基于CPTU土類指數(shù)的標(biāo)貫值液化判別

杜廣印 羅 濤 程 遠(yuǎn) 潘皇宋

(1東南大學(xué)巖土工程研究所, 南京 210096)(2江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)(3蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司, 蘇州 215004)

基于CPTU土類指數(shù)的標(biāo)貫值液化判別

杜廣印1,2羅 濤1,2程 遠(yuǎn)3潘皇宋1,2

(1東南大學(xué)巖土工程研究所, 南京 210096)(2江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)(3蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司, 蘇州 215004)

為提高可液化地基液化判別的準(zhǔn)確性,依托宿新高速公路共振法加固可液化地基項(xiàng)目,對(duì)共振法處理后的液化地基進(jìn)行CPTU試驗(yàn)和SPT試驗(yàn).對(duì)CPTU試驗(yàn)得到的土類指數(shù)Ic和SPT試驗(yàn)得到的標(biāo)貫值N63.5進(jìn)行處理分析.結(jié)果表明,飽和砂土和粉土的標(biāo)貫值N63.5是土類指數(shù)Ic的一次函數(shù)(N63.5=-18.8Ic+52.0),即土類指數(shù)越大,土性越接近黏性,標(biāo)貫值越小.基于N63.5與Ic的擬合關(guān)系式提出一種新型液化判別方法,即根據(jù)標(biāo)貫值參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行飽和砂土和粉土地基的液化判別,其中標(biāo)貫值根據(jù)Ic計(jì)算獲得,Ic則通過CPTU試驗(yàn)獲取.與規(guī)范中SPT判別法相比,該方法可以提供連續(xù)的標(biāo)貫值參數(shù),與基于CPT的周期阻力比法相比,該方法計(jì)算簡(jiǎn)單.

液化地基;孔壓靜力觸探;標(biāo)貫值;土類指數(shù)

地震作用易導(dǎo)致飽和砂土或粉土地基發(fā)生液化,造成建筑物破壞,給人類生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大損失.如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地基的液化潛能,對(duì)實(shí)際工程建設(shè)具有重大意義,同時(shí)也面臨著諸多挑戰(zhàn).對(duì)于高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目,人們常采用多種方法進(jìn)行綜合評(píng)估,以提高其可靠性.目前,液化地基的判別法主要有《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)中提出的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法,以及國外的修正Seed法.

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法在實(shí)際應(yīng)用中是每隔1.5 m測(cè)試一個(gè)點(diǎn),因此不能提供連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)(下文簡(jiǎn)稱標(biāo)貫)斷面.國外的修正Seed法[1]就是對(duì)等效周期應(yīng)力比(CSR)與地基土的周期阻力比(CRR)進(jìn)行比較,如果CRR>CSR,則判為不液化土;反之,則判為液化土.其中,CRR是利用CPTU試驗(yàn)測(cè)得的參數(shù)計(jì)算得到的,CSR是依據(jù)場(chǎng)地的地震設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算得到的.但CSR和CRR的計(jì)算較為復(fù)雜,在實(shí)際應(yīng)用中不太方便.

鑒于以上2種判別法存在的不足,本文擬綜合利用CPTU試驗(yàn)?zāi)軌虻玫竭B續(xù)的數(shù)據(jù)斷面和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn),提出一種新的可液化地基液化判別方法.

1 標(biāo)貫值與土類指數(shù)的相關(guān)性

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)規(guī)定[2]: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)判別法,進(jìn)行地表以下20 m深度內(nèi)的液化判別.液化判別標(biāo)貫臨界值的計(jì)算公式如下:

(1)

式中,Ncr為液化判別標(biāo)貫臨界值;N0為液化判別標(biāo)貫基準(zhǔn)值(見表1);ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度,m;dw為地下水位深度,m;ρc為黏粒百分率,當(dāng)?shù)陀?%或?yàn)樯巴習(xí)r取3;β為調(diào)整系數(shù),對(duì)于設(shè)計(jì)地震第1,2,3組分別取0.80,0.95,1.05.當(dāng)標(biāo)貫實(shí)測(cè)值N>Ncr,則判為不液化土;反之,則判為液化土.

