天津地鐵雙橋靜力觸探評(píng)價(jià)土層液化分析研究

姜 祺

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251）

0 引言

天津市地處華北，地形自西北向東南逐漸降低，地貌為海積—沖積濱海平原及洼地，上部大部分被第四系沉積物覆蓋，其中液化土層對(duì)天津地鐵項(xiàng)目的建設(shè)產(chǎn)生了較大的影響。對(duì)于土層是否液化及液化等級(jí)的判別，一直是地鐵建設(shè)工程界探討的重點(diǎn)。目前提出的評(píng)價(jià)地層液化的方法有很多，包括標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法、剪切波速法、臨界震動(dòng)加速度法、臨界孔隙比法、靜力觸探法和綜合指標(biāo)法等[1-7]。研究結(jié)果表明，影響砂土液化的因素眾多，包括土的性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、地震作用和排水條件等。每種評(píng)估方法都有一定的適用范圍，因此，存在試驗(yàn)指標(biāo)可信度和液化判別精確度問(wèn)題[8]。

雙橋靜力觸探目前在工程勘察中被廣泛應(yīng)用，其具有速度快、穩(wěn)定性好、精度高、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，能夠連續(xù)地劃分土層。本文針對(duì)天津地鐵在建項(xiàng)目中的14?個(gè)工點(diǎn)，采用雙橋靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入和鉆探取樣相結(jié)合的方法，研究天津土層液化特性，提出了依據(jù)雙橋靜力觸探進(jìn)行液化初判公式，得到了雙橋靜力觸探摩阻比和黏粒含量的關(guān)系，并通過(guò)與常規(guī)液化判定方法對(duì)比，分析了雙橋靜力觸探試驗(yàn)方法判定液化在天津地鐵工程建設(shè)中的可行性。

1 試驗(yàn)場(chǎng)地土層特點(diǎn)

天津市區(qū)地基土層為第四系海陸交互沉積的松散沉積物，20??m?深度范圍內(nèi)的土層按其成因可分為新近沉積層（0～11??m）、晚期沖積層（0～4??m）、中期淺海堆積層（4～14??m）及早期沖積層（14～20??m）。各層中均有可液化土層分部，一般與黏性土層交錯(cuò)疊層存在，不同區(qū)域厚度變化較大，從幾十厘米到幾米不等。其中埋深?3～12??m?范圍內(nèi)海河等古河道及洼淀新近沉積的粉土呈稍密狀態(tài)，地震時(shí)易液化[9]。

正是由于沉積地貌的特點(diǎn)，粉黏互層的現(xiàn)象在天津地層中普遍存在，這對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的準(zhǔn)確性造成了一定影響，加之其本身受孔徑大小、鉆進(jìn)方式及人為因素影響，使得同一土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入指標(biāo)統(tǒng)計(jì)離散性較大。天津地鐵工程統(tǒng)計(jì)資料表明，在同一場(chǎng)地條件下，同一土層的同一深度，其相鄰勘探孔之間標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)最多可相差?50%。這種情況下，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入判別法會(huì)導(dǎo)致判別結(jié)果的離散性大且不穩(wěn)定。

在天津地區(qū)這種粉黏互層的地層中，黏粒含量是判別土層是否為黏性土的重要指標(biāo)。規(guī)范中采用的靜力觸探試驗(yàn)方法進(jìn)行液化判定，主要是通過(guò)計(jì)算貫入阻力psca或qcca后，與其臨界值比較，判定是否為液化土[10]。這種方法并沒(méi)有直接考慮黏粒含量對(duì)液化判別的影響，使得其難以充分反應(yīng)天津地區(qū)粉黏互層的地層液化特征。

2 雙橋靜力觸探試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)選取天津地鐵在建工程?14?個(gè)工點(diǎn)，共布置試驗(yàn)點(diǎn)?62?處、試驗(yàn)孔數(shù)?218?孔，各工點(diǎn)試驗(yàn)情況見(jiàn)表?1。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)均嚴(yán)格按照操作規(guī)程要求進(jìn)行雙橋靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入和鉆探取樣，孔深全部大于?20??m。每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的原樣及擾樣進(jìn)行常規(guī)物性試驗(yàn)和室內(nèi)顆分試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)點(diǎn)分布及項(xiàng)目 孔

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 雙橋靜力觸探指標(biāo)特征分析

經(jīng)過(guò)對(duì)本次雙橋靜力觸探試驗(yàn)指標(biāo)的綜合分析，天津市區(qū)范圍內(nèi)粉黏互層的地層呈現(xiàn)出較為統(tǒng)一的指標(biāo)特征，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面。

（1）黏粒含量較高的黏土及粉質(zhì)黏土，錐尖阻力qc的平均值較小。隨地層深度增加，qc變幅較小，曲線較平滑。

（2）黏粒含量較少的砂質(zhì)粉土及粉砂，qc的平均值較大，隨地層深度增加qc值略有浮動(dòng)，曲線呈長(zhǎng)鋸齒狀，峰值較小。

（3）具有一定黏粒含量的黏質(zhì)粉土中，qc值一般介于以上的（1）和（2）之間。隨地層深度增加qc曲線呈短鋸齒狀，當(dāng)顆粒不均勻時(shí)峰值變化加劇，局部為不規(guī)則殘破大鋸齒狀。

