分析地震作用下地基的液化機(jī)理摘要:地震時飽和砂土的液化造成了許多建筑物的破壞,規(guī)劃中的京滬高速鐵路南京上元門越江工程穿越W度地震區(qū)，如果采用隧道方案，由于隧道洞身及洞底主要穿越粉細(xì)砂層，在地震作用下極易液化.針對上元門地區(qū)的具體情況，分析了地震作用下地基的液化機(jī)理，通過理論計算和分析試驗數(shù)據(jù)給出了地震作用下沉管隧道3個典型斷面的地基砂土液化深度.指出覆蓋層較薄的江中段砂土液化深度將達(dá)到隧道底下1.5m處,可能造成隧道地基整體失穩(wěn)，需進(jìn)行加固處理，本文結(jié)論可為沉管的設(shè)計施工提供參考.地震作用引起的地基砂土液化會使結(jié)構(gòu)物地基失去承載力[1],直接危害著建筑物的安全,因此地震作用下地基的液化問題一直受到工程界的普遍關(guān)注.規(guī)劃中的京滬高速鐵路南京上元門越江工程穿越W度地震區(qū)，如果采用沉管隧道方案,根據(jù)鐵道部大橋局1997年8月提供的地質(zhì)報告，北端(AIK340+680)在-3.03?-22m為粉砂,-22?-38m為細(xì)砂;江中段(AIK341+120)在-25.5?-37.5m為細(xì)砂;南端(AIK342+325)在-22.95?-37.35m為粉砂[2].而沉管隧道中段的地面標(biāo)高為-22.5m,基底標(biāo)高約為-35m[3,4]，故隧道洞身及洞底主要位于粉、細(xì)砂層上，在動荷載作用下極易液化，因此需要研究地震作用下沉管隧道地基的砂土液化可能性，以保證高速鐵路的行車安全.本文作者主要分析計算沉管隧道3個典型斷面的地基液化深度，為沉管隧道進(jìn)一步的設(shè)計施工提供參考.1飽和砂土在地震作用下的液化機(jī)理土是一種多相多孔的固體狀介質(zhì)，一般情況下處于一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，當(dāng)土體受振動作用或在地震作用下，受力的方式和大小發(fā)生了很大的變化,這就將使土體內(nèi)部固相和液相的受力狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致土結(jié)構(gòu)的破壞.根據(jù)美國土木工程師協(xié)會巖土工程分會土動力學(xué)專業(yè)委員會(1979)對“液化”一詞的定義:“液化是使任何物質(zhì)轉(zhuǎn)化為液體狀態(tài)的行為或過程.就無粘性土而言,這種由固體狀態(tài)變?yōu)橐后w狀態(tài)的轉(zhuǎn)化是孔隙水壓力增大和有效應(yīng)力減小的結(jié)果”[5].砂的強(qiáng)度僅由內(nèi)摩擦產(chǎn)生，在飽和狀態(tài)下為s=(o-u)tanp(1)式中,o=ysz為深度z處的法向應(yīng)力,其中ys是飽和土的容重;u=ywz為孔隙水壓力，其中yw為水的容重伸為內(nèi)摩擦角.現(xiàn)在如果水位由于地基振動而上升了h(如圖1),則引起的超靜孔隙水壓力為Au=ywh,于是強(qiáng)度可表示為s=(ybz-ywh)tanp(2)式中,yb=YS-yw是土的浮容重.由此可見，砂的強(qiáng)度隨著附加Au的增大而減小.飽和砂土在地震作用下受到反復(fù)剪應(yīng)力作用，使砂粒產(chǎn)生滑移,改變排列狀態(tài)而趨于密實;同時,因地震歷時短暫和排水不暢，在砂土中產(chǎn)生Au,多次循環(huán)振動使殘余Au逐漸積累，有效應(yīng)力相應(yīng)降低，當(dāng)u=o時便產(chǎn)生初始液化.在極端情況下,不僅全部外力由水來承擔(dān),而且砂土的重量也加到水上，形成了砂的懸液，故可認(rèn)為飽和砂層的液化是由于地震時剪切波的作用而引起土層的剪切變形所致.因此要科學(xué)地預(yù)測設(shè)計場地的飽和砂層在未來地震作用下是否會發(fā)生液化，首先要知道設(shè)計場地土層的地震響應(yīng)，即估計地震時土層中所產(chǎn)生的剪應(yīng)力的大小，這可以通過計算分析求得;其次是確定飽和砂層的液化特性，可以通過室內(nèi)土樣實驗來確定,即將試驗所得到的結(jié)果歸納為土的某種指標(biāo)如砂層的液化應(yīng)力比，從而求得土層的液化剪應(yīng)力;最后將各土層的地震剪應(yīng)力與其液化剪應(yīng)力相比，就可判斷該土層是否液化.2地震作用下上元門沉管隧道地基的液化分析2.1上元門沉管隧道地基的地震響應(yīng)估計如果采用動力有限元分析計算地基的地震響應(yīng),需要知道地基的動參數(shù)及不同超越概率、不同隨機(jī)相位的地震波，由于設(shè)計部門提出的地震動參數(shù)不夠詳細(xì),本文采用一種簡化方法來估計地震時土層中所產(chǎn)生的剪應(yīng)力大小.H.B.Seed提出判斷地震液化勢的應(yīng)力系數(shù)法[6],如圖2所示.