李 兵 郭宏云 王新波 孫崇華

（北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028）

0 引言

某場區(qū)經(jīng)過前期勘察，普遍分布有第四系全新統(tǒng)的海相沉積的粉砂層。粉砂層中含有大量的細(xì)顆粒（d<0.075 mm），含量約為28%～49.9%，而且細(xì)顆粒中黏粒（d<0.005 mm）的含量12.4%～18.7%，塑性指數(shù)大于10，按照土的分類標(biāo)準(zhǔn)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50145?2007），應(yīng)定名為黏土質(zhì)砂（SC）。按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011?2010）（2016年版）推薦的液化判別公式對(duì)該類地層進(jìn)行液化判別時(shí)，為嚴(yán)重液化，大大的提高了工程建設(shè)成本。

本場區(qū)細(xì)顆粒含量較高的黏土質(zhì)砂與傳統(tǒng)意義上的粉砂有很大區(qū)別，用統(tǒng)一的液化判別公式來判別其抗液化性能的適用性值得研究。在具有相同液化勢的情況下，由于土中黏粒含量很高，該類土層的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)的粉砂地層。為了提高巖土工程勘察的精度，積累地區(qū)勘察經(jīng)驗(yàn)，本文針對(duì)該類地層的特殊性，采用多種液化判別方法進(jìn)行綜合液化判別，并提出適用于細(xì)粒土質(zhì)砂的液化判別方法。

砂土液化是巖土工程界比較復(fù)雜的問題，特別是砂土中細(xì)粒土含量比較高時(shí)，砂土的液化判別顯得更加復(fù)雜。汪聞韶[1]對(duì)液化研究進(jìn)行過詳細(xì)的總結(jié)，尤其是國內(nèi)的液化研究做了詳細(xì)的總結(jié)，王明洋等[2]還對(duì)飽和砂土動(dòng)力液化研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。謝定義[3]、張克緒和謝君裴[4]、徐志英[5]、欒茂田[6]、吳世明等[7]、王鐘琦[8]對(duì)砂土、粉土和粉煤灰等的液化問題做了大量的研究，探索了剪切荷載下孔隙水壓力的變化規(guī)律以及砂土動(dòng)本構(gòu)特性和液化發(fā)展過程等問題。Finn等[9]、Seed等[10]、Dealba等[11]、Ishinhara等[12]在液化方面作了許多研究工作，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論研究，Seed提出液化簡化判別法[10]。Seed[13]、Finn[14]等對(duì)歐美國家從20世紀(jì)60年代初到80年代初的振動(dòng)何載作用下飽和砂土的液化工作進(jìn)行了總結(jié)，Iwasaki[15]對(duì)日本砂土液化研究方面的成果進(jìn)行了總結(jié)，并給出了從1909年到1978年間發(fā)生在日本的大地震的液化災(zāi)害較詳細(xì)的現(xiàn)場資料，總結(jié)了砂土地基岸坡液化的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果。隨著研究的開展，土動(dòng)力學(xué)問題慢慢地從試驗(yàn)研究方向向數(shù)值計(jì)算方法轉(zhuǎn)變。Finn等[9,16]在20世紀(jì)70年代提出了有效應(yīng)力動(dòng)力分析方法，并針對(duì)地震液化分析了一維垂向傳播的剪切問題，得到了這種條件下的液化發(fā)展過程等。

1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探揭露，場地30 m深度范圍內(nèi)，地層由上至下主要分布有耕土，第四系全新統(tǒng)海相沉積土及殘積土，根據(jù)附近地質(zhì)資料，基巖埋深在35 m左右，為下白堊統(tǒng)鹿母灣組砂巖。各層土的地質(zhì)特征描述如下：

（1）黏土質(zhì)砂：褐黃色，紅褐色，濕?很濕，松散，鉆孔揭露該層層厚為5.6～7.9 m，平均層厚6.42 m，層頂高程31.18～31.87 m，層底高程22.25～25.85 m。顆粒成分主要為石英、長石等，磨圓度較差，顆粒不均勻，細(xì)粒土含量較高，局部為夾粉質(zhì)黏土薄層。

