原位测试在砂土地基液化判别中的应用

苗 峰

(中国建筑第八工程局有限公司， 上海 200135)

原位测试在砂土地基液化判别中的应用

苗 峰

(中国建筑第八工程局有限公司， 上海 200135)

在砂土或粉土地区，判定地基土液化可能性是岩土工程设计中的一个重要课题。目前，获得高质量“原状”砂土样不仅取样困难而且试验成本较高，且大多判定方法是基于定性研究的基础上。饱和砂土地震液化的定量化研究是一个具有挑战性的研究课题。文章以扁铲侧胀试验成果为基础，结合静力触探和标准贯入试验，对天津市西青区砂土地基的地震液化进行了判别和对比。对比结果表明原位测试试验在砂土地基液化判别中具有操作简单、人为误差小和结果可靠性高的优点。

扁铲侧胀试验； 静力触探； 标准贯入； 砂土液化

饱和的砂土或粉土在地震作用下，由于孔隙水压力的上升，部分或完全抵消土骨架承担的有效应力，从而发生地震液化，这种现象往往是导致地基失稳和上部结构受损的直接原因之一。如何准确合理地判别地基土的液化及液化危险等级，一直受到岩土工程界的高度重视。

工程界提出了一系列评定地基土液化可能性的方法[1-5]，研究结果表明影响土体地震液化的因素有土性条件、应力状态、地震作用和排水条件等。因此，每种方法适用范围不同，这就存在着试验指标的可靠度和液化判别精度的问题[6]。

而原位测试技术业已成为岩土工程勘察中不可缺少的技术手段之一。1975年Marchetti介绍了扁铲侧胀仪测试(Dilatometer test，简称DMT)，这是岩土工程勘测中一种先进的原位测试方法[8-9]。国内外的专家和学者还将其测试结果用于判断砂性土的液化等[10-11]。

标准贯入试验方法由于其操作简便、直观等优点，在工程界应用最为广泛。我国的各类抗震规范也主要采用此方法。但标准贯入试验对于夹有薄层黏性土的砂土、粉土地基的液化判别较为保守，而静力触探法可对不易取样的饱和砂土、砂质粉土、高灵敏性软土以及土层竖向变化复杂、不易密集取样的土层可在现场快速地测得土层对触探头的贯入阻力qc、探头侧壁与土体的摩擦阻力fs等参数，该法不但能较好地反映原位土体的力学性质，直接用于土类划分、土体强度指标换算、液化判别等，而且能够较好地反映土中黏粒含量等物理性质。

本文首先根据扁铲侧胀试验的成果，采用seed简化公式对所研究区域的砂土地基进行液化判别，然后结合静力触探的测试成果，统计分析了锥尖阻力qc、摩阻比fs与土层黏粒含量的相关关系，并根据土体原位测试强度指标，再依据规范与标准贯入试验分析了该场地中的单孔砂土液化可能性，建立了该场地地层土锥尖阻力qc与标准贯入试验N63.5的相关关系曲线。通过该曲线，可判定砂土是否液化及液化等级，得出定性、定量标准。

1 扁铲侧胀试验基本原理

扁铲探头是由一块长240mm、宽96mm、厚15mm的钢板制成的，下端稍有弯曲地逐渐变窄，形成96mm宽的边缘。其平直边的一侧有一圆形钢膜，直径60mm，减压时与钢板贴成一个平面。在钢膜后侧施加气压可使钢膜膨胀。试验时将接在探杆上的扁铲探头以20mm/s的速度贯入土中，每贯入0.2m进行膨胀测试。施加气压，使位于扁铲探头的圆形钢膜向土内膨胀，量测钢膜膨胀到一个特殊位置(A、B、C)时的压力。

压力A，膜片中心离开基座，水平地压入周围土中0.05～0.07mm膜片内气压值；压力B，膜片中心外移达1.10±0.03mm膜片内的气压值；压力C，膜片中心外移1.10mm后，缓慢排气，使膜片回缩接触基座时作用在膜片内的气压值(图1)。

图1 扁铲铲头形状示意

在试验数据处理时，首先应对压力A、B、C进行修正，其修正公式为：

(1)

