原位測試在砂土地基液化判別中的應(yīng)用

苗 峰

(中國建筑第八工程局有限公司， 上海 200135)

原位測試在砂土地基液化判別中的應(yīng)用

苗 峰

(中國建筑第八工程局有限公司， 上海 200135)

在砂土或粉土地區(qū)，判定地基土液化可能性是巖土工程設(shè)計(jì)中的一個重要課題。目前，獲得高質(zhì)量“原狀”砂土樣不僅取樣困難而且試驗(yàn)成本較高，且大多判定方法是基于定性研究的基礎(chǔ)上。飽和砂土地震液化的定量化研究是一個具有挑戰(zhàn)性的研究課題。文章以扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，結(jié)合靜力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，對天津市西青區(qū)砂土地基的地震液化進(jìn)行了判別和對比。對比結(jié)果表明原位測試試驗(yàn)在砂土地基液化判別中具有操作簡單、人為誤差小和結(jié)果可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)； 靜力觸探； 標(biāo)準(zhǔn)貫入； 砂土液化

飽和的砂土或粉土在地震作用下，由于孔隙水壓力的上升，部分或完全抵消土骨架承擔(dān)的有效應(yīng)力，從而發(fā)生地震液化，這種現(xiàn)象往往是導(dǎo)致地基失穩(wěn)和上部結(jié)構(gòu)受損的直接原因之一。如何準(zhǔn)確合理地判別地基土的液化及液化危險(xiǎn)等級，一直受到巖土工程界的高度重視。

工程界提出了一系列評定地基土液化可能性的方法[1-5]，研究結(jié)果表明影響土體地震液化的因素有土性條件、應(yīng)力狀態(tài)、地震作用和排水條件等。因此，每種方法適用范圍不同，這就存在著試驗(yàn)指標(biāo)的可靠度和液化判別精度的問題[6]。

而原位測試技術(shù)業(yè)已成為巖土工程勘察中不可缺少的技術(shù)手段之一。1975年Marchetti介紹了扁鏟側(cè)脹儀測試(Dilatometer test，簡稱DMT)，這是巖土工程勘測中一種先進(jìn)的原位測試方法[8-9]。國內(nèi)外的專家和學(xué)者還將其測試結(jié)果用于判斷砂性土的液化等[10-11]。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法由于其操作簡便、直觀等優(yōu)點(diǎn)，在工程界應(yīng)用最為廣泛。我國的各類抗震規(guī)范也主要采用此方法。但標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)對于夾有薄層黏性土的砂土、粉土地基的液化判別較為保守，而靜力觸探法可對不易取樣的飽和砂土、砂質(zhì)粉土、高靈敏性軟土以及土層豎向變化復(fù)雜、不易密集取樣的土層可在現(xiàn)場快速地測得土層對觸探頭的貫入阻力qc、探頭側(cè)壁與土體的摩擦阻力fs等參數(shù)，該法不但能較好地反映原位土體的力學(xué)性質(zhì)，直接用于土類劃分、土體強(qiáng)度指標(biāo)換算、液化判別等，而且能夠較好地反映土中黏粒含量等物理性質(zhì)。

本文首先根據(jù)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的成果，采用seed簡化公式對所研究區(qū)域的砂土地基進(jìn)行液化判別，然后結(jié)合靜力觸探的測試成果，統(tǒng)計(jì)分析了錐尖阻力qc、摩阻比fs與土層黏粒含量的相關(guān)關(guān)系，并根據(jù)土體原位測試強(qiáng)度指標(biāo)，再依據(jù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)分析了該場地中的單孔砂土液化可能性，建立了該場地地層土錐尖阻力qc與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N63.5的相關(guān)關(guān)系曲線。通過該曲線，可判定砂土是否液化及液化等級，得出定性、定量標(biāo)準(zhǔn)。

