增加，一般在0.4～3.8擊。雖然計算公式、取值均不同，但鐵路Ncr與公路Ncr/Cn曲線形狀大體一致，可見兩者受地震動影響程度基本相同。

2.4 黏粒含量對Ncr/Cn和Ncr的影響

飽和砂土、粉土隨黏粒含量增多，液化趨勢減弱，臨界擊數(shù)減小。公路規(guī)范黏粒含量修正系數(shù)參考1987年版《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》推薦的數(shù)值，現(xiàn)行鐵路規(guī)范與之相同，即鐵路臨界錘擊數(shù)Ncr與公路Ncr/Cn受黏粒含量影響程度相同。黏粒含量與修正系數(shù)α4和ξ的關(guān)系如圖5所示。黏粒含量越高，α4，ξ越小，Ncr/Cn，Ncr越小，飽和砂土越不易液化。

圖5 黏粒含量Pc與修正系數(shù)α4和ξ的關(guān)系

3 存在的問題

公路、鐵路對飽和砂土、粉土液化的判別均是建立在資料統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，在實際工作中液化判別較準(zhǔn)確，但均有不足之處。

1)根據(jù)SEED與NCEER液化判別理論，公路規(guī)范液化判別公式中采用標(biāo)準(zhǔn)貫入點處土的總上覆壓力σ0的大小查表確定標(biāo)貫錘擊數(shù)修正系數(shù)Cn是錯誤的，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)貫入點處土的有效上覆壓力σe的大小，查表確定Cn值。由總上覆壓力σ0確定的臨界擊數(shù)Ncr/Cn普遍比相同條件下由鐵路規(guī)范確定的臨界錘擊數(shù)Ncr大。

2)公路規(guī)范中計算標(biāo)準(zhǔn)貫入點處總上覆壓力σ0和有效上覆壓力σe時，規(guī)定地下水位以上土重度砂土取18 kN/m3，粉土取18.5 kN/m3，水下飽和重度分別取20.0 kN/m3與20.5 kN/m3，與場地實際情況常存在較大差異，如覆蓋層為大面積深厚軟土、碎石土地區(qū)。

3)公路規(guī)范對地震動峰值加速度為0.15g，0.30g的地區(qū)未給出水平地震系數(shù)Kh值。

4)計算液化指數(shù)時，公路規(guī)范采用實測錘擊數(shù)Ni與臨界錘擊數(shù)Ncri是錯誤的，應(yīng)采用修正錘擊數(shù)N1i與臨界錘擊數(shù)Ncri或?qū)崪y錘擊數(shù)Ni與Ncri/Cni(Cni為i點錘擊數(shù)修正系數(shù))組合。

5)目前普遍認(rèn)為，在某一深度范圍內(nèi)，標(biāo)貫錘擊數(shù)臨界值應(yīng)該隨深度的增加而增加。但試驗深度ds在17 m以下時，鐵路規(guī)范求得的臨界錘擊數(shù)Ncr出現(xiàn)減小趨勢，有待根據(jù)深部實際液化資料進(jìn)一步驗證。

6)工程填挖方造成地下水位埋深、上覆非液化土厚度變化，是否應(yīng)以工程正常使用后的情況進(jìn)行復(fù)判，兩行業(yè)規(guī)范均未明確。

7)公路和鐵路規(guī)范對于黃土地區(qū)的實用性以及地震基本烈度為9度及以上時第四系上更新統(tǒng)飽和砂土、粉土是否液化的判別，目前缺乏實踐資料驗證。

4 結(jié)論

1)液化土初判時，對于飽和砂土、粉土能否使用黏粒含量來判別，在公路規(guī)范中僅限定為粉土，而鐵路規(guī)范未加限制。使用液化初判圖與初判公式對于埋深＜2 m的天然基礎(chǔ)判定結(jié)果大體相同。

2)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗詳判時，隨試驗深度ds增加，臨界錘擊數(shù)增大，地表5～7 m以下，公路臨界錘擊數(shù)Ncr/Cn普遍較鐵路Ncr大。

3)地下水位0～6 m內(nèi)，隨水位降低，臨界錘擊數(shù)減小。相同水位公路臨界錘擊數(shù)Ncr/Cn均不小于鐵路Ncr。

4)隨地震動峰值加速度增大，臨界錘擊數(shù)增加。公路臨界錘擊數(shù)Ncr/Cn與鐵路Ncr受地震動影響程度基本相同。同一深度，地震動峰值加速度相同時，公路Ncr/Cn仍普遍大于鐵路Ncr。

5)飽和砂土、粉土黏粒含量增多，臨界錘擊數(shù)減小。公路臨界錘擊數(shù)Ncr/Cn與鐵路Ncr受黏粒含量影響程度相同。

6)公路砂土液化詳判準(zhǔn)則較鐵路保守，兩者對飽和砂土、粉土液化的判別結(jié)果均存在較高的準(zhǔn)確性，但均存在不足之處，有待改進(jìn)。

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(責(zé)任審編李付軍)

U442.5+5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.28

1003-1995(2015)06-0109-05

2014-07-25;

2015-02-28

陳偉(1981—)，男，四川中江人，工程師，碩士研究生。