若已知地面最大水平加速度為amax，在加速度為g,假設(shè)深度h以上土柱是剛體,重度為*那么深度z處所產(chǎn)生的剪應(yīng)力為2.2上元門沉管隧道基底砂層的液化剪應(yīng)力根據(jù)上元門沉管隧道的地質(zhì)縱剖面圖[2],可以計算砂層的液化應(yīng)力比切0，=Crod2o3(9)式中具為引起液化的剪應(yīng)力;od/(2o3)為室內(nèi)3軸試驗取得的應(yīng)力比;Cr為修正系數(shù),應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗確定，無試驗數(shù)據(jù)時可按土的相對密度Dr選用:當(dāng)Dr=0?50%時,Cr=0.57;當(dāng)Dr=60%時,Cr=0.60;當(dāng)Dr=80%時,Cr=0.68.根據(jù)土的動力性質(zhì)試驗報告⑵歸納出有關(guān)砂層的動力性質(zhì)指標(biāo)如表1.其中。田（2。3）應(yīng)根據(jù)某一點原始狀態(tài)的應(yīng)力比和圍壓值以及場地的卓越周期唯一確定，此處采用的是室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，。田（2。3）是應(yīng)力比為1.0、試驗頻率為1.0Hz、等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Nc<10和圍壓為100kPa、200kPa、300kPa的平均值;按土層厚度計算所得的相對密度和試驗應(yīng)力比的加權(quán)平均值-Dr和。田（2。3）以及C根據(jù)式（10、11）和粉砂、細(xì)砂的浮重度就可計算出北端、江中段和南端各截面的砂層各個深度的液化剪應(yīng)力.2.3計算結(jié)果及分析根據(jù)以上分析計算出的典型截面地震剪應(yīng)力和抗液化剪應(yīng)力,可以得出典型截面的液化區(qū)如圖3所示，其中z為江底地面以下深度.通過對各截面液化區(qū)的分布及其地質(zhì)剖面圖的比較得出:北端隧道頂板以上覆蓋的粉砂在W度地震作用下產(chǎn)生液化,洞身部分的細(xì)砂層則不致液化;江中段江底地面以下13.5m范圍內(nèi)的細(xì)砂將產(chǎn)生液化，其深度達(dá)洞身隧道底面以下1.5m;南端江底地面以下12m范圍內(nèi)粉砂和部分細(xì)砂將產(chǎn)生液化,其深度達(dá)隧道洞身的3/5處[73結(jié)論（1）W度地震作用下有可能在北端隧道上部覆蓋的粉砂中以及南端隧道洞身3/5以上的粉砂和細(xì)砂中發(fā)生液化，但這些地方大部分屬于施工需挖去并用碎石回填的，故液化不會對沉管隧道造成危害.(2)覆蓋層較薄的江中段砂土液化深度將達(dá)到隧道底下1.5m處,可能造成隧道地基整體失穩(wěn)，需進(jìn)行加固處理.(3)上元門越江隧道是京滬高速鐵路上的關(guān)鍵工程，在實際設(shè)計施工中，還要考慮地震作用有可能和列車作用疊加，故江中段隧道底部細(xì)砂層的加固深度應(yīng)適當(dāng)加大，但注意到隧底將有1本論文由無憂論文網(wǎng)整理提供.0~1.5m的碎石墊層，加固深度尚需深入研究，以保證工程的經(jīng)濟(jì)性及列車運(yùn)營的安全.參考文獻(xiàn)：胡聿賢.地震工程學(xué)[M].北京:地震出版社,1988.鐵道部大橋勘測設(shè)計院.土的動力性質(zhì)試驗報告[R].武漢:鐵道部大橋勘測設(shè)計院,1997.鐵道部第三設(shè)計院.京滬高速鐵路線橋隧站設(shè)計暫行規(guī)定[S].天津:鐵道部第三設(shè)計院,1998.鐵道部第四設(shè)計院.高速鐵路長江沉管隧道技術(shù)前期研究[R].武漢:鐵道部第四設(shè)計院,1997.普拉卡什S.土動力學(xué)[M].徐攸在，王志良，王余慶，等譯.北京:水利電力出版社,1984.SeedHB.SimplifiedProcedureforEvaluatingS