1 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)基本原理

扁鏟探頭是由一塊長240mm、寬96mm、厚15mm的鋼板制成的，下端稍有彎曲地逐漸變窄，形成96mm寬的邊緣。其平直邊的一側(cè)有一圓形鋼膜，直徑60mm，減壓時(shí)與鋼板貼成一個平面。在鋼膜后側(cè)施加氣壓可使鋼膜膨脹。試驗(yàn)時(shí)將接在探桿上的扁鏟探頭以20mm/s的速度貫入土中，每貫入0.2m進(jìn)行膨脹測試。施加氣壓，使位于扁鏟探頭的圓形鋼膜向土內(nèi)膨脹，量測鋼膜膨脹到一個特殊位置(A、B、C)時(shí)的壓力。

壓力A，膜片中心離開基座，水平地壓入周圍土中0.05～0.07mm膜片內(nèi)氣壓值；壓力B，膜片中心外移達(dá)1.10±0.03mm膜片內(nèi)的氣壓值；壓力C，膜片中心外移1.10mm后，緩慢排氣，使膜片回縮接觸基座時(shí)作用在膜片內(nèi)的氣壓值(圖1)。

圖1 扁鏟鏟頭形狀示意

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)，首先應(yīng)對壓力A、B、C進(jìn)行修正，其修正公式為：

(1)

式中：P1為膜中心外移1.10mm時(shí)的修正壓力；P0為膜中心無外移時(shí)的修正壓力；P2為膜中心外移后又收縮到初始外移0.05mm時(shí)的修正壓力；Zm為壓力表零讀數(shù)(大氣壓下)；ΔA、ΔB分別為大氣壓下標(biāo)定膜片中心外移0.05mm和1.10mm所需的壓力。扁脹試驗(yàn)指標(biāo)中扁脹模量、水平應(yīng)力指數(shù)、扁脹指數(shù)、扁脹孔壓指數(shù)可分別按下列公式計(jì)算：

ED=34.7(P1-P0)

(2)

KD=(P0-u0)/σv0

(3)

ID=(P1-P0)/(P0-u0)

(4)

UD=(P2-u0)/(P0-u0)

(5)

式中：u0為試驗(yàn)深度處靜水壓力(kPa)；σV0為試驗(yàn)深度處土的有效上覆壓力(kPa)。

2 試驗(yàn)場區(qū)工程地質(zhì)概況

工程建場地位于天津市西青區(qū)天津高新區(qū)(華苑科技園區(qū))，屬于華北平原東部濱海平原地貌，屬海相與陸相交互沉積地層。地下水位埋深一般在地面下0.50～1.00m，各地基土層的基本物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

本文試驗(yàn)場地基本覆蓋了砂土液化場地上的主要工點(diǎn)，試驗(yàn)深度均超過15m。為了增強(qiáng)對比度，鉆孔取樣與室內(nèi)液塑限、顆分試驗(yàn)的試驗(yàn)點(diǎn)位于CPT測試點(diǎn)附近，典型的CPT試驗(yàn)結(jié)果和土層剖面見圖2。

3 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)結(jié)果分析

在上述試驗(yàn)場地內(nèi)選取了BCB1#、BCB2#和BCB3#3個位置的扁鏟試驗(yàn)，試驗(yàn)深度分別為21.00m、22.50m、20.50m，試驗(yàn)點(diǎn)的間距為50mm。具有代表性的KD與深度H之間的關(guān)系見圖2。

表1 試驗(yàn)場地土層的物理力學(xué)性質(zhì)

研究表明，側(cè)脹壓力差△P和比貫入阻力只之間存在著某種線性關(guān)系[8]。根據(jù)扁鏟的水平應(yīng)力指數(shù)可以很靈敏地檢驗(yàn)地基土的密實(shí)度，其數(shù)值與靜力觸探的結(jié)果非常接近，具有直觀反映土性變化的特點(diǎn)。

由扁脹指數(shù)與深度的關(guān)系曲線可以看出，場區(qū)內(nèi)試驗(yàn)土層的水平應(yīng)力指數(shù)KD(即扁鏟受到的初始水平有效應(yīng)力與垂直有效應(yīng)力之比)基本上在2附近或以上。

4 液化判別分析

(6)

根據(jù)Weber-Fechner提出的公式：

lgamax=I/2-0.6

(7)

