基于原位试验的砂土地震液化判别方法对比分析

2022-04-18张林

水运工程 2022年4期

张林

(大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁大连 116023)

在地震地面运动过程中，饱和砂性土孔隙水压力增加引起的抗剪强度或刚度降低引起明显的永久性位移，甚至使土的有效应力近于零，应看作是液化。从20世纪60年代开始，人们致力于用系统性的工程方法对这一现象进行评价，现行的土壤液化判别方法比预测液化后果的方法更为成熟[1]。国内外关于液化判别的方法多使用原位试验进行计算。

用于判别土壤液化的原位试验有标准贯入锤击数试验(SPT)、静力触探试验(CPT)、剪切波速度试验(vs)、贝克贯入试验(BPT)及动力触探试验(DPT)等，这几种方法已被国内外学者普遍用于评价地震液化判别。不同的原位试验适用于不同的地质条件及土壤类型，对于非砾石土壤主要通过SPT、CPT、vs进行液化判别[2]，其判别公式有广泛的数据支撑和丰富的经验；BPT、DPT可用于砾性土液化判别，在土壤液化评价中的使用频率远低于SPT和CPT。

根据欧洲规范，针对液化可能性的评价至少应包括现场标准贯入锤击数试验(SPT)或静力触探试验(CPT)及实验室内测定土颗粒粒径分布曲线。本文主要对比分析国内外规范利用SPT及CPT的液化判别计算公式，为相关海外工程提供借鉴。

1 国内规范

我国规范中判别液化公式主要是根据SPT来计算，较少使用CPT。SPT操作简单且与土壤液化性质之间的数据较CPT更为丰富，应用广泛；而CPT数据连续、误差小。目前国内外采用的判别公式都是经验方法，均存在自身的局限性。因此在进行土壤液化判别时，采用多种计算方法综合判别，有利于深层次理解地震液化，并采取相应的抗震措施，减少地震液化对工程产生的危害。

1.1 标准贯入锤击数试验(SPT)

《建筑抗震设计规范》[3]首先根据地震烈度、地质年代、粉土的黏粒含量、上覆非液化土层厚度和地下水位深度之间的关系初步判断是否需要进行液化判别。若需判别，在地面下20 m深度范围内，应根据下式进行计算：

(1)

式中：Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值；N0为液化判别标准贯入锤击数基准值；ds为饱和土标准贯入点深度(m)；dw为地下水位(m)；ρc为黏粒含量百分率，当小于3%或为砂土时，应采用3%；β为调整系数。

当饱和土标准贯入锤击数(未经杆长修正)小于或等于Ncr时，应判为液化土。对存在液化砂土层、粉土层的地基，应探明液化土层的深度和厚度，并计算液化指数评估液化等级，根据液化的严重程度采取相应的抗液化措施。

1.2 静力触探试验(CPT)

《岩土工程勘察规范》[4]提供了利用CPT的判别液化的公式，该公式是根据地震不同烈度区的试验资料，用判别函数法统计分析得出的。当实测计算比贯入阻力Ps或实测计算锥尖阻力qc小于液化临界值Pscr或qccr时，应判别为液化土。

2 国外判别方法

目前国外判别液化公式主要是基于Seed和Idriss[5]提出的简化方法。1996年，Youd等[6]专家召集了一个由国家地震工程研究中心(NCEER)主办的研讨会，回顾了过去10年的发展，目的就是更新和完善简化方法。国内大部分关于地震液化判别的论文亦是使用NCEER推荐的Seed和Idriss方法。Boulanger等[7]对无黏性土的CPT和SPT液化评价方法进行了重新研究，提出了改进方法，该方法也常被一些国外咨工使用。

上述两种方法计算过程大体一致，主要是一些参数取值不同。计算公式均是根据SPT和CPT数据，计算土层的循环应力比CSR和循环抗力比CRR，当安全系数FS大于1.25[8]，则认为土层非液化。

3 NCEER方法

3.1 安全系数FS

(2)

式中：MSF为震级比例因子；Kσ为竖向有效压力修正系数；CRR7.5为地震震级为7.5 级(矩震级)的循环抗力比；CSR为循环应力比。

最初的震级比例因子是通过将一个给定震级对应的加载循环次数的代表性曲线上的CSR值除以15个加载循环(相当于7.5级地震)得到的。

Idriss等[9]对震级比例因子进行了修订，由下式计算：

MSF=102.24/M2.56

(3)

式中：M为地震矩震级。

根据公式(3)，CSR与导致液化的循环次数之间的代表性关系见图1。NCEER推荐采用公式(3)计算MSF，但对于震级小于7.5级的情况，公式(3)计算较为保守，NCEER将其作为下限值，上限值则建议采用Andrus[10]的方法。不同研究者定义的比例因子值见表1。

