張衍林，石章入，叢 璐，邱 敏

(1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；3.山西大學(xué)電力與建筑學(xué)院，山西 太原 030013)

地震液化是在飽和砂土或飽和粉土上建造結(jié)構(gòu)物面臨的主要問(wèn)題。自1964年以來(lái)，人們開(kāi)展了大量的工作來(lái)解釋和評(píng)估土體液化。早在1980年，周神根[8]在唐山不同地震烈度地區(qū)進(jìn)行了100多次試驗(yàn)，提出了一個(gè)用靜力觸探(CPT)判別砂土液化風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)用方法。但是由于CPT在我國(guó)發(fā)展緩慢，這種方法并未推廣開(kāi)來(lái)。1995年，美國(guó)格雷格鉆井公司(Gregg)孔壓靜力觸探(CPTu)資深研究學(xué)者Robertson[9]在最新論文上對(duì)土體液化及其評(píng)價(jià)進(jìn)行了詳細(xì)的描述和評(píng)述。1996年美國(guó)國(guó)家地震工程研究中心(NCEER)在猶他州鹽湖城舉辦了一場(chǎng)研討會(huì)，討論循環(huán)液化評(píng)價(jià)的最新進(jìn)展，正式推薦Robertson提出的基于CPTu地震液化評(píng)估方法為NCEER標(biāo)準(zhǔn)方法，之后被公認(rèn)為最廣泛使用的地震液化評(píng)估方法。2013年，依托Zhang[10]和Robertson[11]的地震液化案例數(shù)據(jù)，Juang等[12]采用CPTu對(duì)地震液化沉降進(jìn)行了評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)化的程序，用于估計(jì)在給定工程項(xiàng)目場(chǎng)地超過(guò)規(guī)定地基沉降的概率。2017年，段偉等[13]利用CPTu液化判別方法，對(duì)港珠澳大橋島隧砂土液化勢(shì)進(jìn)行評(píng)估，并與SPT、剪切波速判別液化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，得出基于CPTu液化判別法具有一定優(yōu)勢(shì)。

近幾十年，隨著CPT與CPTu技術(shù)在我國(guó)的普及，其技術(shù)理論及應(yīng)用價(jià)值受到工程界的重視。2013年，童立元[14]率領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)開(kāi)展液化和非液化區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)再調(diào)查，采用地震波孔壓靜力觸探(SCPTu)評(píng)估了唐山大地震地區(qū)地震再液化風(fēng)險(xiǎn)，并與國(guó)內(nèi)液化判別方法進(jìn)行對(duì)比，指出“CPTu技術(shù)被公認(rèn)為砂土液化最廣泛評(píng)價(jià)方法，而現(xiàn)今基于CPTu的液化評(píng)價(jià)方法在我國(guó)應(yīng)用較少，也是今后在技術(shù)手段突破后亟需加深研究的方向”。目前我國(guó)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)判別地震液化，是在理論基礎(chǔ)上，通過(guò)大量工程實(shí)踐數(shù)據(jù)總結(jié)而來(lái)，方法單一、應(yīng)用范圍有限、且極少得到工程實(shí)踐的驗(yàn)證[15]，需要對(duì)地震液化開(kāi)展深入研究，服務(wù)于國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)活動(dòng)。

本文依托中國(guó)企業(yè)在南美洲國(guó)家承接的集裝箱碼頭項(xiàng)目，對(duì)兩個(gè)場(chǎng)地地層的砂土液化勢(shì)開(kāi)展研究。研究方法分為兩種，一種是國(guó)際上通用的CPTu方法，另一種是我國(guó)規(guī)范推薦的SPT方法。將兩種方法得到的地層砂土液化評(píng)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了SPT方法的適用性與準(zhǔn)確性，為“中國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)走出去”倡議在海外項(xiàng)目上的推行提供借鑒意義。

