动探击数N63.5作为砂砾石液化判别和工程检测标准的研究

程汝恩，黄向春

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

0 引言

饱和砂砾石层的地震液化问题，目前业界尚存在一些争议和质疑。其原因一是以往地震中砂砾石液化曾在土石坝填料出现过，而天然砂砾石液化则经验很少;再者，水位以下饱和砂砾石层难以获取原状天然密度、含水率等指标，而标准贯入试验、静力触探又不适用，致使饱和砂砾石层缺乏可靠的液化判别方法和依据。在汶川8.0级地震中，袁晓明、曹振中等学者通过对液化点的专门勘察、分析和研究，验证了砂砾石层液化是真实存在的[1]。

黄河干流某水利枢纽工程坝址区地震基本烈度为Ⅷ度;地基中分布的砂砾石层，依据地层年代、工程运行时地下水位、颗分成果、剪切波测试结果以及相对密度，判别为液化土。据此，泄洪闸段和土石坝段设计方案采用振冲碎石桩进行地基处理，以消除地基砂砾石层的地震液化问题，设计标准要求处理后相对密度≥0.75。

本工程坝基砂砾石层多在地下水位以下，天然密度测试很困难，相对密度法判别其液化特性可操作性差，难以满足施工生产的需要。因此采用动力触探试验判别并作为工程处理质量检测方法就成为一个非常必要的选择。

目前，标准贯入击数和相对密度之间有比较成熟的对应关系，但动力触探击数和相对密度之间缺乏对应关系。有必要通过试验和分析，建立本工程区的砂砾石层相对密度Dr和重型动力触探击数N63.5之间关系，确定砂砾石相对密度0.75所对应的动探击数N63.5，为施工质量检测提供实用有效方法和可靠的控制标准。

1 砂砾石层特征

本工程泄洪闸和土石坝基础坐落在第四系全新统冲积地层(Qal4)，坝基土体中的砂砾石层颗粒组成特点是砾径较细、粘粒含量很低，颗粒分析结果见表1。由颗分成果看出，粒径＜5 mm颗粒含量的质量百分率＞30%，粒径＜0.005 mm颗粒含量的质量百分率＜18%，按照《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)中土的液化判别标准，初判为液化土。

该砂砾石层的现场实测相对密度Dr值在0.41～0.65之间，小于地震烈度Ⅷ度区液化临界相对密度0.75的标准，因此依据相对密度复判为液化土。

表1 黄河干流某水利枢纽工程砂砾石层颗分试验成果统计表Table 1 Test results showing the different particles of sand-gravel layer of a water conservancy project in mainstream of theYellow River

2 试验布置和方法

2.1 试验布置

试验分两个区进行，即试验Ⅰ区和试验Ⅱ区。

试验Ⅰ区振冲碎石桩桩间距2.0 m，等边三边形形式布桩，桩数7个，桩深在11.0～12.3 m之间。布置了3个钻孔及孔内动力触探试验、1个竖井及井内天然密度测试，见图1。

试验Ⅱ区桩间距为2.2 m，等边三边形形式布桩，桩深11 m左右。布置了1个动力触探试验点和1个竖井及井内天然密度测试。

2.2 动力触探试验

试验Ⅰ区，首先对桩间砂砾石土完成了3个钻孔及孔内重型动力触探试验，之后在试验区开挖竖井进行现场天然密度测试。

试验Ⅱ区的重型动力触探试验和现场天然密度测试则是同步进行。

2.3 原位相对密度测试

在试验区的竖井内，采用灌水法分层测定天然密度、含水率等指标;同时获取足量砂砾石样品，用以室内测定最大干密度和最小干密度。由此计算出相对密度(Dr)。

图1 试验Ⅰ区场地布置示意图Fig.1 The layout of No.1 testing site

试验Ⅰ区采用管井法降水，在竖井周围共布置了9个抽水管井，见图1，管井内出水排到试验区一定距离之外的区域。降水后，随着竖井的逐层开挖，分层进行了天然密度测试和取样。共完成5层天然测试和取样，每层各2～3组。

试验Ⅱ区采用明排方式进行降水，围绕天然密度测试点开挖一条环形排水沟，集中后排到试验区一定距离之外的区域。随着竖井的逐层开挖，逐层进行排水和现场测试。共完成5层天然密度测试和取样，每层各1～2组。

3 动力触探试验结果

3.1 试验Ⅰ区

对试验Ⅰ区桩间土共进行了3个钻孔和孔内重型动力触探试验，动探击数N63.5测试结果见表2。

表2 试验Ⅰ区桩间砂砾石层动探击数N63.5成果表Table 2 Results of N63.5by CPT in sand-gravel layer of No.1 testing site

