邊坡地震作用下安全性分析范文

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《廣州大學學報》2015年第五期

在地震荷載作用下，飽和的無粘性土、低塑性的粘性土中孔隙水壓力急劇上升，有效應力減小，土的抗剪強度降低引起土的液化，從而出現建筑物基礎破壞、邊坡滑動．松散的砂土在地震作用時被震密，出現地陷．在地震造成的地質災害中液化、地陷和滑坡破壞是最常見的．1996年我國的唐山大地震，2008年5．12汶川地震都出現了液化、震陷和滑坡現象．在巖土工程設計中地震對邊坡的破壞應引起工程師的重視．本文將介紹緬甸某邊坡在地震作用時的安全性分析．

1工程概況

緬甸某儲油庫位于仰光迪洛瓦經濟技術開發區(ThilawaSpecialEconomicZone)，仰光河畔．整個項目占地面積約150000m2，南北方向長200m，東西方向長750m，場地大部分為灘涂．降雨量豐沛，而且多以暴雨形式降下．為了建設需要，現對場地進行回填，回填從仰光河進行吹砂，平均厚度4m．整個場地自西向東分為3個區塊，第1區塊為空地，主要作為生產原材料堆場和綠化;第2區塊為建設主場地，建設油罐總計16個，12000立方6個，8000立方4個、7000立方4個、5000立方2個;第3區塊為LPG油罐建設場地．場地西邊為仰光河，因吹砂導致其西邊出現高度約4m的邊坡，設計坡度為1∶3．為了防止仰光河波浪對邊坡沖刷，邊坡采用粘土碾壓包邊，包邊厚度5m．結合周邊場地護坡情況，坡面無需其他防護措施，由其自然生長植被．

2工程地質條件

根據勘探資料，在鉆孔揭露范圍內整個場區土層主要分為5層:(1)CH:粉質粘土，軟塑到硬塑狀，可塑性強，厚度約為2m．(2)MH:淤泥，可塑性強，含一定量的粉砂，厚度約12m．(3)CH:粉土，軟塑到硬塑狀，厚度約為9m．(4)CL:粉質粘土，含有一定量的細砂，厚度約3m．(5)SP:砂土，中密到密實，存在淤泥和粘土夾層，鉆孔未揭穿，鉆進深度35m．鉆探期間測得地下水位埋深約6m．

3邊坡地基土液化評估

地基土液化是地震造成震害的重要因素，無粘性土在地震荷載作用下，孔隙水壓力急劇上升，有效應力喪失，土顆粒呈懸浮狀態，即發生砂土液化．地震、土質情況、土層所處的初始應力狀態是導致地基液化的主要因素．地震的震級和頻率影響著剪應力的變化．加速度相同時，震級越高意味著對土體進行循環剪切作用的次數越高，越容易出現液化破壞．密實的砂土不容易出現液化;砂土處于高強度的有效上覆壓力下出現液化的可能性也比較小;液化跟土顆粒大小有關，當土中的細顆粒(粒徑＜0.075mm)含量越高，土層越難發生液化．對于土層的液化評估可以采用以下方法:①基于標準貫入實驗(SPT)的測試方法;②基于靜力觸探實驗(CPT)的測試方法［3］．緬甸某邊坡地基根據設計要求和場地建筑重要性，在考慮震級為八級，地面峰值加速度為0.3g時，要求其抗液化安全系數不小于1.2．小于1.2認為其有液化可能，需要對地基土進行處理;大于1.2認為其安全．

3．1評估方法緬甸某邊坡地基土液化評估采用國際上公認的基于標準貫入實驗的NCEER法［4］，評估時要計算等效循環應力比CSR、循環阻力比CRR、抗液化安全系數FS．

3．1．1計算循環應力比CSR(Cyclicstressratio)循環應力比主要和設計地震地面最大加速度有關，根據Seed-Idriss推薦的公式為。

3．1．2計算循環阻力比CRR(Cyclicresistanceratio)(1)根據有效上覆土壓力將標準貫入擊數修正為有效上覆土壓力為100kPa時的標貫擊數．(2)根據鉆桿能量比，將標貫擊數修正為能量比為60%的標貫擊數。(3)根據細顆粒的含量將標準貫入擊數修正為等效純砂條件下的擊數。土層中細顆粒(粒徑＜0.075mm)含量不同其抗液化的能力也不同，當細顆粒含量越高，抵抗液化的能力也越強．根據Idriss＆Seed建議采用式(5)修正。

3．2緬甸邊坡地基土液化評估結果根據上述計算方法，采用邊坡所在處鉆孔BH-1揭露地層進行評估．勘察過程中，從地面起每1.5m做1次標準貫入實驗，記錄貫入擊數，評估其在8級地震下，地面峰值加速度0.3g時的抗液化安全系數．評估得到抗液化安全系數FS與深度Z關系見圖4．根據圖4，在地下0～14m的范圍內其抗液化安全系數均大于1.6;地下15～27m為0.3～1.2之間，28～35m抗液化安全系數為1.6～4.0．由此可知，15～27m存在液化的可能，特別是15～23m，其抗液化指數為0.4左右，遠遠不能滿足設計大于1.2的要求，在24～27m之間，其抗液化指數為0.7～0.9之間，抗液化指數也較低．根據土層分布情況分析，在15～23m之間分布的主要為稍密的飽和粉土，粉土是常見的液化土;在24～27m之間為粉質粘土，而根據相關學者研究，對于軟弱的粉質粘土在強震的作用下，其強度會出現迅速降低，也可能會出現液化［6］．而在0～2m之間為粉質粘土，由于其處在表層，強度較高，同時處在地下水位以上，無需考慮其液化風險．在28～35m之間主要分布中密到密實的砂土，很難發生液化．綜上所述，采用NECCER法進行液化評估，同時結合土的性質知，15～27m之間在八級地震作用時液化可能性較大．

