某場區黏土質砂液化綜合判別研究

李 兵 郭宏云 王新波 孫崇華

（北京特種工程設計研究院，北京 100028）

0 引言

某場區經過前期勘察，普遍分布有第四系全新統的海相沉積的粉砂層。粉砂層中含有大量的細顆粒（d<0.075 mm），含量約為28%～49.9%，而且細顆粒中黏粒（d<0.005 mm）的含量12.4%～18.7%，塑性指數大于10，按照土的分類標準《土的工程分類標準》（GB/T 50145?2007），應定名為黏土質砂（SC）。按照《建筑抗震設計規范》（GB 50011?2010）（2016年版）推薦的液化判別公式對該類地層進行液化判別時，為嚴重液化，大大的提高了工程建設成本。

本場區細顆粒含量較高的黏土質砂與傳統意義上的粉砂有很大區別，用統一的液化判別公式來判別其抗液化性能的適用性值得研究。在具有相同液化勢的情況下，由于土中黏粒含量很高，該類土層的標準貫入擊數遠小于標準的粉砂地層。為了提高巖土工程勘察的精度，積累地區勘察經驗，本文針對該類地層的特殊性，采用多種液化判別方法進行綜合液化判別，并提出適用于細粒土質砂的液化判別方法。

砂土液化是巖土工程界比較復雜的問題，特別是砂土中細粒土含量比較高時，砂土的液化判別顯得更加復雜。汪聞韶[1]對液化研究進行過詳細的總結，尤其是國內的液化研究做了詳細的總結，王明洋等[2]還對飽和砂土動力液化研究進展進行了總結。謝定義[3]、張克緒和謝君裴[4]、徐志英[5]、欒茂田[6]、吳世明等[7]、王鐘琦[8]對砂土、粉土和粉煤灰等的液化問題做了大量的研究，探索了剪切荷載下孔隙水壓力的變化規律以及砂土動本構特性和液化發展過程等問題。Finn等[9]、Seed等[10]、Dealba等[11]、Ishinhara等[12]在液化方面作了許多研究工作，進行了大量的試驗研究和理論研究，Seed提出液化簡化判別法[10]。Seed[13]、Finn[14]等對歐美國家從20世紀60年代初到80年代初的振動何載作用下飽和砂土的液化工作進行了總結，Iwasaki[15]對日本砂土液化研究方面的成果進行了總結，并給出了從1909年到1978年間發生在日本的大地震的液化災害較詳細的現場資料，總結了砂土地基岸坡液化的振動臺試驗結果。隨著研究的開展，土動力學問題慢慢地從試驗研究方向向數值計算方法轉變。Finn等[9,16]在20世紀70年代提出了有效應力動力分析方法，并針對地震液化分析了一維垂向傳播的剪切問題，得到了這種條件下的液化發展過程等。

1 工程地質及水文地質

1.1 工程地質條件

根據鉆探揭露，場地30 m深度范圍內，地層由上至下主要分布有耕土，第四系全新統海相沉積土及殘積土，根據附近地質資料，基巖埋深在35 m左右，為下白堊統鹿母灣組砂巖。各層土的地質特征描述如下：

（1）黏土質砂：褐黃色，紅褐色，濕?很濕，松散，鉆孔揭露該層層厚為5.6～7.9 m，平均層厚6.42 m，層頂高程31.18～31.87 m，層底高程22.25～25.85 m。顆粒成分主要為石英、長石等，磨圓度較差，顆粒不均勻，細粒土含量較高，局部為夾粉質黏土薄層。

（2）黏土質砂：褐黃色夾棕紅色，濕?很濕，松散，鉆孔揭露該層層厚為8.7～11.4 m，平均層厚為10.13 m，層頂高程為21.55～25.85 m，層底高程為12.85～14.99 m。主要礦物成份為石英、長石，磨圓度較差，級配差，細粒土含量高，尤其黏粒含量較高，局部夾粉質黏土薄層。

