某地块污水泵站粉土液化判别分析

王亚钊1，孙露露1，邓亚鹏2

1.     上海澄域环保工程有限公司，上海，201400；

2. 石家庄市水利技术推广中心，河北 石家庄，050000

摘要：粉土、砂土液化判别是岩土勘察工作中的重要环节。为了提高勘察结果精度，本文结合实际工程，分别采用液化初判、标准贯入法、数值分析法对某地块污水泵站拟建场地进行液化判别。在抗震设防烈度为7度条件下，拟建场地③t层砂质粉土出现中等液化现象，因此，对该拟建场地进行施工时应予以重点考虑。

关键词：粉土；液化判别；数值分析；中等液化

0引言

随着工程建设的不断进行，国内外专家学者对粉土、砂土液化的关注度日益提高，当地震发生时，位于液化地段的高层、超高层建筑等常常会出现不均匀沉降、地基下陷等问题。因此，如何提高粉土、砂土液化判别结果的精度、降低经济损失显得尤为重要。

在岩土勘察实际工作中，工程技术人员主要采用原位测试方法、室内模型试验法和数值分析法[2]等进行液化判别。其中最为常用的是原位测试方法中的标准贯入法[5]，也是上海地区[4]进行液化判别时最为常用的方法，该方法是经过不断优化、改进而得到的，操作简便、判别结果精度较高。

随着国内外专家学者对粉土、砂土液化的深入研究，土体动力学问题逐渐从试验研究方向扩大到数值分析法领域。数值分析法以其建模便捷、计算效率高等优势在实际工程中得到广泛应用[6]。在进行非线性动力分析时，数值分析法可通过合理施加边界条件、选取材料参数等较为准确的反应出拟建场地各地层在任意时刻的动力响应等。

为了提高勘察的结果精度，丰富勘察经验和方法，本文将结合实际工程，分别采用液化初判、标准贯入法和数值分析法进行液化判别，可帮助勘察技术人员能够迅速、科学的进行粉土液化判别。

1 土层液化原理

如图1-3所示，在地震动力荷载作用下，土骨架结构逐渐疏松，随着地震荷载作用时间的持续，土颗粒原有结构状态逐渐发生变化，颗粒间相互逐渐脱离，由于地震动力荷载作用时间较短，作用力巨大，致使部分土体出现排水不畅的现象，当总体积不变时，未排出的孔隙水承担部分应力，出现承担全部外力作用的超孔隙水压力，土体有效应力逐渐趋于零，此时，土颗粒处于悬浮状态，土体抗剪强度丧失，出现液化现象，地面并伴有管涌、喷砂冒水等现象，当地震动力荷载作用结束后，超孔隙水压力逐渐消散，土体颗粒进行重组，较地震作用前更加密实，致使地基出现不均匀沉降。

图1疏松

图2悬浮

图3密实

2 不同的液化判别方法

2.1工程背景

该拟建场地地貌单元属滨海平原地貌类型，拟建场地20.00 m深度范围内的地基土属第四纪全新世沉积物，主要由饱和黏性土、粉性土组成，一般呈水平分布。如表1所示，按其沉积年代、成因类型及其物理力学性质的差异，可划分为①、②、③、⑤共4个主要层次，即：

地质时代	土层 层号	土层名称	层厚（m）	平均层厚（m）	标准贯入平均击数（击）
Q43	①1-1	杂填土	0.50～1.80	1.10
	①1-2	素填土	0.40～1.20	0.93
	②1	粉质黏土	0.50～1.50	1.07
	②3	砂质粉土	4.40～4.80	4.62	10.3
Q42	③	淤泥质粉质黏土	1.90～2.70	2.37
	③t	砂质粉土	3.00～3.50	3.39	4.2
Q41		黏土	未钻穿

表1 地层特性表

2.2液化初判

根据国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)（2016年版）和上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程》(DGJ08-9-2013)相关规定，对该拟建场地进行液化初判，流程如下：

图4液化初判流程图

如图5所示，根据图4液化初判流程图对拟建场地进行液化初判，流程如下：

图5液化初判流程图

综合以上分析，可初判该场地有地震液化的可能性，需进行液化细判。

2.3液化细判

根据《岩土工程勘察规范》(DGJ08-37-2012) 8.3.7条，采用标准贯入锤击数法进行细判。在地面20 m以浅范围内，液化判别标准贯入击数临界值可按下式计算：

