基于SPTn判別法判別砂土液化特征

于明明，賈志獻(xiàn)，林迎潔，樊九九,王 博

(1.西北綜合勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710003，2中國(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710003,3江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局,江蘇 南京 210007)

基于SPTn判別法判別砂土液化特征

于明明1，賈志獻(xiàn)2，林迎潔3，樊九九1,王 博1

(1.西北綜合勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710003，2中國(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710003,3江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局,江蘇 南京 210007)

砂土液化是工程不良地質(zhì)現(xiàn)象的主要問(wèn)題之一，正確地分析和判別砂土液化對(duì)確保人類工程建設(shè)及安全具有十分重要的意義。依據(jù)孔壓靜力觸探試驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)，結(jié)合SPTn判別法，可判別砂土液化的曲線特征，即同一液化土層，土體液化安全系數(shù)不盡相同；從孔壓靜力觸探孔的SPTn投影圖上可以明確砂土液化的三個(gè)特征，即發(fā)生液化土體的位置、發(fā)生液化土體的厚度和發(fā)生液化土體的安全系數(shù)。

砂土液化；SPTn判別法；Seed簡(jiǎn)化判別法；孔壓靜力觸探；液化特征

砂土液化是工程不良地質(zhì)現(xiàn)象的主要問(wèn)題之一,在含有飽和砂層或粉土層場(chǎng)區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，砂土液化不良地質(zhì)現(xiàn)象是該場(chǎng)區(qū)所要關(guān)注的重大地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題[1]。砂土液化地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象是在地震非線性動(dòng)力荷載下出現(xiàn)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響著人類工程建設(shè)及安全，1964年和1995年日本神戶的新瀉大地震已經(jīng)說(shuō)明了砂土液化的危害程度及研究砂土液化的重要意義[2]。

目前依據(jù)砂土液化的機(jī)理，可以將砂土液化分為觸發(fā)性循環(huán)液化、流動(dòng)液化(流化)和砂沸[3]，本文主要對(duì)觸發(fā)性循環(huán)液化的判別方法——SPTn判別法進(jìn)行了研究。

1 SPTn判別法的基本原理

SPTn判別法判別砂土液化特征是以SPTn投影圖法為基礎(chǔ)，以Seed簡(jiǎn)化判別法為指導(dǎo)的。Seed簡(jiǎn)化判別法主要研究導(dǎo)致液化循環(huán)應(yīng)力比(CRR)的計(jì)算方法。最早估算CRR的方法是Seed等在1985提出的，而這種計(jì)算CRR的方法主要是以標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)為基礎(chǔ)。但隨著靜力觸探技術(shù)在勘察項(xiàng)目的廣泛應(yīng)用，尤其是孔壓靜力觸探原位測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用，使主要由標(biāo)貫貫入試驗(yàn)計(jì)算導(dǎo)致液化的CRR變?yōu)橛伸o力觸探試驗(yàn)所得到的大量的、可靠的和可重復(fù)的數(shù)據(jù)計(jì)算CRR，于此同時(shí)CRR的簡(jiǎn)化計(jì)算法就出現(xiàn)了，我們稱之為Seed簡(jiǎn)化判別法[3]。簡(jiǎn)化后計(jì)算導(dǎo)致液化的CRR7的方法如下：

當(dāng)50

當(dāng)Qtn,cs≤50時(shí)

(1)

式中:Qtn,cs為修正后的歸一化錐尖阻力(MPa),Qtn,cs=KcQtn，其中Kc為歸一化錐尖阻力修正系數(shù)，與土層的內(nèi)聚力及可塑性有關(guān),Qtn為歸一化的錐尖阻力(MPa)。

1998年Robertson和Wride指出歸一化錐尖阻力修正系數(shù)Kc與土的類型指數(shù)Ic有關(guān)，土的類型指數(shù)Ic可以由1990年Robertson提出的計(jì)算公式表示為

Ic=[(3.47-logQtn)2+(1.22+logFr)2]0.5

(2)

(3)

(4)

(5)

由土的類型指數(shù)Ic可以計(jì)算修正歸一化錐尖阻力系數(shù)修正Kc，其計(jì)算公式如下：

當(dāng)土的類型指數(shù)Ic≤1.64時(shí)

Kc=1.0

(6)

當(dāng)土的類型指數(shù)Ic>1.64時(shí)

由此可知計(jì)算歸一化錐尖阻力Qtn、土性指數(shù)r、歸一化錐尖阻力修正系數(shù)Kc及土的類型指數(shù)Ic需要一個(gè)循環(huán)，循環(huán)計(jì)算的具體流程[7]見(jiàn)圖1。

由導(dǎo)致液化的循環(huán)應(yīng)力比CRR7及土體循環(huán)應(yīng)力比CSR，可以計(jì)算出砂土液化的安全系數(shù)Fs[7]：

(8)

式中：M為所研究地區(qū)對(duì)應(yīng)的地震烈度。

2 工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況

港珠澳大橋是我國(guó)繼三峽工程、青藏鐵路、南水北調(diào)、西氣東輸、京滬高鐵之后又一重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，東連香港、西接珠海、澳門，是集橋、島、隧為一體的超大型跨海通道。港珠澳大橋由沉管隧道、東西人工島三大部分組成，其中沉管隧道是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道之一，起于伶仃洋粵港分界線，沿23DY錨地北側(cè)向西，穿越珠江口銅鼓航道、伶仃西航道，止于西人工島結(jié)合部非通航孔橋西端，全長(zhǎng)7 440.546m。鑒于該工程工期緊、難度大、風(fēng)險(xiǎn)性大，本研究采用以孔壓靜力觸探原位測(cè)試技術(shù)為主、鉆探技術(shù)為輔的方法對(duì)港珠澳大橋海底地層進(jìn)行了工程地質(zhì)勘察。