（3）砂質黏性土：紫灰色，飽和，可塑，鉆孔揭露該層層厚為7.0～8.8 m，層頂高程為12.85～14.99 m，主要為粉質黏土，含大量砂土及礫石，由上至下礫石含量逐漸增加。

1.2 水文地質條件

根據勘察資料，場區地下水位埋深為5.1～7.8 m，標高19.43～26.43 m，屬于潛水。根據場地附近地質資料，該場地地下水位年變幅1.2 m，近3～5年最高地下水位按現有鉆孔水位上升1.2 m考慮。

1.3 物理力學性質

為了對場區內第①層黏土質砂及第②層黏土質砂進行詳細分析，在場區內采取原狀土樣進行物理力學試驗。

（1）液塑限試驗

根據液塑限試驗結果，第①層黏土質砂的塑性指數一般在10.6～16.7，平均塑性指數為13.5，第②層黏土質砂的塑性指數一般為8.5～13.4，平均塑性指數為10.5，塑性指數遠大于砂土的塑性指數，屬于粉質黏土的塑性指數范圍。

（2）壓縮性試驗

根據壓縮試驗結果，第①層黏土質砂層的壓縮模量Es100-200一般為4.48～14.86 MPa，平均為8.61 MPa；第②層黏土質砂的壓縮模量Es100-200一般為4.96～17.21 MPa，平均為10.95 MPa。屬于中等壓縮性土。

（3）顆分試驗

為了研究場區內特殊性砂土的顆粒組成，對所取土樣進行了顆粒分析試驗，采用六偏磷酸鈉做分散劑，根據顆分試驗結果，第①層黏土質砂中的細顆粒含量比較高，約為25.3%～49.4%，平均含量約為40.7%，而黏粒含量約為12.5%～18.7%，平均含量約為15.6%，黏粒含量較高；第②層黏土質砂中細顆粒含量約為23.8%～49.9%，平均含量約為44.2%，而黏粒含量約為12.4%～24.9%，黏粒含量平均為16.4%，黏粒平均含量略高于第①層黏土質砂層的黏粒平均含量；第③層砂質黏性土的細顆粒含量較高，由上至下，礫粒含量逐漸增多。

（4）直剪試驗

根據剪切試驗結果，第①層黏土質砂層的黏聚力一般為37.8～72.5 kPa，平均為48.2 kPa，內摩擦角一般為22°～31°，平均值為26.1°；第②層黏土質砂的黏聚力一般為12.3～40 kPa，平均為23.8 kPa，內摩擦角一般為19.3°～36°，平均為28.9°。土層表現出高黏聚力和高內摩擦角的性質，具有砂土和黏性土的雙重性質。

2 液化判別

關于地基土液化的判別方法，國內外有數十種，比較成熟的已經列入國內外各類規范的也有十幾種，《巖土工程勘察規范》（GB 50021?2001）除推薦采用標準貫入試驗判別外，還提出了靜力觸探試驗法和剪切波速法，本次工作采用原位測試和室內試驗相結合的方法來評價場區土層的抗液化性能。在原位測試手段中，除了采用傳統的標貫及剪切波速的液化判別法外，還采用扁鏟側脹試驗這種新型原位測試方法；另外通過現場取樣，在室內進行動三軸試驗模擬試驗，獲得場區土層的動剪應力比，通過試驗分析的方法進行液化判別。本次共在場區進行了6個鉆孔的平行測試試驗，由于每個鉆孔的原位測試及液化判別結果基本類似，限于篇幅，本文重點分析1#鉆孔綜合液化判別的情況。

2.1 標準貫入試驗法

標準貫入臨界擊數判別法是我國研究工作者根據邢臺地震（1966年）、通海地震（1970年）、海城地震（1975年）、唐山地震（1976年）及國外大地震的資料和室內液化試驗的研究成果確定的，是基于實際地震時液化調查而建立的判別方法，被《建筑抗震設計規范》所采用，是我國目前最常用的液化判別方法之一。詳細判別公式見式（1）。