式中：P1为膜中心外移1.10mm时的修正压力；P0为膜中心无外移时的修正压力；P2为膜中心外移后又收缩到初始外移0.05mm时的修正压力；Zm为压力表零读数(大气压下)；ΔA、ΔB分别为大气压下标定膜片中心外移0.05mm和1.10mm所需的压力。扁胀试验指标中扁胀模量、水平应力指数、扁胀指数、扁胀孔压指数可分别按下列公式计算：

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为试验深度处静水压力(kPa)；σV0为试验深度处土的有效上覆压力(kPa)。

2 试验场区工程地质概况

工程建场地位于天津市西青区天津高新区(华苑科技园区)，属于华北平原东部滨海平原地貌，属海相与陆相交互沉积地层。地下水位埋深一般在地面下0.50～1.00m，各地基土层的基本物理力学性质见表1。

本文试验场地基本覆盖了砂土液化场地上的主要工点，试验深度均超过15m。为了增强对比度，钻孔取样与室内液塑限、颗分试验的试验点位于CPT测试点附近，典型的CPT试验结果和土层剖面见图2。

3 扁铲侧胀试验结果分析

在上述试验场地内选取了BCB1#、BCB2#和BCB3#3个位置的扁铲试验，试验深度分别为21.00m、22.50m、20.50m，试验点的间距为50mm。具有代表性的KD与深度H之间的关系见图2。

表1 试验场地土层的物理力学性质

研究表明，侧胀压力差△P和比贯入阻力只之间存在着某种线性关系[8]。根据扁铲的水平应力指数可以很灵敏地检验地基土的密实度，其数值与静力触探的结果非常接近，具有直观反映土性变化的特点。

由扁胀指数与深度的关系曲线可以看出，场区内试验土层的水平应力指数KD(即扁铲受到的初始水平有效应力与垂直有效应力之比)基本上在2附近或以上。

4 液化判别分析

(6)

根据Weber-Fechner提出的公式：

lgamax=I/2-0.6

(7)

式中：amax为地震作用下地面最大加速度(cm/s2)；I为地震烈度。

若地震烈度按Ⅷ度来考虑，则地面达到的最大加速度amax=0.8105g。Seed公式可简化为：

γD=1-0.009 h

由图3可知，本次评价的个别试验点会发生轻微液化，但大部分试验点不会发生液化，故尚需结合静力触探和标准贯入试验来综合判别。

(a)BCB1#试验孔

(b)BCB2#试验孔

(c)BCB3#试验孔

图3 试验点液化评价

5 静力触探判别地基液化的方法

基于CPT测试资料地基液化判别方法，国内外学者推导了一系列的判别公式，如按“震级”考虑的seed简化法[12]、Robertson法[13]和Olsen法[14]。Olsen法发展了使用锥尖阻力和侧摩阻力来预测液化阻力的方法，然而，计算结果的精确度非常有必要进行检验。目前，究竟哪一种方法更好，还没有得出一致的结论[15]。

《岩土工程勘察规范》(2001)中基于CPT测试资料的判别方法是以地震实测资料为基础建立起来的经验公式，其判别砂土液化表达式为：

pscr=ps0awauap

(8)

qccr=qc0awauap

(9)

aw=1-0.065(dw-2)

(10)

au=1-0.050(du-2)

(11)

式中：pscr、qccr为饱和土CPT液化比贯入阻力临界值和锥尖阻力临界值(MPa)；dw为地下水位深度；du为上覆非液化土层厚度；ps0、qc0分别为地下水深度dw=2m、上覆非液化土层厚度du=2m时，饱和土液化判别比贯入阻力基准值和液化判别锥尖阻力基准值(MPa)；aw为地下水位深度dw的修正系数，取aw=1.13；au为覆非液化土层厚度du的修正系数，对于深基础，取au=1.0；ap为与CPT摩阻比有关的土性修正系数。

当实测比贯入阻力或锥尖阻力小于触探液化比贯入阻力临界值或触探液化锥尖阻力临界值时，应判别为液化土，否则砂土不液化。

5.1 黏粒含量的确定方法

目前，在静力触探试验和标准贯入试验的液化判别式中，黏粒含量主要是通过室内土工试验来确定的，但由于取样的代表性不足、试验方法的差异以及人为因素等均对黏粒含量的测定结果影响较大。而黏土颗粒对于地震液化具有阻滞作用，这可通过1976年我国唐山地震得到充分反映，即：由于黏土颗粒的存在，出现标贯数较低的地区不液化，而标贯数较高(黏土颗粒含量较少)的地区反而液化的“错位”现象。在我国的现行规范中均考虑了黏粒含量对液化判别的影响[1-2]。