表1 液化判別標(biāo)貫基準(zhǔn)值N0

Jefferies等[3]提出各種土質(zhì)分類界限對(duì)應(yīng)的Qt,Fr和Bq的關(guān)系圖為近似同心圓,同時(shí)用土類指數(shù)Ic來表示同心圓半徑,計(jì)算公式如下:

(2)

式(2)中的計(jì)算需要用到CPTU試驗(yàn)測(cè)得的孔壓數(shù)據(jù),Robertson[4]建議忽略孔壓參數(shù),直接用Qt-Fr土類指數(shù)分類表(見表2),并重新定義土類指數(shù)Ic的計(jì)算公式:

(3)

改進(jìn)的Robertson土類指數(shù)分類表如表2所示.

表2 改進(jìn)的Robertson土類指數(shù)分類表

劉松玉等[5]通過分析江蘇多個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地CPTU試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了基于CPTU土類指數(shù)Ic的中國土性分類方法.鄒海峰等[6]提出了基于CPTU電阻率和土類指數(shù)Ic計(jì)算CRR的液化判別方法.

Robertson等[7]提出了歸一化錐尖阻力qc/pa與標(biāo)貫值N60之比((qc/pa)/N60)和平均粒徑D50(0.001～1 mm)的關(guān)系.其中,N60是能量比(即貫入器處實(shí)際錘擊能量與總錘擊能量的比值)為60%時(shí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)貫值.后來,Robertson等[8]又提出根據(jù)錐尖阻力、孔隙水壓力及側(cè)壁摩阻力3種土分類圖表,并計(jì)算出每一種土的(qc/pa)/N60的值,這樣就可由CPT測(cè)試的錐尖阻力qc以及土質(zhì)分類結(jié)果直接估算出N60.Ic與(qc/pa)/N60的關(guān)系式如下[9]:

(4)

廖先斌等[10]采用直徑42 mm的鉆桿進(jìn)行了62次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT),經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到SPT能量比平均值為85%,變異系數(shù)為0.03,變異性極低,SPT試驗(yàn)采用的是63.5 kg的穿心錘,故本文將由SPT得到的標(biāo)貫值記作N63.5,N60則根據(jù)CPTU實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用式(4)計(jì)算得到.N63.5與N60有如下關(guān)系:

(5)

由此可得

N63.5=0.71N60

(6)

由以上研究可看出,目前CPTU土類指數(shù)Ic主要是用來進(jìn)行土的分類,其分類結(jié)果大多數(shù)情況下與室內(nèi)試驗(yàn)給出的土分類結(jié)果一致[11-14].也有學(xué)者利用土類指數(shù)Ic結(jié)合其他參數(shù)進(jìn)行液化判別,但是用CPTU土類指數(shù)Ic單獨(dú)進(jìn)行液化判別尚未見報(bào)道.已有方法都不能單一地直接用土類指數(shù)Ic計(jì)算出標(biāo)貫值,本文擬利用CPTU試驗(yàn)參數(shù)找出二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,用土類指數(shù)Ic來計(jì)算標(biāo)貫值,然后結(jié)合標(biāo)貫值判別法提出CPTU土類指數(shù)液化判別方法.

2 現(xiàn)場(chǎng)CPTU試驗(yàn)

2.1 場(chǎng)地描述

共振法加固可液化地基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)依托江蘇省宿新高速公路宿遷一標(biāo)(SX-SQ1)K630～K730段可液化地基處理項(xiàng)目.場(chǎng)區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g.地勢(shì)平坦,場(chǎng)區(qū)表層為根植土和近期人工雜填土,其下為粉土、粉質(zhì)砂土、粉土,土層具體描述見表3.

表3 試驗(yàn)段工程地質(zhì)條件

2.2 CPTU試驗(yàn)設(shè)備

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用東南大學(xué)巖土工程研究所從國外引進(jìn)的敞開式CPTU測(cè)試系統(tǒng),探頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示.CPTU技術(shù)是在CPT技術(shù)的基礎(chǔ)上,增加孔隙水壓力元件,測(cè)試貫入過程中土體孔隙水壓力的變化和消散過程,以更加準(zhǔn)確地確定土層基本性質(zhì).首先,使用測(cè)試系統(tǒng)自帶的E4FCS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù).然后,再利用CONEPLOT軟件得到錐尖阻力、標(biāo)貫值N60、側(cè)摩阻力、孔隙水壓力等數(shù)據(jù).

圖1 CPTU探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[6]

2.3 試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

試驗(yàn)段根據(jù)振桿形式、激振力大小、振點(diǎn)間距的不同,共分為5個(gè)區(qū),每個(gè)區(qū)分別布置了2個(gè)CPTU試驗(yàn)孔,共10個(gè)(1#～10#).試驗(yàn)段范圍為100 m×40 m,試驗(yàn)孔位布置見圖2.具體試驗(yàn)方案見表4,本文完成的10個(gè)CPTU試驗(yàn)孔深度均為20 m.

