原位測試在砂土地基液化判別中的應用

苗 峰

(中國建筑第八工程局有限公司， 上海 200135)

原位測試在砂土地基液化判別中的應用

苗 峰

(中國建筑第八工程局有限公司， 上海 200135)

在砂土或粉土地區，判定地基土液化可能性是巖土工程設計中的一個重要課題。目前，獲得高質量“原狀”砂土樣不僅取樣困難而且試驗成本較高，且大多判定方法是基于定性研究的基礎上。飽和砂土地震液化的定量化研究是一個具有挑戰性的研究課題。文章以扁鏟側脹試驗成果為基礎，結合靜力觸探和標準貫入試驗，對天津市西青區砂土地基的地震液化進行了判別和對比。對比結果表明原位測試試驗在砂土地基液化判別中具有操作簡單、人為誤差小和結果可靠性高的優點。

扁鏟側脹試驗； 靜力觸探； 標準貫入； 砂土液化

飽和的砂土或粉土在地震作用下，由于孔隙水壓力的上升，部分或完全抵消土骨架承擔的有效應力，從而發生地震液化，這種現象往往是導致地基失穩和上部結構受損的直接原因之一。如何準確合理地判別地基土的液化及液化危險等級，一直受到巖土工程界的高度重視。

工程界提出了一系列評定地基土液化可能性的方法[1-5]，研究結果表明影響土體地震液化的因素有土性條件、應力狀態、地震作用和排水條件等。因此，每種方法適用范圍不同，這就存在著試驗指標的可靠度和液化判別精度的問題[6]。

而原位測試技術業已成為巖土工程勘察中不可缺少的技術手段之一。1975年Marchetti介紹了扁鏟側脹儀測試(Dilatometer test，簡稱DMT)，這是巖土工程勘測中一種先進的原位測試方法[8-9]。國內外的專家和學者還將其測試結果用于判斷砂性土的液化等[10-11]。

標準貫入試驗方法由于其操作簡便、直觀等優點，在工程界應用最為廣泛。我國的各類抗震規范也主要采用此方法。但標準貫入試驗對于夾有薄層黏性土的砂土、粉土地基的液化判別較為保守，而靜力觸探法可對不易取樣的飽和砂土、砂質粉土、高靈敏性軟土以及土層豎向變化復雜、不易密集取樣的土層可在現場快速地測得土層對觸探頭的貫入阻力qc、探頭側壁與土體的摩擦阻力fs等參數，該法不但能較好地反映原位土體的力學性質，直接用于土類劃分、土體強度指標換算、液化判別等，而且能夠較好地反映土中黏粒含量等物理性質。

本文首先根據扁鏟側脹試驗的成果，采用seed簡化公式對所研究區域的砂土地基進行液化判別，然后結合靜力觸探的測試成果，統計分析了錐尖阻力qc、摩阻比fs與土層黏粒含量的相關關系，并根據土體原位測試強度指標，再依據規范與標準貫入試驗分析了該場地中的單孔砂土液化可能性，建立了該場地地層土錐尖阻力qc與標準貫入試驗N63.5的相關關系曲線。通過該曲線，可判定砂土是否液化及液化等級，得出定性、定量標準。

1 扁鏟側脹試驗基本原理

扁鏟探頭是由一塊長240mm、寬96mm、厚15mm的鋼板制成的，下端稍有彎曲地逐漸變窄，形成96mm寬的邊緣。其平直邊的一側有一圓形鋼膜，直徑60mm，減壓時與鋼板貼成一個平面。在鋼膜后側施加氣壓可使鋼膜膨脹。試驗時將接在探桿上的扁鏟探頭以20mm/s的速度貫入土中，每貫入0.2m進行膨脹測試。施加氣壓，使位于扁鏟探頭的圓形鋼膜向土內膨脹，量測鋼膜膨脹到一個特殊位置(A、B、C)時的壓力。