5.2 土层摩阻比Rf与黏粒含量的相关性

由式(12)计算双桥CPT的摩阻比：

Rf=fs/qc×100%

(12)

图4 黏粒含量ρc与Rf关系

图5 天津西青区场地CPT典型试验结果示例

从静力触探曲线可以看出摩阻比Rf随着粘粒含量ρc的增加而增加，土的黏粒含量越高，Rf值越大，这个规律性也可从文献[6]中得以佐证。本次试验测定的黏粒含量ρc与Rf关系见图4。从图4中可以看出，土层摩阻比与黏粒含量有较好的线性相关关系。

根据图4，ρc与Rf存在着如式(13)的线性相关关系。

ρc=6.97,Rf=0.77

(13)

对于该试验场地，典型的静力触探曲线如图5所示，从图中可以看出，两者与土性的关系曲线基本一致。

5.3 锥尖阻力临界值的计算

双桥CPT试验的锥尖阻力临界值可按式(14)计算。

(14)

式中：qccr为锥尖阻力临界值；qc0为锥尖阻力标准值， 对于Ⅶ度地震烈度，可取qc0为2.35MPa[16]；ρc为黏粒含量，可根据式(13)计算。

根据现场CPT的测试成果，按式(14)对各土层进行液化判别计算，地下水位按接近自然地面计算，判别结果如表2所示。表中同时也列出了由标准贯入试验和剪切波速试验的综合判别结果。从表2可以看出1、3、4、5点与标贯判别结果不同，鉴于静力触探测试的连续性强、精度高、人为因素影响较小，而且可考虑薄夹层粉土对液化判别的影响，因此，这就有必要建立CPT和SPT之间的相关关系，以加强对地基液化进行综合判别。

6 CPT与SPT之间的相关关系

对于使用CPT与SPT试验综合判别砂土的液化，Roberston(1983)等在总结前人经验的基础上，归纳出了不同粒径组合的qc-N的相关关系曲线，通过该曲线可判别是否为可液化土，进而根据相关关系式，可得出可液化土的定性、定量判别标准。对于本文试验场地，图6表示不同土性锥尖阻力qc与N的相关关系，表2给出了两者的综合判别结果。

表2 液化判别结论对比

图6 标贯击数N与锥尖阻力qc的相关关系曲线

从图6中可以看出，对于粉土，qc/N=3.4～4.4；对于砂土，qc/N=4.2～5.2。通过以上各式，可由qc/N静力触探曲线解译出可能液化土层锥尖阻力qc。

7 结论

扁铲侧胀试验和静力触探试验连续性强，离散性小，速度高，而且经济，可减少一些人为因素的影响，因而可作为判别地基土液化的一种有效方法，且多种方法联合使用，能够提高评估地基液化势的可靠性。通过分析，可得出以下结论：

(1)对于本场区，扁铲侧胀原位试验是可行的，可以一次获得多个评价土性的试验参数，试验参数分析结果能从静力触探试验和标准贯入试验等得到较好的验证。

(2)扁铲侧胀仪试验的成果是半经验的，推导的适合于计算平均动应力比的Seed简化公式，能够用于对不同地震烈度下砂土液化可能性的判别。

(3)对于静力触探试验，随着摩阻比的增加，砂土地基的液化势逐渐减小。

(4)静力触探试验可考虑夹有薄层黏性土、粉土对液化判别结果的影响，相对于其它原位试验来说，精度较高。

(5)对于本文试验场地，对于粉土，qc/N=3.4～4.4；对于砂土，qc/N=4.2～5.2。

鉴于锥尖阻力qc和标贯N的相关关系，由于笔者掌握的基本数据有限，尚未积累出区域性资料以建立出相应更为完善的qc-N的相关关系曲线，还需要进一步积累研究。

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苗峰(1981～)，男，本科，工程师，从事岩土工程工作。

TU192

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[定稿日期]2016-09-02