圖2 CPTU試驗(yàn)孔位布置(單位：m)

CPTU試驗(yàn)在對(duì)地基進(jìn)行共振法處理以后開展,圖3給出了典型的CPTU試驗(yàn)孔的結(jié)果,圖中u2為孔隙水壓力.由圖可知,以深度9.35 m為界,其上部孔隙水壓力為負(fù)值,下部孔隙水壓力為正值.錐尖阻力、側(cè)摩阻力和標(biāo)貫值均沿深度呈拋物線型變化,并且在深度9.35 m附近達(dá)到最大值.以9.35 m為界,其上部為非飽和土,下部為飽和粉土砂土.本文僅研究9.35 m以下的飽和粉土砂土.

表4 試驗(yàn)方案

(a) 孔隙水壓力

(b) 錐尖阻力

(c) 側(cè)壁摩阻力

(d) 標(biāo)貫值

(e) 土類指數(shù)

(f) 土層

圖3 典型CPTU測(cè)試結(jié)果圖

3 基于土類指數(shù)的標(biāo)貫值液化判別法

3.1 標(biāo)貫值N60與土類指數(shù)Ic的關(guān)系

選取試驗(yàn)段A區(qū)(1#,2#試驗(yàn)孔)、B-1區(qū)(3#,4#試驗(yàn)孔)、B-2區(qū)(5#,6#試驗(yàn)孔)、C區(qū)(7#,8#試驗(yàn)孔)的CPTU數(shù)據(jù),每個(gè)區(qū)分別有50,51,51,45組CPTU數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)包括土層深度、錐尖阻力、側(cè)摩阻力、孔隙水壓力和標(biāo)貫值N60.利用式(3)計(jì)算出土類指數(shù)Ic,然后分別得到各區(qū)的標(biāo)貫值N60與x土類指數(shù)Ic之間的關(guān)系圖,見圖4.由圖可見,每個(gè)區(qū)的標(biāo)貫值N60與土類指數(shù)Ic之間都呈線性相關(guān),關(guān)系式分別如下:

N60=-25.9Ic+72.0,R2=0.92

(7a)

N60=-26.8Ic+73.8,R2=0.92

(7b)

N60=-26.8Ic+73.9,R2=0.91

(7c)

N60=-26.5Ic+73.3,R2=0.91

(7d)

由式(7a)～(7d)可知,標(biāo)貫值N60與土類指數(shù)Ic之間存在很強(qiáng)的線性負(fù)相關(guān)性,并且4個(gè)擬合關(guān)系式非常相似.將4個(gè)區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析(見圖5),得到擬合標(biāo)貫值N60與土類指數(shù)Ic的關(guān)系式如下:

(a) A區(qū)

(b) B-1區(qū)

(c) B-2區(qū)

(d) C區(qū)

N60=-26.5Ic+73.3,R2=0.92

(8)

式(8)主要適用于1.5

圖5 N60與Ic擬合曲線

3.2 標(biāo)貫值N63.5與土類指數(shù)Ic的關(guān)系

聯(lián)立式(6)、(8)可得到N63.5和Ic的關(guān)系式如下:

N63.5=-18.8Ic+52.0

(9)

用式(9)得到的N63.5代替SPT試驗(yàn)的標(biāo)貫值,然后根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)進(jìn)行液化判別.具體步驟是:首先利用式(9)得到標(biāo)貫計(jì)算值,然后與式(1)得到的標(biāo)貫臨界值比較.若計(jì)算值大于臨界值,則判為不液化土;反之,則判為液化土.

與原有液化評(píng)價(jià)方法相比,本文提出的液化判別方法主要有以下優(yōu)點(diǎn):① 與規(guī)范中SPT判別法相比,本方法可以提供連續(xù)的標(biāo)貫值參數(shù);② 與基于CPT的周期阻力比法相比,本方法計(jì)算簡(jiǎn)單.

3.3 方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證式(9)的可靠性,本文選取試驗(yàn)段D區(qū)(9#,10#試驗(yàn)孔)的CPTU數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)算,共49組.具體步驟如下:

① 將49組數(shù)據(jù)中的土層深度、錐尖阻力和側(cè)摩阻力等代入式(3)得出土類指數(shù)Ic.

