粉細(xì)砂場地流砂危害等級評價*

王丹微1,2王清2龐大鵬3

(1:吉林建筑大學(xué)測繪與勘查工程學(xué)院，長春130118;2:吉林大學(xué)，長春130026；

3:東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長春130033)

摘要：根據(jù)上海某場址區(qū)的工程地質(zhì)條件，針對場區(qū)內(nèi)廣泛分布的粉細(xì)砂類土易于產(chǎn)生的流砂問題，運(yùn)用可拓學(xué)理論，選取了直接或間接影響流砂危害程度的參數(shù)指標(biāo)，建立了流砂危害等級評價模型；在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用可拓學(xué)計(jì)算程序，得出研究場地內(nèi)的流砂危害等級為中等至較高，結(jié)合以往資料，這一定量化的評價結(jié)果基本符合粉細(xì)砂場地的實(shí)際工程地質(zhì)條件.

關(guān)鍵詞：粉細(xì)砂；流砂；工程地質(zhì)條件；可拓學(xué)

收稿日期：2015-02-09.

作者簡介：王丹微(1982～)，女，吉林省長春市人，講師，碩士.

基金項(xiàng)目：*國家自然科學(xué)

中圖分類號：TU 449文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Evaluation of Hazard Rating of Quicksand in Silty-fine Sand Area

WANG Dan-wei1,2，WANG Qing2，PANG Da-peng3

(1:JilinJianzhuUniversity，Changchun,China130118;2:JilinUniversity，Changchun,China130026;

3:NortheastElectricPowerDesignInstituteCO.,LTD，Changchun,China130033)

Abstract：Based on the engineering geological condition of the construction field in Shanghai, the wide distribution of silty-fine sand is prone to cause the problem of quicksand. On this issue, extension theory has been used to evaluate the hazard rating of the quicksand, the parameters of the problem have been selected, and the evaluation model has also been set up. By the calculation procedure of the extension theory, the hazard rating of the quicksand problem of the field is middle to high. Combining with previous data，the quantitative results of the evaluation are in accordance with the actual site area of engineering geological conditions.

Keywords:silty-fine sand；quicksand；engineering geological condition；extension theory

流砂又稱砂土滲流液化，是一種不良的工程地質(zhì)現(xiàn)象，即粒徑很小、無塑性或低塑性的土在動水力推動下失去穩(wěn)定，隨地下水一起涌出的現(xiàn)象.流砂可在淺層粉細(xì)砂土中發(fā)生，同時，在一些埋深較大的下部砂性土中由于地下水具有承壓性質(zhì)且承壓水頭較高，施工時若不能采取有效的防滲措施，極易發(fā)生滲水并很快發(fā)展成流砂、管涌.目前，對流砂問題的探討主要集中在基坑開挖過程中的流砂地層處理方案和施工方法等方面的研究.但是，對于流砂地層本身工程地質(zhì)特性方面定量化的評價與研究并不多見.為了讓設(shè)計(jì)、施工具有可靠的理論依據(jù)，有必要運(yùn)用適當(dāng)評價方法，對場地地基土影響流砂發(fā)生的各種物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行綜合的計(jì)算分析，劃定評級標(biāo)準(zhǔn)，從而定量的評價建設(shè)場址區(qū)內(nèi)產(chǎn)生流砂危害的可能性.

1評價方法選取

工程地質(zhì)性質(zhì)多指標(biāo)綜合評價中較常用的方法有：工程地質(zhì)類比法、專家系統(tǒng)方法、層次分析法、模糊數(shù)學(xué)方法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等，但這些方法的一個共同特點(diǎn)就是人為參與較多，經(jīng)驗(yàn)占了主導(dǎo)的地位，這就使這些方法在實(shí)際運(yùn)用過程中有很大的局限性.由我國學(xué)者蔡文教授于1983年創(chuàng)立的可拓學(xué)理論通過研究事物變化的可能性提供解決問題的依據(jù)和方法[1]，為我們提供了更為客觀合理的評價分析手段.已有研究成果表明，運(yùn)用可拓學(xué)理論對地基土的工程地質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行評價研究，通過建立多指標(biāo)參數(shù)的評價體系，以定量的數(shù)值表示評定結(jié)果，能夠較為完整、綜合地評價工程建設(shè)場地巖土地基的工程地質(zhì)特性，從而更好地為場地規(guī)劃和工程建設(shè)服務(wù).