式中：Ncr為液化判別標準貫入錘擊數臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值；ds為飽和土標準貫入點深度，m；dw為地下水位，m；ρc為黏粒含量百分率，當小于3或為砂土時，應采用3；β為調整系數，設計地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

采用標準貫入試驗法液化判別的結果見表1。從判別結果可以看出，場區內①層黏土質砂和②層黏土質砂為可液化土層，場區土層的液化等級為嚴重液化。

表1 標準貫入法液化判別結果

2.2 剪切波速法

剪切波速法是石兆吉研究員根據Dobry剛度法原理和我國現場資料推演出來的。用剪切波速判別地面下15 m范圍內飽和砂土和粉土的地震液化，可采用以下方法：實測剪切波速vs大于按式（2）計算的臨界剪切波速時，可判為不液化。

式中：vscr為飽和砂土或飽和粉土液化剪切波速臨界值，m/s；vs0為與烈度、土類有關的經驗系數，按表2取值；ds為剪切波速測點深度，m；dw為地下水深度，m。

表2 與烈度、土類有關的經驗系數vs0

采用剪切波速法進行液化判別的判別結果見表3。

表3 剪切波速液化判別結果

2.3 抗液化剪應力法

抗液化剪應力法是由Seed和Idriss(1971)提出的簡化方法發展而來，它以地震在土層中引起的動剪應力比CSR來表征動力作用大小，以一定振次下達到液化時所需要的動剪應力比CRR來表征抵抗液化的能力。

式中：τav為地震作用平均水平剪應力，kPa；為有效上覆壓力，kPa；σvo為總上覆壓力，kPa；αmax為地震作用引起的水平向地面運動加速度峰值，可由表4查得；g為 重力加速度；γd為應力折減系數，按照Liao和Whitman(1986)建議取值：γd=1?0.00765zz≤9.15m

表4 地面最大加速度αmax

通過比較飽和砂土的抗液化剪力強度CRR和地震時的等效循環應力比CSR的大小，如果CRR>CSR，則不液化，反之則液化。

本次工作采用野外原位測試和室內試驗分析兩種方法來獲得CRR，用以判斷場區土層的抗液化性能。

2.3.1 扁鏟側脹試驗法

扁鏟側脹試驗所得到的水平應力指數KD可以反映土的相對密度、應力狀態、應力歷史、膠結作用和土體結構，這些參數在土體液化判別中具有重要作用，Marchetti(2005)提出了用水平應力指數(KD)來計算砂土的CRR。

上述公式是根據7.5級地震提出的計算公式，在用于其他震級的場地，需進行修正，本場區屬于6.5級地震潛在震源區，因此需對上述公式進行修正。其中MSF為地震修正系數，按照表5根據地震震級選取，取MSF為1.5，采用扁鏟側脹試驗法計算的CSR及CRR結果見圖1。

表5 地震修正系數表

圖1 CSR、CRR深度曲線（1#孔）

根據以上計算結果，通過扁鏟側脹試驗進行液化判別，場區第①層黏土質砂為非液化土層，而第②層黏土質砂為局部液化土層。

2.3.2 試驗分析法

試驗分析法是通過現場取原狀樣，在室內進行動三軸試驗，得到試樣的動強度曲線，然后根據地震震級，確定地震等效循環周數N，根據N利用動強度曲線，得到相應的動剪應力比。

現場取原狀樣，在室內進行動三軸試驗，得到試樣的動強度曲線，試驗所得的動強度曲線見圖2。

圖2 動強度曲線

采用公式（3）計算CRR值。

式中：Cr為應力校正系數，可根據表6確定。

表6 應力校正系數

場區地震設防烈度為8度，因此αmax=0.15g，根據公式γd7.5m=0.943，γd13m=0.827，重度γ為18.5 kN/m3(水上)，20 kN/m3(水下)，地下水位埋深為3 m，則此時：

