熊山銘， 賈彥武， 李 萌

(1.江西省贛南公路勘察設(shè)計(jì)院，江西贛州341000；2.中國水電顧問集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西安710065；3.陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司漢寧分公司，陜西漢中723000)

0 引 言

漢寧高速是國家京昆高速陜西境內(nèi)的重要一段，起自洋縣金水河畔，止于陜川交界的寧強(qiáng)縣棋盤關(guān)，全長(zhǎng)199.23 km. 穿越秦嶺山脈，地形地質(zhì)條件極其復(fù)雜，全線共設(shè)橋梁251 座，作為國內(nèi)重點(diǎn)山區(qū)高速公路的建設(shè)典范，工程技術(shù)要求高，施工難度極大. 漢寧高速穿越秦嶺—大巴山地震帶，沿線還分布數(shù)個(gè)小地震帶，如漢中地震帶等，其中寧強(qiáng)—城固—洋縣地震帶是四川龍門山地震帶的北延部分，在汶川和玉樹地震后其地震活動(dòng)明顯加劇.

地震區(qū)的場(chǎng)地劃分，是工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)時(shí)的基本參照，不同區(qū)域設(shè)防烈度和抗震標(biāo)準(zhǔn)直接決定建筑物在震時(shí)的安全性能和使用性能，準(zhǔn)確的地震小區(qū)劃是人民生命財(cái)產(chǎn)和構(gòu)筑物安全使用的重要保障. 近些年，在土體動(dòng)力特性與本構(gòu)關(guān)系、地震反應(yīng)分析、動(dòng)力測(cè)試、振動(dòng)液化機(jī)制、震害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等內(nèi)容的研究都得到了重大進(jìn)展[1-5]. 世界各國學(xué)者對(duì)地震小區(qū)劃工作進(jìn)行了不少探索，日本學(xué)者Kanai 經(jīng)過研究表明， 地面脈動(dòng)的周期與強(qiáng)震記錄分析結(jié)果基本符合， 并通過對(duì)地面脈動(dòng)的測(cè)量得到的弱震譜也能進(jìn)行詳細(xì)的小區(qū)劃分， 且運(yùn)用該法對(duì)1985 年墨西哥地震進(jìn)行了驗(yàn)證， 說明在土層的反應(yīng)可以用彈性理論來解釋具有一定的可靠性[6-7]. 我國學(xué)者對(duì)地震小區(qū)劃的研究是基于烈度區(qū)劃和場(chǎng)地小區(qū)劃上發(fā)展起來的，根據(jù)待劃區(qū)域內(nèi)的地震地質(zhì)構(gòu)造、地震活動(dòng)性和區(qū)域地震動(dòng)衰減特性等環(huán)境因素，估計(jì)該區(qū)的基巖地震輸入，用地震反應(yīng)分析方法計(jì)算地面動(dòng)參數(shù)，預(yù)測(cè)場(chǎng)地內(nèi)土體及水文對(duì)地震的影響，最后判斷發(fā)生地震災(zāi)害的可能性[8-11]. 田勤虎等人基于GIS 平臺(tái)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以ArcGIS 軟件為平臺(tái)建立了西安市地震小區(qū)劃數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，給地震小區(qū)劃研究提供了一種新的方法與思路[12].

文中以漢寧高速公路路基為研究對(duì)象，通過對(duì)土體在動(dòng)荷載作用下的特性、場(chǎng)地地震反應(yīng)譜及在地震作用后路基穩(wěn)定性和危害性進(jìn)行研究分析與預(yù)測(cè)評(píng)估[13-16]，確保在今后的地震中結(jié)構(gòu)的安全使用，并為編制抗震防災(zāi)規(guī)劃提供基礎(chǔ)資料.

1 工程地質(zhì)概況

漢寧高速穿越秦嶺山區(qū)和漢中平原區(qū)， 平原區(qū)沿河多為河流沖積形成，地形平坦，地下水位基本于地面同高. 沿線多沼澤、洼地，淤泥質(zhì)豐富，第四季地層厚300 m，通過多孔鉆探分析可知，地表25 m 以內(nèi)分為4 層.

Ⅰ層：1#土層，黃褐色粉質(zhì)黏土，由陸相沖積而成，可塑—軟塑，中壓縮性，厚1.7～3.4 m.

Ⅱ?qū)樱?#～6#土層，全新世紀(jì)淺海沉積，厚9～12 m，主要由淤泥及淤泥質(zhì)粉土構(gòu)成； 可分為5 個(gè)亞層，其中4#土層強(qiáng)度稍好，標(biāo)準(zhǔn)貫入值達(dá)到3.4～6.1，其余均表現(xiàn)為軟—流塑狀態(tài)，高壓縮性，在鉆進(jìn)時(shí)甚至有自沉現(xiàn)象.

Ⅲ層：7#土層，全新世早期沉積，厚4～5 m. 主要為粉質(zhì)黏土，平均標(biāo)準(zhǔn)貫入值達(dá)到5.5～6.7.

