粉细砂场地流砂危害等级评价

2016-01-04王丹微,王清,庞大鹏

吉林建筑大学学报 2015年5期

粉细砂场地流砂危害等级评价*

王丹微1,2王清2庞大鹏3

(1:吉林建筑大学测绘与勘查工程学院，长春130118;2:吉林大学，长春130026；

3:东北电力设计院有限公司，长春130033)

摘要：根据上海某场址区的工程地质条件，针对场区内广泛分布的粉细砂类土易于产生的流砂问题，运用可拓学理论，选取了直接或间接影响流砂危害程度的参数指标，建立了流砂危害等级评价模型；在此基础上，运用可拓学计算程序，得出研究场地内的流砂危害等级为中等至较高，结合以往资料，这一定量化的评价结果基本符合粉细砂场地的实际工程地质条件.

关键词：粉细砂；流砂；工程地质条件；可拓学

收稿日期：2015-02-09.

作者简介：王丹微(1982～)，女，吉林省长春市人，讲师，硕士.

基金项目：*国家自然科学

中图分类号：TU 449文献标志码：A

Evaluation of Hazard Rating of Quicksand in Silty-fine Sand Area

WANG Dan-wei1,2，WANG Qing2，PANG Da-peng3

(1:JilinJianzhuUniversity，Changchun,China130118;2:JilinUniversity，Changchun,China130026;

3:NortheastElectricPowerDesignInstituteCO.,LTD，Changchun,China130033)

Abstract：Based on the engineering geological condition of the construction field in Shanghai, the wide distribution of silty-fine sand is prone to cause the problem of quicksand. On this issue, extension theory has been used to evaluate the hazard rating of the quicksand, the parameters of the problem have been selected, and the evaluation model has also been set up. By the calculation procedure of the extension theory, the hazard rating of the quicksand problem of the field is middle to high. Combining with previous data，the quantitative results of the evaluation are in accordance with the actual site area of engineering geological conditions.

Keywords:silty-fine sand；quicksand；engineering geological condition；extension theory

流砂又称砂土渗流液化，是一种不良的工程地质现象，即粒径很小、无塑性或低塑性的土在动水力推动下失去稳定，随地下水一起涌出的现象.流砂可在浅层粉细砂土中发生，同时，在一些埋深较大的下部砂性土中由于地下水具有承压性质且承压水头较高，施工时若不能采取有效的防渗措施，极易发生渗水并很快发展成流砂、管涌.目前，对流砂问题的探讨主要集中在基坑开挖过程中的流砂地层处理方案和施工方法等方面的研究.但是，对于流砂地层本身工程地质特性方面定量化的评价与研究并不多见.为了让设计、施工具有可靠的理论依据，有必要运用适当评价方法，对场地地基土影响流砂发生的各种物理力学指标进行综合的计算分析，划定评级标准，从而定量的评价建设场址区内产生流砂危害的可能性.

1评价方法选取

工程地质性质多指标综合评价中较常用的方法有：工程地质类比法、专家系统方法、层次分析法、模糊数学方法及神经网络方法等，但这些方法的一个共同特点就是人为参与较多，经验占了主导的地位，这就使这些方法在实际运用过程中有很大的局限性.由我国学者蔡文教授于1983年创立的可拓学理论通过研究事物变化的可能性提供解决问题的依据和方法[1]，为我们提供了更为客观合理的评价分析手段.已有研究成果表明，运用可拓学理论对地基土的工程地质性质进行评价研究，通过建立多指标参数的评价体系，以定量的数值表示评定结果，能够较为完整、综合地评价工程建设场地岩土地基的工程地质特性，从而更好地为场地规划和工程建设服务.

