基于原位試驗(yàn)的砂土地震液化判別方法對(duì)比分析

張 林

(大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116023)

在地震地面運(yùn)動(dòng)過程中，飽和砂性土孔隙水壓力增加引起的抗剪強(qiáng)度或剛度降低引起明顯的永久性位移，甚至使土的有效應(yīng)力近于零，應(yīng)看作是液化。從20世紀(jì)60年代開始，人們致力于用系統(tǒng)性的工程方法對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行評(píng)價(jià)，現(xiàn)行的土壤液化判別方法比預(yù)測(cè)液化后果的方法更為成熟[1]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于液化判別的方法多使用原位試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算。

用于判別土壤液化的原位試驗(yàn)有標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)試驗(yàn)(SPT)、靜力觸探試驗(yàn)(CPT)、剪切波速度試驗(yàn)(vs)、貝克貫入試驗(yàn)(BPT)及動(dòng)力觸探試驗(yàn)(DPT)等，這幾種方法已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍用于評(píng)價(jià)地震液化判別。不同的原位試驗(yàn)適用于不同的地質(zhì)條件及土壤類型，對(duì)于非礫石土壤主要通過SPT、CPT、vs進(jìn)行液化判別[2]，其判別公式有廣泛的數(shù)據(jù)支撐和豐富的經(jīng)驗(yàn)；BPT、DPT可用于礫性土液化判別，在土壤液化評(píng)價(jià)中的使用頻率遠(yuǎn)低于SPT和CPT。

根據(jù)歐洲規(guī)范，針對(duì)液化可能性的評(píng)價(jià)至少應(yīng)包括現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)試驗(yàn)(SPT)或靜力觸探試驗(yàn)(CPT)及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定土顆粒粒徑分布曲線。本文主要對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外規(guī)范利用SPT及CPT的液化判別計(jì)算公式，為相關(guān)海外工程提供借鑒。

1 國(guó)內(nèi)規(guī)范

我國(guó)規(guī)范中判別液化公式主要是根據(jù)SPT來計(jì)算，較少使用CPT。SPT操作簡(jiǎn)單且與土壤液化性質(zhì)之間的數(shù)據(jù)較CPT更為豐富，應(yīng)用廣泛；而CPT數(shù)據(jù)連續(xù)、誤差小。目前國(guó)內(nèi)外采用的判別公式都是經(jīng)驗(yàn)方法，均存在自身的局限性。因此在進(jìn)行土壤液化判別時(shí)，采用多種計(jì)算方法綜合判別，有利于深層次理解地震液化，并采取相應(yīng)的抗震措施，減少地震液化對(duì)工程產(chǎn)生的危害。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)試驗(yàn)(SPT)

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]首先根據(jù)地震烈度、地質(zhì)年代、粉土的黏粒含量、上覆非液化土層厚度和地下水位深度之間的關(guān)系初步判斷是否需要進(jìn)行液化判別。若需判別，在地面下20 m深度范圍內(nèi)，應(yīng)根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m)；dw為地下水位(m)；ρc為黏粒含量百分率，當(dāng)小于3%或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3%；β為調(diào)整系數(shù)。

當(dāng)飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)(未經(jīng)桿長(zhǎng)修正)小于或等于Ncr時(shí)，應(yīng)判為液化土。對(duì)存在液化砂土層、粉土層的地基，應(yīng)探明液化土層的深度和厚度，并計(jì)算液化指數(shù)評(píng)估液化等級(jí)，根據(jù)液化的嚴(yán)重程度采取相應(yīng)的抗液化措施。

1.2 靜力觸探試驗(yàn)(CPT)

《巖土工程勘察規(guī)范》[4]提供了利用CPT的判別液化的公式，該公式是根據(jù)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。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小于液化臨界值Pscr或qccr時(shí)，應(yīng)判別為液化土。