（2）黏土質(zhì)砂：褐黃色夾棕紅色，濕?很濕，松散，鉆孔揭露該層層厚為8.7～11.4 m，平均層厚為10.13 m，層頂高程為21.55～25.85 m，層底高程為12.85～14.99 m。主要礦物成份為石英、長石，磨圓度較差，級(jí)配差，細(xì)粒土含量高，尤其黏粒含量較高，局部夾粉質(zhì)黏土薄層。

（3）砂質(zhì)黏性土：紫灰色，飽和，可塑，鉆孔揭露該層層厚為7.0～8.8 m，層頂高程為12.85～14.99 m，主要為粉質(zhì)黏土，含大量砂土及礫石，由上至下礫石含量逐漸增加。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料，場區(qū)地下水位埋深為5.1～7.8 m，標(biāo)高19.43～26.43 m，屬于潛水。根據(jù)場地附近地質(zhì)資料，該場地地下水位年變幅1.2 m，近3～5年最高地下水位按現(xiàn)有鉆孔水位上升1.2 m考慮。

1.3 物理力學(xué)性質(zhì)

為了對(duì)場區(qū)內(nèi)第①層黏土質(zhì)砂及第②層黏土質(zhì)砂進(jìn)行詳細(xì)分析，在場區(qū)內(nèi)采取原狀土樣進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)。

（1）液塑限試驗(yàn)

根據(jù)液塑限試驗(yàn)結(jié)果，第①層黏土質(zhì)砂的塑性指數(shù)一般在10.6～16.7，平均塑性指數(shù)為13.5，第②層黏土質(zhì)砂的塑性指數(shù)一般為8.5～13.4，平均塑性指數(shù)為10.5，塑性指數(shù)遠(yuǎn)大于砂土的塑性指數(shù)，屬于粉質(zhì)黏土的塑性指數(shù)范圍。

（2）壓縮性試驗(yàn)

根據(jù)壓縮試驗(yàn)結(jié)果，第①層黏土質(zhì)砂層的壓縮模量Es100-200一般為4.48～14.86 MPa，平均為8.61 MPa；第②層黏土質(zhì)砂的壓縮模量Es100-200一般為4.96～17.21 MPa，平均為10.95 MPa。屬于中等壓縮性土。

（3）顆分試驗(yàn)

為了研究場區(qū)內(nèi)特殊性砂土的顆粒組成，對(duì)所取土樣進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)，采用六偏磷酸鈉做分散劑，根據(jù)顆分試驗(yàn)結(jié)果，第①層黏土質(zhì)砂中的細(xì)顆粒含量比較高，約為25.3%～49.4%，平均含量約為40.7%，而黏粒含量約為12.5%～18.7%，平均含量約為15.6%，黏粒含量較高；第②層黏土質(zhì)砂中細(xì)顆粒含量約為23.8%～49.9%，平均含量約為44.2%，而黏粒含量約為12.4%～24.9%，黏粒含量平均為16.4%，黏粒平均含量略高于第①層黏土質(zhì)砂層的黏粒平均含量；第③層砂質(zhì)黏性土的細(xì)顆粒含量較高，由上至下，礫粒含量逐漸增多。

（4）直剪試驗(yàn)

根據(jù)剪切試驗(yàn)結(jié)果，第①層黏土質(zhì)砂層的黏聚力一般為37.8～72.5 kPa，平均為48.2 kPa，內(nèi)摩擦角一般為22°～31°，平均值為26.1°；第②層黏土質(zhì)砂的黏聚力一般為12.3～40 kPa，平均為23.8 kPa，內(nèi)摩擦角一般為19.3°～36°，平均為28.9°。土層表現(xiàn)出高黏聚力和高內(nèi)摩擦角的性質(zhì)，具有砂土和黏性土的雙重性質(zhì)。