图1 CSR与导致液化循环次数之间的代表性关系

表1 不同研究者定义的比例因子值

Hynes等[11]编辑和分析了一个扩大的数据库，为Kσ的取值提供指导和计算公式：

(4)

3.2 循环应力比(CSR)

(5)

式中：amax为地震动峰值加速度；σvo为土体计算深度处竖向总应力；g为重力加速度。

随着深度的增加γd取值范围变大，根据Liao等[12]公式计算的γd为平均值：

(6)

式中：z为地表以下深度(m)。

对于z>23 m的情况，国内外学者均给出了相关经验公式，Robertson等[13]认为γd=0.744-0.008z(23 m

3.3 循环抗力比(CRR)

与循环应力比不同，循环抗力比计算是利用历史上基于原位试验地震液化数据进行拟合，因此不同学者的拟合公式及计算参数有较大区别。

3.3.1标准贯入锤击数试验(SPT)

Seed等[14]基于历史数据绘制的CRR和(N1)60关系曲线见图2。由图2可知，随着细颗粒含量增加，CRR明显增加。这种增加是否由液化阻力的增加或贯入阻力的减少引起尚不清楚。NCEER在此基础上，对于较低(N1)60处的曲线弯曲至约0.05。

图2 基于液化案例历史数据的7.5级地震SPT净砂基础曲线

NCEER推荐采用Rauch的公式(7)拟合图2的曲线。

(7)

式中：CRR7.5为地震震级为7.5级(矩震级)的循环抗力比；(N1)60为将实测贯入击数修正为上覆荷载为100 kPa、能效比为60%的标准贯入击数。

公式(7)适用于(N1)60<30。对于(N1)60≥30，干净的颗粒状土壤密度太大，不能液化，被归类为不可液化。

对于图2中FC(细粒含量)大于5%的情况，NCEER建议采用下式将(N1)60修正为(N1)60cs，以(N1)60cs代替(N1)60进行公式(7)计算。

(N1)60cs=α+β(N1)60

(8)

式中：α与β为调整参数，根据细粒含量采用分段函数进行计算，当FC≤5%，α=0，β=1；当FC≥35%，α=5，β=1.2；当5%

除了细粒含量会影响(N1)60的结果外，一些仪器参数也会影响到(N1)60取值，(N1)60计算见下式：

(N1)60=NmCNCECBCRCS

(9)

式中：Nm为实测标准贯入击数；CN为标准贯入的超荷修正系数；CE为锤击能量比校正系数(ER)；CB为钻孔直径修正系数；CR为杆长校正系数；CS为带衬管或不带衬管的取样器的校正系数。

NCEER早前的论文集公布了CN≤2.0，但最新的推荐公式将CN最大值限制在1.7。根据Liao 和Whitman，CN由以下公式计算：

(10)

Kayen等[15]提出了公式(11)。NCEER认为公式(11)更适合Seed和Idriss等[16]指定的原始曲线。

(11)

这两个方程都可用于常规工程应用。对于其他修正系数参考文献[8]。

3.3.2静力触探试验(CPT)

Robertson和Wride 根据CPT数据绘制的CRR曲线(FC≤5%)见图3。虽然个别数据点并没有在相应曲线一侧，但根据研究和验证，该曲线整体可靠性较高。

图3 基于CPT数据和历史经验液化数据计算CRR的推荐曲线

(12)

式中：(qc1N)cs为纯净砂的归一化锥尖阻力。当(qc1N)cs大于160，则认为土层非液化。

归一化锥尖阻力qc1N根据CPT测量的qc计算，并根据土壤类型和深度进行校正。

(qc1N)cs=qc1N·Kc

(13)

qc1N=Cq(qc/Pa)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中：Ic为土体类型指标参数；fs为侧壁摩阻力；Q为归一化无因次锥尖阻力；F为归一化摩擦系数。

基于CPT的(qc1N)cs计算，首先是区分土壤类型，假设n=1，如果Ic>2.6，则将土壤划分为黏土，并认为其不能液化，计算结束；如果Ic<2.6，那么土壤可能是颗粒状的，需重新计算。

假设n=0.5，如果Ic<2.6，那么土壤为砂性土，计算结束；如果Ic>2.6，土壤可能是粉质的，也可能是砂性的，需重新计算。

假设n=0.7，得到新的Ic，结束计算。得到n和Ic后，可计算Cq和Kc。Robertson提出的基于CPT的土类型见图4。

注：1.灵敏细粒土；2.有机土壤-泥炭；3.黏土：粉质黏土-黏土；4.粉土混合物：黏质粉土-粉质黏土；5.砂混合物：粉砂-砂质粉土；6.砂：纯净砂-粉砂；7.砾砂-密实砂；8.非常硬的砂-黏土砂；9.极硬细砂。

4 Boulanger和Idriss方法

4.1 安全系数FS和循环应力比(CSR)

Boulanger和Idriss的FS和CSR的计算公式与NCEER相同，但MSF、γd、Kσ取值不同。

(18)

