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1、广州地铁砂土层液化判别摘要: 在广州地铁工程砂土地震液化判别过程中, 考虑了地铁结构与液化土层的相互作用。通过大量的现场实验、室内动三轴实验, 总结了水平场地、区间、车站土层液化分布情况和液化特点; 为了提高液化判别精度, 进一步详细地对比和检验了现场和室内的判别结果, 分析了液化土层与结构的空间相对位置以及结构对液化势的影响, 所采用的多参数和多手段的液化判别技术为合理的抗液化设计提供帮助。关键词: 广州地铁; 砂土; 地震液化判别引 言 有建筑物地基的地震液化问题至今研究得很少,原因可能是没有明确区分开场地和地基的差异, 另一方面由于建筑物的存在使得问题变得更加复杂。有建筑物存在的饱和砂土
2、和粉土地基, 其液化情况无疑地还应与建筑物的存在情况有关, 不是能和场地液化情况等同的。特别是对重大建筑又无法避免地必须修建在可液化地基上时, 如有些地铁的地基位于砂层中,所以必须给予足够的重视。重点建筑物地基的液化判别及危害性分析与预测与场地不同, 应考虑上部结构存在的影响和土体与结构体的相互作用, 上部结构存在首先使地基中动、静应力发生较大变化, 不仅正应力发生变化, 而且剪应力也发生变化, 总之, 不像场地那样简单。广州地铁二号线东部砂层地震液化判别问题是一个目前抗震规范中尚未完全解决的问题, 关键在于已有的抗震规范都是针对自由场地, 对于广泛存在的有建筑物或构筑物的场地液化判别不适用
3、1-8。 1 现有液化判别方法的分析 影响液化的因素主要有土壤的松散程度、土壤介质结构、颗粒特性、侧压力系数和固结状态、土壤的地质年代、应变历史等等。自由场地的液化判别方法主要有 Seed 简化法、 经验公式法、概率与统计方法和土层反应分析法 10。 ( 1) Seed 简化法是最早提出的自由场地液化判别方法,也是目前普遍接受的方法之一, 其判别的主要步骤为: A) 给定的最大地面加速度下的饱和砂土承受的水平地震剪应力; B) 饱和砂土单元发生液化所需的剪应力, 由试验确定; C) 比较上述两种剪应力的大小, 从而判别是否发生液化。对不规则的随机剪应力可转变为等价的规则的循环剪应力, 然后再进
4、行比较。 ( 2) 经验法是通过地震现场灾害调查建立了不少液化判别的经验公式, 虽然比较粗略, 但简单, 容易应用。建立在世界各地的广泛地区的地震液化震害调查基础上, 得出一些经验准则与公式, 如以标贯值, 触探值, 剪切波速、颗粒级配和圆滑度等为参量的经验公式, 如 建筑抗震设计规范 ( 2001) 。 ( 3) 概率法与统计法, 对自由平坦场地的液化势的判别, 有人引入了概率法、模糊评判法、灰色预测法、神经网络法等。但由于可依据的原始样本资料的限制, 这些方法仍处于发展阶段。( 4) 分析法主要包括总应力法和有效应力法。如土层动力反应分析法、Seed 法简单明了, 广泛使用, 但确定 比较
5、粗略; 经验法、概率法都是基于震害调查, 参数单一, 公式简明, 不确定性因素较多, 是过去多数事件的统计, 不适于预测将来单个事件的行为; 土层反应分析方法考虑的因素可以较多, 计算较为严密, 但参数选用得适当。几种判别法的预测精度、可靠度和适用条件不同, 都存在一些不足之处。 国内几种抗震设计规范的液化判别方法主要适合水平场地液化判别, 判别公式均是以液化震害资料为基础建立的。除了实测标贯击数或修正实测标贯击数为场地液化判别指标外, 有的规范还将静力触探贯入阻力或相对密度作为液化判别指标。在抗震设计规范中, 增加其他判别指标是必要的, 如以剪切波速为液化判别指标。但所有的方法都有一定的局限
6、性。 2 广州地铁地震液化判别研究 工程地质和岩土条件 地铁二号线的东部的土层从上到下依次大致分为: 人工填土层、淤泥质土层、砂层、冲积-洪积土层、残积土层、岩石全风化带、岩石强风化带、岩石中等风化带、岩石微风化带。其中, 2- 2 层淤泥质砂层, 主要为淤泥质粉砂及淤泥质细砂, 松散、稍密,局部中密, 饱和。3- 1 层海相冲积层, 主要为粗砂,其次为细砂、中砂, 松散中密, 局部密实, 饱和。含粘粒少, 颗粒均匀, 级配差。珠江三角洲软土的天然孔隙比为 , 珠江三角洲土壤颗粒的矿物成分主要是石英、云母, 长石, 少量绿泥石。土中大于 2 mm 的颗粒多为贝壳、腐朽木碎片等, 饱和松砂易发生
7、液化, 轻亚黏土在足够的地震能量作用下都易发生液化, 而淤泥和淤泥质土则不会发生液化。珠江三角洲虽然不是强震区, 但地层的抗震性能较差, 1962 年河源地震的震害仍然很大, 珠江沿岸的震害与比丘陵地区明显重, 主要原因是土壤及其不均匀性导致。珠江沿岸平原发生液化的可能性较其他地区大。 现场试验研究 现场液化判别的方法主要是把地基先视为一般意义的水平自由场地, 当经初判为不符合不液化的场地, 当实测标贯击数 ( 未经修正)小于临界值时, 应判为液化, 否则为不液化。 自由场地的液化等级, 根据液化指数分为轻微、中等和严重。表 2 为现场实验结果。 室内动力实验研究 室内液化判别研究主要依据动三
