PCPT資料在海底淺層砂土液化勢(shì)判別中的應(yīng)用*1

鄭喜耀,姚首龍,周楊銳,周松望

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司,廣東 湛江 524057； 2.中海油田服務(wù)股份有限公司， 天津 300451)

PCPT資料在海底淺層砂土液化勢(shì)判別中的應(yīng)用*1

鄭喜耀1,姚首龍2*,周楊銳2,周松望2

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司,廣東 湛江 524057； 2.中海油田服務(wù)股份有限公司， 天津 300451)

介紹了用PCPT資料判別淺層砂土液化勢(shì)的方法，并分別用動(dòng)三軸試驗(yàn)判別法和PCPT資料判別法比較了南海東部海域兩個(gè)平臺(tái)場(chǎng)址的淺層砂土液化勢(shì)判別結(jié)果。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證說(shuō)明，在熟練掌握PCPT測(cè)試方法、資料采集、數(shù)據(jù)處理和成果解釋的基礎(chǔ)上，用PCPT判別法判別淺層砂土液化勢(shì)是可行的。

PCPT；動(dòng)三軸法；PCPT法；砂土；液化勢(shì)

孔壓靜力觸探(Piezocone Penetration Test,PCPT)技術(shù)在我國(guó)海上平臺(tái)場(chǎng)址和管線路由工程地質(zhì)勘察中廣泛使用，但用PCPT資料直接判別砂土液化勢(shì)的工作則剛開始。淺層砂土液化勢(shì)判別是場(chǎng)地、地基地震效應(yīng)評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，目前陸上建筑場(chǎng)地、地基淺層砂土液化勢(shì)判別主要依據(jù)國(guó)標(biāo)《巖土工程勘察規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法判別。海上建筑場(chǎng)地由于水深、鉆探設(shè)備等條件的限制，淺層砂土液化勢(shì)判別通常采用動(dòng)三軸試驗(yàn)判別法(以下簡(jiǎn)稱“動(dòng)三軸法”)，由于該方法需要采用較多原狀砂土樣，對(duì)砂土樣的采集、運(yùn)輸、制備和試驗(yàn)要求很高，在某個(gè)環(huán)節(jié)稍有差錯(cuò)將影響試驗(yàn)結(jié)果的合理性，而且試驗(yàn)周期也較長(zhǎng)，效率較低。近年來(lái)，隨著PCPT技術(shù)在我國(guó)海洋工程地質(zhì)勘察中的廣泛應(yīng)用，和用PCPT資料判別淺層砂土液化勢(shì)方法(以下簡(jiǎn)稱“PCPT法”)的完善，在熟練掌握PCPT測(cè)試方法、資料采集、數(shù)據(jù)處理和成果解釋的基礎(chǔ)上，直接利用PCPT測(cè)試結(jié)果對(duì)砂土液化勢(shì)進(jìn)行判別成為可能。本研究首先介紹用PCPT資料判別砂土液化勢(shì)的方法，同時(shí)通過(guò)南海東部海域兩個(gè)平臺(tái)場(chǎng)址分別用“動(dòng)三軸法”和“PCPT法”對(duì)淺層砂土液化勢(shì)判別結(jié)果對(duì)比，說(shuō)明用“PCPT法”判別淺層砂土液化勢(shì)快速、合理、可靠，并建議在今后的海洋工程勘察實(shí)踐中，在積累成熟地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以直接應(yīng)用。

1 用PCPT資料判別砂土液化勢(shì)的方法

PCPT是用靜力將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的探頭以一定的速率壓入土中，利用探頭內(nèi)的力傳感器，通過(guò)電子量測(cè)器將探頭受到的貫入阻力記錄下來(lái)，根據(jù)量測(cè)到的貫入阻力隨深度的變化情況，了解土層的工程性質(zhì)。目前海上工程勘察常用孔壓靜力觸探(PCPT)，測(cè)量指標(biāo)包括錐端阻力(qc)，側(cè)摩阻力(fs)和孔隙水壓力(u2)。

用PCPT資料判別砂土液化勢(shì)方法，根據(jù)Youd等[1]提出的方法和Lu*LU Y P.Evaluation of liquefaction potential under cyclic loading,2008.推薦的方法，總結(jié)如下：

