张衍林，石章入，丛 璐，邱 敏

(1.重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；3.山西大学电力与建筑学院，山西 太原 030013)

地震液化是在饱和砂土或饱和粉土上建造结构物面临的主要问题。自1964年以来，人们开展了大量的工作来解释和评估土体液化。早在1980年，周神根[8]在唐山不同地震烈度地区进行了100多次试验，提出了一个用静力触探(CPT)判别砂土液化风险的实用方法。但是由于CPT在我国发展缓慢，这种方法并未推广开来。1995年，美国格雷格钻井公司(Gregg)孔压静力触探(CPTu)资深研究学者Robertson[9]在最新论文上对土体液化及其评价进行了详细的描述和评述。1996年美国国家地震工程研究中心(NCEER)在犹他州盐湖城举办了一场研讨会，讨论循环液化评价的最新进展，正式推荐Robertson提出的基于CPTu地震液化评估方法为NCEER标准方法，之后被公认为最广泛使用的地震液化评估方法。2013年，依托Zhang[10]和Robertson[11]的地震液化案例数据，Juang等[12]采用CPTu对地震液化沉降进行了评价，在此基础上开发了一个简化的程序，用于估计在给定工程项目场地超过规定地基沉降的概率。2017年，段伟等[13]利用CPTu液化判别方法，对港珠澳大桥岛隧砂土液化势进行评估，并与SPT、剪切波速判别液化结果进行对比验证，得出基于CPTu液化判别法具有一定优势。

近几十年，随着CPT与CPTu技术在我国的普及，其技术理论及应用价值受到工程界的重视。2013年，童立元[14]率领其团队开展液化和非液化区的现场再调查，采用地震波孔压静力触探(SCPTu)评估了唐山大地震地区地震再液化风险，并与国内液化判别方法进行对比，指出“CPTu技术被公认为砂土液化最广泛评价方法，而现今基于CPTu的液化评价方法在我国应用较少，也是今后在技术手段突破后亟需加深研究的方向”。目前我国采用标准贯入试验(SPT)判别地震液化，是在理论基础上，通过大量工程实践数据总结而来，方法单一、应用范围有限、且极少得到工程实践的验证[15]，需要对地震液化开展深入研究，服务于国内外工程建设活动。

本文依托中国企业在南美洲国家承接的集装箱码头项目，对两个场地地层的砂土液化势开展研究。研究方法分为两种，一种是国际上通用的CPTu方法，另一种是我国规范推荐的SPT方法。将两种方法得到的地层砂土液化评估结果进行对比，验证了SPT方法的适用性与准确性，为“中国行业标准走出去”倡议在海外项目上的推行提供借鉴意义。

1 液化敏感性评估方法

1.1 CPTu方法

评估液化敏感性最通用的方法最初由Seed等[16]提出，并由欧洲规范(Eurocode 8)收录推荐。该方法将液化安全系数FSliq作为循环抗力比(CRR)和循环应力比(CSR)二者的比值，由式(1)表示。CRR是对指定深度处土体抗液化能力的度量，CSR是指定位置上土体的预期地震作用。

(1)

液化安全系数FSliq≥1时，表示土体不液化；FSliq<1时，表示土体液化。根据Seed和Idriss的建议[17]，CSR的计算式如下：

(2)

一个科学的地理信息软件系统应通过建立合理的模型对空间实体的空间定位、属性及其相互之间的关系进行描述。因此，该一体化概念模型包括2个模型：GIS软件的分析型数据模型和地图制图数据模型。

参数rd是深度的函数，Boulanger[18]建议将地震震级纳入其计算式中，表示如下：

rd=e[α(z)+β(z)·M]

(3)

(4)

(5)

式中：z为深度(m)；M为地震震级，这里指矩震级。

土体抗液化能力由CRR提供，可通过现场试验和室内试验进行评估。大量工程经验表明，利用孔压静力触探试验(CPTu)计算CRR最为简单、方便。根据Idriss[19]的建议，采用最新的液化潜力评估方法，该方法将实测锥尖阻力调整为等效纯净砂(cs)锥尖阻力，计算循环阻力比(CRR)，表示如下：