2 液化判別

關(guān)于地基土液化的判別方法，國內(nèi)外有數(shù)十種，比較成熟的已經(jīng)列入國內(nèi)外各類規(guī)范的也有十幾種，《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021?2001）除推薦采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別外，還提出了靜力觸探試驗(yàn)法和剪切波速法，本次工作采用原位測試和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法來評(píng)價(jià)場區(qū)土層的抗液化性能。在原位測試手段中，除了采用傳統(tǒng)的標(biāo)貫及剪切波速的液化判別法外，還采用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)這種新型原位測試方法；另外通過現(xiàn)場取樣，在室內(nèi)進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)?zāi)M試驗(yàn)，獲得場區(qū)土層的動(dòng)剪應(yīng)力比，通過試驗(yàn)分析的方法進(jìn)行液化判別。本次共在場區(qū)進(jìn)行了6個(gè)鉆孔的平行測試試驗(yàn)，由于每個(gè)鉆孔的原位測試及液化判別結(jié)果基本類似，限于篇幅，本文重點(diǎn)分析1#鉆孔綜合液化判別的情況。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法

標(biāo)準(zhǔn)貫入臨界擊數(shù)判別法是我國研究工作者根據(jù)邢臺(tái)地震（1966年）、通海地震（1970年）、海城地震（1975年）、唐山地震（1976年）及國外大地震的資料和室內(nèi)液化試驗(yàn)的研究成果確定的，是基于實(shí)際地震時(shí)液化調(diào)查而建立的判別方法，被《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》所采用，是我國目前最常用的液化判別方法之一。詳細(xì)判別公式見式（1）。

式中：Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度，m；dw為地下水位，m；ρc為黏粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3；β為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法液化判別的結(jié)果見表1。從判別結(jié)果可以看出，場區(qū)內(nèi)①層黏土質(zhì)砂和②層黏土質(zhì)砂為可液化土層，場區(qū)土層的液化等級(jí)為嚴(yán)重液化。

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入法液化判別結(jié)果

2.2 剪切波速法

剪切波速法是石兆吉研究員根據(jù)Dobry剛度法原理和我國現(xiàn)場資料推演出來的。用剪切波速判別地面下15 m范圍內(nèi)飽和砂土和粉土的地震液化，可采用以下方法：實(shí)測剪切波速vs大于按式（2）計(jì)算的臨界剪切波速時(shí)，可判為不液化。

式中：vscr為飽和砂土或飽和粉土液化剪切波速臨界值，m/s；vs0為與烈度、土類有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，按表2取值；ds為剪切波速測點(diǎn)深度，m；dw為地下水深度，m。

表2 與烈度、土類有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)vs0

采用剪切波速法進(jìn)行液化判別的判別結(jié)果見表3。

表3 剪切波速液化判別結(jié)果

2.3 抗液化剪應(yīng)力法

抗液化剪應(yīng)力法是由Seed和Idriss(1971)提出的簡化方法發(fā)展而來，它以地震在土層中引起的動(dòng)剪應(yīng)力比CSR來表征動(dòng)力作用大小，以一定振次下達(dá)到液化時(shí)所需要的動(dòng)剪應(yīng)力比CRR來表征抵抗液化的能力。

式中：τav為地震作用平均水平剪應(yīng)力，kPa；為有效上覆壓力，kPa；σvo為總上覆壓力，kPa；αmax為地震作用引起的水平向地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值，可由表4查得；g為 重力加速度；γd為應(yīng)力折減系數(shù)，按照Liao和Whitman(1986)建議取值：γd=1?0.00765zz≤9.15m

表4 地面最大加速度αmax

通過比較飽和砂土的抗液化剪力強(qiáng)度CRR和地震時(shí)的等效循環(huán)應(yīng)力比CSR的大小，如果CRR>CSR，則不液化，反之則液化。

本次工作采用野外原位測試和室內(nèi)試驗(yàn)分析兩種方法來獲得CRR，用以判斷場區(qū)土層的抗液化性能。

2.3.1 扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)法

扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)所得到的水平應(yīng)力指數(shù)KD可以反映土的相對(duì)密度、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力歷史、膠結(jié)作用和土體結(jié)構(gòu)，這些參數(shù)在土體液化判別中具有重要作用，Marchetti(2005)提出了用水平應(yīng)力指數(shù)(KD)來計(jì)算砂土的CRR。