場區處于6.5級潛在震源區，因此在計算CRR 時，地震震級按6.5級考慮，此時等效應力循環周數為8次，見表7所示。

表7 不同震級的等效應力循環次數

此時CRR 計算如下：

根據試驗分析方法，在6.5級地震下，場區7.5 m及13 m處地基土不會發生液化。

3 液化判別結果分析

采用標貫法、剪切波速法、扁鏟側脹法及試驗分析法方法對場區內地基土層進行液化評價的結果如表8所示，從分析結果可以看出，采用不同判別方法得到的判別結果差異較大。

表8 各種判別液化判別結果表

分析上述幾種液化判別方法的差異性，主要是由于不同判別方法所反映土層特性的側重點不一致，而使得不同液化判別方法在判別相同地層時出現不同的結果。對于本場區土層，具有高塑性指數、高黏粒含量、高黏聚力等黏性土的特點，同時又具有高砂粒含量，高內摩擦角等砂土的特點，具有黏性土和砂土的雙重特點，而具體表現在標貫擊數上，同樣密實度的砂土，由于黏土顆粒的存在而使得標貫擊數降低，因此在使用標準貫入測試進行液化判別時而使得本來不液化的土判為液化土，而輕微液化的土判別為嚴重液化的土；由于扁鏟側脹的方法，不僅考慮了砂土的密實性，還考慮了土性的影響因素，測試數據豐富，更好地反映了地基土的信息，且測試數據連續，能最大限度降低薄層黏性土的影響；試驗分析的方法概念明確，考慮因素全面，基本能真實反映地基土的抗液化性能，因此成為評價地基土液化性能最可靠的方法。

4 場區液化綜合判別

針對本場區地基土的特點，由于缺乏地區經驗，即使有少數幾個試樣也難獨自制定考慮黏粒含量影響的黏土質砂液化判別方法，因此直接采用規范公式并略加修改，更加簡捷。由于塑性指數能反映黏土顆粒的含量大小及黏土礦物成分，因此在進行液化判別時，按塑性指數的大小來決定液化判別公式中的黏粒含量的大小。對于黏土質砂，當塑性指數大于10時，具有黏性土的性質，而且隨土中細顆粒含量從小于50%變化到大于50%時，土性由砂土變為黏土，因此可考慮以塑性指數等于10作為黏土質砂液化判別時黏粒含量取值的標準，當塑性指數大于10時，黏粒含量以實際含量代入液化判別公式進行液化判別，而當塑性指數小于10時，黏粒含量按3%代入液化判別公式進行液化判別。

按照上述方法，對本場區地基土進行液化判別，由于場區第①層黏土質砂及第②層黏土質砂的塑性指數均大于10，在進行液化判別時，黏粒含量按顆分試驗測得的實際含量代入判別，判別結果為輕微液化。判別結果見表9。

表9 修正液化判別公式判別結果

5 結論

本場區地基土具有細粒土含量高、黏粒含量高、塑性指數高、黏聚力高等不同于純凈砂土的特點，采用抗震規范規定的液化判別公式對本場區地基土進行液化判別，會出現誤判的現象，因此采用標準貫入測試、剪切波速、扁鏟側脹等原位測試及室內試驗等多種方法對場區地基土進行綜合液化判別，并對液化判別結果進行綜合分析，得出以下結論：

（1）對于高細粒土含量（15%≤細粒含量<50%），在進行液化判別時應考慮黏粒含量大小對其抗液化性能的影響，而不應統一按照3%，采用《建筑抗震設計規范》規定的液化判別公式進行液化判別。

（2）對于高細粒土含量的砂土可考慮根據塑性指數對建筑抗震規范規定的液化判別公式進行簡單修正，當塑性指數大于10時，按照實際黏粒含量代入《建筑抗震設計規范》規定液化判別公式進行液化判別，當塑性指數小于10時，黏粒含量統一按照3%代入液化判別公式進行液化判別。

（3）由于本文提出的修正液化判別公式建立在個別地區少量的試驗樣本基礎之上，應進一步增加試驗樣本，研究該修正液化判別公式的合理性和通用性。