壓力A，膜片中心離開基座，水平地壓入周圍土中0.05～0.07mm膜片內氣壓值；壓力B，膜片中心外移達1.10±0.03mm膜片內的氣壓值；壓力C，膜片中心外移1.10mm后，緩慢排氣，使膜片回縮接觸基座時作用在膜片內的氣壓值(圖1)。

圖1 扁鏟鏟頭形狀示意

在試驗數據處理時，首先應對壓力A、B、C進行修正，其修正公式為：

(1)

式中：P1為膜中心外移1.10mm時的修正壓力；P0為膜中心無外移時的修正壓力；P2為膜中心外移后又收縮到初始外移0.05mm時的修正壓力；Zm為壓力表零讀數(大氣壓下)；ΔA、ΔB分別為大氣壓下標定膜片中心外移0.05mm和1.10mm所需的壓力。扁脹試驗指標中扁脹模量、水平應力指數、扁脹指數、扁脹孔壓指數可分別按下列公式計算：

ED=34.7(P1-P0)

(2)

KD=(P0-u0)/σv0

(3)

ID=(P1-P0)/(P0-u0)

(4)

UD=(P2-u0)/(P0-u0)

(5)

式中：u0為試驗深度處靜水壓力(kPa)；σV0為試驗深度處土的有效上覆壓力(kPa)。

2 試驗場區工程地質概況

工程建場地位于天津市西青區天津高新區(華苑科技園區)，屬于華北平原東部濱海平原地貌，屬海相與陸相交互沉積地層。地下水位埋深一般在地面下0.50～1.00m，各地基土層的基本物理力學性質見表1。

本文試驗場地基本覆蓋了砂土液化場地上的主要工點，試驗深度均超過15m。為了增強對比度，鉆孔取樣與室內液塑限、顆分試驗的試驗點位于CPT測試點附近，典型的CPT試驗結果和土層剖面見圖2。

3 扁鏟側脹試驗結果分析

在上述試驗場地內選取了BCB1#、BCB2#和BCB3#3個位置的扁鏟試驗，試驗深度分別為21.00m、22.50m、20.50m，試驗點的間距為50mm。具有代表性的KD與深度H之間的關系見圖2。

表1 試驗場地土層的物理力學性質

研究表明，側脹壓力差△P和比貫入阻力只之間存在著某種線性關系[8]。根據扁鏟的水平應力指數可以很靈敏地檢驗地基土的密實度，其數值與靜力觸探的結果非常接近，具有直觀反映土性變化的特點。

由扁脹指數與深度的關系曲線可以看出，場區內試驗土層的水平應力指數KD(即扁鏟受到的初始水平有效應力與垂直有效應力之比)基本上在2附近或以上。

4 液化判別分析

(6)

根據Weber-Fechner提出的公式：

lgamax=I/2-0.6

(7)

式中：amax為地震作用下地面最大加速度(cm/s2)；I為地震烈度。

若地震烈度按Ⅷ度來考慮，則地面達到的最大加速度amax=0.8105g。Seed公式可簡化為：

γD=1-0.009 h

由圖3可知，本次評價的個別試驗點會發生輕微液化，但大部分試驗點不會發生液化，故尚需結合靜力觸探和標準貫入試驗來綜合判別。

(a)BCB1#試驗孔

(b)BCB2#試驗孔

(c)BCB3#試驗孔

圖3 試驗點液化評價

5 靜力觸探判別地基液化的方法

基于CPT測試資料地基液化判別方法，國內外學者推導了一系列的判別公式，如按“震級”考慮的seed簡化法[12]、Robertson法[13]和Olsen法[14]。Olsen法發展了使用錐尖阻力和側摩阻力來預測液化阻力的方法，然而，計算結果的精確度非常有必要進行檢驗。目前，究竟哪一種方法更好，還沒有得出一致的結論[15]。

《巖土工程勘察規范》(2001)中基于CPT測試資料的判別方法是以地震實測資料為基礎建立起來的經驗公式，其判別砂土液化表達式為：

pscr=ps0awauap

(8)

qccr=qc0awauap

(9)

aw=1-0.065(dw-2)