1.1 確定砂性土循環(huán)阻力比CRR

對(duì)于7.5級(jí)地震，標(biāo)準(zhǔn)化PCPT阻力qcIN為

qcIN=CQ(qc/Pa)

(1)

對(duì)于純砂(細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，F(xiàn)ine Conetent,FC≤5%)的錐尖貫入阻力(qcIN)cs為

(qcIN)cs=qcIN

對(duì)于粉質(zhì)砂的錐尖貫入阻力(qcIN)cs為

(qcIN)cs=Kc(qcIN)

式中，Kc為對(duì)應(yīng)于顆粒特征的折算因子。

33.75Ic-17.88。Ic為土的屬性類型指數(shù)[2]，

(2)

當(dāng)Ic>2.6時(shí)，表明土質(zhì)富含粘土或具塑性，不易液化。

有了適當(dāng)?shù)腎c和Kc值，可對(duì)7.5級(jí)地震的循環(huán)阻力比CRR7.5進(jìn)行計(jì)算，即：

當(dāng)(qcIN)cs<50時(shí)，CRR7.5=0.833[(qcIN)cs/1000]+0.05

當(dāng)50≤(qcIN)cs<160時(shí)，CRR7.5=93[(qcIN)cs/1000]3+0.08

震級(jí)小于或大于7.5時(shí)，可通過(guò)乘以大小比例縮放因子(MSF)得出CRR7.5：

當(dāng)(qcIN)cs<50時(shí)，CRR7.5=0.833[(qcIN)cs/1000]·MSF

當(dāng)50≤(qcIN)cs<160時(shí)， CRR7.5=0.833[(qcIN)cs/1000]·MSF

式中，MSF為比例縮放因子，可按表1及有關(guān)建議取值。

表1 Youd &Idriss[1]推薦的MSF值Table 1 MSF values recommended by Youd &Idris in 2001

注：空白處無(wú)數(shù)據(jù)

對(duì)于小于7.5級(jí)的地震，MSF下限用Idriss[4]推薦值，上限用Andrus and Stoke[5]推薦值。

對(duì)于大于7.5級(jí)的地震，MSF用Idriss[4]推薦值。

對(duì)于軟土層中的薄層砂(<750 mm)，qc值會(huì)偏小，需要運(yùn)用下式修正qc后再進(jìn)行液化勢(shì)分析：

qc=KH·qcA

(3)

KH=0.25[(H/dc)/17-1.77]2+1.0

(4)

式中,H為硬層厚度(mm)；qcA為實(shí)測(cè)硬層貫入阻力；dc為圓錐直徑(mm)。

1.2 確定砂性土循環(huán)應(yīng)力比CSR

對(duì)應(yīng)于7.5級(jí)地震,砂性土循環(huán)應(yīng)力比CSR為

(5)

當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比CSR大于循環(huán)阻力比CRR時(shí)，液化有可能發(fā)生。

2 用動(dòng)三軸方法判別砂土液化勢(shì)

依據(jù)Seed等[3]建議的剪應(yīng)力比較法分析地震荷載作用下土層的液化勢(shì)。首先確定地震荷載在土層中引起的地震等效平均振動(dòng)剪應(yīng)力τc為

(6)

式中，dz為地震剪應(yīng)力修正系數(shù)；γi為第i層土的飽和容重；hi為第i層土的層厚；g為重力加速度；amax為海底泥面處的水平向最大地震加速度。

再確定土層的液化阻力τd

(7)

如果τc>τd，那么在地震荷載作用下土層將發(fā)生液化，否則土層將不發(fā)生液化。

3 PCPT方法與動(dòng)三軸方法判別結(jié)果比較

以我國(guó)南海東部海域兩個(gè)平臺(tái)場(chǎng)址(A和B)為例，分別利用PCPT方法與動(dòng)三軸試驗(yàn)方法對(duì)砂土液化勢(shì)進(jìn)行判別與對(duì)比分析。