式中：amax為地震作用下地面最大加速度(cm/s2)；I為地震烈度。

若地震烈度按Ⅷ度來考慮，則地面達(dá)到的最大加速度amax=0.8105g。Seed公式可簡化為：

γD=1-0.009 h

由圖3可知，本次評價(jià)的個別試驗(yàn)點(diǎn)會發(fā)生輕微液化，但大部分試驗(yàn)點(diǎn)不會發(fā)生液化，故尚需結(jié)合靜力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)來綜合判別。

(a)BCB1#試驗(yàn)孔

(b)BCB2#試驗(yàn)孔

(c)BCB3#試驗(yàn)孔

圖3 試驗(yàn)點(diǎn)液化評價(jià)

5 靜力觸探判別地基液化的方法

基于CPT測試資料地基液化判別方法，國內(nèi)外學(xué)者推導(dǎo)了一系列的判別公式，如按“震級”考慮的seed簡化法[12]、Robertson法[13]和Olsen法[14]。Olsen法發(fā)展了使用錐尖阻力和側(cè)摩阻力來預(yù)測液化阻力的方法，然而，計(jì)算結(jié)果的精確度非常有必要進(jìn)行檢驗(yàn)。目前，究竟哪一種方法更好，還沒有得出一致的結(jié)論[15]。

《巖土工程勘察規(guī)范》(2001)中基于CPT測試資料的判別方法是以地震實(shí)測資料為基礎(chǔ)建立起來的經(jīng)驗(yàn)公式，其判別砂土液化表達(dá)式為：

pscr=ps0awauap

(8)

qccr=qc0awauap

(9)

aw=1-0.065(dw-2)

(10)

au=1-0.050(du-2)

(11)

式中：pscr、qccr為飽和土CPT液化比貫入阻力臨界值和錐尖阻力臨界值(MPa)；dw為地下水位深度；du為上覆非液化土層厚度；ps0、qc0分別為地下水深度dw=2m、上覆非液化土層厚度du=2m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)；aw為地下水位深度dw的修正系數(shù)，取aw=1.13；au為覆非液化土層厚度du的修正系數(shù)，對于深基礎(chǔ)，取au=1.0；ap為與CPT摩阻比有關(guān)的土性修正系數(shù)。

當(dāng)實(shí)測比貫入阻力或錐尖阻力小于觸探液化比貫入阻力臨界值或觸探液化錐尖阻力臨界值時(shí)，應(yīng)判別為液化土，否則砂土不液化。

5.1 黏粒含量的確定方法

目前，在靜力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的液化判別式中，黏粒含量主要是通過室內(nèi)土工試驗(yàn)來確定的，但由于取樣的代表性不足、試驗(yàn)方法的差異以及人為因素等均對黏粒含量的測定結(jié)果影響較大。而黏土顆粒對于地震液化具有阻滯作用，這可通過1976年我國唐山地震得到充分反映，即：由于黏土顆粒的存在，出現(xiàn)標(biāo)貫數(shù)較低的地區(qū)不液化，而標(biāo)貫數(shù)較高(黏土顆粒含量較少)的地區(qū)反而液化的“錯位”現(xiàn)象。在我國的現(xiàn)行規(guī)范中均考慮了黏粒含量對液化判別的影響[1-2]。

5.2 土層摩阻比Rf與黏粒含量的相關(guān)性

由式(12)計(jì)算雙橋CPT的摩阻比：

Rf=fs/qc×100%

(12)

圖4 黏粒含量ρc與Rf關(guān)系

圖5 天津西青區(qū)場地CPT典型試驗(yàn)結(jié)果示例

從靜力觸探曲線可以看出摩阻比Rf隨著粘粒含量ρc的增加而增加，土的黏粒含量越高，Rf值越大，這個規(guī)律性也可從文獻(xiàn)[6]中得以佐證。本次試驗(yàn)測定的黏粒含量ρc與Rf關(guān)系見圖4。從圖4中可以看出，土層摩阻比與黏粒含量有較好的線性相關(guān)關(guān)系。

根據(jù)圖4，ρc與Rf存在著如式(13)的線性相關(guān)關(guān)系。

ρc=6.97,Rf=0.77

(13)

