趙志江

(北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048)

泵站工程一般布設(shè)在臨近河流和湖泊的區(qū)域。我國河流眾多，含砂粉土的成因使其在河流沿岸廣泛存在。[1]因此，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，很大一部分中小型泵站的地基基礎(chǔ)位于存在液化可能的粉土和砂土地層之上。王英豪等[2]在泵站地下水位升降對(duì)土層液化的影響進(jìn)行了分析，并得出在液化的前提下，水位的升降對(duì)液化指數(shù)的影響呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，其對(duì)數(shù)趨勢線關(guān)系為ILE=-6.6534ln(dw)+28.18；許成順等[3]研究了循環(huán)加載頻率對(duì)砂土液化模式的影響，得出液化砂土在低頻荷載作用下，均呈現(xiàn)出顯著的剪脹特性，而在高頻荷載作用下，均呈現(xiàn)出顯著的剪縮特性；邢明源等[4]對(duì)應(yīng)變循環(huán)加載下飽和含礫砂土的液化特性進(jìn)行了研究；袁近遠(yuǎn)等[5]；提出了一種土層液化概率評(píng)價(jià)的半經(jīng)驗(yàn)半理論方法與新的計(jì)算公式；張林[6]選取國外某港口項(xiàng)目的原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用美國地震工程研究中心(NCEER)推薦的液化判別方法與Boulanger和Idriss判別法進(jìn)行對(duì)比分析；楊凱等[7]針對(duì)飽和砂土壩基的動(dòng)力響應(yīng)和液化規(guī)律，開展了兩組超重力振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分析了飽和砂土地基在壩閘荷載作用下的地震響應(yīng)規(guī)律；高清材等[8]分別利用剪切波測試方法及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了砂土液化判別，并對(duì)判定結(jié)果的可靠性進(jìn)行了評(píng)估；董青等[9]針對(duì)飽和砂土液化大變形條件下的動(dòng)力反應(yīng)分析，基于不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到的飽和砂土液化后大變形應(yīng)力-應(yīng)變行為的規(guī)律，提出適用于飽和砂土液化后大變形的加卸載準(zhǔn)則，并得到能定量描述飽和砂土液化大變形途徑的大變形本構(gòu)；朱俊高等[10]利用某土壩作為算例，模擬了土石壩土體在出現(xiàn)液化后單元應(yīng)力重新分配，以及液化區(qū)逐漸擴(kuò)大的過程；耿飛[11]以吉林西部松花江流域的典型含砂粉土為研究對(duì)象，開展了循環(huán)荷載下吉林西部含砂粉土動(dòng)力特性及不良地質(zhì)堤防地震響應(yīng)研究。

這些科技論文對(duì)砂土液化的機(jī)理、砂土液化判別的方法以及動(dòng)荷載對(duì)砂土液化的影響都有涉及，但結(jié)合現(xiàn)行工程勘察設(shè)計(jì)規(guī)范中砂土液化判別方法對(duì)比的涉及較少。泵站工程是水利工程中較為特殊的一種，近些年往往在市政工程中也經(jīng)常應(yīng)用，其既可以歸納為水利工程，也可以按市政排水工程進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)。本文通過分析現(xiàn)行主要規(guī)范砂土液化判別的原理，以某河道中排澇泵站為例，分別采用不同的方法對(duì)泵站基礎(chǔ)地層的進(jìn)行液化判別，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某河道治理工程擬在河道末端修建一座排澇泵站，達(dá)到區(qū)域內(nèi)防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)。擬建泵站寬約8m，長約10m，主廠房高約4m，水泵置于現(xiàn)狀地面以下約3m。廠房附加荷載按10000kN考慮，水泵靜荷載按3000kN考慮，水泵運(yùn)行荷載按4500kN考慮，水泵最大荷載按5200kN考慮。工程位置如圖1所示。

圖1 工程位置圖示意圖

泵站場區(qū)地面高程約42～43m，地面以下20m深度范圍內(nèi)地層分布基本為填土層、粉土層和黏性土層。地下水埋藏類型主要為潛水，含水層主要為粉土層，水位埋深約5～6m，水位高程約37～38m。場區(qū)歷史最高水位為自然地表，高程為42.7m。泵站啟泵水位為40.00m，最高運(yùn)行水位為40.40m。

擬建泵站置于存在液化可能的②層砂質(zhì)粉土之上，泵站基礎(chǔ)高程約39.5m，基礎(chǔ)持力層②層砂質(zhì)粉土呈褐黃色～灰黃色，稍濕～飽和，中密～密實(shí)，含云母、氧化鐵，揭露一般層厚約4m，層底高程約36m。該層分部較均勻，承載力標(biāo)準(zhǔn)值fka=160kPa，經(jīng)深寬修正后該層承載力滿足設(shè)計(jì)要求，可作為良好的基礎(chǔ)持力層。工程位置地層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 工程位置地層剖面示意圖

