杜廣印 羅 濤 程 遠 潘皇宋

(1東南大學巖土工程研究所, 南京 210096)(2江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室, 南京 210096)(3蘇州市軌道交通集團有限公司, 蘇州 215004)

基于CPTU土類指數(shù)的標貫值液化判別

杜廣印1,2羅 濤1,2程 遠3潘皇宋1,2

(1東南大學巖土工程研究所, 南京 210096)(2江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室, 南京 210096)(3蘇州市軌道交通集團有限公司, 蘇州 215004)

為提高可液化地基液化判別的準確性,依托宿新高速公路共振法加固可液化地基項目,對共振法處理后的液化地基進行CPTU試驗和SPT試驗.對CPTU試驗得到的土類指數(shù)Ic和SPT試驗得到的標貫值N63.5進行處理分析.結(jié)果表明,飽和砂土和粉土的標貫值N63.5是土類指數(shù)Ic的一次函數(shù)(N63.5=-18.8Ic+52.0),即土類指數(shù)越大,土性越接近黏性,標貫值越小.基于N63.5與Ic的擬合關系式提出一種新型液化判別方法,即根據(jù)標貫值參照《建筑抗震設計規(guī)范》進行飽和砂土和粉土地基的液化判別,其中標貫值根據(jù)Ic計算獲得,Ic則通過CPTU試驗獲取.與規(guī)范中SPT判別法相比,該方法可以提供連續(xù)的標貫值參數(shù),與基于CPT的周期阻力比法相比,該方法計算簡單.

液化地基;孔壓靜力觸探;標貫值;土類指數(shù)

地震作用易導致飽和砂土或粉土地基發(fā)生液化,造成建筑物破壞,給人類生命財產(chǎn)帶來巨大損失.如何準確評價地基的液化潛能,對實際工程建設具有重大意義,同時也面臨著諸多挑戰(zhàn).對于高風險項目,人們常采用多種方法進行綜合評估,以提高其可靠性.目前,液化地基的判別法主要有《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)中提出的標準貫入試驗判別法,以及國外的修正Seed法.

標準貫入試驗判別法在實際應用中是每隔1.5 m測試一個點,因此不能提供連續(xù)的標準貫入錘擊數(shù)(下文簡稱標貫)斷面.國外的修正Seed法[1]就是對等效周期應力比(CSR)與地基土的周期阻力比(CRR)進行比較,如果CRR>CSR,則判為不液化土;反之,則判為液化土.其中,CRR是利用CPTU試驗測得的參數(shù)計算得到的,CSR是依據(jù)場地的地震設計參數(shù)計算得到的.但CSR和CRR的計算較為復雜,在實際應用中不太方便.

鑒于以上2種判別法存在的不足,本文擬綜合利用CPTU試驗能夠得到連續(xù)的數(shù)據(jù)斷面和標準貫入試驗判別法簡單方便的優(yōu)點,提出一種新的可液化地基液化判別方法.

1 標貫值與土類指數(shù)的相關性

《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)規(guī)定[2]:當飽和砂土、粉土需要進一步液化判別時,應采用標準貫入試驗判別法,進行地表以下20 m深度內(nèi)的液化判別.液化判別標貫臨界值的計算公式如下:

(1)

式中,Ncr為液化判別標貫臨界值;N0為液化判別標貫基準值(見表1);ds為飽和土標準貫入點深度,m;dw為地下水位深度,m;ρc為黏粒百分率,當?shù)陀?%或為砂土時取3;β為調(diào)整系數(shù),對于設計地震第1,2,3組分別取0.80,0.95,1.05.當標貫實測值N>Ncr,則判為不液化土;反之,則判為液化土.

表1 液化判別標貫基準值N0

Jefferies等[3]提出各種土質(zhì)分類界限對應的Qt,Fr和Bq的關系圖為近似同心圓,同時用土類指數(shù)Ic來表示同心圓半徑,計算公式如下:

(2)

式(2)中的計算需要用到CPTU試驗測得的孔壓數(shù)據(jù),Robertson[4]建議忽略孔壓參數(shù),直接用Qt-Fr土類指數(shù)分類表(見表2),并重新定義土類指數(shù)Ic的計算公式:

(3)

改進的Robertson土類指數(shù)分類表如表2所示.