(6)

式中：qc1Ncs为对应于标准化等效纯净砂锥尖阻力。

根据Idriss的建议，纯净砂的细粒含量(FC)低于5%。该方法中引入细粒百分比反映了细颗粒在土体液化敏感性中的重要性。为便于计算，所有CPTu分析均使用CLiq©软件进行计算。

对于7.5级以外的地震，循环应力比需要用震级修正标度系数MSF进行校正。对于其他震级下的CRR，可以乘以震级修正标度系数MSF来获得，即：

CRR=CRR7.5·MSF

(7)

本研究中，根据Idriss的推荐，考虑土体类型，MSF的计算式表示如下：

对于砂性土：

(8)

对于黏性土：

(9)

1.2 SPT方法

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[20]，当饱和砂土、粉土需要进一步液化判别时，应采用标准贯入试验判别地面以下20 m深度范围内土体的液化趋势；当饱和土标准贯入锤击数小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判为液化土。

地面以下20 m深度范围内，液化判别标准贯入击数临界值计算式如下：

(10)

(11)

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，可按表1取值；N60为修正后标贯击数；ds为饱和土标准贯入点深度(m)；dw为地下水埋深(m)；ρc为黏粒含量百分率，当为砂土或小于3时，取3；β为调整系数，设计地震第1组取0.8，第2组取0.95，第3组取1.05。

表1 标贯击数基准值取值

2 案例分析

2.1 项目概况及地层分布

拟建的集装箱码头位于玻利瓦尔港，是厄瓜多尔海岸最南端的港口，它位于埃尔奥罗省圣罗莎河口入口东侧，主要用于出口香蕉和大虾。为了获取现场地质与岩土特征信息，在陆地与海上开展了大量钻孔与CPTu测试，钻孔过程中进行了密集SPT测试及取芯。揭露主要地层自上而下分别为：淤泥、黏土、粉砂、黏土、粉砂、黏土、密砂、密实粉砂等，砂土和黏土相互交错，钻孔深度范围内没有揭示岩层。

高地震活动区、厚剖面的近期冲积砂层的存在是触发液化的必要条件，根据厄瓜多尔抗震规范TheNationalEcuadorianNorm-PeligroSismico-DisenoSismoResistente，项目区位于第V区，最大地震震级8.8级，基本峰值加速度值(475 a重现期)为0.40g，地表加速度0.48g，属于地震高发区，地层存在明显地震液化风险。

2.2 测试结果及地层评价

为了排除地层差异性造成的影响，从大量勘察孔中选取了两组相邻的钻孔与CPTu孔(图1)。其中钻孔B_7与静探孔CPTu-9位于场地西北角，钻孔揭示地下水埋深0.9 m；钻孔E_5与静探孔CPTu-13位于场地南边，钻孔揭示地下水埋深1.6 m。

图1 CPTu与SPT测试点平面分布

图2显示在这两个位置获取的标准贯入测试结果，包括土体剖面与标准贯入阻力N60。根据取芯结果可知，两个位置的土体剖面差异性很大，钻孔B_7揭示表层黏土较浅，厚度约2 m，往下为厚度约20 m的粉细砂地层、粉质黏土地层；而钻孔E_5揭示表层厚度约为6 m的黏土层，往下为厚度约5 m的粉细砂层、厚度约为5 m的中砂层，再往下为厚度约12 m的黏土层。两个位置都是典型的海相沉积地层，黏土与砂土相互交错。

图2 地层分布与标贯击数

两个位置的前30 m深度范围内地层，标准贯入阻力值均不超过15击。其中，钻孔B_7中粉质黏土段SPT击数较为平均，约为10击；其他深度范围内SPT击数非常离散，无法通过SPT击数来区分不同土体类别。钻孔E_5中SPT多集中在5～10击，黏土SPT平均击数接近5，砂土SPT平均击数接近10；两个SPT极值出现在5 m和17 m深度处，5 m深度处SPT大于10，17 m深度处SPT为0，这是因为两个试验点处于不同类别土体的分界面上；5 m之上为黏土、之下为砂土，下伏硬层能够为SPT提供持力层，导致SPT偏大；17 m之上为砂土、之下为黏土，软弱下卧层无法为SPT提供支撑，导致SPT偏小。