1 液化敏感性評(píng)估方法

1.1 CPTu方法

評(píng)估液化敏感性最通用的方法最初由Seed等[16]提出，并由歐洲規(guī)范(Eurocode 8)收錄推薦。該方法將液化安全系數(shù)FSliq作為循環(huán)抗力比(CRR)和循環(huán)應(yīng)力比(CSR)二者的比值，由式(1)表示。CRR是對(duì)指定深度處土體抗液化能力的度量，CSR是指定位置上土體的預(yù)期地震作用。

(1)

液化安全系數(shù)FSliq≥1時(shí)，表示土體不液化；FSliq<1時(shí)，表示土體液化。根據(jù)Seed和Idriss的建議[17]，CSR的計(jì)算式如下：

(2)

一個(gè)科學(xué)的地理信息軟件系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)建立合理的模型對(duì)空間實(shí)體的空間定位、屬性及其相互之間的關(guān)系進(jìn)行描述。因此，該一體化概念模型包括2個(gè)模型：GIS軟件的分析型數(shù)據(jù)模型和地圖制圖數(shù)據(jù)模型。

參數(shù)rd是深度的函數(shù)，Boulanger[18]建議將地震震級(jí)納入其計(jì)算式中，表示如下：

rd=e[α(z)+β(z)·M]

(3)

(4)

(5)

式中：z為深度(m)；M為地震震級(jí)，這里指矩震級(jí)。

土體抗液化能力由CRR提供，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估。大量工程經(jīng)驗(yàn)表明，利用孔壓靜力觸探試驗(yàn)(CPTu)計(jì)算CRR最為簡(jiǎn)單、方便。根據(jù)Idriss[19]的建議，采用最新的液化潛力評(píng)估方法，該方法將實(shí)測(cè)錐尖阻力調(diào)整為等效純凈砂(cs)錐尖阻力，計(jì)算循環(huán)阻力比(CRR)，表示如下：

(6)

式中：qc1Ncs為對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)化等效純凈砂錐尖阻力。

根據(jù)Idriss的建議，純凈砂的細(xì)粒含量(FC)低于5%。該方法中引入細(xì)粒百分比反映了細(xì)顆粒在土體液化敏感性中的重要性。為便于計(jì)算，所有CPTu分析均使用CLiq?軟件進(jìn)行計(jì)算。

對(duì)于7.5級(jí)以外的地震，循環(huán)應(yīng)力比需要用震級(jí)修正標(biāo)度系數(shù)MSF進(jìn)行校正。對(duì)于其他震級(jí)下的CRR，可以乘以震級(jí)修正標(biāo)度系數(shù)MSF來(lái)獲得，即：

CRR=CRR7.5·MSF

(7)

本研究中，根據(jù)Idriss的推薦，考慮土體類型，MSF的計(jì)算式表示如下：

對(duì)于砂性土：

(8)

對(duì)于黏性土：

(9)

1.2 SPT方法

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]，當(dāng)飽和砂土、粉土需要進(jìn)一步液化判別時(shí)，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別地面以下20 m深度范圍內(nèi)土體的液化趨勢(shì)；當(dāng)飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)小于或等于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值時(shí)，應(yīng)判為液化土。

地面以下20 m深度范圍內(nèi)，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)臨界值計(jì)算式如下：

(10)

(11)

式中：Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，可按表1取值；N60為修正后標(biāo)貫擊數(shù)；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m)；dw為地下水埋深(m)；ρc為黏粒含量百分率，當(dāng)為砂土或小于3時(shí)，取3；β為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第1組取0.8，第2組取0.95，第3組取1.05。

表1 標(biāo)貫擊數(shù)基準(zhǔn)值取值

2 案例分析

2.1 項(xiàng)目概況及地層分布

擬建的集裝箱碼頭位于玻利瓦爾港，是厄瓜多爾海岸最南端的港口，它位于埃爾奧羅省圣羅莎河口入口東側(cè)，主要用于出口香蕉和大蝦。為了獲取現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)與巖土特征信息，在陸地與海上開(kāi)展了大量鉆孔與CPTu測(cè)試，鉆孔過(guò)程中進(jìn)行了密集SPT測(cè)試及取芯。揭露主要地層自上而下分別為：淤泥、黏土、粉砂、黏土、粉砂、黏土、密砂、密實(shí)粉砂等，砂土和黏土相互交錯(cuò)，鉆孔深度范圍內(nèi)沒(méi)有揭示巖層。