2.2 研究區(qū)抗震設(shè)計(jì)參數(shù)

參照《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)，沉管隧道區(qū)劃圖設(shè)防水準(zhǔn)為50年超越概率10%，場(chǎng)地條件為平坦穩(wěn)定的II類場(chǎng)地，地震動(dòng)最大峰值加速度為0.10 g，地震基本烈度為VII度，地震動(dòng)反映譜特征周期為0.35s；根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組；根據(jù)《港珠澳大橋工程場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)評(píng)價(jià)報(bào)告》(2009年)，珠江三角洲歷史上發(fā)生過(guò)的地震最大震級(jí)為5級(jí)，依據(jù)強(qiáng)震構(gòu)造類比，震級(jí)上限設(shè)為6.5級(jí)；按照《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB500223—2008)，沉管隧道作為特殊設(shè)防類建筑考慮，抗震設(shè)防烈度應(yīng)提高一度按VIII度來(lái)分析，建議采用地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g用于地震液化計(jì)算。

2.3 初步判別砂土液化

2.4SPTn判別法判別砂土液化特征

本文以孔壓靜力觸探孔CPTU62孔為例，分析該靜力觸探孔數(shù)據(jù)下的砂土層在7級(jí)地震的條件下是否會(huì)發(fā)生液化。將CPTU62孔中小于20 m的土壤分為四層，有液化可能性的土層有一層，即深度為11.979～12.848 m的中砂層,因此需要依據(jù)CPTU62孔數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的液化判別。

依據(jù)SPTn判別法的基本原理，首先要計(jì)算CPTU62孔土層關(guān)于歸一化錐尖阻力Qtn、摩阻比Fr和土的類型指數(shù)Ic三個(gè)參數(shù)值，具體的計(jì)算流程見(jiàn)圖1；然后由此獲得CPTU62孔土層的Qtn、Fr和Ic隨深度變化的曲線圖(見(jiàn)圖2);再后依據(jù)式(5)計(jì)算出歸一化錐尖阻力的修正系數(shù)Kc，并計(jì)算出修

正后的錐尖阻力Qtn,cs，由此獲得CPTU62孔土層的Qtn、Kc和Qtn,cs隨深度變化的曲線圖(見(jiàn)圖3)；最后由式(6)可計(jì)算出震級(jí)為7級(jí)所引起的循環(huán)應(yīng)力比CSR與導(dǎo)致液化的循環(huán)應(yīng)力比CRR的比值Fs，如果安全系數(shù)Fs小于1，表示所研究的孔壓靜力觸探孔飽和砂土層在震級(jí)為7級(jí)的條件下會(huì)發(fā)生液化，需要提出相應(yīng)的處理措施；如果安全系數(shù)Fs大于1，表示所研究孔壓靜力觸探孔飽和砂土層在震級(jí)為7級(jí)的條件下不會(huì)發(fā)生液化。判別歸一化錐尖阻力CPTU62孔土層砂土液化的曲線特征見(jiàn)圖4。

由圖4可知，在震級(jí)為7級(jí)的地震條件下，所研究的CPTU62孔中小于20 m的土層有一層，土層液化的安全系數(shù)Fs小于1,即深度為11.979～12.848 m的中砂層，該層土體判別為可液化土。

3 結(jié) 論

從孔壓靜力觸探孔砂土液化的曲線特征可以看出，同一液化土層，因物理力學(xué)性質(zhì)的不同，土體液化安全系數(shù)也不盡相同；從孔壓靜力觸探孔的SPTn投影圖上可以明確砂土液化的三個(gè)特征：發(fā)生液化土體的位置、發(fā)生液化土體的厚度和發(fā)生液化土體的安全系數(shù)。

[1] 官繼昌,王寧,葛明明,等.砂土液化判別的研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2010,27(3):13-16.

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[3] 楊玉生,劉小生,劉啟旺.地基砂土液化判別方法的探討[J].水力學(xué)報(bào),2010,4(19):1061-1069.

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[8] 于明明，賈志獻(xiàn)，滕偉福.孔壓靜力觸探在海底勘察中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程,2012,6(3):129-130.

Identification of the Characteristics of Sand Liquefaction Based on SPTn Discriminant Analysis

YU Mingming1,JIA Zhixian2,LIN Yingjie3,FAN Jiujiu1,WANG Bo1

(1.NorthwestResearchInstituteofEngineeringInvestigationsandDesign,Xi'an710003,China; 2.PowerChinaXibeiEngineeringCorporationLimited,Xi'an710003，China;3.EastChina
MineralExplorationandDevelopmentBureauforNon-ferrous,Nanjing210007,China)

Sand liquefaction is one of the main problems of bad engineering geological phenomenon, so correct analysis and discrimination of sand liquefaction is of great significance to the stable development of human civilization.On the basis of accurate data provide by pore pressure static cone penetration test, together with SPTn discriminant analysis,this paper clears the characteristics of sand liquefaction:the liquefaction safety factor of the same liquefaction soil layer is not the same.Based on the SPTn discrimination method the paper clearly obtains three characteristics of sand liquefaction:the occurrence location of liquefaction soil,the occurrence thickness of liquefaction soil,and the safety factor of liquefaction soil.

sand liquefaction;SPTn discriminant method;Seed simplified discriminant;cone penetration test with pore pressure(CPTU);liquefaction characteristics

1671-1556(2015)04-0164-04

2014-12-23

2015-06-18

于明明(1986—)，女，碩士，助理工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估與評(píng)級(jí)工作。E-mail:710761734@qq.com

X93;P642.1

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.029