砂土地基地震液化沉降的两种简易计算方法的对比分析

第32卷增刊2岩土工程学报Vol.32Supp.22010年8月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringAug.2010砂土地基地震液化沉降的两种简易计算方法的对比分析叶斌1,2，叶冠林3，长屋淳一4(1.同济大学地下建筑与工程系，上海200092；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；3.上海交通大学土木工程系，上海200240；4.地域地盘环境研究所，日本大阪)摘要：利用两种简易方法对日本某核电站的砂性土地基在地震液化后的大变形沉降进行了计算和对比分析。这两种简易的实用方法只需要利用标准贯入试验数据就可以操作。计算结果表明，该核电站的砂性土地基在L2级地震作用下会发生较大的地面沉降，并可能对地下管线造成损坏。由于两种方法的计算原理相同，因此计算所得到的地基分层沉降趋势基本一致，但是在数值上存在着较大的差异，这主要是由于两种方法建立的基础试验数据不同以及具体计算方法上存在着差异所造成的。关键词：砂土地基；地震；液化；沉降中图分类号：TU441文献标识码：A文章编号：1000–4548(2010)S2–0033–04作者简介：叶斌(1977–)，男，江西于都人，同济大学讲师，从事工程地质与岩土力学方面的研究。E-mail:[e-mail]。ComparisonoftwosimplemethodsforassessingsubsidenceofsandygroundcausedbyliquefactioninearthquakeYEBin1,2,YEGuan-lin3,NagayaJunichi4（1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;3.ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;4.Geo-ResearchInstitutive,Osaka,Japan)Abstract:Subsidenceofasandygroundinanuclearpowerplant,Japan,iscalculatedusingtwokindsofsimplemethods.OnlythedataofSPTN-valueisneededincalculation.ThecalculationresultsindicatethatthegroundwillsubsidelargelyinaL2levelearthquakeduetoliquefaction.Thetwomethodsshowthesametrendofgrounddeformationbecausethebasicprinciplesofthetwomethodsarethesame.However,thesubsidencevalueismuchdifferent,whichismainlycausedbythedifferentbasicexperimentaldataandthedifferentwaysforevaluatingthevolumetricstrainofground.Keywords:sandyground;earthquake;liquefaction;subsidence0引言地震来临时，强烈的土体振动往往会使饱和砂土地基内的超孔隙水压力不断积聚并导致土体液化。地震停止后，积聚在土体内的超孔隙水压力又会逐渐消散，地下水从土体中流出，并伴随着地表的大变形沉降。这种由于地震液化所导致的地基沉降严重危险工程建（构）筑物以及地下管线的安全。例如1976年发生的唐山大地震[1]，以及1964年发生的日本新泻大地震[2]中，都发生了由于液化而诱发的严重的地面沉降，造成了许多房屋的损毁。不少学者对地震液化所诱发地基沉降开展了研究工作。Silveretal[3]和Leeetal[4]最早提出了对2种不同类型的地面沉降量的估计方法。Tatsuokaetal[5]通过试验发现，试样初始液化后重新固结的体积应变不仅取决于砂土的密度，还与振动时受到的最大剪切应变紧密相关。根据这一思想，Tokimatsu&Seed[6]提出了利用最大剪应力比和相对密度来确定土体体积应变，进而估算地基沉降的方法。Ishihara&Yoshimine[7]则引入日本抗震规范[8]中的液化安全系数的计算方法，建立了相对密度—液化安全系数—体积应变这三者之间的关系，也提出了一种类似的地基沉降估算方法。国内江静贝等人[8]对Ishihara&Yoshimine的方法进行了改进。以上方法都是对地基液化沉降进行粗略估算的简易方法。近年来，随着数值计算方法的发展，利用有───────基金项目：国家科技支撑计划（2008BAJ08B14-06）收稿日期：2010–04–2034岩土工程学报2010年限元等数值方法对对液化地基场地进行数值建模，然后施加地震荷载，对土体的液化沉降进行精确分析已经成为可能。但是这些精细化的数值方法同样也面临着参数取值以及计算成本等方面的问题。在很多时候，工程师们也只需要对液化场地的地基沉降进行大致的评估，因此，采用简易方法粗略估算地基液化沉降仍然是行之有效的方法。分析对象是日本一处重要的核电站设施，有部分场地位于砂性土地基上，面临着来自地震液化沉降的威胁。本文分别利用Tokimatsu&Seed和Ishihara&Yoshimine提出的简易估算方法对该核电站的砂土地基场地进行了计算，给出了两种方法的评估值，并就两种方法的差异进行了对比分析。1简易法计算液化沉降的原理1.1Tokimatsu&Seed提出的方法（简称T&S法）[6]T&S法是在室内实验的基础上提出的。