高地震活動(dòng)區(qū)、厚剖面的近期沖積砂層的存在是觸發(fā)液化的必要條件，根據(jù)厄瓜多爾抗震規(guī)范TheNationalEcuadorianNorm-PeligroSismico-DisenoSismoResistente，項(xiàng)目區(qū)位于第V區(qū)，最大地震震級(jí)8.8級(jí)，基本峰值加速度值(475 a重現(xiàn)期)為0.40g，地表加速度0.48g，屬于地震高發(fā)區(qū)，地層存在明顯地震液化風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 測(cè)試結(jié)果及地層評(píng)價(jià)

為了排除地層差異性造成的影響，從大量勘察孔中選取了兩組相鄰的鉆孔與CPTu孔(圖1)。其中鉆孔B_7與靜探孔CPTu-9位于場(chǎng)地西北角，鉆孔揭示地下水埋深0.9 m；鉆孔E_5與靜探孔CPTu-13位于場(chǎng)地南邊，鉆孔揭示地下水埋深1.6 m。

圖1 CPTu與SPT測(cè)試點(diǎn)平面分布

圖2顯示在這兩個(gè)位置獲取的標(biāo)準(zhǔn)貫入測(cè)試結(jié)果，包括土體剖面與標(biāo)準(zhǔn)貫入阻力N60。根據(jù)取芯結(jié)果可知，兩個(gè)位置的土體剖面差異性很大，鉆孔B_7揭示表層黏土較淺，厚度約2 m，往下為厚度約20 m的粉細(xì)砂地層、粉質(zhì)黏土地層；而鉆孔E_5揭示表層厚度約為6 m的黏土層，往下為厚度約5 m的粉細(xì)砂層、厚度約為5 m的中砂層，再往下為厚度約12 m的黏土層。兩個(gè)位置都是典型的海相沉積地層，黏土與砂土相互交錯(cuò)。

圖2 地層分布與標(biāo)貫擊數(shù)

兩個(gè)位置的前30 m深度范圍內(nèi)地層，標(biāo)準(zhǔn)貫入阻力值均不超過(guò)15擊。其中，鉆孔B_7中粉質(zhì)黏土段SPT擊數(shù)較為平均，約為10擊；其他深度范圍內(nèi)SPT擊數(shù)非常離散，無(wú)法通過(guò)SPT擊數(shù)來(lái)區(qū)分不同土體類別。鉆孔E_5中SPT多集中在5～10擊，黏土SPT平均擊數(shù)接近5，砂土SPT平均擊數(shù)接近10；兩個(gè)SPT極值出現(xiàn)在5 m和17 m深度處，5 m深度處SPT大于10，17 m深度處SPT為0，這是因?yàn)閮蓚€(gè)試驗(yàn)點(diǎn)處于不同類別土體的分界面上；5 m之上為黏土、之下為砂土，下伏硬層能夠?yàn)镾PT提供持力層，導(dǎo)致SPT偏大；17 m之上為砂土、之下為黏土，軟弱下臥層無(wú)法為SPT提供支撐，導(dǎo)致SPT偏小。

圖3、4分別為兩個(gè)位置靜探孔CPTu-9和CPTu-13測(cè)試結(jié)果，包括錐尖阻力qt、摩阻比Rf、孔隙水壓力u和土體行為類型(SBT)指數(shù)Ic，Ic在1～9代表不同土體類型指數(shù)。同樣，兩個(gè)位置的土體無(wú)論在結(jié)構(gòu)上還是強(qiáng)度上，都存在較大差異。從錐尖阻力曲線來(lái)看，CPTu-9揭示黏土地層并不明顯，不是典型的直線段，表明黏土中夾雜粉細(xì)砂；粉細(xì)砂地層錐尖阻力曲線起伏波動(dòng)較大，特別是5～8 m深度范圍內(nèi)qt值明顯高于其他地層，最大qt值達(dá)到14 MPa。靜探孔CPTu-13錐尖阻力曲線分段非常明顯，自上而下可以清晰地辨別出黏土、砂土及黏土地層，黏土地層是典型直線段，表明黏粒含量高，純度較好；砂土地層中粉細(xì)砂與中砂錐尖阻力區(qū)別比較明顯，各段曲線起伏變化小，最大qt值為8 MPa。