表2 改進的Robertson土類指數(shù)分類表

劉松玉等[5]通過分析江蘇多個試驗場地CPTU試驗數(shù)據(jù),建立了基于CPTU土類指數(shù)Ic的中國土性分類方法.鄒海峰等[6]提出了基于CPTU電阻率和土類指數(shù)Ic計算CRR的液化判別方法.

Robertson等[7]提出了歸一化錐尖阻力qc/pa與標貫值N60之比((qc/pa)/N60)和平均粒徑D50(0.001～1 mm)的關系.其中,N60是能量比(即貫入器處實際錘擊能量與總錘擊能量的比值)為60%時對應的標貫值.后來,Robertson等[8]又提出根據(jù)錐尖阻力、孔隙水壓力及側(cè)壁摩阻力3種土分類圖表,并計算出每一種土的(qc/pa)/N60的值,這樣就可由CPT測試的錐尖阻力qc以及土質(zhì)分類結(jié)果直接估算出N60.Ic與(qc/pa)/N60的關系式如下[9]:

(4)

廖先斌等[10]采用直徑42 mm的鉆桿進行了62次標準貫入試驗(SPT),經(jīng)統(tǒng)計得到SPT能量比平均值為85%,變異系數(shù)為0.03,變異性極低,SPT試驗采用的是63.5 kg的穿心錘,故本文將由SPT得到的標貫值記作N63.5,N60則根據(jù)CPTU實驗數(shù)據(jù)利用式(4)計算得到.N63.5與N60有如下關系:

(5)

由此可得

N63.5=0.71N60

(6)

由以上研究可看出,目前CPTU土類指數(shù)Ic主要是用來進行土的分類,其分類結(jié)果大多數(shù)情況下與室內(nèi)試驗給出的土分類結(jié)果一致[11-14].也有學者利用土類指數(shù)Ic結(jié)合其他參數(shù)進行液化判別,但是用CPTU土類指數(shù)Ic單獨進行液化判別尚未見報道.已有方法都不能單一地直接用土類指數(shù)Ic計算出標貫值,本文擬利用CPTU試驗參數(shù)找出二者之間的對應關系,用土類指數(shù)Ic來計算標貫值,然后結(jié)合標貫值判別法提出CPTU土類指數(shù)液化判別方法.

2 現(xiàn)場CPTU試驗

2.1 場地描述

共振法加固可液化地基現(xiàn)場試驗依托江蘇省宿新高速公路宿遷一標(SX-SQ1)K630～K730段可液化地基處理項目.場區(qū)抗震設防烈度為8度,設計基本地震加速度值為0.20g.地勢平坦,場區(qū)表層為根植土和近期人工雜填土,其下為粉土、粉質(zhì)砂土、粉土,土層具體描述見表3.

表3 試驗段工程地質(zhì)條件

2.2 CPTU試驗設備

本次現(xiàn)場試驗采用東南大學巖土工程研究所從國外引進的敞開式CPTU測試系統(tǒng),探頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示.CPTU技術(shù)是在CPT技術(shù)的基礎上,增加孔隙水壓力元件,測試貫入過程中土體孔隙水壓力的變化和消散過程,以更加準確地確定土層基本性質(zhì).首先,使用測試系統(tǒng)自帶的E4FCS計算機系統(tǒng)來采集現(xiàn)場數(shù)據(jù).然后,再利用CONEPLOT軟件得到錐尖阻力、標貫值N60、側(cè)摩阻力、孔隙水壓力等數(shù)據(jù).

圖1 CPTU探頭結(jié)構(gòu)簡圖[6]

2.3 試驗方案與結(jié)果分析

試驗段根據(jù)振桿形式、激振力大小、振點間距的不同,共分為5個區(qū),每個區(qū)分別布置了2個CPTU試驗孔,共10個(1#～10#).試驗段范圍為100 m×40 m,試驗孔位布置見圖2.具體試驗方案見表4,本文完成的10個CPTU試驗孔深度均為20 m.