上述公式是根據(jù)7.5級(jí)地震提出的計(jì)算公式，在用于其他震級(jí)的場地，需進(jìn)行修正，本場區(qū)屬于6.5級(jí)地震潛在震源區(qū)，因此需對(duì)上述公式進(jìn)行修正。其中MSF為地震修正系數(shù)，按照表5根據(jù)地震震級(jí)選取，取MSF為1.5，采用扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)法計(jì)算的CSR及CRR結(jié)果見圖1。

表5 地震修正系數(shù)表

圖1 CSR、CRR深度曲線（1#孔）

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，通過扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)進(jìn)行液化判別，場區(qū)第①層黏土質(zhì)砂為非液化土層，而第②層黏土質(zhì)砂為局部液化土層。

2.3.2 試驗(yàn)分析法

試驗(yàn)分析法是通過現(xiàn)場取原狀樣，在室內(nèi)進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，得到試樣的動(dòng)強(qiáng)度曲線，然后根據(jù)地震震級(jí)，確定地震等效循環(huán)周數(shù)N，根據(jù)N利用動(dòng)強(qiáng)度曲線，得到相應(yīng)的動(dòng)剪應(yīng)力比。

現(xiàn)場取原狀樣，在室內(nèi)進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，得到試樣的動(dòng)強(qiáng)度曲線，試驗(yàn)所得的動(dòng)強(qiáng)度曲線見圖2。

圖2 動(dòng)強(qiáng)度曲線

采用公式（3）計(jì)算CRR值。

式中：Cr為應(yīng)力校正系數(shù)，可根據(jù)表6確定。

表6 應(yīng)力校正系數(shù)

場區(qū)地震設(shè)防烈度為8度，因此αmax=0.15g，根據(jù)公式γd7.5m=0.943，γd13m=0.827，重度γ為18.5 kN/m3(水上)，20 kN/m3(水下)，地下水位埋深為3 m，則此時(shí)：

場區(qū)處于6.5級(jí)潛在震源區(qū)，因此在計(jì)算CRR 時(shí)，地震震級(jí)按6.5級(jí)考慮，此時(shí)等效應(yīng)力循環(huán)周數(shù)為8次，見表7所示。

表7 不同震級(jí)的等效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)

此時(shí)CRR 計(jì)算如下：

根據(jù)試驗(yàn)分析方法，在6.5級(jí)地震下，場區(qū)7.5 m及13 m處地基土不會(huì)發(fā)生液化。

3 液化判別結(jié)果分析

采用標(biāo)貫法、剪切波速法、扁鏟側(cè)脹法及試驗(yàn)分析法方法對(duì)場區(qū)內(nèi)地基土層進(jìn)行液化評(píng)價(jià)的結(jié)果如表8所示，從分析結(jié)果可以看出，采用不同判別方法得到的判別結(jié)果差異較大。

表8 各種判別液化判別結(jié)果表

分析上述幾種液化判別方法的差異性，主要是由于不同判別方法所反映土層特性的側(cè)重點(diǎn)不一致，而使得不同液化判別方法在判別相同地層時(shí)出現(xiàn)不同的結(jié)果。對(duì)于本場區(qū)土層，具有高塑性指數(shù)、高黏粒含量、高黏聚力等黏性土的特點(diǎn)，同時(shí)又具有高砂粒含量，高內(nèi)摩擦角等砂土的特點(diǎn)，具有黏性土和砂土的雙重特點(diǎn)，而具體表現(xiàn)在標(biāo)貫擊數(shù)上，同樣密實(shí)度的砂土，由于黏土顆粒的存在而使得標(biāo)貫擊數(shù)降低，因此在使用標(biāo)準(zhǔn)貫入測試進(jìn)行液化判別時(shí)而使得本來不液化的土判為液化土，而輕微液化的土判別為嚴(yán)重液化的土；由于扁鏟側(cè)脹的方法，不僅考慮了砂土的密實(shí)性，還考慮了土性的影響因素，測試數(shù)據(jù)豐富，更好地反映了地基土的信息，且測試數(shù)據(jù)連續(xù)，能最大限度降低薄層黏性土的影響；試驗(yàn)分析的方法概念明確，考慮因素全面，基本能真實(shí)反映地基土的抗液化性能，因此成為評(píng)價(jià)地基土液化性能最可靠的方法。