圖3 CPTu-9測(cè)試曲線與土體分類

2.3 試驗(yàn)場(chǎng)地液化敏感性評(píng)價(jià)

將圖2中的土體剖面分別與圖3、4中土體特性剖面進(jìn)行比較，可知土體劃分大體一致，只是CPTu曲線記錄了更多土體信息，并將土體分類進(jìn)行了細(xì)化。如鉆孔B_7揭示中間土層為粉細(xì)砂，而CPTu結(jié)果揭示出粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土及粉質(zhì)砂土的互層情況；孔E_5揭示中間土層為粉細(xì)砂和中砂，而CPTu結(jié)果揭示了砂質(zhì)粉土的存在，并清晰地表明了3種土體的具體位置及厚度。

此外，CPTu結(jié)果揭示了砂層中黏土/粉土薄層的存在。通過(guò)靜水壓力線上方的孔隙水壓力曲線，CPTu清晰地揭示了這些薄層的位置。黏土/粉土的存在必然會(huì)對(duì)液化條件下土體的響應(yīng)產(chǎn)生影響。

根據(jù)這些測(cè)試結(jié)果，對(duì)液化敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)?；赟PT和CPTu，對(duì)兩個(gè)位置不同深度處的抗液化安全系數(shù)進(jìn)行深入計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖5、6。整個(gè)深度方向安全系數(shù)值均較低，表明兩個(gè)位置都存在較厚的易液化土層。圖5中有兩個(gè)點(diǎn)例外，即6.0～7.5 m深度處FSliq大于1，單從SPT擊數(shù)曲線無(wú)法解釋，但是從CPTu曲線可知該處為中砂-粗砂，qt值達(dá)到最大，沒(méi)有液化的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 場(chǎng)地1抗液化安全系數(shù)

根據(jù)兩種評(píng)估方法，獲得了一致的評(píng)估結(jié)果，且SPT和CPTu測(cè)得的FSliq絕對(duì)值差異較小。兩個(gè)鉆探孔的FSliq平均值分別為0.43和0.48，兩個(gè)靜探孔中與標(biāo)貫測(cè)試點(diǎn)相同深度的FSliq平均值分別為0.41和0.35，總體上CPTu測(cè)試結(jié)果更偏于保守。但是，基于CPTu的FSliq的可變性比SPT大，這種可變性源于CPTu試驗(yàn)方法提供更詳細(xì)的土體特征，即揭示了細(xì)粒土和粗粒土的互層關(guān)系。

圖6 場(chǎng)地2抗液化安全系數(shù)

3 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)比兩個(gè)鉆孔的標(biāo)貫擊數(shù)與地層分布可知，很難通過(guò)SPT擊數(shù)來(lái)區(qū)分不同土體類別，一方面是因?yàn)闃?biāo)貫測(cè)試無(wú)法克服排水條件的限制，另一方面是標(biāo)貫測(cè)試容易受到土體界面的影響，標(biāo)貫擊數(shù)表現(xiàn)出很大的差異性。

2)與鉆孔取芯相比，CPTu曲線記錄了更多土體信息，并將土體分類進(jìn)行了細(xì)化。通過(guò)比較孔隙水壓力曲線與靜水壓力直線的位置，可以直觀地識(shí)別出砂土層中黏土/粉土薄層的位置，為砂土液化評(píng)估提供更詳細(xì)的依據(jù)。

3)利用SPT與CPTu測(cè)試方法，對(duì)兩個(gè)位置的土層砂土液化勢(shì)進(jìn)行評(píng)估，獲取了一致的評(píng)估結(jié)果，總體上CPTu評(píng)估結(jié)果更偏于保守。CPTu揭示了更詳細(xì)的土體特征，也導(dǎo)致基于CPTu的FSliq計(jì)算結(jié)果可變性更大。