2基于可拓学的场地流砂危害等级评价

2.1场地概况与工程地质条件

研究场地位于上海黄浦江两岸的滨水区域，根据已有的钻孔勘察资料及区域地质资料，在所揭露深度110m范围内的地基土均属于第四系沉积物，主要由软土、粉性土和砂土构成[2].场地内广泛分布着砂类土层，其中浅部砂层分布不稳定.根据室内试验结果可知，该场区粉细砂层具有塑性很低、粘粒含量少、透水性强、压缩性低的特点.该层在地下水的作用下，很可能会产生流砂或管涌现象，造成基坑突涌、边坡失稳等重大事故，故在之后的流砂危害等级评价中，主要以中浅部的砂类土层为主要研究对象.该场地地下含水层较为发育，分别有全新世潜水-微承压含水层和更新世的五个承压含水层.其中与工程建设相关的含水层主要为浅部的潜水-微承压含水层和第Ⅰ承压含水层.潜水水位较高，标高一般在2.0m～4.5m之间；但承压地下水的存在与运移，却是推动流砂危害的因素之一.

2.2场地流砂危害等级的可拓评价

2.2.1流砂危害等级评价参数体系

流砂产生根本因素在于其特定工程地质条件, 特别是土的工程地质性质，因此，进行流砂危害等级评价要分析场地中每个粉细砂土层的工程地质性质指标对流砂危害的影响程度.在此选取孔隙率、粘粒含量、粉粒含量、不均匀系数、天然含水率、压缩系数、内摩擦角、内聚力共8个物理力学指标作为评价参数.

2.2.2流砂危害等级评价的分级标准

依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2012)和《岩土工程勘察规范》(GB50021-2009)，结合场地内各地层的工程地质特征，在选取适当的流砂危害等级评价参数基础上，确定场址区流砂危害等级评价的单指标参数分级标准，将该场址区内的流砂危害等级分为5级(见表1).

表1　研究场地流砂危害等级评价分级标准

2.2.3基于可拓学的流砂危害等级计算

(1)确定经典域、节域.根据可拓学理论中对经典域、节域的定义，可确定流砂危害等级关于对应的评价因素所取的数据范围，即经典域Rp.

其中P为流砂危害等级的全体，Vpi=(api，bpi)为O关于因素ci所取量值的范围，即P的节域.

可确定流砂危害等级评价中的经典域R01，R02，R03，R04，R05和节域Rp.

(2)确定待评物元.其中，p为待评的流砂层；ci为影响流砂危害等级的因素；vi为p关于因素ci的量值，即通过归一化处理的该层砂土的物理力学指标参数.

(3)确定评价指标权重系数.权重系数是反映评价标准重要程度的量化系数，它的大小对于重要程度的高低具有举足轻重的作用，权重大意味着重要程度高.目前权重分配系数的计算方法很多，在此采用简单关联函数的方法来确定权重系数，这种方法能够较好地克服人为影响，合理地确定权重系数，以保证场地地基土流砂危害等级评价的客观性和准确性[3-4].其计算过程如下：

如果指标i的数据落入的类别越大，该指标应该赋予越大的权系数，则取：

否则，若指标i的数据落入的类别越大，该指标应该赋予越小的权系数，则取：

于是指标i的权系数αi为：

(4)确定各评价指标关于各类别等级的关联度.流砂危害等级的单项评价指标vi关于各等级j的关联度为：

其中

(5)计算待评物元关于各类别等级的关联度.待评物元p关于可利用性等级j的关联度为：

则称j*为p的级别变量特征值.

以上是基于可拓学理论评价流砂危害等级的主要步骤，在此基础上，即可编制相应的程序，进行计算.本文采用陈剑平等编制的可拓学程序计算[5-6]，将待评价的土层中相应的指标参数输入程序中，经过程序计算，便可得到每层的流砂危害等级特征值,具体结果见表2.其中，编号1～4号土层均为研究场区勘探孔内所见的粉细砂土层，编号5土层为粉土，编号6～8土层为细砂土.

从可拓学评价结果来看，在所研究的场地内，粉细砂类土产生流砂危害的可能性比较大，即主要以危害等级高至较高程度为主，不产生流砂危害的土层即较稳定的土层在场址区中很少体现，该场址区在地下空间开发影响范围内的粉细砂类土层，普遍具有产生流砂危害的可能性.通过与施工时的实际情况进行对比，证明了在流砂危害评价中，采用基于可拓学理论建立的多指标评价体系是可行的(详见表2).