1976 年唐山大地震CPT 液化數(shù)據(jù)庫(kù)重構(gòu)1

董 林 桑志心 王 蕾 夏 坤 吳平川

（河北工程大學(xué), 土木工程學(xué)院, 河北邯鄲 056038）

引言

基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)指標(biāo)的液化判別方法是半經(jīng)驗(yàn)半理論方法。歷史地震數(shù)據(jù)的積累，對(duì)液化判別方法的改進(jìn)意義重大。近年來，對(duì)歷史地震液化數(shù)據(jù)庫(kù)的收集與整理，受到了越來越多的重視。而在歷次地震中，1976年唐山大地震CPT 液化數(shù)據(jù)庫(kù)較特殊。

1976 年唐山大地震在唐山與天津地區(qū)引起了范圍廣、災(zāi)害嚴(yán)重的液化震害。地震發(fā)生后，研究人員對(duì)液化場(chǎng)地進(jìn)行了2 次靜力觸探測(cè)試，1977?1978 年使用單橋CPT 進(jìn)行了第1 次測(cè)試（劉恢先，1985），由于單橋CPT 數(shù)據(jù)指標(biāo)存在缺陷，且與國(guó)際不接軌（孟高頭等，2000），2007 年中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所與東南大學(xué)等單位對(duì)唐山地區(qū)部分測(cè)試點(diǎn)又進(jìn)行了1 次CPTU 測(cè)試（邱毅，2008；Moss 等，2011）。

基于第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)，Moss 等（2011）和Boulanger 等（2014）先后給出了唐山大地震CPT 液化數(shù)據(jù)庫(kù)。但由于2 次試驗(yàn)相隔30 年，城市建設(shè)日新月異、地下水位變化及測(cè)試點(diǎn)重新定位誤差，影響了新CPTU 數(shù)據(jù)的代表性。王蕾等（2021）對(duì)2 次測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過30 年的時(shí)間，絕大多數(shù)測(cè)試點(diǎn)的液化層強(qiáng)度與埋深均發(fā)生了較大變化。因此，第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)液化點(diǎn)土層力學(xué)性質(zhì)的代表性存疑。鑒于此，本文利用我國(guó)規(guī)范方法和NCEER 推薦方法對(duì)基于2 次測(cè)試的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行液化判別，通過分析判別結(jié)果，結(jié)合2 次測(cè)試數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，重新構(gòu)建唐山大地震CPT 液化數(shù)據(jù)庫(kù)。

1 基于2 次測(cè)試數(shù)據(jù)的CPT 液化數(shù)據(jù)庫(kù)

王蕾等（2021）對(duì)唐山地區(qū)2 次測(cè)試的16 個(gè)共同測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，剔除了錯(cuò)誤點(diǎn)，并對(duì)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)正確的測(cè)試點(diǎn)選取了液化層。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，分別建立了基于2 次測(cè)試數(shù)據(jù)的唐山大地震CPT 液化數(shù)據(jù)庫(kù)，如表1～3 所示。

表1 基于第1 次CPT 測(cè)試的中國(guó)規(guī)范方法唐山大地震液化數(shù)據(jù)庫(kù)Table 1 CPT-based liquefaction database from the first test according to Chinese code methods

1.1 液化判別方法

1.1.1 中國(guó)規(guī)范CPT 液化判別方法

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（2009 年版）（GB 50021?2001）（中華人民共和國(guó)建設(shè)部等，2004）第

5.7.9 條條文說明，《94 規(guī)范》曾規(guī)定，采用靜力觸探試驗(yàn)判別，是根據(jù)唐山地震不同烈度區(qū)的試驗(yàn)資料，用判別函數(shù)法統(tǒng)計(jì)分析得出的，已納入鐵道部《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》，適用于飽和砂土和飽和粉土的液化判別；具體規(guī)定是：當(dāng)實(shí)測(cè)計(jì)算比貫入阻力ps或?qū)崪y(cè)計(jì)算錐尖阻力qc小于液化比貫入阻力臨界值pscr或液化錐尖阻力臨界值qccr時(shí)，應(yīng)判別為液化土，并按下列公式計(jì)算：

表2 基于第2 次CPTU 測(cè)試的中國(guó)規(guī)范方法唐山大地震液化數(shù)據(jù)庫(kù)Table 2 CPT-based liquefaction database from the second CPTU test according to Chinese code methods

表3 基于第2 次CPTU 測(cè)試的NCEER 推薦方法唐山大地震液化數(shù)據(jù)庫(kù)Table 3 CPT-based liquefaction database from the second CPTU test according to NCEER methods