2基于可拓學(xué)的場地流砂危害等級評價

2.1場地概況與工程地質(zhì)條件

研究場地位于上海黃浦江兩岸的濱水區(qū)域，根據(jù)已有的鉆孔勘察資料及區(qū)域地質(zhì)資料，在所揭露深度110m范圍內(nèi)的地基土均屬于第四系沉積物，主要由軟土、粉性土和砂土構(gòu)成[2].場地內(nèi)廣泛分布著砂類土層，其中淺部砂層分布不穩(wěn)定.根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知，該場區(qū)粉細(xì)砂層具有塑性很低、粘粒含量少、透水性強(qiáng)、壓縮性低的特點(diǎn).該層在地下水的作用下，很可能會產(chǎn)生流砂或管涌現(xiàn)象，造成基坑突涌、邊坡失穩(wěn)等重大事故，故在之后的流砂危害等級評價中，主要以中淺部的砂類土層為主要研究對象.該場地地下含水層較為發(fā)育，分別有全新世潛水-微承壓含水層和更新世的五個承壓含水層.其中與工程建設(shè)相關(guān)的含水層主要為淺部的潛水-微承壓含水層和第Ⅰ承壓含水層.潛水水位較高，標(biāo)高一般在2.0m～4.5m之間；但承壓地下水的存在與運(yùn)移，卻是推動流砂危害的因素之一.

2.2場地流砂危害等級的可拓評價

2.2.1流砂危害等級評價參數(shù)體系

流砂產(chǎn)生根本因素在于其特定工程地質(zhì)條件, 特別是土的工程地質(zhì)性質(zhì)，因此，進(jìn)行流砂危害等級評價要分析場地中每個粉細(xì)砂土層的工程地質(zhì)性質(zhì)指標(biāo)對流砂危害的影響程度.在此選取孔隙率、粘粒含量、粉粒含量、不均勻系數(shù)、天然含水率、壓縮系數(shù)、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力共8個物理力學(xué)指標(biāo)作為評價參數(shù).

2.2.2流砂危害等級評價的分級標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2012)和《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2009)，結(jié)合場地內(nèi)各地層的工程地質(zhì)特征，在選取適當(dāng)?shù)牧魃拔：Φ燃壴u價參數(shù)基礎(chǔ)上，確定場址區(qū)流砂危害等級評價的單指標(biāo)參數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)，將該場址區(qū)內(nèi)的流砂危害等級分為5級(見表1).

表1　研究場地流砂危害等級評價分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3基于可拓學(xué)的流砂危害等級計(jì)算

(1)確定經(jīng)典域、節(jié)域.根據(jù)可拓學(xué)理論中對經(jīng)典域、節(jié)域的定義，可確定流砂危害等級關(guān)于對應(yīng)的評價因素所取的數(shù)據(jù)范圍，即經(jīng)典域Rp.

其中P為流砂危害等級的全體，Vpi=(api，bpi)為O關(guān)于因素ci所取量值的范圍，即P的節(jié)域.

可確定流砂危害等級評價中的經(jīng)典域R01，R02，R03，R04，R05和節(jié)域Rp.

(2)確定待評物元.其中，p為待評的流砂層；ci為影響流砂危害等級的因素；vi為p關(guān)于因素ci的量值，即通過歸一化處理的該層砂土的物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù).

