動探擊數(shù)N63.5作為砂礫石液化判別和工程檢測標準的研究

程汝恩，黃向春

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津 300222)

0 引言

飽和砂礫石層的地震液化問題，目前業(yè)界尚存在一些爭議和質(zhì)疑。其原因一是以往地震中砂礫石液化曾在土石壩填料出現(xiàn)過，而天然砂礫石液化則經(jīng)驗很少;再者，水位以下飽和砂礫石層難以獲取原狀天然密度、含水率等指標，而標準貫入試驗、靜力觸探又不適用，致使飽和砂礫石層缺乏可靠的液化判別方法和依據(jù)。在汶川8.0級地震中，袁曉明、曹振中等學者通過對液化點的專門勘察、分析和研究，驗證了砂礫石層液化是真實存在的[1]。

黃河干流某水利樞紐工程壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度;地基中分布的砂礫石層，依據(jù)地層年代、工程運行時地下水位、顆分成果、剪切波測試結(jié)果以及相對密度，判別為液化土。據(jù)此，泄洪閘段和土石壩段設(shè)計方案采用振沖碎石樁進行地基處理，以消除地基砂礫石層的地震液化問題，設(shè)計標準要求處理后相對密度≥0.75。

本工程壩基砂礫石層多在地下水位以下，天然密度測試很困難，相對密度法判別其液化特性可操作性差，難以滿足施工生產(chǎn)的需要。因此采用動力觸探試驗判別并作為工程處理質(zhì)量檢測方法就成為一個非常必要的選擇。

目前，標準貫入擊數(shù)和相對密度之間有比較成熟的對應關(guān)系，但動力觸探擊數(shù)和相對密度之間缺乏對應關(guān)系。有必要通過試驗和分析，建立本工程區(qū)的砂礫石層相對密度Dr和重型動力觸探擊數(shù)N63.5之間關(guān)系，確定砂礫石相對密度0.75所對應的動探擊數(shù)N63.5，為施工質(zhì)量檢測提供實用有效方法和可靠的控制標準。

1 砂礫石層特征

本工程泄洪閘和土石壩基礎(chǔ)坐落在第四系全新統(tǒng)沖積地層(Qal4)，壩基土體中的砂礫石層顆粒組成特點是礫徑較細、粘粒含量很低，顆粒分析結(jié)果見表1。由顆分成果看出，粒徑＜5 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率＞30%，粒徑＜0.005 mm顆粒含量的質(zhì)量百分率＜18%，按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)中土的液化判別標準，初判為液化土。

該砂礫石層的現(xiàn)場實測相對密度Dr值在0.41～0.65之間，小于地震烈度Ⅷ度區(qū)液化臨界相對密度0.75的標準，因此依據(jù)相對密度復判為液化土。

表1 黃河干流某水利樞紐工程砂礫石層顆分試驗成果統(tǒng)計表Table 1 Test results showing the different particles of sand-gravel layer of a water conservancy project in mainstream of theYellow River

2 試驗布置和方法

2.1 試驗布置

試驗分兩個區(qū)進行，即試驗Ⅰ區(qū)和試驗Ⅱ區(qū)。

試驗Ⅰ區(qū)振沖碎石樁樁間距2.0 m，等邊三邊形形式布樁，樁數(shù)7個，樁深在11.0～12.3 m之間。布置了3個鉆孔及孔內(nèi)動力觸探試驗、1個豎井及井內(nèi)天然密度測試，見圖1。

試驗Ⅱ區(qū)樁間距為2.2 m，等邊三邊形形式布樁，樁深11 m左右。布置了1個動力觸探試驗點和1個豎井及井內(nèi)天然密度測試。

2.2 動力觸探試驗

試驗Ⅰ區(qū)，首先對樁間砂礫石土完成了3個鉆孔及孔內(nèi)重型動力觸探試驗，之后在試驗區(qū)開挖豎井進行現(xiàn)場天然密度測試。

試驗Ⅱ區(qū)的重型動力觸探試驗和現(xiàn)場天然密度測試則是同步進行。

2.3 原位相對密度測試

在試驗區(qū)的豎井內(nèi)，采用灌水法分層測定天然密度、含水率等指標;同時獲取足量砂礫石樣品，用以室內(nèi)測定最大干密度和最小干密度。由此計算出相對密度(Dr)。

圖1 試驗Ⅰ區(qū)場地布置示意圖Fig.1 The layout of No.1 testing site

試驗Ⅰ區(qū)采用管井法降水，在豎井周圍共布置了9個抽水管井，見圖1，管井內(nèi)出水排到試驗區(qū)一定距離之外的區(qū)域。降水后，隨著豎井的逐層開挖，分層進行了天然密度測試和取樣。共完成5層天然測試和取樣，每層各2～3組。

試驗Ⅱ區(qū)采用明排方式進行降水，圍繞天然密度測試點開挖一條環(huán)形排水溝，集中后排到試驗區(qū)一定距離之外的區(qū)域。隨著豎井的逐層開挖，逐層進行排水和現(xiàn)場測試。共完成5層天然密度測試和取樣，每層各1～2組。

3 動力觸探試驗結(jié)果

3.1 試驗Ⅰ區(qū)

對試驗Ⅰ區(qū)樁間土共進行了3個鉆孔和孔內(nèi)重型動力觸探試驗，動探擊數(shù)N63.5測試結(jié)果見表2。

表2 試驗Ⅰ區(qū)樁間砂礫石層動探擊數(shù)N63.5成果表Table 2 Results of N63.5by CPT in sand-gravel layer of No.1 testing site

