基于CPTu和SPT原位測試的地震液化敏感性分析對比

張衍林，石章入，叢 璐，邱 敏

(1.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學院，重慶 402160；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；3.山西大學電力與建筑學院，山西 太原 030013)

地震液化是在飽和砂土或飽和粉土上建造結(jié)構(gòu)物面臨的主要問題。自1964年以來，人們開展了大量的工作來解釋和評估土體液化。早在1980年，周神根[8]在唐山不同地震烈度地區(qū)進行了100多次試驗，提出了一個用靜力觸探(CPT)判別砂土液化風險的實用方法。但是由于CPT在我國發(fā)展緩慢，這種方法并未推廣開來。1995年，美國格雷格鉆井公司(Gregg)孔壓靜力觸探(CPTu)資深研究學者Robertson[9]在最新論文上對土體液化及其評價進行了詳細的描述和評述。1996年美國國家地震工程研究中心(NCEER)在猶他州鹽湖城舉辦了一場研討會，討論循環(huán)液化評價的最新進展，正式推薦Robertson提出的基于CPTu地震液化評估方法為NCEER標準方法，之后被公認為最廣泛使用的地震液化評估方法。2013年，依托Zhang[10]和Robertson[11]的地震液化案例數(shù)據(jù)，Juang等[12]采用CPTu對地震液化沉降進行了評價，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一個簡化的程序，用于估計在給定工程項目場地超過規(guī)定地基沉降的概率。2017年，段偉等[13]利用CPTu液化判別方法，對港珠澳大橋島隧砂土液化勢進行評估，并與SPT、剪切波速判別液化結(jié)果進行對比驗證，得出基于CPTu液化判別法具有一定優(yōu)勢。

近幾十年，隨著CPT與CPTu技術(shù)在我國的普及，其技術(shù)理論及應(yīng)用價值受到工程界的重視。2013年，童立元[14]率領(lǐng)其團隊開展液化和非液化區(qū)的現(xiàn)場再調(diào)查，采用地震波孔壓靜力觸探(SCPTu)評估了唐山大地震地區(qū)地震再液化風險，并與國內(nèi)液化判別方法進行對比，指出“CPTu技術(shù)被公認為砂土液化最廣泛評價方法，而現(xiàn)今基于CPTu的液化評價方法在我國應(yīng)用較少，也是今后在技術(shù)手段突破后亟需加深研究的方向”。目前我國采用標準貫入試驗(SPT)判別地震液化，是在理論基礎(chǔ)上，通過大量工程實踐數(shù)據(jù)總結(jié)而來，方法單一、應(yīng)用范圍有限、且極少得到工程實踐的驗證[15]，需要對地震液化開展深入研究，服務(wù)于國內(nèi)外工程建設(shè)活動。

本文依托中國企業(yè)在南美洲國家承接的集裝箱碼頭項目，對兩個場地地層的砂土液化勢開展研究。研究方法分為兩種，一種是國際上通用的CPTu方法，另一種是我國規(guī)范推薦的SPT方法。將兩種方法得到的地層砂土液化評估結(jié)果進行對比，驗證了SPT方法的適用性與準確性，為“中國行業(yè)標準走出去”倡議在海外項目上的推行提供借鑒意義。

1 液化敏感性評估方法

1.1 CPTu方法

評估液化敏感性最通用的方法最初由Seed等[16]提出，并由歐洲規(guī)范(Eurocode 8)收錄推薦。該方法將液化安全系數(shù)FSliq作為循環(huán)抗力比(CRR)和循環(huán)應(yīng)力比(CSR)二者的比值，由式(1)表示。CRR是對指定深度處土體抗液化能力的度量，CSR是指定位置上土體的預(yù)期地震作用。

(1)

液化安全系數(shù)FSliq≥1時，表示土體不液化；FSliq<1時，表示土體液化。根據(jù)Seed和Idriss的建議[17]，CSR的計算式如下：

(2)

一個科學的地理信息軟件系統(tǒng)應(yīng)通過建立合理的模型對空間實體的空間定位、屬性及其相互之間的關(guān)系進行描述。因此，該一體化概念模型包括2個模型：GIS軟件的分析型數(shù)據(jù)模型和地圖制圖數(shù)據(jù)模型。

參數(shù)rd是深度的函數(shù)，Boulanger[18]建議將地震震級納入其計算式中，表示如下：

rd=e[α(z)+β(z)·M]

(3)

(4)

(5)

式中：z為深度(m)；M為地震震級，這里指矩震級。

土體抗液化能力由CRR提供，可通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗進行評估。大量工程經(jīng)驗表明，利用孔壓靜力觸探試驗(CPTu)計算CRR最為簡單、方便。根據(jù)Idriss[19]的建議，采用最新的液化潛力評估方法，該方法將實測錐尖阻力調(diào)整為等效純凈砂(cs)錐尖阻力，計算循環(huán)阻力比(CRR)，表示如下：