图3、4分别为两个位置静探孔CPTu-9和CPTu-13测试结果，包括锥尖阻力qt、摩阻比Rf、孔隙水压力u和土体行为类型(SBT)指数Ic，Ic在1～9代表不同土体类型指数。同样，两个位置的土体无论在结构上还是强度上，都存在较大差异。从锥尖阻力曲线来看，CPTu-9揭示黏土地层并不明显，不是典型的直线段，表明黏土中夹杂粉细砂；粉细砂地层锥尖阻力曲线起伏波动较大，特别是5～8 m深度范围内qt值明显高于其他地层，最大qt值达到14 MPa。静探孔CPTu-13锥尖阻力曲线分段非常明显，自上而下可以清晰地辨别出黏土、砂土及黏土地层，黏土地层是典型直线段，表明黏粒含量高，纯度较好；砂土地层中粉细砂与中砂锥尖阻力区别比较明显，各段曲线起伏变化小，最大qt值为8 MPa。

图3 CPTu-9测试曲线与土体分类

2.3 试验场地液化敏感性评价

将图2中的土体剖面分别与图3、4中土体特性剖面进行比较，可知土体划分大体一致，只是CPTu曲线记录了更多土体信息，并将土体分类进行了细化。如钻孔B_7揭示中间土层为粉细砂，而CPTu结果揭示出粉质黏土、黏质粉土、砂质粉土及粉质砂土的互层情况；孔E_5揭示中间土层为粉细砂和中砂，而CPTu结果揭示了砂质粉土的存在，并清晰地表明了3种土体的具体位置及厚度。

此外，CPTu结果揭示了砂层中黏土/粉土薄层的存在。通过静水压力线上方的孔隙水压力曲线，CPTu清晰地揭示了这些薄层的位置。黏土/粉土的存在必然会对液化条件下土体的响应产生影响。

根据这些测试结果，对液化敏感性进行评价。基于SPT和CPTu，对两个位置不同深度处的抗液化安全系数进行深入计算，结果见图5、6。整个深度方向安全系数值均较低，表明两个位置都存在较厚的易液化土层。图5中有两个点例外，即6.0～7.5 m深度处FSliq大于1，单从SPT击数曲线无法解释，但是从CPTu曲线可知该处为中砂-粗砂，qt值达到最大，没有液化的风险。

图5 场地1抗液化安全系数

根据两种评估方法，获得了一致的评估结果，且SPT和CPTu测得的FSliq绝对值差异较小。两个钻探孔的FSliq平均值分别为0.43和0.48，两个静探孔中与标贯测试点相同深度的FSliq平均值分别为0.41和0.35，总体上CPTu测试结果更偏于保守。但是，基于CPTu的FSliq的可变性比SPT大，这种可变性源于CPTu试验方法提供更详细的土体特征，即揭示了细粒土和粗粒土的互层关系。

图6 场地2抗液化安全系数

3 结论

1)通过对比两个钻孔的标贯击数与地层分布可知，很难通过SPT击数来区分不同土体类别，一方面是因为标贯测试无法克服排水条件的限制，另一方面是标贯测试容易受到土体界面的影响，标贯击数表现出很大的差异性。

2)与钻孔取芯相比，CPTu曲线记录了更多土体信息，并将土体分类进行了细化。通过比较孔隙水压力曲线与静水压力直线的位置，可以直观地识别出砂土层中黏土/粉土薄层的位置，为砂土液化评估提供更详细的依据。

3)利用SPT与CPTu测试方法，对两个位置的土层砂土液化势进行评估，获取了一致的评估结果，总体上CPTu评估结果更偏于保守。CPTu揭示了更详细的土体特征，也导致基于CPTu的FSliq计算结果可变性更大。