飽和黃土場地原位試驗(yàn)及液化勢評價1

董 林 嚴(yán)武建 夏 坤 李少華 劉 琨

1）中國地震局蘭州地震研究所，黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000

2）甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心，蘭州 730000

引言

飽和黃土甚至高含水率的黃土在地震作用下會發(fā)生液化，該結(jié)論已在室內(nèi)動力試驗(yàn)和古地震的調(diào)查中得到了證實(shí)（王蘭民等，2003）。然而，古地震黃土液化實(shí)例較少，且基本都是黃土液化與邊坡滑坡的耦合效應(yīng)，液化與滑坡相互影響、相互促進(jìn)，孰先孰后實(shí)難查明（王家鼎等，2001）。廖勝修等（2007）報(bào)道了一些強(qiáng)夯、打樁施工過程造成的飽和黃土液化現(xiàn)象，但是只對現(xiàn)象進(jìn)行了描述，沒有評價液化勢的實(shí)際數(shù)據(jù)。因此，現(xiàn)階段對黃土液化勢的評價只能依靠室內(nèi)動力試驗(yàn)。然而，由于黃土特殊的結(jié)構(gòu)性，其飽和過程較為復(fù)雜（王謙等，2013）。并且，室內(nèi)飽和過程只加20kPa的圍壓，與現(xiàn)場飽和過程差異顯著，現(xiàn)場較大的上覆壓力會使黃土首先發(fā)生濕陷，改變其原有微結(jié)構(gòu)。也就是說，室內(nèi)飽和黃土并不是現(xiàn)實(shí)中的“飽和黃土”。這就導(dǎo)致了室內(nèi)液化試驗(yàn)結(jié)果不能代表現(xiàn)場飽和黃土的抗液化強(qiáng)度。

1999年中國臺灣集集地震和土耳其科賈埃利（Kocaeli）地震發(fā)生后，細(xì)粒土地震液化與震陷災(zāi)害日益得到重視。Boulanger等（2004）依據(jù)塑性指數(shù)將細(xì)粒土分為類砂土與類黏土，并將前者造成的地震破壞現(xiàn)象仍然稱為“液化”，而將后者造成的破壞現(xiàn)象稱為“循環(huán)破壞”。按塑性指數(shù)劃分，絕大多數(shù)黃土屬于砂質(zhì)粉土和黏質(zhì)粉土，正好處于類砂土與類黏土之間的模糊地帶。因此，界定黃土的土類對評價黃土液化勢至關(guān)重要。

本文對蘭州市西固區(qū)某飽和黃土場地進(jìn)行了鉆孔測試，現(xiàn)場試驗(yàn)包括標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)以及剪切波速測試，以靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果對不同含水率黃土的土類進(jìn)行了界定，并且應(yīng)用NCEER推薦方法，計(jì)算了3組原位試驗(yàn)數(shù)據(jù)的飽和黃土循環(huán)抗力比（CRR），通過與唐山地震和集集地震液化土CRR對比，給出了飽和黃土液化勢的定量描述。

1 試驗(yàn)場地和儀器

1.1 試驗(yàn)場地

20世紀(jì)50年代初，蘭州市西固地區(qū)地下水貯存于卵石層中，50年代后期至80年代初，地下水位快速上升，形成以福利路—西固城為中心，呈環(huán)帶狀分布的地下水位上升區(qū)，上升區(qū)波及整個Ⅱ級階地。以階地后緣上升最為強(qiáng)烈，前緣較弱，福利路—西固城一帶上升幅度最大，累計(jì)達(dá)6—10m（王立平等，2008）。

本文選取了蘭州市西固區(qū)臨洮街寺兒溝村場地進(jìn)行現(xiàn)場鉆孔測試。該場地地貌單元屬黃河南岸Ⅱ級階地，位于上述福利路—西固城環(huán)帶狀后緣地區(qū)。鉆孔顯示地下水位為27m，水位以下有4m厚的飽和黃土層，且鉆取巖芯樣顯示19m以下黃土含水率較大，呈軟塑狀態(tài)?，F(xiàn)場鉆孔采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方式，并用巖芯管取樣鑒別地層。自地層3m以下每隔2m進(jìn)行1次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，待鉆孔作業(yè)完成，以XG-I懸掛式波速測井儀進(jìn)行鉆孔剪切波速測試，測試順序自下而上，測點(diǎn)深度間隔1m。場地鉆孔柱狀圖見圖1，其中標(biāo)貫擊數(shù)未經(jīng)桿長修正。