3.1 A平臺(tái)場(chǎng)址

A平臺(tái)場(chǎng)址的取樣孔A-BH和孔壓靜力觸探孔A-PCPT相距約4 m，兩孔0～20 m深度范圍內(nèi)剖面圖如圖1所示。

圖1 A-BH和A-PCPT淺層剖面圖Fig.1 Sub-bottom stratum profiles at boreholes A-BH and A-PCPT

對(duì)于深度7.7～13.8 m中密實(shí)的粉質(zhì)細(xì)砂層，A-BH取樣孔和A-PCPT孔分別用“動(dòng)三軸法”和“PCPT法”判別砂土液化勢(shì)，對(duì)于50 a超越概率分別為10%和2%的地震，砂土液化勢(shì)判別結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2 50 a不同超越概率情況下根據(jù)動(dòng)三軸試驗(yàn)計(jì)算的A-BH土層的地震剪應(yīng)力與抗液化強(qiáng)度Fig.2 τc and τd versus penetration based on cyclic triaxial method at the boring A-BH for different seismic exceeding probabilities

由圖2、圖3可見，對(duì)于50 a超越概率10%的地震，所分析的砂土層均表現(xiàn)為不液化，且抗液化強(qiáng)度比地震剪應(yīng)力大出的幅度相近；對(duì)于50 a超越概率2%的地震，“動(dòng)三軸法”判別結(jié)果為基本不液化，但“PCPT法”判別結(jié)果表現(xiàn)為部分液化。造成以上兩種判別結(jié)果差異的原因，可能與“動(dòng)三軸法”所用土樣的代表性有關(guān)，也可能與兩孔在相同深度上土質(zhì)有所變化有關(guān)。例如，PCPT孔資料顯示(圖4)，12.2～13.8 m深度的土表現(xiàn)出不排水屬性，即出現(xiàn)較明顯的正孔隙水壓力，表明該砂土含較多粘粒，土的強(qiáng)度較低，在PCPT孔未取土樣、未經(jīng)粘粒含量校正的情況下得出的液化勢(shì)判別結(jié)果與實(shí)際情況有差異。由于PCPT能夠測(cè)得土的錐端阻力等指標(biāo)隨深度變化的連續(xù)曲線，更精確反映土的類型、強(qiáng)度和排水屬性等工程性質(zhì)隨深度的變化，在對(duì)砂土進(jìn)行液化勢(shì)判別時(shí)具有更高的靈敏度。

圖3 50 a不同超越概率情況下根據(jù)PCPT數(shù)據(jù)計(jì)算的A-PCPT土層的循環(huán)應(yīng)力比與循環(huán)阻力比Fig.3 CSR and CRR versus penetration based on PCPT method at the boring A-CPT for different seismic exceeding probabilities

3.2 B平臺(tái)場(chǎng)址

該平臺(tái)場(chǎng)址其中的取樣孔B-BH和孔壓靜力觸探孔B-PCPT相距約10 m，兩孔0～20 m深度范圍內(nèi)剖面圖如圖5所示。

對(duì)于深度在9.7～16.3 m的中密實(shí)的砂質(zhì)粉土和粘質(zhì)砂質(zhì)粉土，兩孔分別用“動(dòng)三軸法”和“PCPT法”判別砂土液化勢(shì)，對(duì)于50 a超越概率分別為10%和2%的地震，砂土液化勢(shì)判別結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 50 a不同超越概率情況下根據(jù)動(dòng)三軸試驗(yàn)計(jì)算的B-BH土層的地震剪應(yīng)力與抗液化強(qiáng)度Fig.6 τc and τd versus penetration based on cyclic triaxial method at the boring B-BH for different seismic exceeding probabilities

圖7 50 a不同超越概率情況下根據(jù)PCPT數(shù)據(jù)計(jì)算的B-PCPT土層的循環(huán)應(yīng)力比與循環(huán)阻力比Fig.7 CSR and CRR versus penetration based on PCPT method at the boring B-CPT for different seismic exceeding probabilities

從圖6和圖7可以看出，對(duì)于50 a超越概率10%的地震，所分析的砂土層均表現(xiàn)為不液化，且抗液化強(qiáng)度比地震剪應(yīng)力大出的幅度基本相同；對(duì)于50 a超越概率2%地震，所分析的砂土層均表現(xiàn)為液化，但“PCPT法”得出的地震剪應(yīng)力比抗液化強(qiáng)度大出的幅度更大些，這可能表現(xiàn)為兩種不同方法所得出結(jié)果的差異，但不影響對(duì)所分析的砂土液化勢(shì)的判別。