雙橋靜力觸探中，摩阻比Rf可由公式（1）計(jì)算得到：

式（1）中，fs為雙橋靜力觸探試驗(yàn)側(cè)摩阻力，MPa；qc為雙橋靜力觸探試驗(yàn)錐尖阻力，MPa。

本次試驗(yàn)各土層的摩阻比Rf、側(cè)摩阻力fs及錐尖阻力qc的統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表?2。對(duì)于天津市內(nèi)地區(qū)，土層黏粒含量越少qc值越大，摩阻比Rf隨黏粒含量的增加而增加。

表2 不同土層的 qc 與 Rf 指標(biāo)

2.2.2 摩阻比Rf、錐尖阻力qc及地層液化初判

本次試驗(yàn)地處天津市區(qū)北部，根據(jù)?GB?18306-2015《震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》的區(qū)域劃分，本場(chǎng)地地震烈度為Ⅷ度，動(dòng)峰值加速度值為?0.20g。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的規(guī)定，對(duì)于Ⅷ度區(qū)場(chǎng)地，非淺埋基礎(chǔ)的第四系全新統(tǒng)（Q4）地層，其黏粒含量大于?13%?時(shí)，可初判為不液化。本文將本次試驗(yàn)成果按地層分類(lèi)進(jìn)行初判，并結(jié)合摩阻比Rf和錐尖阻力qc，給出了試驗(yàn)點(diǎn)分布及其分界線，見(jiàn)圖1。根據(jù)圖?1，其分界線可表示為式（2）：

式（2）中各符號(hào)意義同前。

圖1 分類(lèi)地層液化初判分區(qū)圖

2.2.3 摩阻比Rf與黏粒含量ρc的關(guān)系

本次試驗(yàn)中，觸探摩阻比Rf與黏粒含量ρc呈現(xiàn)特定的線性關(guān)系，見(jiàn)圖?2。從圖?2?中可以看到，Rf與ρc存在如下關(guān)系：

式（3）中，ρc為土層的黏粒含量百分率，%。

圖2 摩阻比與黏粒含量的關(guān)系

3 雙橋靜力觸探液化判定評(píng)價(jià)

本文使用文獻(xiàn)[10]、[12]中的方法來(lái)計(jì)算觸探錐尖阻力臨界值qccr。該方法是以地震現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)建立起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)公式，提出了在一定地震烈度條件下，場(chǎng)地的飽和砂土發(fā)生液化時(shí)所對(duì)應(yīng)的雙橋觸探液化臨界錐尖阻力qccr的計(jì)算方法，其判別式表達(dá)為：

式（4）～（7）中，qccr為液化錐尖阻力臨界值，MPa；du為上覆非液化土層厚度，m；dw為地下水位深度，m；qc0為地下水深度=?2??m、上覆非液化土層厚度?=?2??m時(shí)的飽和土液化判別錐尖阻力基準(zhǔn)值，MPa；αw為地下水位埋深dw修正系數(shù)；αu為上覆非液化土層厚度du修正系數(shù)；αp為與雙橋靜力觸探摩阻比有關(guān)的土性修正系數(shù)。

計(jì)算得到的qccr與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到的qc之比，可得到液化土層的液化指數(shù)IE，IE可用來(lái)重新評(píng)價(jià)場(chǎng)地的液化等級(jí)。表?3?中，14?個(gè)工點(diǎn)的巖土勘察報(bào)告中均采用規(guī)范常規(guī)方法判定的場(chǎng)地液化等級(jí)，與本次采用雙橋靜力觸探方法相比，結(jié)論偏于保守。根據(jù)地方經(jīng)驗(yàn)，本文的判別方法得出的場(chǎng)地液化評(píng)價(jià)更為接近實(shí)際，也較為合理。

表3 雙橋靜力觸探法與常規(guī)方法液化判定結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

（1）由于天津地區(qū)新近沉積層多為粉黏互層，其液化影響因素較為復(fù)雜，黏粒含量為其中較為重要的因素，此時(shí)采用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)貫入方法來(lái)判定土層液化存在一定的局限性。

（2）雙橋靜力觸探指標(biāo)中，錐尖阻力qc與摩阻比Rf都與黏粒含量ρc存在一定的關(guān)系。隨著ρc的增加，qc值減少，Rf增加，其中Rf與ρc呈線性關(guān)系。

（3）常規(guī)方法評(píng)價(jià)場(chǎng)地液化等級(jí)偏于保守，采用雙橋靜力觸探方法評(píng)價(jià)場(chǎng)地土液化等級(jí)與實(shí)際更為接近，具有一定的可行性，可供天津地區(qū)其他地鐵工程參考使用。