2 國(guó)外判別方法

目前國(guó)外判別液化公式主要是基于Seed和Idriss[5]提出的簡(jiǎn)化方法。1996年，Youd等[6]專家召集了一個(gè)由國(guó)家地震工程研究中心(NCEER)主辦的研討會(huì)，回顧了過去10年的發(fā)展，目的就是更新和完善簡(jiǎn)化方法。國(guó)內(nèi)大部分關(guān)于地震液化判別的論文亦是使用NCEER推薦的Seed和Idriss方法。Boulanger等[7]對(duì)無黏性土的CPT和SPT液化評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了重新研究，提出了改進(jìn)方法，該方法也常被一些國(guó)外咨工使用。

上述兩種方法計(jì)算過程大體一致，主要是一些參數(shù)取值不同。計(jì)算公式均是根據(jù)SPT和CPT數(shù)據(jù)，計(jì)算土層的循環(huán)應(yīng)力比CSR和循環(huán)抗力比CRR，當(dāng)安全系數(shù)FS大于1.25[8]，則認(rèn)為土層非液化。

3 NCEER方法

3.1 安全系數(shù)FS

(2)

式中：MSF為震級(jí)比例因子；Kσ為豎向有效壓力修正系數(shù)；CRR7.5為地震震級(jí)為7.5 級(jí)(矩震級(jí))的循環(huán)抗力比；CSR為循環(huán)應(yīng)力比。

最初的震級(jí)比例因子是通過將一個(gè)給定震級(jí)對(duì)應(yīng)的加載循環(huán)次數(shù)的代表性曲線上的CSR值除以15個(gè)加載循環(huán)(相當(dāng)于7.5級(jí)地震)得到的。

Idriss等[9]對(duì)震級(jí)比例因子進(jìn)行了修訂，由下式計(jì)算：

MSF=102.24/M2.56

(3)

式中：M為地震矩震級(jí)。

根據(jù)公式(3)，CSR與導(dǎo)致液化的循環(huán)次數(shù)之間的代表性關(guān)系見圖1。NCEER推薦采用公式(3)計(jì)算MSF，但對(duì)于震級(jí)小于7.5級(jí)的情況，公式(3)計(jì)算較為保守，NCEER將其作為下限值，上限值則建議采用Andrus[10]的方法。不同研究者定義的比例因子值見表1。

圖1 CSR與導(dǎo)致液化循環(huán)次數(shù)之間的代表性關(guān)系

表1 不同研究者定義的比例因子值

Hynes等[11]編輯和分析了一個(gè)擴(kuò)大的數(shù)據(jù)庫(kù)，為Kσ的取值提供指導(dǎo)和計(jì)算公式：

(4)

3.2 循環(huán)應(yīng)力比(CSR)

(5)

式中：amax為地震動(dòng)峰值加速度；σvo為土體計(jì)算深度處豎向總應(yīng)力；g為重力加速度。

隨著深度的增加γd取值范圍變大，根據(jù)Liao等[12]公式計(jì)算的γd為平均值：

(6)

式中：z為地表以下深度(m)。

對(duì)于z>23 m的情況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均給出了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，Robertson等[13]認(rèn)為γd=0.744-0.008z(23 m

3.3 循環(huán)抗力比(CRR)

與循環(huán)應(yīng)力比不同，循環(huán)抗力比計(jì)算是利用歷史上基于原位試驗(yàn)地震液化數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，因此不同學(xué)者的擬合公式及計(jì)算參數(shù)有較大區(qū)別。

3.3.1標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)試驗(yàn)(SPT)

Seed等[14]基于歷史數(shù)據(jù)繪制的CRR和(N1)60關(guān)系曲線見圖2。由圖2可知，隨著細(xì)顆粒含量增加，CRR明顯增加。這種增加是否由液化阻力的增加或貫入阻力的減少引起尚不清楚。NCEER在此基礎(chǔ)上，對(duì)于較低(N1)60處的曲線彎曲至約0.05。

圖2 基于液化案例歷史數(shù)據(jù)的7.5級(jí)地震SPT凈砂基礎(chǔ)曲線

NCEER推薦采用Rauch的公式(7)擬合圖2的曲線。

(7)

式中：CRR7.5為地震震級(jí)為7.5級(jí)(矩震級(jí))的循環(huán)抗力比；(N1)60為將實(shí)測(cè)貫入擊數(shù)修正為上覆荷載為100 kPa、能效比為60%的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)。