式中，pscr、qccr分別為飽和土靜力觸探液化比貫入阻力臨界值及錐尖阻力臨界值（MPa）；ps0、qc0分別為地下水深度dw=2 m，上覆非液化土層厚度（計(jì)算時(shí)應(yīng)將淤泥和淤泥質(zhì)土層厚度扣除）du=2 m 時(shí)，飽和土液化判別比貫入阻力基準(zhǔn)值和液化判別錐尖阻力基準(zhǔn)值（MPa），可按表4 取值，10 度區(qū)基準(zhǔn)值可按規(guī)范原始文獻(xiàn)取值（周神根，1980）；αw為地下水位埋深修正系數(shù)，地面常年有水且與地下水有水力聯(lián)系時(shí)，取1.13；αu為上覆非液化土層厚度修正系數(shù)，對(duì)于深基礎(chǔ)，取1.0；αp為與靜力觸探摩阻比Rf（側(cè)摩阻力fs與錐尖阻力qc的比值）有關(guān)的土性修正系數(shù)，可按表5 取值。

表4 比貫入阻力和錐尖阻力基準(zhǔn)值ps0、qc0Table 4 Liquefied reference value of specific penetration resistance ps0 and cone tip resistance

表5 土性修正系數(shù)αp 值Table 5 Values of soil property correction factor αp

1.1.2 NCEER 推薦Robertson 液化判別方法

Robertson 的CPT 液化判別方法是NCEER 推薦方法（Youd 等，2001）。Robertson 等（1998）建立了基于CPT 指標(biāo)的土質(zhì)分類圖及液化判別方法，首先構(gòu)建土類指數(shù)Ic：

式中，Q為歸一化錐尖阻力；F為歸一化摩阻比；σv0為 總上覆壓力；σ′v0為有效上覆壓力；Pa為1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；n為應(yīng)力指數(shù)。

從砂土到黏土n值取為0.5～1.0，具體確定方法如下：首先假設(shè)n取1.0，由式（5）～式（7）計(jì)算Ic，如果Ic＞2.6，則土為黏土，n即為1.0，如果Ic＜2.6，則改取n為0.5，帶入式（5）～式（7）重新計(jì)算Ic，如果此時(shí)Ic＜2.6，則n確定為0.5，如果Ic＞2.6，則應(yīng)取n為0.7，并帶入式（5）～式（7）重新計(jì)算Ic。

n值確定后，通過下列公式對(duì)錐尖阻力qc進(jìn)行上覆有效壓力修正：

對(duì)于淺層土，由于有效上覆壓力小，計(jì)算上覆壓力修正系數(shù)CQ值可能較大，NCEER 專家組（Youd 等，2001）建議CQ值≤1.7。

對(duì)于含細(xì)粒砂性土，由土類指數(shù)Ic計(jì)算細(xì)粒修正系數(shù)Kc，方法如下：

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

1.2 數(shù)據(jù)庫(kù)液化判別

分別利用上述2 個(gè)液化判別方法對(duì)唐山地區(qū)砂土CPT 液化數(shù)據(jù)庫(kù)（表1～3）中的數(shù)據(jù)進(jìn)行液化判別，判別結(jié)果如圖1～3 所示。

圖1 中國(guó)規(guī)范方法對(duì)第1 次測(cè)試數(shù)據(jù)的判別結(jié)果Fig. 1 Identification results for the first CPT test data using Chinese code methods

從液化判別結(jié)果來看，我國(guó)規(guī)范方法對(duì)第1 次測(cè)試數(shù)據(jù)ps指標(biāo)的判別成功率較高，對(duì)液化點(diǎn)的判別成功率為81.82%，對(duì)非液化點(diǎn)的判別成功率為100%，僅將液化點(diǎn)T6 和T7 判別為非液化；我國(guó)規(guī)范方法對(duì)第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)qc指標(biāo)的判別成功率較低，對(duì)液化點(diǎn)的判別成功率為54.55%，對(duì)非液化點(diǎn)的判別成功率為50%，將液化點(diǎn)判別為非液化的有T1、T6、T8、T12-2 和T15，將非液化點(diǎn)判別為液化的有T5和T9；NCEER 推薦方法對(duì)第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)的液化點(diǎn)判別成功率為72.73%，對(duì)非液化點(diǎn)判別成功率為25%，將液化點(diǎn)判別為非液化的有T6、T14 和T15，將非液化點(diǎn)判別為液化的有T4、T5 和T9。