1.2 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用了中國地震局蘭州地震研究所新近購置的靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備由荷蘭a.p.van den berg公司生產(chǎn)的靜力觸探系統(tǒng)與沈陽探礦機(jī)械廠改裝的鉆探車組成。利用鉆探車提供貫入力，而試驗(yàn)主要使用荷蘭的鉆桿、Icone數(shù)字探頭及數(shù)據(jù)傳輸采集系統(tǒng)。鉆探車的觸探系統(tǒng)可提供200kN的貫入力和240kN的起拔力，貫入速度為0.5—1.6m/min（可調(diào)），油泵額定壓力為16MPa（最高為20MPa），擰錨扭矩為4000N·m，錨機(jī)轉(zhuǎn)速4rad/min。

Icone數(shù)字探頭是完全數(shù)字化的測試系統(tǒng)，在探頭中內(nèi)置了24位分辨率的AD轉(zhuǎn)換器、微處理器和16MB存儲器，能夠保存和傳輸數(shù)字信號。完全數(shù)字化的Icone探頭采用4芯電纜傳輸所有測量的土壤參數(shù)信號，避免了因電纜長度和電纜接頭造成的信號損失。Icone探頭具有高于電測探頭10倍的分辨率和1級標(biāo)定精度，是目前為止精度最高的靜力觸探儀，且其采用高硬度鋼材，更堅(jiān)固耐用，更耐磨損。

靜力觸探設(shè)備如圖2所示，探頭如右圖，規(guī)格符合國際標(biāo)準(zhǔn)，錐角為60°，錐底直徑為35.7mm，錐底截面積為10cm2，側(cè)壁摩擦筒表面積為150cm2。本次試驗(yàn)主要測定錐尖阻力qc、側(cè)摩阻力fs。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 孔壓靜力觸探測試（CPT）試驗(yàn)數(shù)據(jù)

場地孔壓靜力觸探測試（CPT）的原始數(shù)據(jù)見圖3。對比鉆孔柱狀圖1，5—7m含煤渣雜填土層錐尖阻力與側(cè)摩阻力明顯較大，另外，由于該場地深層黃土（17m以下）偶含礫石，使錐尖阻力多次出現(xiàn)峰值，結(jié)合側(cè)摩阻力波動幅值相對錐尖阻力較小的特點(diǎn)，可知確為礫石所致（蔡國軍等，2006）。

圖1 飽和黃土場地鉆孔柱狀圖Fig.1 Borehole profile of saturated loess site

圖2 靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備Fig.2 Cone penetrometer equipment

圖3 場地CPT測試結(jié)果Fig.3 CPT test results of loess site

為方便分析計(jì)算，對圖3錐尖阻力進(jìn)行土層分層，結(jié)合鉆孔柱狀圖，不考慮填土層而著重考慮黃土含水率的變化，分層結(jié)果見圖4。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果對比

按照圖4土層分層，對各層黃土錐尖阻力求平均值，并將其與實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)、剪切波速結(jié)果繪出隨深度變化的散點(diǎn)圖，見圖5。圖中，3個指標(biāo)從趨勢上高度吻合，相互驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。其中，剪切波速隨深度的變化顯示出最好的規(guī)律性。深度小于20m時黃土的剪切波速線性增大，體現(xiàn)了上覆壓力的影響。深度為20—27m時黃土含水率較大直至飽和，由于黃土的水敏性，剪切波速又線性減小。27m以下，黃土飽和，剪切波速明顯小于水位線以上的黃土，并且隨著深度增加又線性增大。需要注意的是，由于受到少量礫石的影響，錐尖阻力指標(biāo)沒有剪切波速指標(biāo)的效果好，而標(biāo)貫試驗(yàn)自上而下的離散性都較大。