2 不同標(biāo)準(zhǔn)地基液化判別方法分析

為定量分析不同標(biāo)準(zhǔn)下地基液化程度，該泵站工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度按0.20g考慮，抗震基本烈度按8度考慮。泵站場區(qū)鉆孔內(nèi)②層砂質(zhì)粉土標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)成果見表1。

表1 ②層砂質(zhì)粉土標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)成果表

2.1 水利抗震規(guī)范地基液化判別方法

依據(jù)GB 50487—2008對(duì)泵站基礎(chǔ)進(jìn)行液化判別，依據(jù)該規(guī)范，針對(duì)可能發(fā)生液化的地層進(jìn)行復(fù)判計(jì)算公式如下[12]。

(1)

式中，N′—實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)；ds—工程正常運(yùn)用時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)貫人點(diǎn)在當(dāng)時(shí)地面以下的深，m；dw—工程正常運(yùn)用時(shí)，地下水位在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，m，運(yùn)行時(shí)地面淹沒于水面以下，取0；ds′—標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，m；dw′一標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)，地下水位在當(dāng)時(shí)地面以下的深度，取勘察時(shí)鉆孔水位埋深。

(2)

式中，Ncr—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，取10；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)ds在地面以下5m以內(nèi)的深度時(shí)，校正后采用5m計(jì)算；ρc為土的黏粒含量質(zhì)量百分率，取6.5；場區(qū)②層砂質(zhì)粉土液化計(jì)算成果見表2。

表2 水利規(guī)范液化判別成果表

判別結(jié)果表明，抗震基本烈度8度、運(yùn)行時(shí)地面淹沒于水面以下時(shí)，②砂質(zhì)粉土層存在液化問題，且校正后標(biāo)貫擊數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于臨界標(biāo)貫擊數(shù)，已不具有可代表性。原始標(biāo)貫擊數(shù)、修正后標(biāo)貫擊數(shù)和臨界液化標(biāo)貫擊數(shù)如圖3所示。

圖3 水利規(guī)范標(biāo)貫擊數(shù)對(duì)比圖

2.2 建筑抗震規(guī)范地基液化判別方法

將泵站按市政工程考慮地震液化，依據(jù)GB 50011—2010進(jìn)行液化判別，針對(duì)可能發(fā)生液化的地層進(jìn)行復(fù)判計(jì)算公式如下[13]：

(3)

式中，N0—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，取12；ds—飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫人點(diǎn)深；dw—地下水位，m；ρc—土的黏粒含量質(zhì)量百分率，取6.5；β—調(diào)整系數(shù)，取0.95；場區(qū)地下水位按最高運(yùn)行水位為40.40m計(jì)算時(shí)，②層砂質(zhì)粉土液化計(jì)算成果見表3。

表3 建筑抗震規(guī)范液化判別成果表

建筑抗震規(guī)范對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)不進(jìn)行修正，直接采用原始標(biāo)貫擊數(shù)，同一場地，同一地層的液化計(jì)算所臨界液化標(biāo)貫擊數(shù)與原始標(biāo)貫擊數(shù)如圖4所示。

圖4 建筑抗震規(guī)范臨標(biāo)貫擊數(shù)對(duì)比圖

3 影響砂土地基液化因素分析

根據(jù)GB 50487—2008和GB 50011—2010的計(jì)算方法可知，影響砂土液化計(jì)算的主要有以下兩點(diǎn)：

(1)地下水位dw取值不同，水利規(guī)范一般取工程正常運(yùn)用時(shí)的深度，運(yùn)行時(shí)地面淹沒于水面以下時(shí)取0。而建筑抗震規(guī)范，dw宜按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)年平均最高水位采用，也可按近期內(nèi)年最高水位采用。

(2)水利規(guī)范對(duì)標(biāo)貫擊數(shù)需根據(jù)運(yùn)行時(shí)水位和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)深度進(jìn)行修正，而建筑抗震規(guī)范不進(jìn)行修正。

3.1 地下水深度取值的影響

勘察時(shí)泵站場區(qū)地下水位埋深約5.4～5.9m，分別采用鉆探時(shí)水位、最高運(yùn)行水位和歷史最高水位3種工況計(jì)算場區(qū)②砂質(zhì)粉土液化程度，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 建筑抗震不同水位取值液化指數(shù)計(jì)算成果表

