孔壓靜力觸探在砂土液化評價中的應(yīng)用研究

鄧義龍

(武漢市勘察設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430022)

0 引 言

地震液化是由于地震震動或其他動荷載導(dǎo)致土層強(qiáng)度和剛度降低甚至喪失的現(xiàn)象，在飽和粉細(xì)砂和粉土中尤為明顯[1，2]。土層的地震液化在世界范圍內(nèi)都是一個嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害問題，引起巨大破壞，常見液化表現(xiàn)包括“砂沸”、地表沉降、建筑物傾斜或傾覆、陡坡溜滑、土層側(cè)向擠出等。目前學(xué)界對于地震液化的研究還處于初步階段，這與天然地質(zhì)體的復(fù)雜程度有關(guān)，也與計算方法及實際地震的重復(fù)驗證性差有關(guān)[3]。

盡管如此，對砂土的液化勢評價方法可以歸結(jié)為兩大類。其一為確定性計算方法，Seed等[4]利用定量方法推導(dǎo)出目前最為公認(rèn)的液化評價公式，另一種方法是概率計算方法，Juang[5]和Moss[2]等利用統(tǒng)計學(xué)理論建立了大量的估算液化的概率模型。

本文基于上述兩種計算方法，依托于某跨長江公路連接工程的靜力觸探數(shù)據(jù)進(jìn)行砂土液化判別，分析兩種方法的計算適用性和精確度。

1 基于孔壓靜力觸探的砂土液化基本原理

1.1 確定性計算方法

確定性方法評價砂土液化的主要思想是比較給定深度處的土體的循環(huán)抗力比(CRR)與地震誘發(fā)的循環(huán)應(yīng)力比(CSR)。在地震震級為7.5時，如公式(1)所示：

(1)

式中：amax為地震峰值水平加速度；g為重力加速度；σv0為初始垂直總應(yīng)力；σ′v0為初始垂直有效應(yīng)力；rd為應(yīng)力折減系數(shù)；MFS為震級比例因子。

循環(huán)抗力比CRR采用孔壓靜力觸探數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，如公式(2)、公式(3)所示。

CRRc=0.833[(qc1,N)cs/1000]+0.05 (qc1,N)cs<50

(2)

CRRc=93[(qc1,N)cs/1000]3+0.08 50≤(qc1,N)cs<160

(3)

式中：(qc1,N)cs為針對細(xì)粒含量的標(biāo)準(zhǔn)錐尖阻力修正。

因此，聯(lián)合公式(1)～公式(3)，按公式(4)計算安全系數(shù)Fs進(jìn)行液化勢判別：

Fs=CRR/CSR

(4)

1.2 概率計算方法

循環(huán)應(yīng)力比CSR的計算仍采用公式(1)，循環(huán)抗力比CRR和液化概率分別按公式(5)和公式(6)計算：

(5)

(6)

式中：Φ(PL)為累積正態(tài)分布；Φ-1(PL)為逆累積正態(tài)分布。

qc1=Cqqc

(7)

(8)

式中：Cq為錐尖歸一化系數(shù)；c為歸一化指數(shù)，如公式(9)所示。

(9)

其中：

(10)

2 工程概況

某跨長江公路連接工程起于洪湖市烏林鎮(zhèn)，起點樁號為K20+700，止于赤壁市滄湖開發(fā)區(qū)，終點里程為K31+900，擬訂方案線路全長13.263 km，其中長江大橋總長5.572 km(主橋長1 380 m)。

圖1 場區(qū)地質(zhì)縱斷面

研究區(qū)段的上覆土層主要為①5粉質(zhì)黏土、②2粉細(xì)砂、②3粉細(xì)砂、②4粉細(xì)砂、②5粉細(xì)砂。各砂土層分布穩(wěn)定，厚度均勻。在顆粒組成上，各粉細(xì)砂層的顆粒大小含量差異較大，對于大于0.075 mm且小于0.25 mm的顆粒含量平均值，②2層粉細(xì)砂的最小，為60%，②5層粉細(xì)砂的最大，為80.8%，②3層粉細(xì)砂與②4層粉細(xì)砂的相近，分別為72.6%、77.1%。②2層粉細(xì)砂與②3層粉細(xì)砂的黏粒含量平均值相近，分別為3.8%、4.6%，②4層的黏粒含量平均值最大，為16.3%，②5層的黏粒含量平均值最小，為1.5%。