另外，水位上下黃土力學(xué)指標(biāo)的差值中，標(biāo)貫擊數(shù)最大，剪切波速最小，錐尖阻力居中，體現(xiàn)了3個指標(biāo)力學(xué)意義的不同。標(biāo)貫試驗(yàn)土體應(yīng)變最大，靜力觸探試驗(yàn)次之，而剪切波速為小應(yīng)變無損測試，應(yīng)變最小，體現(xiàn)了飽和黃土在不同應(yīng)變擾動下的強(qiáng)度衰減。

圖4 場地CPT土層分層Fig.4 CPT soil layer profile of loess site

2.3 基于CPT指標(biāo)的黃土土類

劉松玉等（2013）對江蘇省典型地質(zhì)成因場地進(jìn)行了大量的孔壓靜力觸探（CPTU）測試，分析比較了國際上常用的7種CPTU土分類方法，發(fā)現(xiàn)Robertson等（1998）建立的基于CPT指標(biāo)的土質(zhì)分類圖（圖6）及液化判別方法準(zhǔn)確度最高，且與中國標(biāo)準(zhǔn)的土類較接近。該方法構(gòu)建土類指數(shù)Ic，歸一化錐尖阻力Q和歸一化摩阻比F：

圖5 原位試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.5 Comparison of test results of three in-situ

其中，qc為錐尖阻力；fs為側(cè)壁摩阻力；σv0為總上覆壓力；為有效上覆壓力；Pa為1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。式（2）中，n值從砂土到黏土取0.5—1.0，具體確定方法如下：首先假設(shè)n取1.0，由公式（1）—（3）計(jì)算Ic，若Ic＞2.6，則土為黏土，n即為1.0；若Ic＜2.6，則改取n為0.5，帶入公式重新計(jì)算Ic，如果新的Ic＜2.6，則n確為0.5，若新的Ic＞2.6，則應(yīng)取n為0.7，并再次重新計(jì)算Ic。該場地黃土土類指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1（其中Rf為摩阻比），黃土在土質(zhì)分類圖上的位置見圖7。

表1 黃土CPT土類指數(shù)Table 1 loess soil behavior-type index

對比圖6，該場地黃土屬于砂質(zhì)粉土和黏質(zhì)粉土，現(xiàn)場取樣室內(nèi)土工試驗(yàn)顯示該場地黃土塑性指數(shù)介于6.2—8.7，黏粒含量介于16.9%—18.1%，可以說土分類非常準(zhǔn)確。并且，黃土主要位于圖6正常固結(jié)右側(cè)，正好體現(xiàn)了黃土Q3的地質(zhì)年代。

圖7中，隨著深度20m以下黃土含水率逐漸變大，首先表現(xiàn)出摩阻比變大。因?yàn)楦牲S土即使黏粒含量較大，黏性卻不顯現(xiàn)，只有含水量增大，黏性才能逐漸表現(xiàn)出來。而27m以下的飽和黃土，由于其具有水敏性，錐尖阻力顯著減小，表現(xiàn)出土類指數(shù)Ic明顯增大。CPT土分類圖既反應(yīng)土的可塑性，又反映了土的強(qiáng)度（Olsen，1994）。即2個塑性指數(shù)相同的土，若強(qiáng)度不同，則土分類很可能不同。

Boulanger等（2004）依據(jù)塑性指數(shù)將細(xì)粒土分為類砂土與類黏土，并將前者造成的地震破壞現(xiàn)象仍然稱為“液化”，而將后者造成的破壞現(xiàn)象稱為“循環(huán)破壞”。據(jù)此劃分原則，建議對前者仍然采用Seed簡化方法判別液化，而對后者仿照Seed簡化方法，結(jié)合黏土力學(xué)特性，建立了類黏土“循環(huán)破壞”判別準(zhǔn)則。Boulanger等對類砂土和類黏土的劃分并不確切，其中塑性指數(shù)4—7（對應(yīng)中國的塑性指數(shù)7—10，即黏質(zhì)粉土）被認(rèn)為是類砂土與類黏土的過渡帶，比較模糊。

黃土按照塑性指數(shù)劃分屬于砂質(zhì)粉土和黏質(zhì)粉土，而黏質(zhì)粉土正好位于上述過渡帶內(nèi)，對于其地震破壞現(xiàn)象是否屬于“液化”，尚存在疑問。表1中，飽和黃土的2個點(diǎn)的土類指數(shù)Ic為2.197和2.171。根據(jù)CPT土質(zhì)分類，土類指數(shù)Ic＝2.6，是類砂土和類黏土的分界（Robertson等，1998；Ku等，2010；劉松玉等，2013），則飽和黃土確定屬于“類砂土”，可對其評價液化勢。