公式(7)適用于(N1)60<30。對(duì)于(N1)60≥30，干凈的顆粒狀土壤密度太大，不能液化，被歸類為不可液化。

對(duì)于圖2中FC(細(xì)粒含量)大于5%的情況，NCEER建議采用下式將(N1)60修正為(N1)60cs，以(N1)60cs代替(N1)60進(jìn)行公式(7)計(jì)算。

(N1)60cs=α+β(N1)60

(8)

式中：α與β為調(diào)整參數(shù)，根據(jù)細(xì)粒含量采用分段函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)FC≤5%，α=0，β=1；當(dāng)FC≥35%，α=5，β=1.2；當(dāng)5%

除了細(xì)粒含量會(huì)影響(N1)60的結(jié)果外，一些儀器參數(shù)也會(huì)影響到(N1)60取值，(N1)60計(jì)算見下式：

(N1)60=NmCNCECBCRCS

(9)

式中：Nm為實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)；CN為標(biāo)準(zhǔn)貫入的超荷修正系數(shù)；CE為錘擊能量比校正系數(shù)(ER)；CB為鉆孔直徑修正系數(shù)；CR為桿長(zhǎng)校正系數(shù)；CS為帶襯管或不帶襯管的取樣器的校正系數(shù)。

NCEER早前的論文集公布了CN≤2.0，但最新的推薦公式將CN最大值限制在1.7。根據(jù)Liao 和Whitman，CN由以下公式計(jì)算：

(10)

Kayen等[15]提出了公式(11)。NCEER認(rèn)為公式(11)更適合Seed和Idriss等[16]指定的原始曲線。

(11)

這兩個(gè)方程都可用于常規(guī)工程應(yīng)用。對(duì)于其他修正系數(shù)參考文獻(xiàn)[8]。

3.3.2靜力觸探試驗(yàn)(CPT)

Robertson和Wride 根據(jù)CPT數(shù)據(jù)繪制的CRR曲線(FC≤5%)見圖3。雖然個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)并沒有在相應(yīng)曲線一側(cè)，但根據(jù)研究和驗(yàn)證，該曲線整體可靠性較高。

圖3 基于CPT數(shù)據(jù)和歷史經(jīng)驗(yàn)液化數(shù)據(jù)計(jì)算CRR的推薦曲線

(12)

式中：(qc1N)cs為純凈砂的歸一化錐尖阻力。當(dāng)(qc1N)cs大于160，則認(rèn)為土層非液化。

歸一化錐尖阻力qc1N根據(jù)CPT測(cè)量的qc計(jì)算，并根據(jù)土壤類型和深度進(jìn)行校正。

(qc1N)cs=qc1N·Kc

(13)

qc1N=Cq(qc/Pa)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中：Ic為土體類型指標(biāo)參數(shù)；fs為側(cè)壁摩阻力；Q為歸一化無因次錐尖阻力；F為歸一化摩擦系數(shù)。

基于CPT的(qc1N)cs計(jì)算，首先是區(qū)分土壤類型，假設(shè)n=1，如果Ic>2.6，則將土壤劃分為黏土，并認(rèn)為其不能液化，計(jì)算結(jié)束；如果Ic<2.6，那么土壤可能是顆粒狀的，需重新計(jì)算。

假設(shè)n=0.5，如果Ic<2.6，那么土壤為砂性土，計(jì)算結(jié)束；如果Ic>2.6，土壤可能是粉質(zhì)的，也可能是砂性的，需重新計(jì)算。

假設(shè)n=0.7，得到新的Ic，結(jié)束計(jì)算。得到n和Ic后，可計(jì)算Cq和Kc。Robertson提出的基于CPT的土類型見圖4。

注：1.靈敏細(xì)粒土；2.有機(jī)土壤-泥炭；3.黏土：粉質(zhì)黏土-黏土；4.粉土混合物：黏質(zhì)粉土-粉質(zhì)黏土；5.砂混合物：粉砂-砂質(zhì)粉土；6.砂：純凈砂-粉砂；7.礫砂-密實(shí)砂；8.非常硬的砂-黏土砂；9.極硬細(xì)砂。