針對(duì)液化判別方法對(duì)第1 次測(cè)試數(shù)據(jù)判別結(jié)果優(yōu)于對(duì)第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)判別結(jié)果的現(xiàn)象，總結(jié)原因?yàn)榈? 次測(cè)試是地震后次年（1977 年）進(jìn)行的，當(dāng)時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)液化點(diǎn)土層力學(xué)性質(zhì)具有較好的代表性，而第2 次測(cè)試是于地震后30 年（2007 年）進(jìn)行的，30 年的時(shí)間唐山市完成了震后重建，且高速發(fā)展的城市建設(shè)對(duì)地下土層造成不同程度的影響，第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)液化點(diǎn)土層力學(xué)性質(zhì)的代表性存疑。

2 2 次測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比與分析

2.1 第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)的合成

通過對(duì)比2 次測(cè)試數(shù)據(jù)，部分測(cè)試點(diǎn)液化層第2 次實(shí)測(cè)錐尖阻力qc大于第1 次實(shí)測(cè)比貫入阻力ps，這是不正常的，且多數(shù)測(cè)試點(diǎn)液化層的上覆非液化層厚度發(fā)生了變化。為更好地對(duì)比2 次測(cè)試數(shù)據(jù)，本文將第2次測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，得到第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)的合成ps值，具體計(jì)算過程如下：

式中，Qc和Pf分別為錐尖總阻力和側(cè)壁總摩阻力；P為總貫入阻力；A和F分別為錐底截面面積和側(cè)壁摩擦筒表面積；qc為錐尖阻力；fs為側(cè)壁摩阻力；ps為比貫入阻力。

第2 次測(cè)試使用的孔壓靜力觸探探頭的錐底截面積為10 cm2，側(cè)壁摩擦筒表面積為150 cm2（邱毅，2008）。利用式（16）求得各測(cè)試點(diǎn)液化層的合成ps值，如表6 所示。

表6 基于第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)合成的ps 值Table 6 Composed ps values from second CPTU test data

2.2 2 次測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

將利用上述公式合成的ps（表6）與第1 次測(cè)試的ps（表1）進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表7 所示，2 次測(cè)試得到的上覆非液化層厚度對(duì)比如表8 所示，中國(guó)規(guī)范方法對(duì)第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)合成ps指標(biāo)（第2 次測(cè)試ps與第2次測(cè)試du）的判別結(jié)果如圖4 所示。

表8 上覆非液化層厚度對(duì)比Table 8 Thickness comparison of the overlying non-liquefied layer

由表7、表8 可知，絕大多數(shù)測(cè)試點(diǎn)的ps值和上覆非液化層厚度du均發(fā)生了變化。由圖2、圖4 可知，基于第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)不同指標(biāo)的液化判別結(jié)果基本相同，僅有部分測(cè)試點(diǎn)受側(cè)壁摩阻力fs的影響，位置發(fā)生了小幅度移動(dòng)。這說明我國(guó)CPT 液化判別方法中基于ps指標(biāo)和基于qc指標(biāo)的液化判別式具有較好的一致性。

圖2 中國(guó)規(guī)范方法對(duì)第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)的判別結(jié)果Fig. 2 Identification results for the second CPTU test data using Chinese code methods

圖4 中國(guó)規(guī)范方法對(duì)第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)合成ps 指標(biāo)的判別結(jié)果Fig. 4 Identification results for the composed ps values based on second CPTU test using Chinese code methods

第2 次測(cè)試相對(duì)于第1 次測(cè)試而言，上覆非液化層厚度du和比貫入阻力ps均發(fā)生了變化，為分析其對(duì)液化判別結(jié)果的影響程度，以控制變量法進(jìn)行分析。

2.2.1 上覆非液化層厚度對(duì)判別結(jié)果的影響

由表8 可知，除T1、T4、T7、T9、T10、T15、T16 測(cè)試點(diǎn)上覆非液化層厚度變化較大外，其他測(cè)試點(diǎn)變化均較小。其中，上覆非液化層厚度變大的測(cè)試點(diǎn)有T1、T4、T6、T8、T10、T11、T12-1 和T12-2，上覆非液化層厚度變小的測(cè)試點(diǎn)有T5、T7、T9、T13、T15 和T16，上覆非液化層厚度不變的測(cè)試點(diǎn)為T14。

