一种饱和砂质地层地震液化判别方法及装置

技术领域

本发明涉及隧道与地下空间工程技术领域，尤其涉及一种饱和砂质地层地震液化判别方法及装置。

背景技术

大直径盾构隧道技术研究可以用“深(埋深深)、大(断面大)、长(掘进距离长)、高(高水压)、杂(复杂地层)”来形容，随着科学技术不断更新、提高，“超大、超长、超深”盾构隧道正成为国内外盾构隧道发展主流趋势。盾构隧道作为城市的重要组成部分，在面对地震、防疫方面为城市韧性提供了有利支撑。但是，随着工程深入开展，盾构隧道工程20m以下埋深处地震液化现象已有发生，并且在液化地基条件下的盾构隧道抗震设计中，国内外对于20m深度以下饱和砂质地层的地震液化评判手段还显不足，大多基于经验判断，与实际情况相差较大。土层由于液化、失稳等，造成施工过程中遇到的管片上浮、错台、管片开裂等诸多问题，严重威胁着饱和砂质地层深埋水下盾构隧道结构的安全。

近年来，地基土的液化问题引起了地震工作者的普遍关注，目前国内外抗震规范判别砂土液化的方法，主要是基于室内试验和现场测试结果建立的经验方法。由于盾构隧道为线型工程，其穿越的地层影响范围较单体地下结构大得多，这就对盾构隧道工程中的地基液化判断的精度提出了较高的要求，液化范围判断过大，工程十分不经济，液化范围判断过小，则安全余量不足。然而，目前国内外对于液化地基的判断尤其是距离地表20m以下地层的简化液化评判手段还明显不足，并且对可液化地基处置实例及效果评价研究较少。此外，目前国内外对于20m深度以下的饱和砂土地层尚没有有效的地震液化评价方法，抗震设计在水下盾构隧道中应用经验尚浅，地震液化判别案例较为匮乏。强震区砂土地层液化情况，主要针对砂土层地震液化在Ⅶ度的区域进行液化判别。由于隧道结构的纵向模量较小，而且隧道结构对于纵向的变形较敏感，控制纵向过量沉降，不均匀沉降，是抗液化问题研究的重点。对于抗震设计而言，若采用较为复杂的力学方法需要表征地层性质的高阶参数，而该类参数在常规的勘察工作条件下难以获得；若开展复杂数值计算，则需要大量高端专业人力资源，且计算结果的准确性也难以保证。如何采用饱和砂质地层地震液化简化判别方法，对较大埋深处工程点进行地震液化判别，为隧道及地下工程的抗震设计提供一定的依据，是亟需解决的问题。

因此，开展涉及20m深度以下的饱和砂质地层地震液化简化判别方法的探索，研究成果为液化区隧道及地下工程选择有效且经济的液化处置方案提供参考，对扩展隧道及地下工程的应用范围、提高设计效率、以及平衡设计方案的经济性与安全度等具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种饱和砂质地层地震液化判别方法及装置。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种饱和砂质地层地震液化判别方法，包括以下步骤：

构建应力折减系数与深度的关系式；

将目标深度代入应力折减系数与深度的关系式中，获得地下目标深度处的临界应力折减系数，应力折减系数与深度的关系式如下：

r

r

r

其中：r

获得地下目标深度处的实际应力折减系数；

比较地下目标深度处的实际应力折减系数与临界应力折减系数，比较步骤如下：若实际应力折减系数大于临界应力折减系数，则判定地下目标深度处的地层产生液化，若实际应力折减系数小于临界应力折减系数，则判定地下目标深度处的地层未产生液化。

进一步的，构建应力折减系数与深度的关系式的步骤如下：通过对若干实际工程中的液化数据进行统计并拟合形成应力折减系数与深度的关系曲线并采用多项式分别对埋深0-10m、10-20m、20m以下三个条件进行拟合。