4 結(jié) 論

通過(guò)以上兩種方法的展示和實(shí)例分析對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

1)“動(dòng)三軸法”為目前國(guó)內(nèi)海上平臺(tái)場(chǎng)址和管線路由淺層砂土液化勢(shì)判別的主要方法，但該方法對(duì)所取砂土樣的質(zhì)量要求高，所需土樣較多，試驗(yàn)結(jié)果也易受各種因素的影響。

2)“PCPT法”計(jì)算方法合理，各項(xiàng)指標(biāo)明確，易于編程計(jì)算，結(jié)果更詳細(xì)，可在總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上推廣應(yīng)用。

3)由于PCPT能夠測(cè)得土的錐端阻力等指標(biāo)隨深度變化的連續(xù)曲線，更精確反映土的類型、強(qiáng)度和排水屬性等工程性質(zhì)隨深度的變化，對(duì)砂土進(jìn)行液化勢(shì)判別更加方便快捷、結(jié)果可靠。

4)由于“PCPT法”在國(guó)內(nèi)剛開始應(yīng)用，各海區(qū)應(yīng)在與其它成熟方法對(duì)比的基礎(chǔ)上積累經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)砂土的類型、級(jí)配、密實(shí)度、粘粒含量和埋深等情況，結(jié)合工程師的經(jīng)驗(yàn)，合理選用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，在積累成熟地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上(包括對(duì)n值和MSF值的選用)，可以直接應(yīng)用。

[1]YOUD T L,IDRISS M.Liquefaction resistance of soils: summary report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF workshops on evaluation of liquefaction resistance of soils[J].Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering,2001,127(10):817-833.

[2]LUNNE T,ROBERTSON P K,POWELL J J M.Cone penetration testing in geotechnical practice[M].New York: Spon Press,1997: 352.

[3]SEED H B,IDRISS I M.Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential [J].Journal of Soil Mechanics and Foundation Division,American Society of Civil Engineering,1971,97(9):1249-1273.

[4]IDRISS I M.Characteristics of earthquake ground motion[C]∥ Proceedings of the ASCE Getechnical Engineering Division Specialty Conference: Earthquake Engineering and Soil Dynamics,1978,3: 1151-1265.

[5]ANDRUS R D,STOKOE K H.Liquefaction Resistance Based on Shear Wave Velocity[C]∥National Center for Earthquake Engineering Research.Proceedings of the Nceer Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils,Technical Report No.NCEER-97-0022.Buffalo: State University of New York,1997:89-128.

ApplicationofPCPTDatatotheDisciminationofLiquefactionPotentialofSub-bottomGranularSoils

ZHENGXi-yao1,YAOShou-long2,ZHOUYang-rui2,ZHOUSong-wang2

(1.ChinaOilfieldServicesLimited,Zhanjiang 524057,China；2.ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin 300451,China)

A method for discriminating the liquefaction potential of sub-bottom sandy soils by using PCPT data is presented.The liquefaction potential of sub-bottom sandy soils at two platform sites in the eastern South China Sea is distinguished by using the cyclic triaxial test method and the PCPT method respectively,and the results from these two methods are compared.It is demonstrated that the discrimination of liquefaction potential of sub-bottom sandy soils by using PCPT data can be feasible if the measuring method,data acquisition,data processing and interpretation of PCPT are known very well.

PCPT (Piezocone Penetration Test);cyclic triaxial test method;PCPT data method;sand soils;liquefaction potential

2013-11-25

南海深水油汽開發(fā)示范工程(20112X05056)

鄭喜耀 (1964-)，男，注冊(cè)巖土工程師，主要從事海洋巖土工程方面研究.E-mail：zhengxy4@cosl.com.cn*通訊作者：姚首龍(1983-)，男，工程師，主要從事海洋地質(zhì)方面研究.E-mail：yaoshl3@cosl.com.cn(王佳實(shí) 編輯)

P736.3

A

1002-3682(2014)03-0055-08