4 場區(qū)液化綜合判別

針對(duì)本場區(qū)地基土的特點(diǎn)，由于缺乏地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，即使有少數(shù)幾個(gè)試樣也難獨(dú)自制定考慮黏粒含量影響的黏土質(zhì)砂液化判別方法，因此直接采用規(guī)范公式并略加修改，更加簡捷。由于塑性指數(shù)能反映黏土顆粒的含量大小及黏土礦物成分，因此在進(jìn)行液化判別時(shí)，按塑性指數(shù)的大小來決定液化判別公式中的黏粒含量的大小。對(duì)于黏土質(zhì)砂，當(dāng)塑性指數(shù)大于10時(shí)，具有黏性土的性質(zhì)，而且隨土中細(xì)顆粒含量從小于50%變化到大于50%時(shí)，土性由砂土變?yōu)轲ね粒虼丝煽紤]以塑性指數(shù)等于10作為黏土質(zhì)砂液化判別時(shí)黏粒含量取值的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)塑性指數(shù)大于10時(shí)，黏粒含量以實(shí)際含量代入液化判別公式進(jìn)行液化判別，而當(dāng)塑性指數(shù)小于10時(shí)，黏粒含量按3%代入液化判別公式進(jìn)行液化判別。

按照上述方法，對(duì)本場區(qū)地基土進(jìn)行液化判別，由于場區(qū)第①層黏土質(zhì)砂及第②層黏土質(zhì)砂的塑性指數(shù)均大于10，在進(jìn)行液化判別時(shí)，黏粒含量按顆分試驗(yàn)測得的實(shí)際含量代入判別，判別結(jié)果為輕微液化。判別結(jié)果見表9。

表9 修正液化判別公式判別結(jié)果

5 結(jié)論

本場區(qū)地基土具有細(xì)粒土含量高、黏粒含量高、塑性指數(shù)高、黏聚力高等不同于純凈砂土的特點(diǎn)，采用抗震規(guī)范規(guī)定的液化判別公式對(duì)本場區(qū)地基土進(jìn)行液化判別，會(huì)出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象，因此采用標(biāo)準(zhǔn)貫入測試、剪切波速、扁鏟側(cè)脹等原位測試及室內(nèi)試驗(yàn)等多種方法對(duì)場區(qū)地基土進(jìn)行綜合液化判別，并對(duì)液化判別結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于高細(xì)粒土含量（15%≤細(xì)粒含量<50%），在進(jìn)行液化判別時(shí)應(yīng)考慮黏粒含量大小對(duì)其抗液化性能的影響，而不應(yīng)統(tǒng)一按照3%，采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的液化判別公式進(jìn)行液化判別。

（2）對(duì)于高細(xì)粒土含量的砂土可考慮根據(jù)塑性指數(shù)對(duì)建筑抗震規(guī)范規(guī)定的液化判別公式進(jìn)行簡單修正，當(dāng)塑性指數(shù)大于10時(shí)，按照實(shí)際黏粒含量代入《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定液化判別公式進(jìn)行液化判別，當(dāng)塑性指數(shù)小于10時(shí)，黏粒含量統(tǒng)一按照3%代入液化判別公式進(jìn)行液化判別。

（3）由于本文提出的修正液化判別公式建立在個(gè)別地區(qū)少量的試驗(yàn)樣本基礎(chǔ)之上，應(yīng)進(jìn)一步增加試驗(yàn)樣本，研究該修正液化判別公式的合理性和通用性。