4 Boulanger和Idriss方法

4.1 安全系數(shù)FS和循環(huán)應(yīng)力比(CSR)

Boulanger和Idriss的FS和CSR的計(jì)算公式與NCEER相同，但MSF、γd、Kσ取值不同。

(18)

NCEER方法MSF僅與震級(jí)有關(guān)；而Boulanger和Idriss計(jì)算的MSF除了與震級(jí)有關(guān)，還與(qC1N)cs和(N1)60cs有關(guān)。當(dāng)M<7.5，(qC1N)cs≥180或(N1)60cs≥31.5時(shí)，Boulanger和Idriss計(jì)算的MSF偏小，F(xiàn)S亦偏保守。

應(yīng)力折減系數(shù)由以下公式計(jì)算而出：

γd=exp[α(z)+β(z)·M]

(19)

NCEER方法僅考慮了深度的影響，而Boulanger和Idriss考慮了震級(jí)的修正，計(jì)算更為精確。對(duì)于M=7.5的情況，當(dāng)深度大于9.15 m時(shí)，Boulanger和Idriss計(jì)算的γd明顯大于NCEER方法，會(huì)使CSR偏大、FS偏小。

豎向有效壓力修正系數(shù)由以下公式計(jì)算得出：

(20)

對(duì)于CPT試驗(yàn)，

(21)

對(duì)于SPT試驗(yàn)，

(22)

通過將(qc1N)cs限制為≤211和(N1)60cs≤37，可以將系數(shù)Cσ限制為0.3的最大值。與MSF類似，Boulanger和Idriss方法將(qC1N)cs和(N1)60cs引入到Kσ計(jì)算中。

4.2 循環(huán)抗力比(CRR)

4.2.1標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)試驗(yàn)(SPT)

(23)

(N1)60cs=(N1)60+Δ(N1)60

(24)

(25)

式中：Δ(N1)60為根據(jù)細(xì)顆粒含量的對(duì)(N1)60進(jìn)行的修正值。

(N1)60cs直接利用經(jīng)驗(yàn)公式(24)(25)進(jìn)行計(jì)算，F(xiàn)C越小，公式計(jì)算的(N1)60cs與NCEER方法計(jì)算的結(jié)果相差越大。因此根據(jù)歐洲規(guī)范當(dāng)深度小于3 m時(shí)，(N1)60值應(yīng)降低25%。經(jīng)過設(shè)備參數(shù)修正的(N1)60計(jì)算與NCEER相同，見公式(9)，但是標(biāo)準(zhǔn)貫入的超荷修正系數(shù)CN由公式(26)迭代計(jì)算，即m值需要根據(jù)(N1)60cs計(jì)算，得到CN后，根據(jù)公式(9)計(jì)算(N1)60，最后迭代得出(N1)60cs。

(26)

(27)

4.2.2靜力觸探試驗(yàn)(CPT)

(28)

(qC1N)cs計(jì)算步驟與(N1)60cs相同，同樣需要根據(jù)FC進(jìn)行修正。

(qC1N)cs=qC1N+ΔqC1N

(29)

(30)

(31)

式中：ΔqC1N為根據(jù)細(xì)顆粒含量對(duì)qC1N進(jìn)行的修正值；CNe為修正系數(shù)，物理意義與公式(26)相同，但m=1.338-0.249(qC1N)cs0.264。

5 對(duì)比分析

北非某擬建港區(qū)大部分處于河口匯水盆地淺灘，原狀地形自南向西北傾斜，水深在0～40 m。根據(jù)地勘報(bào)告鉆孔揭露，Z系列鉆孔(SPT)主要在淺水區(qū)，孔頂高程約為-10 m，巖面較深；B系列鉆孔(CPT)主要集中在深水區(qū)，孔頂高程約為-35 m，巖面較淺。