(3)確定評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù).權(quán)重系數(shù)是反映評價標(biāo)準(zhǔn)重要程度的量化系數(shù)，它的大小對于重要程度的高低具有舉足輕重的作用，權(quán)重大意味著重要程度高.目前權(quán)重分配系數(shù)的計(jì)算方法很多，在此采用簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)的方法來確定權(quán)重系數(shù)，這種方法能夠較好地克服人為影響，合理地確定權(quán)重系數(shù)，以保證場地地基土流砂危害等級評價的客觀性和準(zhǔn)確性[3-4].其計(jì)算過程如下：

如果指標(biāo)i的數(shù)據(jù)落入的類別越大，該指標(biāo)應(yīng)該賦予越大的權(quán)系數(shù)，則?。?/p>

否則，若指標(biāo)i的數(shù)據(jù)落入的類別越大，該指標(biāo)應(yīng)該賦予越小的權(quán)系數(shù)，則取：

于是指標(biāo)i的權(quán)系數(shù)αi為：

(4)確定各評價指標(biāo)關(guān)于各類別等級的關(guān)聯(lián)度.流砂危害等級的單項(xiàng)評價指標(biāo)vi關(guān)于各等級j的關(guān)聯(lián)度為：

其中

(5)計(jì)算待評物元關(guān)于各類別等級的關(guān)聯(lián)度.待評物元p關(guān)于可利用性等級j的關(guān)聯(lián)度為：

則稱j*為p的級別變量特征值.

以上是基于可拓學(xué)理論評價流砂危害等級的主要步驟，在此基礎(chǔ)上，即可編制相應(yīng)的程序，進(jìn)行計(jì)算.本文采用陳劍平等編制的可拓學(xué)程序計(jì)算[5-6]，將待評價的土層中相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)輸入程序中，經(jīng)過程序計(jì)算，便可得到每層的流砂危害等級特征值,具體結(jié)果見表2.其中，編號1～4號土層均為研究場區(qū)勘探孔內(nèi)所見的粉細(xì)砂土層，編號5土層為粉土，編號6～8土層為細(xì)砂土.

從可拓學(xué)評價結(jié)果來看，在所研究的場地內(nèi)，粉細(xì)砂類土產(chǎn)生流砂危害的可能性比較大，即主要以危害等級高至較高程度為主，不產(chǎn)生流砂危害的土層即較穩(wěn)定的土層在場址區(qū)中很少體現(xiàn)，該場址區(qū)在地下空間開發(fā)影響范圍內(nèi)的粉細(xì)砂類土層，普遍具有產(chǎn)生流砂危害的可能性.通過與施工時的實(shí)際情況進(jìn)行對比，證明了在流砂危害評價中，采用基于可拓學(xué)理論建立的多指標(biāo)評價體系是可行的(詳見表2).

表2　研究場地內(nèi)流砂危害等級評價結(jié)果

3結(jié)論

(1)為了客觀、準(zhǔn)確、定量地評價流砂的危害，將可拓學(xué)的方法引入流砂危害評價中.由以上工程實(shí)例可以看出，在粉細(xì)砂場地流砂危害評價中，基于可拓學(xué)理論建立的多指標(biāo)評價體系是適用的；

(2)評價參數(shù)體系的選擇和建立，是流砂危害等級評價的重要內(nèi)容，也是保證整個評價體系準(zhǔn)確性和客觀性的根本.針對待評價對象，根據(jù)各種工程地質(zhì)性質(zhì)指標(biāo)對流砂危害的影響程度，從諸多參數(shù)中選取了8個物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行評價.通過工程實(shí)例的分析，選取的這8個指標(biāo)能夠較為真實(shí)全面地反映土層工程地質(zhì)性質(zhì)；

(3)運(yùn)用可拓學(xué)理論方法來評價流砂危害等級，是把可能產(chǎn)生流砂問題的粉細(xì)砂土的工程性質(zhì)轉(zhuǎn)換成更容易描述的“替代物”來進(jìn)行定量評價，建立場地流砂危害等級的多指標(biāo)評價體系，并通過程序?qū)崿F(xiàn)，得出的流砂危害定量化的評價結(jié)果與實(shí)際情況符合程度較高；

(4)通過對研究場區(qū)內(nèi)鉆孔資料的分析和運(yùn)用可拓學(xué)計(jì)算程序可知，研究場區(qū)內(nèi)粉細(xì)砂層的流砂危害等級最高，故應(yīng)充分考慮粉細(xì)砂土層可能產(chǎn)生的工程地質(zhì)問題，并采取適當(dāng)措施防治流砂危害.

參考文獻(xiàn)

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