Ⅳ層：8#土層， 黃色黏土與粉細(xì)砂. 上層為粉質(zhì)黏土—粉土互層，可塑，厚1.0～3.5 m；中層為中密粉細(xì)砂，厚4 ～5m；下層為黏土，可塑，厚3.1 m.

軟弱土層是該區(qū)域的突出問題， 其中2#、3#和5#土層問題最為顯著. 含水量高達(dá)35 %～57 %，孔隙比為1.11～1.49， 壓縮系數(shù)達(dá)到0.067～0.131，標(biāo)準(zhǔn)貫入值為3 左右. 各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1.

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

2 土的動(dòng)力特性

2.1 剪切波速

在沿線范圍內(nèi)選取8 個(gè)孔測(cè)定土體剪切波速，通過試驗(yàn)得出剪切波速沿深度變化規(guī)律如圖1 所示. 從圖1 中可以看出，頂層軟土的剪切波速基本在100 m/s 左右，隨著深度的增加，波速也逐漸增大，底部黏土及粉土層的剪切波速則高達(dá)500 m/s，中間層位的細(xì)、 粉砂波速約為300～400 m/s. 通過理論回歸分析，得到剪切波速隨深度的變化規(guī)律如下：

圖1 剪切波速沿深度變化規(guī)律

式（1）中：vs為剪切波速（m/s）；H 為深度（m）；b0、b1及b2為回歸系數(shù)，各類土回歸系數(shù)取值見表2.

表2 各類土波速回歸系數(shù)

2.2 土模量與阻尼系數(shù)

動(dòng)壓縮模量Ed由動(dòng)三軸試驗(yàn)測(cè)得， 一般表達(dá)式為：

式（2）中：a、b 為待定系數(shù)，εd為動(dòng)軸向應(yīng)變.

在平面受力狀態(tài)下， 動(dòng)壓縮模量Ed與剪切模量G、泊松比μ 有下列關(guān)系：

式（4）中：τd、γd與σd分別為動(dòng)剪應(yīng)力、剪應(yīng)變與動(dòng)軸向力.

將式（3）改寫成下面形式：

表3 各類土動(dòng)模量及阻尼比回歸系數(shù)

阻尼比ξ 按下式進(jìn)行計(jì)算：

式（6）中：d1、d2為回歸系數(shù)，取值見表3；γ 為土體重度（kN/m3）. 剪應(yīng)變與模量比、阻尼比的關(guān)系如圖2 所示.

圖2 剪應(yīng)變與模量比、阻尼比的關(guān)系

孔隙水壓力與振動(dòng)次數(shù)有如下關(guān)系：

式（7）、式（8）中：γu為孔壓比，N1為液化振動(dòng)次數(shù)，s 為液化強(qiáng)度. 當(dāng)α=0.967，c1=2.116，c2=1.345 時(shí)，回歸曲線如圖3 所示.

圖3 粉細(xì)砂土孔壓比回歸曲線

3 場(chǎng)地地震反應(yīng)分析與劃分

3.1 場(chǎng)地地震波的合成

根據(jù)大量地震危險(xiǎn)分析結(jié)果，選用50 年超越概率0.1 作為人工合成地震動(dòng)的危險(xiǎn)水平. 文獻(xiàn)[6]中經(jīng)過統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果，指出地震持續(xù)時(shí)間有如下關(guān)系：

式（9）中：t 為地震持續(xù)時(shí)間（s）；R 為震中距（km）；V=0 或1，分別表示水平向振動(dòng)或垂直向振動(dòng)；S=0或1，分別表示土層或巖石.

根據(jù)近些年25 個(gè)地震的107 跳記錄統(tǒng)計(jì)得出的持續(xù)時(shí)間與震級(jí)的關(guān)系，見表4.

表4 地震持續(xù)時(shí)間與震級(jí)的關(guān)系

取震中距R=50 km， 震級(jí)7 級(jí)為基本地震標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)公式（9）和表4 所列結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，得到該地區(qū)地震持續(xù)時(shí)間t≈15 s.

3.2 加速度反應(yīng)譜

依據(jù)地震波的計(jì)算，可求得任意土層的地震反應(yīng). 采用一維多質(zhì)點(diǎn)分析體系，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)剪應(yīng)變與剪應(yīng)力關(guān)系可得到土層邊界處的速度計(jì)算公式，整理后n+1 個(gè)質(zhì)點(diǎn)在t+Δt 時(shí)刻的速度用下式表示：

通過對(duì)待劃分區(qū)域8 個(gè)地震鉆孔資料及計(jì)算分析， 得到了該區(qū)域的地震反應(yīng)與地面反應(yīng)譜，如圖4 和圖5 所示. 從圖4 各圖看出：動(dòng)力放大系數(shù)在周期開始初期增值很大，在0.6 s 過后，動(dòng)力放大系數(shù)降至0.5 左右，說明在地震發(fā)生后，地震波的作用在逐漸衰減；地震加速度值在地表表現(xiàn)出較大值，6 m 深度后，隨著深度的增加，其值變化不大；土體最大應(yīng)力則沿深度的增加逐漸增大，近似于線性增長(zhǎng). 從圖5 看出：在地震作用下，地表加速度隨時(shí)間呈現(xiàn)震蕩波動(dòng)形態(tài)，并在2～3 s 時(shí)加速度值達(dá)到最大值，在11 s 過后逐漸減弱消失.