(6)

式中：qc1Ncs為對應(yīng)于標準化等效純凈砂錐尖阻力。

根據(jù)Idriss的建議，純凈砂的細粒含量(FC)低于5%。該方法中引入細粒百分比反映了細顆粒在土體液化敏感性中的重要性。為便于計算，所有CPTu分析均使用CLiq?軟件進行計算。

對于7.5級以外的地震，循環(huán)應(yīng)力比需要用震級修正標度系數(shù)MSF進行校正。對于其他震級下的CRR，可以乘以震級修正標度系數(shù)MSF來獲得，即：

CRR=CRR7.5·MSF

(7)

本研究中，根據(jù)Idriss的推薦，考慮土體類型，MSF的計算式表示如下：

對于砂性土：

(8)

對于黏性土：

(9)

1.2 SPT方法

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[20]，當飽和砂土、粉土需要進一步液化判別時，應(yīng)采用標準貫入試驗判別地面以下20 m深度范圍內(nèi)土體的液化趨勢；當飽和土標準貫入錘擊數(shù)小于或等于液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值時，應(yīng)判為液化土。

地面以下20 m深度范圍內(nèi)，液化判別標準貫入擊數(shù)臨界值計算式如下：

(10)

(11)

式中：Ncr為液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數(shù)基準值，可按表1取值；N60為修正后標貫擊數(shù)；ds為飽和土標準貫入點深度(m)；dw為地下水埋深(m)；ρc為黏粒含量百分率，當為砂土或小于3時，取3；β為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計地震第1組取0.8，第2組取0.95，第3組取1.05。

表1 標貫擊數(shù)基準值取值

2 案例分析

2.1 項目概況及地層分布

擬建的集裝箱碼頭位于玻利瓦爾港，是厄瓜多爾海岸最南端的港口，它位于埃爾奧羅省圣羅莎河口入口東側(cè)，主要用于出口香蕉和大蝦。為了獲取現(xiàn)場地質(zhì)與巖土特征信息，在陸地與海上開展了大量鉆孔與CPTu測試，鉆孔過程中進行了密集SPT測試及取芯。揭露主要地層自上而下分別為：淤泥、黏土、粉砂、黏土、粉砂、黏土、密砂、密實粉砂等，砂土和黏土相互交錯，鉆孔深度范圍內(nèi)沒有揭示巖層。

高地震活動區(qū)、厚剖面的近期沖積砂層的存在是觸發(fā)液化的必要條件，根據(jù)厄瓜多爾抗震規(guī)范TheNationalEcuadorianNorm-PeligroSismico-DisenoSismoResistente，項目區(qū)位于第V區(qū)，最大地震震級8.8級，基本峰值加速度值(475 a重現(xiàn)期)為0.40g，地表加速度0.48g，屬于地震高發(fā)區(qū)，地層存在明顯地震液化風險。

2.2 測試結(jié)果及地層評價

為了排除地層差異性造成的影響，從大量勘察孔中選取了兩組相鄰的鉆孔與CPTu孔(圖1)。其中鉆孔B_7與靜探孔CPTu-9位于場地西北角，鉆孔揭示地下水埋深0.9 m；鉆孔E_5與靜探孔CPTu-13位于場地南邊，鉆孔揭示地下水埋深1.6 m。

圖1 CPTu與SPT測試點平面分布

圖2顯示在這兩個位置獲取的標準貫入測試結(jié)果，包括土體剖面與標準貫入阻力N60。根據(jù)取芯結(jié)果可知，兩個位置的土體剖面差異性很大，鉆孔B_7揭示表層黏土較淺，厚度約2 m，往下為厚度約20 m的粉細砂地層、粉質(zhì)黏土地層；而鉆孔E_5揭示表層厚度約為6 m的黏土層，往下為厚度約5 m的粉細砂層、厚度約為5 m的中砂層，再往下為厚度約12 m的黏土層。兩個位置都是典型的海相沉積地層，黏土與砂土相互交錯。

圖2 地層分布與標貫擊數(shù)