對于該試驗(yàn)場地，典型的靜力觸探曲線如圖5所示，從圖中可以看出，兩者與土性的關(guān)系曲線基本一致。

5.3 錐尖阻力臨界值的計(jì)算

雙橋CPT試驗(yàn)的錐尖阻力臨界值可按式(14)計(jì)算。

(14)

式中：qccr為錐尖阻力臨界值；qc0為錐尖阻力標(biāo)準(zhǔn)值， 對于Ⅶ度地震烈度，可取qc0為2.35MPa[16]；ρc為黏粒含量，可根據(jù)式(13)計(jì)算。

根據(jù)現(xiàn)場CPT的測試成果，按式(14)對各土層進(jìn)行液化判別計(jì)算，地下水位按接近自然地面計(jì)算，判別結(jié)果如表2所示。表中同時(shí)也列出了由標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和剪切波速試驗(yàn)的綜合判別結(jié)果。從表2可以看出1、3、4、5點(diǎn)與標(biāo)貫判別結(jié)果不同，鑒于靜力觸探測試的連續(xù)性強(qiáng)、精度高、人為因素影響較小，而且可考慮薄夾層粉土對液化判別的影響，因此，這就有必要建立CPT和SPT之間的相關(guān)關(guān)系，以加強(qiáng)對地基液化進(jìn)行綜合判別。

6 CPT與SPT之間的相關(guān)關(guān)系

對于使用CPT與SPT試驗(yàn)綜合判別砂土的液化，Roberston(1983)等在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，歸納出了不同粒徑組合的qc-N的相關(guān)關(guān)系曲線，通過該曲線可判別是否為可液化土，進(jìn)而根據(jù)相關(guān)關(guān)系式，可得出可液化土的定性、定量判別標(biāo)準(zhǔn)。對于本文試驗(yàn)場地，圖6表示不同土性錐尖阻力qc與N的相關(guān)關(guān)系，表2給出了兩者的綜合判別結(jié)果。

表2 液化判別結(jié)論對比

圖6 標(biāo)貫擊數(shù)N與錐尖阻力qc的相關(guān)關(guān)系曲線

從圖6中可以看出，對于粉土，qc/N=3.4～4.4；對于砂土，qc/N=4.2～5.2。通過以上各式，可由qc/N靜力觸探曲線解譯出可能液化土層錐尖阻力qc。

7 結(jié)論

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)連續(xù)性強(qiáng)，離散性小，速度高，而且經(jīng)濟(jì)，可減少一些人為因素的影響，因而可作為判別地基土液化的一種有效方法，且多種方法聯(lián)合使用，能夠提高評估地基液化勢的可靠性。通過分析，可得出以下結(jié)論：

(1)對于本場區(qū)，扁鏟側(cè)脹原位試驗(yàn)是可行的，可以一次獲得多個評價(jià)土性的試驗(yàn)參數(shù)，試驗(yàn)參數(shù)分析結(jié)果能從靜力觸探試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等得到較好的驗(yàn)證。

(2)扁鏟側(cè)脹儀試驗(yàn)的成果是半經(jīng)驗(yàn)的，推導(dǎo)的適合于計(jì)算平均動應(yīng)力比的Seed簡化公式，能夠用于對不同地震烈度下砂土液化可能性的判別。

(3)對于靜力觸探試驗(yàn)，隨著摩阻比的增加，砂土地基的液化勢逐漸減小。

(4)靜力觸探試驗(yàn)可考慮夾有薄層黏性土、粉土對液化判別結(jié)果的影響，相對于其它原位試驗(yàn)來說，精度較高。

(5)對于本文試驗(yàn)場地，對于粉土，qc/N=3.4～4.4；對于砂土，qc/N=4.2～5.2。

鑒于錐尖阻力qc和標(biāo)貫N的相關(guān)關(guān)系，由于筆者掌握的基本數(shù)據(jù)有限，尚未積累出區(qū)域性資料以建立出相應(yīng)更為完善的qc-N的相關(guān)關(guān)系曲線，還需要進(jìn)一步積累研究。

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苗峰(1981～)，男，本科，工程師，從事巖土工程工作。

TU192

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[定稿日期]2016-09-02