控制比貫入阻力ps不變，即利用第1 次測(cè)試的ps和第2 次測(cè)試的du進(jìn)行液化判別，判別結(jié)果如圖5 所示。對(duì)比圖1 和圖5，分析上覆非液化層厚度（液化層埋深）對(duì)判別結(jié)果的影響。由圖1、圖5 可知，上覆非液化層厚度變化較大的測(cè)試點(diǎn)，在判別結(jié)果圖中均沿y軸方向發(fā)生了顯著移動(dòng)，其中，上覆非液化層厚度變大的測(cè)試點(diǎn)均向下移動(dòng)，而上覆非液化層厚度變小的測(cè)試點(diǎn)均向上移動(dòng)。但上覆非液化層厚度的變化未顯著改變判別結(jié)果，可見本次上覆非液化層厚度的變化對(duì)液化判別結(jié)果的影響較小，不是主要因素。

圖5 基于第1 次測(cè)試ps 與第2 次測(cè)試du 的液化判別結(jié)果Fig. 5 Identification results for the first test ps and second test du

2.2.2 比貫入阻力對(duì)判別結(jié)果的影響

由表7 可知，經(jīng)30 年的變化，T1、T6、T8、T10、T12-2、T14、T15、T16 測(cè)試點(diǎn)的ps值增大，而T4、T5、T7、T9 測(cè)試點(diǎn)的ps值減小，T12-1 和T13 測(cè)試點(diǎn)的ps值幾乎不變。

控制上覆非液化層厚度du不變，即利用第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)合成的ps與第1 次測(cè)試的du進(jìn)行液化判別，結(jié)果如圖6 所示。對(duì)比圖1 和圖6，分析比貫入阻力ps（液化層強(qiáng)度）對(duì)判別結(jié)果的影響。由圖1、圖6 可知，ps值變大的測(cè)試點(diǎn)在判別結(jié)果圖中的位置均向右移動(dòng)，而ps值變小的測(cè)試點(diǎn)在液化判別結(jié)果圖中的位置均向左移動(dòng)，T12-1 和T13 測(cè)試點(diǎn)的位置幾乎未變化。由圖2、圖6 可以看出其判別結(jié)果基本一致。

圖6 基于第2 次測(cè)試ps 與第1 次測(cè)試du 的液化判別結(jié)果Fig. 6 Identification results for the second test ps and first test du

由此可知，土體強(qiáng)度變化是造成2 次測(cè)試判別成功率相差較大的主要原因，這也說明經(jīng)過30 年，唐山地區(qū)各測(cè)試點(diǎn)的液化層土體強(qiáng)度已發(fā)生較大變化，土層液化可能性也發(fā)生了較大變化，基于第2 次CPTU 測(cè)試數(shù)據(jù)建立的液化數(shù)據(jù)庫(kù)，可靠度較低，并不能代表1976 年唐山大地震時(shí)的液化情況。

3 第1 次測(cè)試數(shù)據(jù)分解

第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)不能代表地震時(shí)土層的力學(xué)性質(zhì)，而第1 次測(cè)試數(shù)據(jù)由于指標(biāo)缺陷，不能通過目前使用較多、判別效果較好的土質(zhì)分類圖及液化判別方法進(jìn)行分析，無法對(duì)液化判別方法的改進(jìn)提供實(shí)質(zhì)性的數(shù)據(jù)支持?；谏鲜雒埽瑢⒌? 次測(cè)試的數(shù)據(jù)指標(biāo)ps分解為qc和fs，利用分解得到的qc和fs對(duì)第1 次測(cè)試數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)充完善。

3.1 分解方法與結(jié)果

王蕾等（2021）進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)30 年的變化，正確測(cè)試點(diǎn)土層力學(xué)性質(zhì)雖發(fā)生了變化，但其土層土類并未改變，可認(rèn)為摩阻比Rf未發(fā)生較大變化。因此，本文將第2 次測(cè)試得到的摩阻比Rf當(dāng)作第1次測(cè)試時(shí)各土層的摩阻比，利用式（17）和式（18）推導(dǎo)得到式（19），將第1 次測(cè)試所得ps分解為qc和fs。這樣得到的qc和fs雖有誤差，但相比第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)更具代表性。具體計(jì)算公式如下：

將第1 次測(cè)試的比貫入阻力ps和第2 次測(cè)試的摩阻比Rf代入式（17）與式（19），得到各測(cè)試點(diǎn)的分解qc和fs，如表9 所示。

表9 基于第1 次測(cè)試數(shù)據(jù)ps 的分解qc 與fs 指標(biāo)Table 9 qc and fs values decomposed from the first test ps data

3.2 基于分解數(shù)據(jù)的液化判別

將表9 中的分解數(shù)據(jù)及第1 次測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)土層埋深條件（表1）代入中國(guó)規(guī)范方法和NCEER 推薦方法，判別結(jié)果分別如圖7、圖8 所示。