（1）

—液化判别标准贯入击数临界值；

—液化判别标准贯入击数基准值，取7击；

—调正系数，取0.95；

—标准贯入试验点深度（m）；

—地下水位埋深（m）；

—黏粒含量百分率，小于3时取3。

按国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)(2016年版)有关规定，在地下水位埋深为0.5 m时，采用标准贯入试验对G1～G6孔进行液化判别。经综合判定，在抗震设防烈度7度条件下，②3层为不液化土层；第③t层平均液化指数为12.09，判定③t层为中等液化土层。工程技术人员进行地基基础设计时，应按上海市《地基基础设计标准》（DGJ08-11-2018）中第8.2.5条采取必要的地基抗液化措施。判别结果详见下表2：

孔号	层号	试验 点深 度(m)	粘粒 含量 Pc(%)	实测标贯击数 N63.5 (击)	临界标 贯击数 Ncr(击)	液化否	液化强度比 Fle	计算 厚度 di(m)	权函数 wi(1/m)	液化 指数 Ilei	液化 指数 Ile
G1	②3	3.80	5.00	8.00	6.59	否					9.99
	②3	5.30	3.40	13.00	9.33	否
	②3	6.80	3.50	11.00	10.28	否
	③t	10.30	6.60	4.00	8.92	是	0.45	1.05	6.32	3.65
	③t	11.80	5.00	5.00	10.81	是	0.46	2.25	5.22	6.34
G2	②3	3.70	6.60	9.00	5.67	否					10.57
	②3	5.20	4.90	13.00	7.70	否
	②3	6.70	3.40	11.00	10.36	否
	③t	10.60	5.00	4.00	10.36	是	0.39	1.25	6.18	4.71
	③t	12.10	5.00	5.00	10.92	是	0.46	2.15	5.05	5.86
G3	②3	3.70	9.90	10.00	4.63	否					13.80
	②3	5.20	3.40	12.00	9.25	否
	②3	6.70	3.40	8.00	10.36	是	0.77	1.55	8.85	3.16
	③t	10.30	3.50	5.00	12.24	是	0.41	1.15	6.35	4.31
	③t	11.80	8.30	4.00	8.39	是	0.48	2.35	5.18	6.33
G4	②3	3.80	10.10	9.00							11.16
	②3	5.30	5.00	11.00	7.69	否
	②3	6.80	5.00	9.00	8.60	否
	③t	10.30	5.00	5.00	10.24	是	0.49	1.10	6.23	3.50
	③t	12.10	5.20	4.00	10.71	是	0.37	2.40	5.07	7.66
G5	②3	4.10	9.90	8.00	4.85	否					13.37
	②3	5.60	3.50	13.00	10.18	否
	②3	7.10	1.80	9.00	11.31	是	0.80	1.25	8.68	2.17
	③t	10.30	8.50	4.00	7.86	是	0.51	1.05	6.32	3.25
	③t	11.80	3.40	5.00	13.11	是	0.38	1.50	5.47	5.08
G6	②3	2.80	10.00	8.00	4.03	否					13.65
	②3	4.30	5.10	12.00	9.02	否
	②3	5.80	3.40	11.00	10.34	否
	③t	10.30	3.40	4.00	12.42	是	0.32	1.65	6.52	7.32
	③t	11.80	8.30	3.00	8.39	是	0.36	1.85	5.35	6.33

表2 单孔液化判别表

2.4数值分析法

2.4.1粉土液化应力判别准则

粉土液化是土体从固态逐渐转变为液态的过程，当忽略液体间的内摩擦力时，土体抗剪强度为0。在地震动力荷载作用下，设土体所受到的剪应力为，有效应力为,土体液化时三个有效主应力分别为、、，则有：

	（2）
	（3）

当时，（2）、（3）成立，土体发生液化。

根据有效应力原理可得：此时土体单元三个方向总的主应力均相等且等于土体液化时的孔隙水压力[3]。基于该判别准则，可通过有限元软件分析拟建场地土层在地震作用下数值模型中数据监测点的应力值，进行土体液化判别。

2.4.2地基土体动力分析理论

拟建场地地层在地震作用下的数值分析动力方程为：

（4）

式中：、、分别为地基体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；、、分别为地层体系的加速度、速度和位移矢量；为地层体系的荷载矩阵。

地层体系阻尼与速度成正比，采用粘性阻尼假设，动力分析采用Rayleigh阻尼假设，阻尼矩阵按公式（5）计算：

				（5）
					（6）
			（7）

式中：、为Rayleigh阻尼比例系数；、为一阶、二阶模态自振频率； 、为一阶、二阶模态的阻尼率。

2.4.3数值模型的建立

结合《某地块污水泵站搬迁周边管网配套工程勘探点平面布置图》，如图9所示，假设拟建场地数值模型长为12.00 m,宽为15.00 m，高为13.48 m，采用计算精度较高的映射网格进行划分网格划分。模型上部边界为排水边界，底部边界采用全约束进行固定，左、右两侧边界采用水平约束进行固定。