圖2 CPTU試驗孔位布置(單位：m)

CPTU試驗在對地基進行共振法處理以后開展,圖3給出了典型的CPTU試驗孔的結(jié)果,圖中u2為孔隙水壓力.由圖可知,以深度9.35 m為界,其上部孔隙水壓力為負值,下部孔隙水壓力為正值.錐尖阻力、側(cè)摩阻力和標貫值均沿深度呈拋物線型變化,并且在深度9.35 m附近達到最大值.以9.35 m為界,其上部為非飽和土,下部為飽和粉土砂土.本文僅研究9.35 m以下的飽和粉土砂土.

表4 試驗方案

(a) 孔隙水壓力

(b) 錐尖阻力

(c) 側(cè)壁摩阻力

(d) 標貫值

(e) 土類指數(shù)

(f) 土層

圖3 典型CPTU測試結(jié)果圖

3 基于土類指數(shù)的標貫值液化判別法

3.1 標貫值N60與土類指數(shù)Ic的關系

選取試驗段A區(qū)(1#,2#試驗孔)、B-1區(qū)(3#,4#試驗孔)、B-2區(qū)(5#,6#試驗孔)、C區(qū)(7#,8#試驗孔)的CPTU數(shù)據(jù),每個區(qū)分別有50,51,51,45組CPTU數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)包括土層深度、錐尖阻力、側(cè)摩阻力、孔隙水壓力和標貫值N60.利用式(3)計算出土類指數(shù)Ic,然后分別得到各區(qū)的標貫值N60與x土類指數(shù)Ic之間的關系圖,見圖4.由圖可見,每個區(qū)的標貫值N60與土類指數(shù)Ic之間都呈線性相關,關系式分別如下:

N60=-25.9Ic+72.0,R2=0.92

(7a)

N60=-26.8Ic+73.8,R2=0.92

(7b)

N60=-26.8Ic+73.9,R2=0.91

(7c)

N60=-26.5Ic+73.3,R2=0.91

(7d)

由式(7a)～(7d)可知,標貫值N60與土類指數(shù)Ic之間存在很強的線性負相關性,并且4個擬合關系式非常相似.將4個區(qū)的數(shù)據(jù)進行綜合分析(見圖5),得到擬合標貫值N60與土類指數(shù)Ic的關系式如下:

(a) A區(qū)

(b) B-1區(qū)

(c) B-2區(qū)

(d) C區(qū)

N60=-26.5Ic+73.3,R2=0.92

(8)

式(8)主要適用于1.5

圖5 N60與Ic擬合曲線

3.2 標貫值N63.5與土類指數(shù)Ic的關系

聯(lián)立式(6)、(8)可得到N63.5和Ic的關系式如下:

N63.5=-18.8Ic+52.0

(9)

用式(9)得到的N63.5代替SPT試驗的標貫值,然后根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)進行液化判別.具體步驟是:首先利用式(9)得到標貫計算值,然后與式(1)得到的標貫臨界值比較.若計算值大于臨界值,則判為不液化土;反之,則判為液化土.

與原有液化評價方法相比,本文提出的液化判別方法主要有以下優(yōu)點:① 與規(guī)范中SPT判別法相比,本方法可以提供連續(xù)的標貫值參數(shù);② 與基于CPT的周期阻力比法相比,本方法計算簡單.

3.3 方法驗證

為驗證式(9)的可靠性,本文選取試驗段D區(qū)(9#,10#試驗孔)的CPTU數(shù)據(jù)進行了驗算,共49組.具體步驟如下:

① 將49組數(shù)據(jù)中的土層深度、錐尖阻力和側(cè)摩阻力等代入式(3)得出土類指數(shù)Ic.

② 利用式(8)得到N60的計算值,并與N60原始值對比,結(jié)果見圖6(a).