圖6 Robertson土類指數(shù)分類圖Fig.6 CPT-based soil behavior-type chart proposed by Robertson

圖7 黃土土類指數(shù)分類圖Fig.7 CPT-based loess soil behavior-type chart

3 飽和黃土CRR評價

Robertson的CPT液化判別方法是NCEER推薦方法（Youd等，2001），由公式（1）—（3）確定了應(yīng)力指數(shù)n之后，通過下列公式對錐尖阻力qc進(jìn)行上覆有效壓力修正：

對于含細(xì)粒土，按下式計(jì)算等價純凈砂錐尖阻力：

其中，當(dāng)Ic≤1.64或1.64＜Ic＜2.36且F≤0.5%，取Kc＝1.0；對于圖6中Ic＜2.6的其他區(qū)域，則Kc按下式計(jì)算：

Kc值確定后，則可得到(qc1N)cs。對于MW7.5的地震，CRR7.5可表示為：

該場地2個飽和黃土CPT測點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 飽和黃土循環(huán)抗力比Table 2 Cyclic resistance ratio of saturated loess

另外，按照NCEER推薦的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（SPT）液化判別方法（Youd等，2001），對圖5中2個飽和黃土的SPT測點(diǎn)計(jì)算CRR，得到的結(jié)果為0.056和0.058。按照NCEER推薦的Andrus等（2000）的剪切波速液化判別方法，對圖5中4個剪切波速測點(diǎn)計(jì)算CRR，結(jié)果為0.085、0.091、0.092和0.093。

對比1999年集集地震和1976年唐山地震液化土CRR，集集地震液化土基于CPT指標(biāo)的CRR為0.058—0.188（Ku等，2004），基于SPT指標(biāo)的CRR為0.064—0.481（Hwang等，2001），唐山地震液化土基于CPT指標(biāo)的CRR為0.063—0.479（Moss等，2011）。比較可知，飽和黃土的抗液化強(qiáng)度較低，甚至很低。

4 結(jié)論

本文通過CPT試驗(yàn)界定了黃土土類，應(yīng)用NCEER推薦方法，對錐尖阻力、標(biāo)貫擊數(shù)、及剪切波速3個原位指標(biāo)計(jì)算了飽和黃土循環(huán)抗力比CRR，通過與集集地震、唐山地震液化土CRR對比，描述了飽和黃土的抗液化強(qiáng)度。得出主要結(jié)論如下：

（1）由于受到黃土中少量礫石的影響，錐尖阻力沒有剪切波速指標(biāo)的規(guī)律性好。該場地深度小于20m處黃土剪切波速呈線性增長，深20—27m時黃土含水率逐漸變大，由于其水敏性，黃土剪切波速線性減小。在27m以下，黃土飽和，剪切波速明顯小于水位以上的黃土。

（2）在水位線上下的黃土力學(xué)指標(biāo)差值中，標(biāo)貫擊數(shù)最大，剪切波速最小，錐尖阻力居中，體現(xiàn)了飽和黃土在不同應(yīng)變擾動下的強(qiáng)度衰減。

（3）由于黃土含水率不同，在CPT土質(zhì)分類圖上的位置不同，隨著含水率增大，首先表現(xiàn)為黏性更大，飽和之后，主要表現(xiàn)為強(qiáng)度降低。

（4）飽和黃土2個測點(diǎn)的土類指數(shù)Ic為2.197和2.171，小于類砂土和類黏土的界限2.6，證實(shí)黃土是類砂土，具有液化勢。

（5）飽和黃土基于CPT指標(biāo)的CRR為0.080—0.081，基于SPT指標(biāo)的CRR為0.056—0.058，基于剪切波速指標(biāo)的CRR為0.085—0.093。而集集地震液化土CRR為0.058—0.481，唐山地震液化土CRR為0.063—0.479。比較結(jié)果顯示，飽和黃土抗液化強(qiáng)度很低。