所述液化数据为地层液化时对应的应力折减系数和深度。

一种饱和砂质地层地震液化判别装置，包括临界应力折减系数获取模块、实际应力折减系数和液化判别模块；

临界应力折减系数获取模块中存储了应力折减系数与深度的关系式，应力折减系数与深度的关系式如下：

r

r

r

其中：r

实际应力折减系数获取模块用于获得地下目标深度处的实际应力折减系数；

液化判别模块用于比较地下目标深度处的实际应力折减系数与临界应力折减系数，比较步骤如下：若实际应力折减系数大于临界应力折减系数，则判定地下目标深度处的地层产生液化，若实际应力折减系数小于临界应力折减系数，则判定地下目标深度处的地层未产生液化。

进一步的，临界应力折减系数获取模块中所存储的应力折减系数与深度的关系式采用如下步骤得到：通过对若干实际工程中的液化数据进行统计并拟合形成应力折减系数与深度的关系曲线并采用多项式分别对埋深0-10m、10-20m、20m以下三个条件进行拟合。

进一步的，所述液化数据为地层液化时对应的应力折减系数和深度。

本发明的有益效果为：

本发明基于典型饱和砂质地层地震液化判别方法，通过大量数据搜集，得到应力折减系数与深度的关系曲线，提出涉及20m深度以下饱和砂质地层地震液化简化判别方法，填补了现有20m深度以下地震液化简化判别方法的空白。基于本发明的研究表明：应力折减系数随计算深度的增加逐渐减小，当埋深大于20m时，应力折减系数取值逐渐趋于常数，约0.5。上述研究成果为液化区隧道及地下工程选择液化处置方案提供了一定参考。

附图说明

图1为应力折减系数含义示意图；

图2为应力折减系数r

图3为Seed和Idtriss推荐r

图4为拟合曲线与Seed和Idtriss推荐r

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种饱和砂质地层地震液化判别方法，包括以下步骤：

构建应力折减系数与深度的关系式；

将目标深度代入应力折减系数与深度的关系式中，获得地下目标深度处的临界应力折减系数，应力折减系数与深度的关系式如下：

r

r

r

其中：r

获得地下目标深度处的实际应力折减系数；

比较地下目标深度处的实际应力折减系数与临界应力折减系数，比较步骤如下：若实际应力折减系数大于临界应力折减系数，则判定地下目标深度处的地层产生液化，若实际应力折减系数小于临界应力折减系数，则判定地下目标深度处的地层未产生液化。

上述技术方案中，构建应力折减系数与深度的关系式的步骤如下：通过对若干实际工程中的液化数据进行统计并拟合形成应力折减系数与深度的关系曲线并采用多项式分别对埋深0-10m、10-20m、20m以下三个条件进行拟合。其中，液化数据为地层液化时对应的应力折减系数和深度。

下面对构建应力折减系数与深度的关系式进行详细说明。

评定地基土的液化可能性是盾构隧道地层处理及抗震设计中的重要环节。目前国内最常用的判别方法是规范法，国外以Seed判别法为准。规范法是根据邢台地震(1996)、通海地震(1970)、海城地震(1975)、唐山地震(1976)及国外大地震的资料和室内液化试验的研究成果确定的，是基于实际地震时的液化调查而建立的判别方法，并且对于深层地基土的判别结果偏于保守，仅适用于判别埋深在20m范围内的饱和砂土层的液化情况。而Seed判别法是通过研究砂土的循环阻力比与标准贯入试验建立关系得出的判别方法，该方法计算过程复杂，在实际工程应用时工程技术人员不方便运用，并且对于深层地基土的判别也偏于不安全。因此，本发明基于Seed判别法，通过搜集大量砂土地层实际液化数据，结合国内外典型成果，提出砂土地层地震液化的简化判别方法。