③ 利用式(9)得到N63.5的計算值,并與相同深度的通過SPT得到的N63.5實測值對比,結(jié)果見圖6(b).

④ 利用式(1)得到Ncr,并與SPT測得的N63.5實測值進行對比,結(jié)果見圖6(c).

⑤ 將N63.5計算值與Ncr進行對比,結(jié)果見圖6(d).

由圖6可知,式(8)得到的N60計算值和N60原始值基本符合;式(9)得到的N63.5計算值與相同深度的通過SPT得到的N63.5實測值也基本相同.本方法的液化判別結(jié)果與通過SPT測試直接判別的結(jié)果相同,故本文提出的式(9)是可靠的.

(a) N60計算值與原始值

(b) N63.5計算值與實測值

(c) N63.5實測值液化判別

(d) N63.5計算值液化判別

3.4 方法的實踐意義

本文提出的擬合公式直接用CPTU土類指數(shù)Ic來表示標貫值,然后用標貫值參照《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)進行液化判別,省去了標準貫入試驗.該方法很好地利用了CPTU試驗的連續(xù)性和標貫值液化判別法的便捷性,既增加了液化判別的可靠性,又方便工程人員實際操作.但是,目前尚需在實際工程中進行檢驗.

4 結(jié)論

1) CPTU試驗作為先進的現(xiàn)代原位測試手段,能夠獲取連續(xù)地質(zhì)斷面的試驗參數(shù),為可液化地基的液化評估提供連續(xù)地質(zhì)斷面的原位測試數(shù)據(jù).

2) 建立了飽和粉土砂土的標貫值N63.5與土類指數(shù)Ic之間的關系,得出N63.5為Ic的一次函數(shù).利用CPTU或者CPT測試數(shù)據(jù)計算出土類指數(shù)Ic,進而得出標貫值N63.5.

3) 利用土類指數(shù)Ic計算出的標貫值N63.5進行液化判別,該液化判別方法經(jīng)驗證具有較好的可靠性,且具有計算簡單、能夠提供連續(xù)的標貫值斷面等優(yōu)點.該方法適用于1.5

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Liquefaction assessment using standard penetration test value based on CPTU soil behavior type index

Du Guangyin1,2Luo Tao1,2Cheng Yuan3Pan Huangsong1,2

(1Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2Jiangsu Key Laboratory of Urban Underground Engineering and Environmental Safety, Nanjing 210096, China) (3Suzhou Rail Transit Group Co., Ltd, Suzhou 215004, China)

In order to increase the accuracy of liquefaction assessment on liquefiable foundation, the liquefiable foundation of the Suqian-Xinyi highway was treated by the resonant compaction method, and piezocone penetration test(CPTU) and standard penetration test(SPT) were carried out on the liquefiable foundation. The soil behavior type index (Ic) obtained from CPTU and the standard penetration test index (N63.5) obtained from SPT are analyzed. The results show thatN63.5of saturated sands and silts is a linear function ofIc(N63.5=-18.8Ic+52.0). The larger theIc, the smaller theN63.5will be, and the soil is more close to clay. Based on the fitting relationship betweenN63.5andIc, a new liquefaction discrimination method is established. The liquefaction of saturated sands and silts foundation can be assessed by usingN63.5based on the Code of Seismic Design of Building.N63.5is expressed by singleIcandIcis acquired from CPTU. Compared with the SPT assessment method proposed in the code, this method can provide continuous standard penetration test value. Compared with the cyclic resistance ratio method based on cone penetration test, the calculation of the method is very simple.

liquefiable foundation; piezocone penetration test (CPTU); standard penetration test value; soil behavior type index

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.028

2017-01-22. 作者簡介: 杜廣印(1964—)，男，博士，副教授，博士生導師，guangyin@seu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(41372308)、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目和江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(SJLX15_0060)、江蘇省自然科學基金資助項目(BK20150279).

杜廣印,羅濤,程遠,等.基于CPTU土類指數(shù)的標貫值液化判別[J].東南大學學報(自然科學版),2017,47(4):812-817.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.028.

TU413

A

1001-0505(2017)04-0812-06