由計(jì)算結(jié)果可知，GB 50011—2010計(jì)算地層液化中地下水位的影響較大。若按鉆探時(shí)水位計(jì)算，不存在液化問題；采用最高運(yùn)行水位計(jì)算，液化等級(jí)為輕微；采用歷史最高水位計(jì)算，液化等級(jí)為中等。

工程場區(qū)砂土液化計(jì)算中，按GB 50487—2008計(jì)算時(shí)地下水位dw取值較為明確。而采用GB 50011—2010進(jìn)行計(jì)算時(shí)，dw取值受主觀因素影響較大，若按現(xiàn)狀水位取值計(jì)算值偏小，若取歷史高水位時(shí)計(jì)算結(jié)果又趨于保守，只適用于極限工況下液化判別。

3.2 有效應(yīng)力修正標(biāo)貫擊數(shù)的影響

考慮基礎(chǔ)開挖對(duì)標(biāo)貫點(diǎn)處有效應(yīng)力的影響，依據(jù)現(xiàn)行GB 50487—2008中對(duì)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)進(jìn)行校正，若上覆有效應(yīng)力增大，校正后的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)偏大，高估了土體的抗液化能力，導(dǎo)致液化判別結(jié)果偏于不安全。若上覆有效應(yīng)力減小，校正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)偏小，低估了土體的抗液化能力，導(dǎo)致液化判別結(jié)果過于保守[14]。

由于泵站基礎(chǔ)荷載一般大于上覆土體自重，實(shí)際增加了試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊處的有效應(yīng)力。按照GB 51247—2018，當(dāng)工程正常運(yùn)行時(shí)標(biāo)準(zhǔn)貫人點(diǎn)深度和地下水位深度與進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)的貫入點(diǎn)深度和地下水位深度不同時(shí)，實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)修正公式如下：

N=N′(σv/σvw′)0.5

(5)

式中，σv—工程正常運(yùn)行時(shí)標(biāo)準(zhǔn)貫人點(diǎn)有效上覆垂直應(yīng)力；σv′—進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)貫人點(diǎn)有效上覆垂直應(yīng)力，不小于35kPa，且不大300kPa。

水利工程與市政工程相比，水利水電工程一般地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，不能直接采用現(xiàn)行國標(biāo)地震分組結(jié)果，按照GB 51247—2018地震分區(qū)調(diào)整系數(shù)一般取1。

(6)

以本文泵站工程為例，泵站基礎(chǔ)埋深為地面下3m，場區(qū)上覆土天然重度按19kN/m3計(jì)算，飽和浮重度按10kN/m3計(jì)算，泵站基底附加荷載190kPa計(jì)算，dw按運(yùn)行時(shí)地下水位深度0m計(jì)算，N0取12計(jì)算，地下水按進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入修正取值及計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 有效應(yīng)力修正標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)計(jì)算成果表

原始標(biāo)貫擊數(shù)、按有效應(yīng)力修正后的標(biāo)貫擊數(shù)和臨界液化標(biāo)貫擊數(shù)如圖5所示。

按照GB 51247—2018《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)進(jìn)行修正后的計(jì)算結(jié)果結(jié)論與GB 50011—2010中按最高運(yùn)行水位為40.40m計(jì)算時(shí)的結(jié)果較為接近，工程場區(qū)的液化等級(jí)為輕微。

4 結(jié)語

(1)在泵站砂土地基基礎(chǔ)液化判別計(jì)算中，在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)進(jìn)行修正時(shí)，應(yīng)考慮上覆有效應(yīng)力的作用。若僅考慮鉆探時(shí)和運(yùn)行時(shí)的試驗(yàn)深度和水位深度，容易低估了土體的抗液化能力，導(dǎo)致液化判別結(jié)果過于保守。

(2)對(duì)泵站砂土地基采用GB 50011—2010計(jì)算其液化程度，地下水位應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)工況取合理的數(shù)值。

(3)針對(duì)泵站等此類既是水利工程也是市政工程的建筑物，依據(jù)GB 51247—2018來計(jì)算液化即考慮了有效應(yīng)力對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)修正的影響，也考慮到了水工建筑物水位變化較大的特殊性。

(4)本文泵站附加荷載按水泵最大荷載按5200kN考慮，并未充分考慮泵站運(yùn)行時(shí)循環(huán)荷載對(duì)基底液化的影響。同時(shí)本文也未考慮在多臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)其功率對(duì)基礎(chǔ)液化的影響。在以后的研究中，可以充分研究一下多臺(tái)水泵循環(huán)荷載下形成的震動(dòng)波對(duì)地基液化的影響。