② 利用式(8)得到N60的計(jì)算值,并與N60原始值對(duì)比,結(jié)果見圖6(a).

③ 利用式(9)得到N63.5的計(jì)算值,并與相同深度的通過SPT得到的N63.5實(shí)測(cè)值對(duì)比,結(jié)果見圖6(b).

④ 利用式(1)得到Ncr,并與SPT測(cè)得的N63.5實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見圖6(c).

⑤ 將N63.5計(jì)算值與Ncr進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見圖6(d).

由圖6可知,式(8)得到的N60計(jì)算值和N60原始值基本符合;式(9)得到的N63.5計(jì)算值與相同深度的通過SPT得到的N63.5實(shí)測(cè)值也基本相同.本方法的液化判別結(jié)果與通過SPT測(cè)試直接判別的結(jié)果相同,故本文提出的式(9)是可靠的.

(a) N60計(jì)算值與原始值

(b) N63.5計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

(c) N63.5實(shí)測(cè)值液化判別

(d) N63.5計(jì)算值液化判別

3.4 方法的實(shí)踐意義

本文提出的擬合公式直接用CPTU土類指數(shù)Ic來表示標(biāo)貫值,然后用標(biāo)貫值參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)進(jìn)行液化判別,省去了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn).該方法很好地利用了CPTU試驗(yàn)的連續(xù)性和標(biāo)貫值液化判別法的便捷性,既增加了液化判別的可靠性,又方便工程人員實(shí)際操作.但是,目前尚需在實(shí)際工程中進(jìn)行檢驗(yàn).

4 結(jié)論

1) CPTU試驗(yàn)作為先進(jìn)的現(xiàn)代原位測(cè)試手段,能夠獲取連續(xù)地質(zhì)斷面的試驗(yàn)參數(shù),為可液化地基的液化評(píng)估提供連續(xù)地質(zhì)斷面的原位測(cè)試數(shù)據(jù).

2) 建立了飽和粉土砂土的標(biāo)貫值N63.5與土類指數(shù)Ic之間的關(guān)系,得出N63.5為Ic的一次函數(shù).利用CPTU或者CPT測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出土類指數(shù)Ic,進(jìn)而得出標(biāo)貫值N63.5.

3) 利用土類指數(shù)Ic計(jì)算出的標(biāo)貫值N63.5進(jìn)行液化判別,該液化判別方法經(jīng)驗(yàn)證具有較好的可靠性,且具有計(jì)算簡(jiǎn)單、能夠提供連續(xù)的標(biāo)貫值斷面等優(yōu)點(diǎn).該方法適用于1.5

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Liquefaction assessment using standard penetration test value based on CPTU soil behavior type index

Du Guangyin1,2Luo Tao1,2Cheng Yuan3Pan Huangsong1,2

(1Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2Jiangsu Key Laboratory of Urban Underground Engineering and Environmental Safety, Nanjing 210096, China) (3Suzhou Rail Transit Group Co., Ltd, Suzhou 215004, China)

In order to increase the accuracy of liquefaction assessment on liquefiable foundation, the liquefiable foundation of the Suqian-Xinyi highway was treated by the resonant compaction method, and piezocone penetration test(CPTU) and standard penetration test(SPT) were carried out on the liquefiable foundation. The soil behavior type index (Ic) obtained from CPTU and the standard penetration test index (N63.5) obtained from SPT are analyzed. The results show thatN63.5of saturated sands and silts is a linear function ofIc(N63.5=-18.8Ic+52.0). The larger theIc, the smaller theN63.5will be, and the soil is more close to clay. Based on the fitting relationship betweenN63.5andIc, a new liquefaction discrimination method is established. The liquefaction of saturated sands and silts foundation can be assessed by usingN63.5based on the Code of Seismic Design of Building.N63.5is expressed by singleIcandIcis acquired from CPTU. Compared with the SPT assessment method proposed in the code, this method can provide continuous standard penetration test value. Compared with the cyclic resistance ratio method based on cone penetration test, the calculation of the method is very simple.

liquefiable foundation; piezocone penetration test (CPTU); standard penetration test value; soil behavior type index

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.028

2017-01-22. 作者簡(jiǎn)介: 杜廣印(1964—)，男，博士，副教授，博士生導(dǎo)師，guangyin@seu.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372308)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目和江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(SJLX15_0060)、江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20150279).

杜廣印,羅濤,程遠(yuǎn),等.基于CPTU土類指數(shù)的標(biāo)貫值液化判別[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(4):812-817.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.028.

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