圖4 典型加速度反應(yīng)譜沿深度的反應(yīng)

圖5 加速度時(shí)程曲線

3.3 地震動(dòng)參數(shù)分析

在待劃分的道路沿線具有代表性的區(qū)域進(jìn)行鉆孔，根據(jù)鉆孔情況，對(duì)該地區(qū)地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析.

3.3.1 地面最大加速度與速度

通過分析得知，在全區(qū)域地面最大加速度值在0.11～0.17 g 之間，相差不到一度，加速度值反映了在該地區(qū)土層的相對(duì)均勻性. 根據(jù)鉆孔情況和加速度值的分布情況，將地面最大加速度值分成兩個(gè)檔：低檔為0.11～0.14 g；高檔0.14～0.17 g，并由此給出其相應(yīng)的地震系數(shù)K，見表5；地面最大速度值在7.7～10.4 cm/s 之間變化，可分為兩個(gè)區(qū)：低值區(qū)7.7～9.0 cm/s， 區(qū)內(nèi)速度相當(dāng)于7 度強(qiáng)； 高值區(qū)9.0～10.4 cm/s，區(qū)內(nèi)速度相當(dāng)于7 度弱.

表5 地震動(dòng)參數(shù)取值

3.3.2 規(guī)準(zhǔn)加速度譜及土層最大應(yīng)變

為了反映出地區(qū)不同點(diǎn)的情況，給出了各點(diǎn)的規(guī)準(zhǔn)加速度反應(yīng)譜（β 譜），它反映結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)加速度相對(duì)于地面加速度的放大作用， 其值在2～4 之間，符合一般常規(guī).

計(jì)算表明，土層在地震作用時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)變?cè)谟倌鄬?，最大可達(dá)13×10-4量級(jí)，根據(jù)量值將全區(qū)分為兩個(gè)檔次：高應(yīng)變區(qū)8×10-4～13×10-4，低應(yīng)變區(qū)4×10-4～8×10-4. 高應(yīng)變區(qū)的土體穩(wěn)定性較差， 表示在地震作用下地基發(fā)生失穩(wěn)的機(jī)率更大.

地面最大加速度和規(guī)準(zhǔn)反應(yīng)譜的分區(qū)特征是用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，規(guī)準(zhǔn)譜的拐點(diǎn)周期如圖6 所示，它表征該區(qū)域地面的卓越周期，對(duì)應(yīng)兩個(gè)分區(qū)周期取值分別為0.52 s 和0.63 s. 地震影響系數(shù)α 的定義如下：

式（11）中：T 為結(jié)構(gòu)自振基本周期；K 為表5 中的地震系數(shù)；β 值是根據(jù)場(chǎng)區(qū)周期的變化值， 可參照表5 取值.

圖6 設(shè)計(jì)規(guī)準(zhǔn)譜

4 液化判別及預(yù)防

鉆孔資料顯示，本場(chǎng)區(qū)砂層較少，多為粉土層.從全球現(xiàn)有的地震災(zāi)害統(tǒng)計(jì)可以得出，在地震發(fā)生時(shí)， 場(chǎng)區(qū)及其周邊發(fā)生的噴冒現(xiàn)象均為粉土層，在作分析時(shí)，值考慮粉土的液化性.

待劃分區(qū)域多屬全新世沉積，土層厚度為20 m左右，且粉土黏粒含量在7 %～9 %，小于規(guī)范10 %的要求，加之地下水埋深也不能滿足初判是否液化的條件，故續(xù)按照標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)作進(jìn)一步判別. 具體液化結(jié)果判別與等級(jí)判定見表6.

表6 各類土動(dòng)模量及阻尼比回歸系數(shù)

從表6 中可以看出，全線大部分地區(qū)為輕微液化區(qū)， 后段龍亭至勉縣段個(gè)別路段為中等液化區(qū).結(jié)合前段高速公路穿越山嶺重丘區(qū)，可將全線劃分為中等液化區(qū)，在公路橋梁抗震設(shè)計(jì)及防治時(shí)按中等液化考慮，確保結(jié)構(gòu)物在地震中能夠安全使用.

5 結(jié) 語

文中通過對(duì)陜西省漢寧高速沿線8 個(gè)鉆孔資料的分析得知全線軟弱土層較多， 標(biāo)準(zhǔn)貫入值低；土層從上至下分為3 個(gè)土層，頂層軟土、中間層位的細(xì)、粉砂和底部粘土及粉土層，其剪切波速分別在100 m/s，300～400 m/s 和500 m/s 范圍內(nèi)； 結(jié)合對(duì)土體地震反應(yīng)的分析可將全線分為兩個(gè)分區(qū)，不同的區(qū)域的土體動(dòng)參數(shù)特征明顯不同，最終根據(jù)分區(qū)特征將全線劃分為輕微液化區(qū)和中等液化區(qū)，在該地區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)物抗震設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到處于地震帶中，則按照中等液化考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

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