4邊坡震陷量計算

由前述知，在15～27m之間存在液化土層，在強震作用下，飽和粉土和粉質粘土會出現液化現象，從而出現大的震陷變形，導致邊坡出現破壞．震陷沉降量可以采用TOKIMATSU法［7］進行計算．TOKIMATSU在不排水的條件下，對飽和的不同密實度的砂土施加循環剪切應力使其液化，然后測量排水固結后的沉降量．經過大量實驗后，TOKIMATSU建立了砂土的“密實度－循環應力比－體積應變”三者的關系，而實驗證明砂土的密實度和SPT擊數相關，從而得出砂土的“(N1)60－循環應力比CSRM－體積應變εv”三者之間的關系．TOKIMATSU提出的飽和砂土的“(N1)60－循環應力比CSRM－體積應變εv”曲線見圖5．對于其他飽和土可以根據式(5)修正后得到相當于純砂條件下的SPT擊數．本文所涉及的項目中，非飽和土液化風險較低，不考慮其震陷．對于非飽和土的沉降計算可以參考文獻［7］，本文不做介紹．緬甸石油庫邊坡地基土深度～沉降(由下向上累加)關系曲線見圖6．由圖6知出現沉降土層在16～27m之間，地表總沉降量約30cm．在23m處分層沉降出現拐點，23m以下分層的沉降量要小于24m以上．23m以下的分層沉降量8.0cm，沉降量2.0cm•m－1;23m以上分層沉降量為22.0cm，沉降量為3.1cm•m－1．主要原因是23m為土層分界線，23～28m為粉質粘土，16～23m為粉土，粉土的沉降量要大于粉質粘土，這也說明粉質粘土的抗液化能力要強于粉土．對地基土進行抗液化處理的土層主要為粉土層．

5地震作用下邊坡抗滑穩定性分析

在地震荷載作用下邊坡的抗滑穩定性分析嚴格意義上講屬于動力分析的范疇，但是由于動力分析困難和相關參數難以獲得，一般很少運用于實際工程中．擬靜力法操作簡單，力學參數少，從而在巖土工程領域廣泛運用，它是將地震荷載采用靜力荷載來表示．對于邊坡抗滑穩定性的靜力分析方法常用的有瑞典條分法、簡化Bishop法［9］、Janbu法［10］、Spencer法、Morgenstern-Price法等．不同的分析方法適用的土層和邊坡情況不同．對于瑞典條分法和簡化Bishop法主要適用于粘性土，滑裂面為圓弧形;對于Janbu法、Spencer法、Morgenstern-Price法適用于任意形式的滑裂面．邊坡抗滑安全系數K可以簡單采用式(12)表示。對于緬甸某項目采用以上5種方法，運用GEO-Studio軟件中Slope/W模塊，運用擬靜力法進行地震荷載作用下抗滑穩定性分析，各土層參數和模型見圖7．在不同工況條件下的安全系數見表2，不同方法下典型滑裂面見圖8～9．根據表2可知，不考慮地震作用時，邊坡抗滑穩定安全系數均大于1.2，滿足設計要求，處于穩定狀態．邊坡在震級Ⅷ時，運用擬靜力法計算，邊坡安全系數均小于1.2，不滿足設計要求．根據圖8和圖9知，滑裂面主要位于粉質粘土層和淤泥層，對邊坡加固時可對該土層進行插塑料排水板固結加固．

6結論

本文以緬甸某邊坡項目為背景，詳細介紹了在地震情況邊坡砂土地基的液化判別方法、震陷量計算方法、抗滑安全系數計算方法．通過計算得出如下結論:(1)采用NECCER液化評估方法(SPT)進行評估，該方法適用性強、考慮因素全面．其評價指標抗液化安全系數FS在工程中使用方便．緬甸某邊坡地基砂土采用此方法評估，粉土和粉質粘土層在八級地震作用下存在液化風險，需要采取相應措施予以消除．(2)采用Tokimatsu＆Seed法計算液化土層震陷沉降量比較復雜，對于飽和土沉降可以結合NECCER液化評估進行計算，計算簡單．緬甸某邊坡沉降量約30cm，其中主要震陷土層為粉土層．(3)邊坡的穩定性分析目前主要采用基于剛體極限平衡理論計算方法，采用擬靜力法處理地震荷載較為簡單．緬甸某邊坡運用擬靜力法計算，在震級Ⅷ時抗滑安全系數小于1.2，不滿足設計要求，可以對淤泥層進行排水固結加固．

作者：吳李軍 周龍翔 童華煒 章濤 單位：廣州大學 土木工程學院