(10)

au=1-0.050(du-2)

(11)

式中：pscr、qccr為飽和土CPT液化比貫入阻力臨界值和錐尖阻力臨界值(MPa)；dw為地下水位深度；du為上覆非液化土層厚度；ps0、qc0分別為地下水深度dw=2m、上覆非液化土層厚度du=2m時，飽和土液化判別比貫入阻力基準值和液化判別錐尖阻力基準值(MPa)；aw為地下水位深度dw的修正系數，取aw=1.13；au為覆非液化土層厚度du的修正系數，對于深基礎，取au=1.0；ap為與CPT摩阻比有關的土性修正系數。

當實測比貫入阻力或錐尖阻力小于觸探液化比貫入阻力臨界值或觸探液化錐尖阻力臨界值時，應判別為液化土，否則砂土不液化。

5.1 黏粒含量的確定方法

目前，在靜力觸探試驗和標準貫入試驗的液化判別式中，黏粒含量主要是通過室內土工試驗來確定的，但由于取樣的代表性不足、試驗方法的差異以及人為因素等均對黏粒含量的測定結果影響較大。而黏土顆粒對于地震液化具有阻滯作用，這可通過1976年我國唐山地震得到充分反映，即：由于黏土顆粒的存在，出現標貫數較低的地區不液化，而標貫數較高(黏土顆粒含量較少)的地區反而液化的“錯位”現象。在我國的現行規范中均考慮了黏粒含量對液化判別的影響[1-2]。

5.2 土層摩阻比Rf與黏粒含量的相關性

由式(12)計算雙橋CPT的摩阻比：

Rf=fs/qc×100%

(12)

圖4 黏粒含量ρc與Rf關系

圖5 天津西青區場地CPT典型試驗結果示例

從靜力觸探曲線可以看出摩阻比Rf隨著粘粒含量ρc的增加而增加，土的黏粒含量越高，Rf值越大，這個規律性也可從文獻[6]中得以佐證。本次試驗測定的黏粒含量ρc與Rf關系見圖4。從圖4中可以看出，土層摩阻比與黏粒含量有較好的線性相關關系。

根據圖4，ρc與Rf存在著如式(13)的線性相關關系。

ρc=6.97,Rf=0.77

(13)

對于該試驗場地，典型的靜力觸探曲線如圖5所示，從圖中可以看出，兩者與土性的關系曲線基本一致。

5.3 錐尖阻力臨界值的計算

雙橋CPT試驗的錐尖阻力臨界值可按式(14)計算。

(14)

式中：qccr為錐尖阻力臨界值；qc0為錐尖阻力標準值， 對于Ⅶ度地震烈度，可取qc0為2.35MPa[16]；ρc為黏粒含量，可根據式(13)計算。

根據現場CPT的測試成果，按式(14)對各土層進行液化判別計算，地下水位按接近自然地面計算，判別結果如表2所示。表中同時也列出了由標準貫入試驗和剪切波速試驗的綜合判別結果。從表2可以看出1、3、4、5點與標貫判別結果不同，鑒于靜力觸探測試的連續性強、精度高、人為因素影響較小，而且可考慮薄夾層粉土對液化判別的影響，因此，這就有必要建立CPT和SPT之間的相關關系，以加強對地基液化進行綜合判別。

6 CPT與SPT之間的相關關系

對于使用CPT與SPT試驗綜合判別砂土的液化，Roberston(1983)等在總結前人經驗的基礎上，歸納出了不同粒徑組合的qc-N的相關關系曲線，通過該曲線可判別是否為可液化土，進而根據相關關系式，可得出可液化土的定性、定量判別標準。對于本文試驗場地，圖6表示不同土性錐尖阻力qc與N的相關關系，表2給出了兩者的綜合判別結果。