拟建场地地层土体数值模型采用摩尔库伦本构模型，且各层土体为均质各向同性，根据《某地块污水泵站搬迁周边管网配套工程勘察报告》可得拟建场地各层土体力学参数取值如表3所示。为方便网格划分，提高计算效率，假设各个土层、地下水位为水平分布。由于上海地区年平均水位埋深为0.5～0.7 m，进行数值分析时，地下水位可根据安全原则按最不利因素取值：对场地液化评价采用平均高水位埋深0.5 m，因此可在距地面0.5 m处施加孔隙水压力。

地层	平均层厚（m）	重度（kN/m3）	粘聚力（kPa）	内摩擦角（°）	渗透系数（cm/s）
②1层粉质黏土	1.07	18.8	21	19.5	1.09e-07
②3层砂质粉土	4.62	18.7	5	31.0	2.76e-04
③层淤泥质粉质黏土	2.37	17.5	13	17.5	5.69e-07
③t层砂质粉土	3.39	18.3	6	31	1.05e-04

表3 拟建场地各地层物理力学参数

对拟建场地进行地震动力数值分析法，分为两步进行计算：第一步对拟建场地进行静力计算；第二步输入人工波荷载，在拟建场地静力计算结束的基础上进行动力计算，动力计算的重启动时间为其静力计算的终止时间。结合《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)（2016年版）规定，采用时程分析法时，应按照建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，因此本文选用人工波对拟建场地进行稳定性分析，地震波加速度时程曲线如图6，地震波持时为50 s，加速度为0.1 g，对应的地震烈度为7度。如图7所示，为便于分析拟建场地在地震作用下的动力响应，分别在3、t层层底设置A和B两个数据监测点。在拟建场地的底部、右侧和左侧边界设置粘弹性边界，使得通过拟建场地人工边界的地震波被完全吸收，不发生反射效应。如图8所示，粘弹性边界[1][7]是在人工边界施加由线性弹簧和粘滞阻尼器构成的简单物理元件组合，可有效吸收反射波。通过ADINA进行地震动力分析计算时，一般采用瑞利阻尼，瑞利阻尼最主要的作用是可抑制系统的自振，可以根据式（5）～（7）进行求解计算。查阅文献及反复调试，本文选用的一阶、二阶阻尼率为0.02和0.05。

图6人工波加速度时程曲线	图7拟建场地分布及数据监测点布设图
图8粘弹性人工边界物理意义示意图	图9拟建场地数值模型

2.4.3粉土液化判别的计算分析与讨论

提取在人工波作用下A、B数据监测点有效应力历时曲线如图10-图11所示：

图9  A数据监测点

图10   B数据监测点

随着地震作用时间的增加，A、B数据监测点的有效应力逐渐减小，0～5 s内，有效应力近乎直线下降；5～10 s，出现不同程度的波动变化；25 s左右，A点有效应力趋于稳定（不为0），表明②3层未出现液化现象；而B点有效应力逐渐趋于0，表明③t层已出现液化现象。

3 结论

1、为了提高勘察结果精度，丰富勘察手段和经验，节约工程经济成本，因此，本文建议对拟建场地采用多种方法进行液化判别。

2、在抗震设防烈度为7度条件下，该拟建场地t层砂质粉土出现中等液化现象，对该地区施工时应加以注意。

 参考文献

[1]李述涛，刘晶波，宝鑫，陶西贵，陈一村，肖兰，贾艺凡.采用粘弹性人工边界单元时显式算法稳定性分析[J].工程力学,2020,37(11):1-11+46.

[2]田乐海.砂土液化判别时静力触探实验与标准贯入实验研究[J].工程建设与设计,2019(16):53-55.

[3]王景禄. 某公路场地砂土液化判别及预测分析[D]

[4]叶冠林,叶斌,夏志凡,长屋淳一,王建华.根据细粒含量和标贯击数确定砂土液化强度曲线的方法[J].世界地震工程,2010,26(S1):278-281.

[5]沈振,屈鹏飞,孟轲荆,赵占宇.旁压试验和标准贯入试验与砂土变形模量的相关性[J].岩土工程技术,2021,35(06):416-419.

[6]苏雷,赵卓,毕建巍,解立波,凌贤长.基于FLAC~(3D)液化场地桩基动力反应振动台试验数值分析方法[J].防灾减灾工程学报,2022,42(03):454-463.

[7]王亚钊. 地震和降雨耦合作用下新型植被混凝土生态护坡稳定性数值研究[D].山东农业大学,2021.

[8]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范（GB50011-2010） [S].北京：中国建筑工业出版社，2010.