3.2 試驗Ⅱ區(qū)

試驗Ⅱ區(qū)樁間土動力觸探測試結(jié)果見表3。從動探測試成果可以看出，隨著測試深度的增加，動探擊數(shù)N63.5為逐漸增加趨勢。

4 相對密度測試結(jié)果

4.1 試驗Ⅰ區(qū)

試驗Ⅰ區(qū)樁間砂礫石土體相對密度測試成果見表4。結(jié)果表明，相對密度 Dr最高達0.92，最小0.52，離散性比較大，現(xiàn)場取樣觀察和室內(nèi)試驗結(jié)果是吻合的。

表3 試驗Ⅱ區(qū)樁間砂礫石層動探擊數(shù)N63.5成果表Table 3 Results of N63.5by CPT in sand-gravel layer of No.2 testing site

表4 試驗Ⅰ區(qū)相對密度Dr試驗成果表Table 4 Results of relative density Drin No.1 testing site

4.2 試驗Ⅱ區(qū)

試驗Ⅱ區(qū)樁間砂礫石土體相對密度Dr測試成果見表5?？偣?組數(shù)據(jù)中，4組Dr值＞0.75，3組Dr值在0.70 ～0.75 之間，1 組 Dr值為0.67。

表5 試驗Ⅱ區(qū)相對密度等試驗成果表Table 5 Results of relative density in No.2 testing site

5 相對密度Dr和動探擊數(shù)N63.5對應關(guān)系

依據(jù)試驗Ⅰ、Ⅱ區(qū)測試結(jié)果，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范和文獻中成果資料，得到相對密度Dr和動探擊數(shù)N63.5之間相應數(shù)據(jù)關(guān)系見表6，并據(jù)此得出Dr—N63.5關(guān)系曲線見圖2。

結(jié)果顯示，動探擊數(shù)增大，相對密度相應提高，二者相關(guān)性較好，因此采用動探擊數(shù)N63.5評價地基砂礫石層密實度，并作為碎石樁樁間土檢測依據(jù)是可行的。同時，本工程壩基砂礫石層相對密度Dr=0.75所對應的動探擊數(shù)N63.5為30擊。

表6 相對密度Dr—動探擊數(shù)N63.5關(guān)系曲線數(shù)據(jù)點一覽表Table 6 List for data points of curve showing the relationship between relative density Drand N63.5by CPT

圖2 砂礫石相對密度Dr－動探擊數(shù)N63.5關(guān)系曲線Fig.2 Curve showing the relationship between relative density Drand N63.5by CPT

6 砂礫石層消除地震液化的工程檢測控制標準

本工程壩基砂礫石層消除地震液化，其設(shè)計標準為相對密度Dr≥0.75。通過上述試驗和分析結(jié)果，相對密度Dr=0.75所對應的動探擊數(shù)N63.5為30擊。由此，確定了黃河干流某水利樞紐工程壩基砂礫石層消除地震液化的施工質(zhì)量控制標準為:

壩基砂礫石土體地震液化判別采用重型(63.5 kg)動力觸探方法，以重型動力觸探擊數(shù)N63.5作為判別依據(jù)。動探擊數(shù)N63.5≥30擊為合格，但最低不得低于20擊;合格率不得低于80%，且不合格點不得3段以上連續(xù)分布。動力觸探試驗中遇到回彈現(xiàn)象時應掃孔通過后再進行測試。

7 振沖碎石樁樁間砂礫石層工程檢測結(jié)果

按照上述施工質(zhì)量控制標準，對本工程泄洪閘壩基的樁間砂礫石層進行了施工質(zhì)量檢測，以檢測其密實度和地震液化消除效果，其中部分檢測結(jié)果見表7。

檢測結(jié)果表明，經(jīng)過振沖碎石樁處理后的樁間砂礫石層，動探擊數(shù)N63.5≥30擊所占比例在87% ～95%之間，20擊≤N63.5＜30擊所占比例在4% ～11%之間，沒有3段以上連續(xù)分布不合格段次;共有5段次N63.5＜20擊的不合格段次，但均在地表0.8 m深度范圍內(nèi)。

8 結(jié)論

(1)飽和砂礫石層存在著地震液化的可能，需要采取工程措施予以處理，以消除地震液化。黃河干流某水利樞紐工程采用了振沖碎石樁地基處理。

(2)水下砂礫石層的天然密度測試很困難，采用相對密度法進行液化判別可操作性差;標準貫入試驗又不適用于砂礫石層。因此采用動力觸探試驗測試砂礫石層液化性能不失為一種可行的方法。

(3)鑒于砂礫石層動力觸探擊數(shù)往往離散性較大，應針對具體工程建立砂礫石層相對密度Dr和重型動力觸探擊數(shù)N63.5之間關(guān)系。將來積累足夠的工程經(jīng)驗后，逐步建立較適用的標準關(guān)系是必要的。

(4)黃河干流某水利樞紐工程壩基砂礫石層相對密度Dr=0.75所對應的重型動探擊數(shù)N63.5為30擊。

表7 泄洪閘壩基的樁間砂礫石層動探擊數(shù)N63.5液化判別表Table 7 Discriminant results for the liquefaction of sand-gravel layer in sluice dam foundation by N63.5by CPT

[1] 袁曉明，曹振中，孫銳，等.汶川8.0級地震液化特征初步研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28(6):1 288 －1 296.