在判別項(xiàng)目范圍內(nèi)地震液化整體趨勢(shì)時(shí)，首先對(duì)兩個(gè)系列鉆孔進(jìn)行初步判斷，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)系列鉆孔均存在液化土層，見圖5、6。Z系列鉆孔液化土層主要集中在表層和軟弱夾層，B系列鉆孔液化土層分布于鉆孔表層，巖面以上土層基本呈液化狀態(tài)。

圖5 Z系列鉆孔液化判別(SPT)

圖6 B系列鉆孔液化判別(CPT)

為了對(duì)比兩種國(guó)外方法計(jì)算的安全系數(shù)差異，采用兩個(gè)代表性的SPT和CPT鉆孔進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，見圖7。在判別是否液化時(shí)，兩種方法的結(jié)果是一致的。利用SPT鉆孔計(jì)算出的安全系數(shù)也基本一致。而依據(jù)CPT鉆孔判別，雖然均判斷為液化土層，但Boulanger和Idriss方法較為保守。

圖7 不同計(jì)算方法液化判別安全系數(shù)

研究表明，NCEER 方法對(duì)預(yù)測(cè)液化和非液化的可靠性均在80%以上。而Boulanger和Idriss方法從深度、細(xì)顆粒含量、上覆土壓力等方面改進(jìn)NCEER方法，安全余量較大，但工程實(shí)踐較少。

國(guó)內(nèi)規(guī)范CPT判別法沒有考慮上覆應(yīng)力對(duì)CPT錐尖阻力的影響，且計(jì)算CPT錐尖阻力臨界值偏于保守。SPT判別法沒有考慮到黏粒含量對(duì)抗液化強(qiáng)度的影響。因此，國(guó)內(nèi)判別液化方法更為保守。

Boulanger和Idriss方法相較于其他方法，既能滿足安全性又兼顧經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，本項(xiàng)目國(guó)外咨工亦推薦采用此方法。為了保持一致性，本項(xiàng)目選用Boulanger和Idriss方法對(duì)原始鉆孔進(jìn)行液化判別。并根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)類型和地質(zhì)條件選取無填料振沖方法進(jìn)行地基處理。

為了滿足結(jié)構(gòu)安全性，在進(jìn)行地基處理后的土層進(jìn)行工程驗(yàn)收時(shí)，無填料振沖法效果同樣采用原位試驗(yàn)來檢驗(yàn)。使用SPT操作簡(jiǎn)單，且與土壤液化性質(zhì)之間的數(shù)據(jù)較CPT更為豐富，應(yīng)用廣泛。而使用CPT錐尖阻力與摩阻比指標(biāo)可以建立土類分類圖，土體粒組劃分、可塑性都能得到很好的反映。并且，CPT由于數(shù)據(jù)連續(xù)、操作誤差小，近來隨著歷史地震數(shù)據(jù)的積累，也逐漸成為一種液化判別的常規(guī)手段。

6 結(jié)論

1)基于SPT試驗(yàn)，NCEER 方法和Boulanger和Idriss方法安全系數(shù)差別不大；基于CPT試驗(yàn)，后者較為保守。NCEER方法對(duì)預(yù)測(cè)液化和非液化的可靠性較高，國(guó)際認(rèn)可度較高。而Boulanger方法是在簡(jiǎn)化方法和大量研究與經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)的，既安全又經(jīng)濟(jì)，對(duì)國(guó)外工程適應(yīng)性較強(qiáng)。

2)在進(jìn)行地基處理后的土層進(jìn)行工程驗(yàn)收時(shí)，使用SPT操作簡(jiǎn)單，且與土壤性質(zhì)之間的數(shù)據(jù)較CPT更為豐富，應(yīng)用廣泛。而使用CPT則數(shù)據(jù)連續(xù)、操作誤差小。

3)根據(jù)歐洲規(guī)范，針對(duì)液化可能性的評(píng)價(jià)至少應(yīng)包括SPT或CPT及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定土顆粒粒徑分布曲線。有條件的情況下，宜采用兩種以上方法進(jìn)行計(jì)算并相互驗(yàn)證，并建立相關(guān)關(guān)系，可為相關(guān)工程提供借鑒。