表2 液化判別結論對比

圖6 標貫擊數N與錐尖阻力qc的相關關系曲線

從圖6中可以看出，對于粉土，qc/N=3.4～4.4；對于砂土，qc/N=4.2～5.2。通過以上各式，可由qc/N靜力觸探曲線解譯出可能液化土層錐尖阻力qc。

7 結論

扁鏟側脹試驗和靜力觸探試驗連續性強，離散性小，速度高，而且經濟，可減少一些人為因素的影響，因而可作為判別地基土液化的一種有效方法，且多種方法聯合使用，能夠提高評估地基液化勢的可靠性。通過分析，可得出以下結論：

(1)對于本場區，扁鏟側脹原位試驗是可行的，可以一次獲得多個評價土性的試驗參數，試驗參數分析結果能從靜力觸探試驗和標準貫入試驗等得到較好的驗證。

(2)扁鏟側脹儀試驗的成果是半經驗的，推導的適合于計算平均動應力比的Seed簡化公式，能夠用于對不同地震烈度下砂土液化可能性的判別。

(3)對于靜力觸探試驗，隨著摩阻比的增加，砂土地基的液化勢逐漸減小。

(4)靜力觸探試驗可考慮夾有薄層黏性土、粉土對液化判別結果的影響，相對于其它原位試驗來說，精度較高。

(5)對于本文試驗場地，對于粉土，qc/N=3.4～4.4；對于砂土，qc/N=4.2～5.2。

鑒于錐尖阻力qc和標貫N的相關關系，由于筆者掌握的基本數據有限，尚未積累出區域性資料以建立出相應更為完善的qc-N的相關關系曲線，還需要進一步積累研究。

[1] 巖土工程手冊編寫委員會. 巖土工程手冊[M]. 北京：中國建筑工業出版社, 1994.

[2]GB50007-2000 建筑地基基礎設計規范[S].

[3] 趙成剛，尤昌龍. 飽和砂土液化與穩態強度[J]. 土木工程學報，2001，34(3):90-96.

[4] 汪明武，羅國煜. 最優化法在砂土液化勢評價中的應用[J]. 巖土工程學報，1999，21(6):704-706.

[5] 沈珠江. 砂土液化的散粒體模型[J]. 巖土工程學報，1999，21(6):742-748.

[6] 張繼紅，顧郭榮，雙橋靜力觸探法判別上海薄夾層粘土地基液化研究[J]. 巖土力學，2005，26(10):1652-1656.

[8] 陳國民.扁鏟側脹儀試驗及其應用[J].巖土工程學報，1999，21(2)：177-183.

[9] 楊慶義，張玉寶.扁鏟側脹試驗儀在巖土工程中的應用[J].西部探礦工程，2001(增)：128-131.

[10] 熊衛兵，祁鎮廷，季軍.扁鏟側脹試驗在地基土液化判別中的應用[J].地下工程與隧道，2003(1)：51-54.

[11] 陳國民，李雋毅，湯智青.扁鏟側脹試驗判別液化的研究和實踐[J].上海地質，2003(1)：20-24.

[12]SEEDHB,IDRISSIM.Simplifiedprocedureforevaluatingsoilliquefactionpotential[J].JournaloftheSoilMechanicsandFoundationsDivision,ASCE, 1971, 97(9):1249-1273.

[13]ROBERTSONPK,WRIDECE,Evaluatingcyclicliquefactionpotentialusingconepenetrationtest[J].CanadianGeotechnicalJournal, 1998,35(3): 442-459.

[14]OLSENRS.UsingtheCPTfordynamicsiteresponsecharacterization[C]//ProceedingsofEarthquakeEngineeringandSoilDynamicsⅡConference.NewYork:[s.n.],1995:251-256.

[15]YOUDTL,IDRISSIMNCEERworkshoponevaluationofliquefactionresistanceofsoils[R].NewYork:StateUniversityofNewYorkatBuffalo, 1997.

[16]DB29-20-2000 巖土工程技術規范[S].

苗峰(1981～)，男，本科，工程師，從事巖土工程工作。

TU192

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[定稿日期]2016-09-02