Seed简化法是一种由实际工程分析总结出的试验分析方法，其原理为饱和土体在振动作用下产生的剪应力超过其在相应动力作用下的抗剪强度时，则判定为饱和土体液化。Seed将理论简化，通过比较等效周期应力比(CSR)与地基土的周期阻力比(CRR)来判定液化，即若CRR>CSR，判定为不液化，否则判定为发生液化。一般认为，地震中场地内某一点水平面上的剪应力主要式由剪切波从基岩到地表的竖向传播引起的，该点的剪应力时程由基岩输入的地震动特性和场地条件共同决定。针对特定场地特定地震动输入的动力反应计算分析，是给出CSR法中循环剪应力比最可靠的方式。但由于场地条件信息或输入地震动信息不完善、工程项目工期及工程人员的条件不允许等原因，无法直接进行场地动力反应分析计算。因此，不论是在实际的工程设计中进行验算，还是对震害实例调查结果进行复算，一般都会采用简化方法计算场地某点的CSR。

Seed和Idriss首次正式提出液化判别的简化方法，其基本思想为假设计算点位于地表以下深度h处，这一土单元以上高度h的土柱为刚体，当地表加速度为a

其中：γ为土的重度，g为重力加速度。但实际上土柱在动力作用下并非刚体，考虑土柱的横向变形，深度h处的峰值剪应力应小于上式的计算结果。应力折减系数含义示意图如图1所示，CSR计算的简化方法的思想是通过对刚性土柱假定下计算的峰值剪应力进行折减，得到实际情况下的峰值剪应力，如下式所示：

(τ

根据上式，Seed和Idriss引入了应力折减系数(r

根据折减系数r

为了方便起见，将作用在土单元上的不规则的剪应力时程转化成等效等幅循环剪应力时程进行后续的计算，等效等幅循环剪应力作用幅值为：

(τ

最后用初始有效上覆土压力对等效等幅剪应力进行无量纲化，得到等效等幅循环剪应力比：

r

通过搜集阅读大量文献，并对实际工程液化数据进行统计总结，探索应力折减系数与计算深度的关系。通过计算机软件编程计算，将数据点拟合为三段首尾相接的曲线，并提出对应的多项式。拟合结果如图2所示。

图2为应力折减系数r

r

r

r

其中：rd为应力折减系数，z为深度，也就是地基土的埋深。

从图2应力折减系数随深度变化关系中可以看出，应力折减系数在地表处的取值为1，r

Seed和Idriss在1971年提出液化判别简化方法的同时给出了可用于工程的r

Seed和Idriss给出的平均曲线是应用于液化判别CSR方法中最初的也是应用最广泛的r

通过将本发明拟合曲线与Seed和Idtriss推荐r

由于所统计的工程场地液化数据的差异性，以及都存在的数据点数量有限等原因，导致本发明所拟合的曲线与Seed和Idtriss推荐r

实施例2：

一种饱和砂质地层地震液化判别装置，包括临界应力折减系数获取模块、实际应力折减系数和液化判别模块。

临界应力折减系数获取模块中存储了应力折减系数与深度的关系式，应力折减系数与深度的关系式如下：

r

r

r

其中：r

实际应力折减系数获取模块用于获得地下目标深度处的实际应力折减系数；

液化判别模块用于比较地下目标深度处的实际应力折减系数与临界应力折减系数，比较步骤如下：若实际应力折减系数大于临界应力折减系数，则判定地下目标深度处的地层产生液化，若实际应力折减系数小于临界应力折减系数，则判定地下目标深度处的地层未产生液化。

上述技术方案中，临界应力折减系数获取模块中所存储的应力折减系数与深度的关系式采用如下步骤得到：通过对若干实际工程中的液化数据进行统计并拟合形成应力折减系数与深度的关系曲线并采用多项式分别对埋深0-10m、10-20m、20m以下三个条件进行拟合。其中，液化数据为地层液化时对应的应力折减系数和深度。

总的来说，本发明基于典型饱和砂质地层地震液化判别方法，通过大量数据搜集，得到应力折减系数与深度的关系曲线，提出涉及20m深度以下饱和砂质地层地震液化简化判别方法，填补了现有20m深度以下地震液化简化判别方法的空白。基于本发明的研究表明：应力折减系数随计算深度的增加逐渐减小，当埋深大于20m时，应力折减系数取值逐渐趋于常数，约0.5。上述研究成果为液化区隧道及地下工程选择液化处置方案提供了一定参考。

当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。