Tokimatsu和Seed在非排水条件下对不同密度的砂土施加不同程度的剪切荷载使其液化，然后测量排水重新固结以后土样的体积应变。通过大量的试验结果，建立起了“相对密度–剪切应力比–体积应变”之间的关系。在工程计算中，砂土的相对密度又可以由标准贯入试验N值按经验公式确定，因此上述关系又自然地转化为“N值–剪切应力比–体积应变”之间的关系。剪切应力比可以根据地震时的地表加速度也由经验公式确定。这样就不难得出给定场地条件和地震条件下土体的体积应变，进而估算地基沉降量。详细计算方法可参见文献[6]。1.2Ishihara&Yoshimine提出的方法[7]（简称I&Y法）I&Y法的基本原理与T&S法相似。不同之处在于引入了日本抗震规范中[8]的液化安全系数的概念，建立了“相对密度–液化安全系数–体积应变”之间的关系。这样就方便了工程师们在对场地进行液化风险评估后进一步估算其液化沉降量。详细计算方法可参见文献[7]。2工程背景2007年7月，日本发生的中越冲地震导致东京电力公司柏崎刈羽核电站的部分设施发生了破坏，其中砂土地基液化导致地面普遍发生了10～50cm的沉降变形，引起了建筑物的开裂及一些地下管线的断裂，直接影响了发电站的正常运行[9]。由于核电设施的破坏有可能造成核泄漏等不可估量的严重后果，日本开始对全国范围内的核电站地基的地震风险进行重新评估。成为分析对象的核电站内的核反应堆等最关键的设备坐落于坚硬的基岩上，并不存在地震液化的风险，但是部分辅助设施的基础位于砂土和砾石组成的回填土地基上，存在较大的液化风险，必须进行液化沉降量的预测计算，据以对设备及地下管线的可能破坏情况进行评估。回填土地基的地质柱状图如图1所示。图1核电站回填土地基的地质柱状图Fig.1Geologicalprofileofthebackfillgroundinthenuclearpowerplant3计算结果和对比分析本文根据图1所示的核电站回填土地基的地质条件，利用T&S法和I&G法分别对该场地的地震液化沉降量进行了计算。计算采用的地震强度为日本抗震规范[8]所规定的L2级地震，所对应的地面最大加速度为220（cm·s-2）。表1和表2分别为利用T&S法和I&Y法计算得到的分层沉降量。图2为各层的体积应变和沉降量随深度的分布图。由T&S法计算得到的地表沉降的预测值为24.0cm；由I&Y法得到的地表沉降量预测值为36.2cm。根据柏崎刈羽核电站的灾害调查报告[9]，20cm以上的地面沉降就会对地下管线产生严重的破坏作用。因此，该核电站的回填土地基液化沉降风险不可忽视。目前，相关的地基处理方案正在研讨之中。增刊2叶斌，等.砂土地基地震液化沉降的两种简易计算方法的对比分析35表1T&S法计算得到的地基液化沉降值Table1GroundsubsidencecalculatedbyT&Smethod地下水位土性深度/m标准贯入试验N值层厚/m正规化N值N1(60)地震时的剪切应力比(τav/σ0)体积应变/%各层的沉降量/cm各层的总沉降量/cm1.81424.02.31024.03.3724.0粉质砂土层4.3724.05.81924.06.33224.07.34824.0地下水位以上含砂土的砾石层8.35624.09.3110.808.400.1282.72.224.010.3331.0023.600.1310.00.021.911.3111.007.200.1343.03.021.912.3121.007.700.1362.92.918.913.3171.2510.400.1372.22.816.014.8141.008.100.1382.82.813.215.3290.7516.000.1380.00.010.416.3181.009.900.1382.32.310.417.3131.006.900.1373.43.48.118.319.3181.009.200.1362.42.44.7地下水位以下含粉土的砂砾层201.009.900.1352.32.32.3黏土层20.910.0表2I&Y法计算得到的地基液化沉降值Table2GroundsubsidencecalculatedbyI&Ymethod地下水位土性深度/m标准贯入试验N值层厚/m液化抵抗系数FL相对密度Dr/%体积应变/%各层的沉降量/cm各层的总沉降量/cm1.81436.22.31036.23.3736.2粉质砂土层4.3736.25.81936.26.33236.27.34836.2地下水位以上含砂土的砾石层8.35636.29.3110.800.91434.23.436.210.3331.001.50720.20.232.811.3111.000.83404.44.432.612.3121.000.84414.24.228.213.3171.250.97483.64.524.014.8141.000.85424.24.219.515.3290.751.20600.40.315.316.3181.000.93473.53.515.017.3131.000.78394.44.411.518.3181.000.91454.04.07.1地下水位以下含粉土的砂砾层19.3201.000.95473.13.13.1黏土层20.910.0从图2中可以看到，地下0～9m深度的范围内由于位于地下水位之上，不考虑其液化风险，因此沉降量不发生变化。从9m深度以下的饱和含粉土的砂砾层开始发生液化沉降变形。但是，在深度10.3m和15.3m附近，由于标准贯入试验N值较大，意味着该处土体密度较大，因此计算得到体积应变非常得小（接近于零），反映在沉降分布图上则是该处的沉降量几乎不发生变化。这说明沉降量计算对标准贯入试验N值非常敏感，要想获得准确的沉降估算量，前提是通过标准贯入原位测试获得可靠的N值。从图2中还可以看到，T&S法与