3.2 试验Ⅱ区

试验Ⅱ区桩间土动力触探测试结果见表3。从动探测试成果可以看出，随着测试深度的增加，动探击数N63.5为逐渐增加趋势。

4 相对密度测试结果

4.1 试验Ⅰ区

试验Ⅰ区桩间砂砾石土体相对密度测试成果见表4。结果表明，相对密度 Dr最高达0.92，最小0.52，离散性比较大，现场取样观察和室内试验结果是吻合的。

表3 试验Ⅱ区桩间砂砾石层动探击数N63.5成果表Table 3 Results of N63.5by CPT in sand-gravel layer of No.2 testing site

表4 试验Ⅰ区相对密度Dr试验成果表Table 4 Results of relative density Drin No.1 testing site

4.2 试验Ⅱ区

试验Ⅱ区桩间砂砾石土体相对密度Dr测试成果见表5。总共8组数据中，4组Dr值＞0.75，3组Dr值在0.70 ～0.75 之间，1 组 Dr值为0.67。

表5 试验Ⅱ区相对密度等试验成果表Table 5 Results of relative density in No.2 testing site

5 相对密度Dr和动探击数N63.5对应关系

依据试验Ⅰ、Ⅱ区测试结果，并结合相关规范和文献中成果资料，得到相对密度Dr和动探击数N63.5之间相应数据关系见表6，并据此得出Dr—N63.5关系曲线见图2。

结果显示，动探击数增大，相对密度相应提高，二者相关性较好，因此采用动探击数N63.5评价地基砂砾石层密实度，并作为碎石桩桩间土检测依据是可行的。同时，本工程坝基砂砾石层相对密度Dr=0.75所对应的动探击数N63.5为30击。

表6 相对密度Dr—动探击数N63.5关系曲线数据点一览表Table 6 List for data points of curve showing the relationship between relative density Drand N63.5by CPT

图2 砂砾石相对密度Dr－动探击数N63.5关系曲线Fig.2 Curve showing the relationship between relative density Drand N63.5by CPT

6 砂砾石层消除地震液化的工程检测控制标准

本工程坝基砂砾石层消除地震液化，其设计标准为相对密度Dr≥0.75。通过上述试验和分析结果，相对密度Dr=0.75所对应的动探击数N63.5为30击。由此，确定了黄河干流某水利枢纽工程坝基砂砾石层消除地震液化的施工质量控制标准为:

坝基砂砾石土体地震液化判别采用重型(63.5 kg)动力触探方法，以重型动力触探击数N63.5作为判别依据。动探击数N63.5≥30击为合格，但最低不得低于20击;合格率不得低于80%，且不合格点不得3段以上连续分布。动力触探试验中遇到回弹现象时应扫孔通过后再进行测试。

7 振冲碎石桩桩间砂砾石层工程检测结果

按照上述施工质量控制标准，对本工程泄洪闸坝基的桩间砂砾石层进行了施工质量检测，以检测其密实度和地震液化消除效果，其中部分检测结果见表7。

检测结果表明，经过振冲碎石桩处理后的桩间砂砾石层，动探击数N63.5≥30击所占比例在87% ～95%之间，20击≤N63.5＜30击所占比例在4% ～11%之间，没有3段以上连续分布不合格段次;共有5段次N63.5＜20击的不合格段次，但均在地表0.8 m深度范围内。

8 结论

(1)饱和砂砾石层存在着地震液化的可能，需要采取工程措施予以处理，以消除地震液化。黄河干流某水利枢纽工程采用了振冲碎石桩地基处理。

(2)水下砂砾石层的天然密度测试很困难，采用相对密度法进行液化判别可操作性差;标准贯入试验又不适用于砂砾石层。因此采用动力触探试验测试砂砾石层液化性能不失为一种可行的方法。

(3)鉴于砂砾石层动力触探击数往往离散性较大，应针对具体工程建立砂砾石层相对密度Dr和重型动力触探击数N63.5之间关系。将来积累足够的工程经验后，逐步建立较适用的标准关系是必要的。

(4)黄河干流某水利枢纽工程坝基砂砾石层相对密度Dr=0.75所对应的重型动探击数N63.5为30击。

表7 泄洪闸坝基的桩间砂砾石层动探击数N63.5液化判别表Table 7 Discriminant results for the liquefaction of sand-gravel layer in sluice dam foundation by N63.5by CPT

[1] 袁晓明，曹振中，孙锐，等.汶川8.0级地震液化特征初步研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28(6):1 288 －1 296.