8、轴, 但也用振动台和离心机, 还有扭剪仪, 循环单剪仪等。对于场地和深层地基的砂土层地震液化判别主要依据动三轴实验。可分为测定抗剪强度法和有效应力法, 荷载形式主要有等幅荷载和地震荷载。由于地震震级、持续的时间不同, 在室内动力试验中, 采用不同等效循环的幅值和周次来模拟。本文采取有效应力的方法。 MTS 动力三轴仪, 能够施加各种循环荷载, 等幅或非等幅荷载, 主要模拟低频运动。在测定砂土液化时, 围压可以变化, 也可以模拟土样在变幅荷载作用下的液化情形, 为此我们在二号线东部进行大量取样, 进行系列室内试验研究。土样的制备主要有砂雨法、湿振法和湿捣法等, 提高饱和度的方法主要有通入二氧化碳
9、或氮气, 或进行反压饱和等。实验条件与结果见表 2、表 3。 3 液化判别综合对比研究 可能发生液化的土层主要是 2-2 层和 3-1 层, 随土壤种类、厚度、埋深、有无结构影响, 赋存条件的不同, 发生液化的程度和液化可能性不同, 通过现场液化和室内研究的统计分析, 提高判别的效率和准确性。 土壤种类的液化对比分析 为了更明确地描述和判断液化发生的情形, 将砂土试件发生液化和不液化的数目和百分比进行对比分析。从统计分析表 4、表 5 中不难发现以下问题: ( 1) 从土壤种类来看, 依次液化的程度由轻到重为: 砂砾、粗砂、中砂、淤泥质粉砂和淤泥质细砂、粉砂、细砂; 从统计来看, 粉砂、细砂均
10、会发生液化,大部分中等液化发生的土壤种类为粉砂、细砂。 ( 2)从地层分层来看, 2- 2 层的液化可能性和 3- 1 层砂层液化可能性均较大。液化大部分发生在两层的过渡部分。大部分发生液化的深度为 515 m, 主要液化土层主要分布的深度为 515 m。从上述现场和室内的研究分析, 广州地铁二号线东部琶洲至赤岗间砂层在VII 度地震烈度下主要以不液化、轻微液化为主, 部分地段发生中等程度的液化, 可液化砂土层一般在15 m 以内, 但也有接近 20 m。 车站和区间液化判别的相对分析 赤岗站不会发生液化; 磨牒沙站和琶新区间主要以不液化、轻微液化为主, 个别地方发生中等液化;琶洲站以轻微液化
11、和中等液化为主, 个别地方发生严重液化; 赤沙车辆段以中等液化为主。从对比分析结果来看, 实验结果基本一致、可信。 液化分布的空间相对位置分析 11 从防灾和结合工程造价来考虑, 液化范围越具体越好。若轻微液化主要发生在地铁结构上部或顶上, 从理论上破坏不大, 可以不考虑其加固措施。若轻微液化直接位于结构下部、斜下部分或下部分侧向位置, 有侧向液化的地层, 同时考虑地层的产状,对于有较大倾斜角度的地层, 还要分析液化地层对结构的作用方向。结合结构设计和线路布置, 针对不同车站, 结构的基础正下方、边缘和自由场地的液化判别及液化等级, 这样对于结构的空间和平面位置有一个较为具体的认识, 再考虑处
12、理措施。大致见表 6。 从表 6 中不难发现: 位于结构基础下的液化土层主要在琶洲站、应引起结构设计注意, 磨碟沙站、琶洲站、赤沙车辆段的基础边缘有中等液化的土层, 自由场地轻微液化为主。若埋藏较浅, 可能液化土层在区间或结构之上。若在区间或车站的结构中上部, 要分析可液化砂土层与结构的相对位置进行分析。可液化土层是否在结构底部, 同时附近是否有不均匀的砂层, 若有可液化土层坡度都应引起结构设计的注意。 4 结 论 通过了大量现场实验、系列室内动力实验研究工作, 重点判别了二号线东部车站、区间的 2- 2 土层和3- 1 土层的液化情况, 总结液化的特征, 各研究工作之间相互比较, 相互验证,
13、 相互补充; 并进行判别方法的对比研究, 提高了判别精度和准确性, 分析了各车站和区间的相对液化情形, 结合车站和区间的结构设计详细地分析液化土层相对空间位置, 多手段、多参数的判别工作有利于抗液化设计, 为重大工程液化判别和昂贵的抗液化工作提供新的思路和范例。 参 考 文 献 1 建筑抗震设计规范( GB50011- 2001) S . 中国建筑工业出版社, 2001 2 陈文化. 建筑物地基的地震液化问题 D . 中国地震局工程力学研究所, 1999 3 陈文化. 南京砂的结构特性和地铁地基液化判别 J . 岩土力学, 2003, 23 ( 5) 4 Men Fulu, Cui Jie.
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