圖7 中國(guó)規(guī)范方法對(duì)第1 次測(cè)試數(shù)據(jù)分解指標(biāo)的判別結(jié)果Fig. 7 Identification results for decomposed data from the first test using Chinese code methods

圖8 NCEER 推薦方法對(duì)第1 次測(cè)試數(shù)據(jù)分解指標(biāo)的判別結(jié)果Fig. 8 Identification results for decomposed data from the first test using NCEER methods

由圖1、圖7 可知，利用中國(guó)規(guī)范方法對(duì)分解指標(biāo)qc的判別結(jié)果與基于第1 次測(cè)試ps指標(biāo)的判別結(jié)果幾乎一致，反映出由ps分解得到的qc和fs具有較高的可靠性。通過對(duì)比圖2 與圖7、圖3 與圖8 的判別結(jié)果可知，基于第1 次測(cè)試ps分解指標(biāo)的液化判別結(jié)果優(yōu)于基于第2 次測(cè)試指標(biāo)的液化判別結(jié)果。

圖3 NCEER 推薦方法對(duì)第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)的判別結(jié)果Fig. 3 Identification results for the second CPTU test data using NCEER methods

液化判別的優(yōu)良效果證明利用第1 次測(cè)試數(shù)據(jù)ps分解得到的qc和fs較第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)更具代表性。

3.3 基于第1 次測(cè)試分解數(shù)據(jù)的唐山大地震CPT 液化數(shù)據(jù)庫(kù)

本文建議利用第1 次測(cè)試數(shù)據(jù)ps分解得到的qc和fs對(duì)第1 次測(cè)試數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)充完善，基于第1 次測(cè)試分解數(shù)據(jù)的中國(guó)規(guī)范方法、NCEER 推薦方法CPT 液化數(shù)據(jù)庫(kù)分別如表10、表11 所示。

表10 基于第1 次測(cè)試分解數(shù)據(jù)的中國(guó)規(guī)范方法CPT 液化數(shù)據(jù)庫(kù)Table 10 CPT-based liquefaction database from the first test decomposed data according to Chinese code methods

表11 基于第1 次測(cè)試分解數(shù)據(jù)的NCEER 推薦方法CPT 液化數(shù)據(jù)庫(kù)Table 11 CPT-based liquefaction database from the first test decomposed data according to NCEER methods

4 結(jié)論

（1）本文首先給出了基于2 次測(cè)試數(shù)據(jù)的唐山大地震CPT 液化數(shù)據(jù)庫(kù)，利用我國(guó)規(guī)范方法和NCEER推薦方法對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了液化判別，發(fā)現(xiàn)針對(duì)第1 次測(cè)試數(shù)據(jù)的判別成功率較高，而針對(duì)第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)的判別成功率較低。這是因?yàn)榻?jīng)30 年的時(shí)間，絕大多數(shù)測(cè)試點(diǎn)的液化層強(qiáng)度與埋深均發(fā)生了較大變化，土層液化可能性已發(fā)生較大變化。因此，基于第2 次CPTU 測(cè)試的液化數(shù)據(jù)庫(kù)可靠性較低，對(duì)液化判別方法的改進(jìn)意義較小。

（2）為直接對(duì)比2 次靜力觸探數(shù)據(jù)，本文將第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)qc和fs進(jìn)行了合成，將2 次測(cè)試數(shù)據(jù)的ps進(jìn)行了對(duì)比，用控制變量法分析了不同因素對(duì)液化判別結(jié)果的影響，得出各測(cè)試點(diǎn)土層強(qiáng)度的變化是導(dǎo)致2次測(cè)試數(shù)據(jù)液化判別結(jié)果不同的主要原因，而上覆非液化層厚度的改變對(duì)液化判別結(jié)果的影響較小。

（3）本文利用第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)摩阻比Rf對(duì)第1 次測(cè)試數(shù)據(jù)ps進(jìn)行分解，分解為qc和fs指標(biāo)。液化判別結(jié)果表明，相比第2 次測(cè)試數(shù)據(jù)，分解指標(biāo)具有更高的可靠性。因此，本文建議使用分解指標(biāo)qc和fs，彌補(bǔ)第1 次測(cè)試指標(biāo)的缺陷，未來對(duì)CPT 液化判別方法進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，建議使用本文基于第1 次測(cè)試分解數(shù)據(jù)的唐山大地震CPT 液化數(shù)據(jù)庫(kù)。