兩個位置的前30 m深度范圍內(nèi)地層，標準貫入阻力值均不超過15擊。其中，鉆孔B_7中粉質(zhì)黏土段SPT擊數(shù)較為平均，約為10擊；其他深度范圍內(nèi)SPT擊數(shù)非常離散，無法通過SPT擊數(shù)來區(qū)分不同土體類別。鉆孔E_5中SPT多集中在5～10擊，黏土SPT平均擊數(shù)接近5，砂土SPT平均擊數(shù)接近10；兩個SPT極值出現(xiàn)在5 m和17 m深度處，5 m深度處SPT大于10，17 m深度處SPT為0，這是因為兩個試驗點處于不同類別土體的分界面上；5 m之上為黏土、之下為砂土，下伏硬層能夠為SPT提供持力層，導(dǎo)致SPT偏大；17 m之上為砂土、之下為黏土，軟弱下臥層無法為SPT提供支撐，導(dǎo)致SPT偏小。

圖3、4分別為兩個位置靜探孔CPTu-9和CPTu-13測試結(jié)果，包括錐尖阻力qt、摩阻比Rf、孔隙水壓力u和土體行為類型(SBT)指數(shù)Ic，Ic在1～9代表不同土體類型指數(shù)。同樣，兩個位置的土體無論在結(jié)構(gòu)上還是強度上，都存在較大差異。從錐尖阻力曲線來看，CPTu-9揭示黏土地層并不明顯，不是典型的直線段，表明黏土中夾雜粉細砂；粉細砂地層錐尖阻力曲線起伏波動較大，特別是5～8 m深度范圍內(nèi)qt值明顯高于其他地層，最大qt值達到14 MPa。靜探孔CPTu-13錐尖阻力曲線分段非常明顯，自上而下可以清晰地辨別出黏土、砂土及黏土地層，黏土地層是典型直線段，表明黏粒含量高，純度較好；砂土地層中粉細砂與中砂錐尖阻力區(qū)別比較明顯，各段曲線起伏變化小，最大qt值為8 MPa。

圖3 CPTu-9測試曲線與土體分類

2.3 試驗場地液化敏感性評價

將圖2中的土體剖面分別與圖3、4中土體特性剖面進行比較，可知土體劃分大體一致，只是CPTu曲線記錄了更多土體信息，并將土體分類進行了細化。如鉆孔B_7揭示中間土層為粉細砂，而CPTu結(jié)果揭示出粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土及粉質(zhì)砂土的互層情況；孔E_5揭示中間土層為粉細砂和中砂，而CPTu結(jié)果揭示了砂質(zhì)粉土的存在，并清晰地表明了3種土體的具體位置及厚度。

此外，CPTu結(jié)果揭示了砂層中黏土/粉土薄層的存在。通過靜水壓力線上方的孔隙水壓力曲線，CPTu清晰地揭示了這些薄層的位置。黏土/粉土的存在必然會對液化條件下土體的響應(yīng)產(chǎn)生影響。

根據(jù)這些測試結(jié)果，對液化敏感性進行評價?；赟PT和CPTu，對兩個位置不同深度處的抗液化安全系數(shù)進行深入計算，結(jié)果見圖5、6。整個深度方向安全系數(shù)值均較低，表明兩個位置都存在較厚的易液化土層。圖5中有兩個點例外，即6.0～7.5 m深度處FSliq大于1，單從SPT擊數(shù)曲線無法解釋，但是從CPTu曲線可知該處為中砂-粗砂，qt值達到最大，沒有液化的風險。

圖5 場地1抗液化安全系數(shù)

根據(jù)兩種評估方法，獲得了一致的評估結(jié)果，且SPT和CPTu測得的FSliq絕對值差異較小。兩個鉆探孔的FSliq平均值分別為0.43和0.48，兩個靜探孔中與標貫測試點相同深度的FSliq平均值分別為0.41和0.35，總體上CPTu測試結(jié)果更偏于保守。但是，基于CPTu的FSliq的可變性比SPT大，這種可變性源于CPTu試驗方法提供更詳細的土體特征，即揭示了細粒土和粗粒土的互層關(guān)系。

圖6 場地2抗液化安全系數(shù)

3 結(jié)論

1)通過對比兩個鉆孔的標貫擊數(shù)與地層分布可知，很難通過SPT擊數(shù)來區(qū)分不同土體類別，一方面是因為標貫測試無法克服排水條件的限制，另一方面是標貫測試容易受到土體界面的影響，標貫擊數(shù)表現(xiàn)出很大的差異性。

2)與鉆孔取芯相比，CPTu曲線記錄了更多土體信息，并將土體分類進行了細化。通過比較孔隙水壓力曲線與靜水壓力直線的位置，可以直觀地識別出砂土層中黏土/粉土薄層的位置，為砂土液化評估提供更詳細的依據(jù)。

3)利用SPT與CPTu測試方法，對兩個位置的土層砂土液化勢進行評估，獲取了一致的評估結(jié)果，總體上CPTu評估結(jié)果更偏于保守。CPTu揭示了更詳細的土體特征，也導(dǎo)致基于CPTu的FSliq計算結(jié)果可變性更大。