3 測試成果分析

圖2～圖4分別為孔壓靜力觸探實測錐尖阻力qc、側(cè)摩阻力fs、孔隙水壓力u2隨深度變化曲線。

圖2 錐尖阻力隨深度變化曲線

圖3 側(cè)摩阻力隨深度變化曲線

圖4 孔隙水壓力隨深度變化曲線

在如圖1所示的鉆探揭示地層條件下，在孔壓靜力觸探試驗位置處地層分別為：0～2.00 m為①5層粉質(zhì)黏土、2.0～5.50 m為②2層粉細(xì)砂、5.50～9.50 m為②3層粉細(xì)砂、9.50～15.00 m為②4層粉細(xì)砂、15.00～22.00 m為②5層粉細(xì)砂。從圖2、圖3中可以看出，錐尖阻力與側(cè)摩阻力能夠準(zhǔn)確地反映各地層的力學(xué)特性，不同土層的錐尖阻力曲線呈現(xiàn)不同的斜率和數(shù)值大小變化，連續(xù)測試的數(shù)據(jù)能夠?qū)Φ貙悠鸬骄_的劃分，各土層的平均錐尖阻力和平均側(cè)摩阻力見表1。從圖4中可以看出，各砂層的孔隙水壓力與靜水壓力相近，在10.0～13.00 m范圍內(nèi)波動較大，這與該段的黏粒含量較大有關(guān)，總體上表明各砂層的含黏粒較少，透水性好。

表1 各層錐尖阻力與側(cè)摩阻力平均值

圖5、圖6分別為安全系數(shù)Fs與液化概率PL隨深度的變化。

圖5 安全系數(shù)隨深度變化曲線

圖6 液化概率隨深度變化曲線

從圖中可以看出，無論是利用何種判別方式，把①5層粉質(zhì)黏土判定為不液化土層，都與事實是相符合的，同時也表明，兩種判別方式不僅適用于砂土也適用于一般的土層判別。從圖5中可以看出，②2層粉細(xì)砂其安全系數(shù)皆小于1.0，且數(shù)值起伏波動較小，而②3層粉細(xì)砂、②5層粉細(xì)砂的黏粒含量與②2層粉細(xì)砂相近，但顆粒大小組成不同，②3層粉細(xì)砂、②5層粉細(xì)砂的安全系數(shù)都呈現(xiàn)不同程度的起伏波動，安全系數(shù)基本小于1.00，少部分介于1.00和1.25之間，而②3層粉細(xì)砂與②5層粉細(xì)砂的黏粒含量相近，但各砂層顆粒組成相差較大，小于0.075 mm的顆粒含量平均值按②2層粉細(xì)砂、②3層粉細(xì)砂、②5層粉細(xì)砂依次減小，②3層粉細(xì)砂比②5層粉細(xì)砂的安全系數(shù)離散性更大。由此表明，砂土的顆粒成分組成對砂土的液化勢影響顯著，小于0.075 mm的顆粒含量越大，其具有液化的可能性也越大。另一方面，對比②3層粉細(xì)砂、②4層粉細(xì)砂可知，兩者的顆粒成分組成相近，而黏粒含量前者明顯小于后者，導(dǎo)致后者的安全系數(shù)曲線波動更大，F(xiàn)s最大值為3.51，最小值為0.28，因此黏粒含量也是影響砂土液化勢的重要因素，黏粒含量越低，液化可能性越大。類似地，從圖6中也可以得到相似結(jié)果。

對比圖5和圖6可知，兩種方法對②2層粉細(xì)砂的判別基本一致，而對于②5層粉細(xì)砂，采用確定性計算法，安全系數(shù)Fs基本小于1.0，判別結(jié)果為敏感度高，而采用概率計算方法，則在(0.65，0.85)，(0.65，0.85)區(qū)間都有，判別結(jié)果分別為可能液化和液化，因此，采用概率計算方法的計算結(jié)果更為精細(xì)。對比②4層粉細(xì)砂、②5層粉細(xì)砂，兩者的顆粒成分組成相近，而黏粒含量前者明顯大于后者，概率計算方法對黏粒含量更為敏感。

進(jìn)一步地對比兩種計算方法的精確度，將概率計算方法構(gòu)建為傳統(tǒng)的概率曲線等高線，并將確定性計算的安全系數(shù)Fs=1.0等高線也顯示在圖中，如圖7所示。

圖7 不同方法計算結(jié)果對比

從圖7中可以看出，安全系數(shù)Fs=1.0等高線與液化概率PL=0.3相近，安全系數(shù)對于Fs的判定結(jié)果更為保守。

4 結(jié) 論

本文依托某跨長江公路連接工程的靜力觸探數(shù)據(jù)進(jìn)行砂土液化判別，分析兩種方法的計算適用性和精確度，得出以下結(jié)論：

(1)采用孔壓靜力觸探測試獲得的錐尖阻力與側(cè)摩阻力能夠準(zhǔn)確地反映各地層的力學(xué)特性，連續(xù)測試的數(shù)據(jù)為兩種液化勢判別方法提供了良好的計算基礎(chǔ)。

(2)兩種計算方法皆表明，砂土的顆粒成分組成和黏粒含量對砂土的液化勢影響顯著，細(xì)顆粒含量越大，黏粒含量越少，其具有液化的可能性也越大。

(3)兩種判別方式不僅適用于砂土，也適用于一般的土層判別，相比于確定性計算方法，概率計算方法對黏粒含量更為敏感，且計算結(jié)果更為精細(xì)，前者計算結(jié)果更為保守。