高速公路地基液化实用评判方法

9.3　高速公路地基液化实用评判方法

饱和的砂土、粉土层受到振动时趋于密实，导致孔隙水压力骤然上升，相应的减小土粒间的有效应力，降低土的抗剪强度。在周期性的地震荷载作用下，孔隙水压力逐渐积累，直至完全抵消有效应力使土粒处于悬浮状态，而接近液体的特性，这种现象称为液化。

在确定高速公路液化地基处理方法之前，必须先进行地基液化可能性和危害性评价。20世纪60年代以来，国内外对地基液化判定进行了系统研究，在有关规范中均有一定的规定，归纳起来，目前估计液化的方法有下面三类。

（1）简便法：根据现有认识，对具体情况估计一些重要参数，根据这些简单参数来估计液化的可能性；

（2）反应计算法：对土层的地震反应进行详细的动力分析，然后进行液化可能性估计；

（3）经验法：据震害经验总结出规律，据此来评定液化可能性。

我国1978年编成的《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ 11—78）以1971年以前的8次大地震经验，参考美国、日本的有关研究成果给出了以临界标准贯入击数为指标的砂土液化判别公式。现行规范《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）通过对海城、唐山地震的系统研究，结合国外大量资料，对原规范进行了修改，采用了两步评判的原则，并对临界标贯击数公式进行了修改，使之更符合实际。在国标《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）和《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）中，对此又进行了补充，给出了液化比贯入阻力临界值和液化剪切波速临界值公式，用来进行液化判别。在公路工程中，基本上沿用上述两步评判的原则，采用了临界标贯击数判别的方法，并根据公路工程中的研究成果，给出了临界标贯击数的计算公式。但对于高等级公路来说，《公路工程抗震设计规范》（JTJ 004—89）中对液化地基的判别与处理原则尚存在不足之处，设计和施工也因此缺乏依据。

事实上，地基液化主要发生在粉细砂土、轻亚黏土（粉土）中，液化发生具有一定的条件，其影响因素参见表9.4。

表9.4　影响液化的因素

据现有研究成果，《公路工程抗震设计规范》（JTJ 004—89）中的判定方法存在下列几个问题：

（1）关于深层液化问题。规范中笼统地将地面下20m范围均视为可以液化的深度，而未针对不同地震烈度，不同构造物情况区别考虑。

（2）关于液化程度问题。规范中没有明确给出液化程度的确定方法，而仅以液化抵抗系数C_e作为设计修正的依据，给确定液化地基处理措施带来模糊。

（3）关于液化地基处理原则。规范中没有给出处理与否的标准。

（4）判别公式烦琐，没有明确区分远震、近震影响，与国家标准《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）有一定矛盾。

（5）该判定方法属于确定性方法，缺乏概率分析，而上部结构分析是采用概率分析作基础的。

（6）关于液化地基处理后的评定方法，没有明确的规定。

东南大学岩土工程研究所等单位通过对连徐高速公路（徐州段）地基液化多方法评判比较，建立了如图9.6所示的公路工程地基液化实用评判方法程序。

图9.6　高等级公路地基液化评判步骤

判别方法采用的两步判别法为初判和再判。

（1）初判

考虑6个因素单判，这6个因素分别是：场地基本烈度、土层地质年代、地下水位、覆盖土层、黏粒含量、土层深度。其中增加了土层埋深因素，下面是具体判别标准。

①场地基本烈度：大于或等于7度时，才可能液化，否则不考虑液化问题。

②土层地质年代：土层地质年代为第三纪晚更新世（Q₃）及其以前，判为不液化。

③地下水位d_w和上覆非液化层厚度d_u，按图9.7进行初判。该图适用于基础埋藏深h≤2m的情况，当基础埋藏深h＞2m时，要把d_w和d_u各加上2m并减去基础埋深d_f再查图判别。

④黏粒含量：基本烈度为7、8、9度时，亚砂土的黏粒含量（＜5m），分别不小于10、13和16时，判为液化。

⑤土层深度：基本烈度为7、8、9度时，液化深度下限，一般情况下为15m、17m、20m，超过该深度时，不考虑液化影响。

图9.7　液化初判图

（2）再判

经初判后有可能液化的土层，再判时强调以剪切波速法为主，标准贯入试验控制的方法，而且剪切波速以瞬态瑞利波法测定，临界剪切波速采用《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）推荐的计算公式：

式中：v_scr——饱和砂土或饱和粉土液化剪切波速临界值（m／s）；

K_c——与烈度、土粒有关的经验系数，按表9.5取值；

d_s——剪切波速测点深度（m）；

d_w——地下水深度。

表9.5　与烈度、土粒有关的经验系数K_c

关于液化程度分级《公路工程抗震设计规范》中没有明确给出液化程度的确定方法，仅以液化抵抗系数C_e作为设计修正的依据，不利于确定液化地基处理措施。为此，引用《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）中据液化指数I_le进行分级的方法，将液化程度分为轻微、中等、严重三个等级。针对不同等级，采取相应的抗震处理措施。

当实测标贯击数N＜N_cr时，则判为液化，并进一步确定液化指数：

式中：d_i——第i个标贯点所代表的土层厚度（m）；

w_i——权函数（m^－1）；若判别深度为15m，当该层中点深度不大于5m时应采用10，等于15m时应采用零值，5～15m时按线性内插法取值；若判别深度为20m，当该层中点深度不大于5m时应采用10，等于20m是应采用零值，5～20m时按线性内插法取值。

由I_le可以判定液化等级，即

判别深度为15m时：0＜I_le≤5，轻微；5＜I_le≤15，中等；I_le＞15，严重。

判别深度为20m时：0＜I_le≤6，轻微；6＜I_le≤18，中等；I_le＞18，严重。