NCEER方法MSF仅与震级有关；而Boulanger和Idriss计算的MSF除了与震级有关，还与(qC1N)cs和(N1)60cs有关。当M<7.5，(qC1N)cs≥180或(N1)60cs≥31.5时，Boulanger和Idriss计算的MSF偏小，FS亦偏保守。

应力折减系数由以下公式计算而出：

γd=exp[α(z)+β(z)·M]

(19)

NCEER方法仅考虑了深度的影响，而Boulanger和Idriss考虑了震级的修正，计算更为精确。对于M=7.5的情况，当深度大于9.15 m时，Boulanger和Idriss计算的γd明显大于NCEER方法，会使CSR偏大、FS偏小。

竖向有效压力修正系数由以下公式计算得出：

(20)

对于CPT试验，

(21)

对于SPT试验，

(22)

通过将(qc1N)cs限制为≤211和(N1)60cs≤37，可以将系数Cσ限制为0.3的最大值。与MSF类似，Boulanger和Idriss方法将(qC1N)cs和(N1)60cs引入到Kσ计算中。

4.2 循环抗力比(CRR)

4.2.1标准贯入锤击数试验(SPT)

(23)

(N1)60cs=(N1)60+Δ(N1)60

(24)

(25)

式中：Δ(N1)60为根据细颗粒含量的对(N1)60进行的修正值。

(N1)60cs直接利用经验公式(24)(25)进行计算，FC越小，公式计算的(N1)60cs与NCEER方法计算的结果相差越大。因此根据欧洲规范当深度小于3 m时，(N1)60值应降低25%。经过设备参数修正的(N1)60计算与NCEER相同，见公式(9)，但是标准贯入的超荷修正系数CN由公式(26)迭代计算，即m值需要根据(N1)60cs计算，得到CN后，根据公式(9)计算(N1)60，最后迭代得出(N1)60cs。

(26)

(27)

4.2.2静力触探试验(CPT)

(28)

(qC1N)cs计算步骤与(N1)60cs相同，同样需要根据FC进行修正。

(qC1N)cs=qC1N+ΔqC1N

(29)

(30)

(31)

式中：ΔqC1N为根据细颗粒含量对qC1N进行的修正值；CNe为修正系数，物理意义与公式(26)相同，但m=1.338-0.249(qC1N)cs0.264。

5 对比分析

北非某拟建港区大部分处于河口汇水盆地浅滩，原状地形自南向西北倾斜，水深在0～40 m。根据地勘报告钻孔揭露，Z系列钻孔(SPT)主要在浅水区，孔顶高程约为-10 m，岩面较深；B系列钻孔(CPT)主要集中在深水区，孔顶高程约为-35 m，岩面较浅。

在判别项目范围内地震液化整体趋势时，首先对两个系列钻孔进行初步判断，发现两个系列钻孔均存在液化土层，见图5、6。Z系列钻孔液化土层主要集中在表层和软弱夹层，B系列钻孔液化土层分布于钻孔表层，岩面以上土层基本呈液化状态。

图5 Z系列钻孔液化判别(SPT)

图6 B系列钻孔液化判别(CPT)

为了对比两种国外方法计算的安全系数差异，采用两个代表性的SPT和CPT钻孔进行详细计算，见图7。在判别是否液化时，两种方法的结果是一致的。利用SPT钻孔计算出的安全系数也基本一致。而依据CPT钻孔判别，虽然均判断为液化土层，但Boulanger和Idriss方法较为保守。

图7 不同计算方法液化判别安全系数

研究表明，NCEER 方法对预测液化和非液化的可靠性均在80%以上。而Boulanger和Idriss方法从深度、细颗粒含量、上覆土压力等方面改进NCEER方法，安全余量较大，但工程实践较少。

国内规范CPT判别法没有考虑上覆应力对CPT锥尖阻力的影响，且计算CPT锥尖阻力临界值偏于保守。SPT判别法没有考虑到黏粒含量对抗液化强度的影响。因此，国内判别液化方法更为保守。

Boulanger和Idriss方法相较于其他方法，既能满足安全性又兼顾经济性。同时，本项目国外咨工亦推荐采用此方法。为了保持一致性，本项目选用Boulanger和Idriss方法对原始钻孔进行液化判别。并根据码头结构类型和地质条件选取无填料振冲方法进行地基处理。

为了满足结构安全性，在进行地基处理后的土层进行工程验收时，无填料振冲法效果同样采用原位试验来检验。使用SPT操作简单，且与土壤液化性质之间的数据较CPT更为丰富，应用广泛。而使用CPT锥尖阻力与摩阻比指标可以建立土类分类图，土体粒组划分、可塑性都能得到很好的反映。并且，CPT由于数据连续、操作误差小，近来随着历史地震数据的积累，也逐渐成为一种液化判别的常规手段。