基于SPTn判别法判别砂土液化特征

于明明，贾志献，林迎洁，樊九九,王 博

(1.西北综合勘测设计研究院，陕西 西安 710003，2中国电建西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710003,3江苏省有色金属华东地质勘查局,江苏 南京 210007)

基于SPTn判别法判别砂土液化特征

于明明1，贾志献2，林迎洁3，樊九九1,王 博1

(1.西北综合勘测设计研究院，陕西 西安 710003，2中国电建西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710003,3江苏省有色金属华东地质勘查局,江苏 南京 210007)

砂土液化是工程不良地质现象的主要问题之一，正确地分析和判别砂土液化对确保人类工程建设及安全具有十分重要的意义。依据孔压静力触探试验提供的数据，结合SPTn判别法，可判别砂土液化的曲线特征，即同一液化土层，土体液化安全系数不尽相同；从孔压静力触探孔的SPTn投影图上可以明确砂土液化的三个特征，即发生液化土体的位置、发生液化土体的厚度和发生液化土体的安全系数。

砂土液化；SPTn判别法；Seed简化判别法；孔压静力触探；液化特征

砂土液化是工程不良地质现象的主要问题之一,在含有饱和砂层或粉土层场区进行工程建设，砂土液化不良地质现象是该场区所要关注的重大地质灾害问题[1]。砂土液化地质灾害现象是在地震非线性动力荷载下出现的主要地质灾害之一，严重影响着人类工程建设及安全，1964年和1995年日本神户的新泻大地震已经说明了砂土液化的危害程度及研究砂土液化的重要意义[2]。

目前依据砂土液化的机理，可以将砂土液化分为触发性循环液化、流动液化(流化)和砂沸[3]，本文主要对触发性循环液化的判别方法——SPTn判别法进行了研究。

1 SPTn判别法的基本原理

SPTn判别法判别砂土液化特征是以SPTn投影图法为基础，以Seed简化判别法为指导的。Seed简化判别法主要研究导致液化循环应力比(CRR)的计算方法。最早估算CRR的方法是Seed等在1985提出的，而这种计算CRR的方法主要是以标准贯入试验为基础。但随着静力触探技术在勘察项目的广泛应用，尤其是孔压静力触探原位测试技术的应用，使主要由标贯贯入试验计算导致液化的CRR变为由静力触探试验所得到的大量的、可靠的和可重复的数据计算CRR，于此同时CRR的简化计算法就出现了，我们称之为Seed简化判别法[3]。简化后计算导致液化的CRR7的方法如下：

当50

当Qtn,cs≤50时

(1)

式中:Qtn,cs为修正后的归一化锥尖阻力(MPa),Qtn,cs=KcQtn，其中Kc为归一化锥尖阻力修正系数，与土层的内聚力及可塑性有关,Qtn为归一化的锥尖阻力(MPa)。

1998年Robertson和Wride指出归一化锥尖阻力修正系数Kc与土的类型指数Ic有关，土的类型指数Ic可以由1990年Robertson提出的计算公式表示为

Ic=[(3.47-logQtn)2+(1.22+logFr)2]0.5

(2)

(3)

(4)

(5)

由土的类型指数Ic可以计算修正归一化锥尖阻力系数修正Kc，其计算公式如下：

当土的类型指数Ic≤1.64时

Kc=1.0

(6)

当土的类型指数Ic>1.64时

由此可知计算归一化锥尖阻力Qtn、土性指数r、归一化锥尖阻力修正系数Kc及土的类型指数Ic需要一个循环，循环计算的具体流程[7]见图1。

由导致液化的循环应力比CRR7及土体循环应力比CSR，可以计算出砂土液化的安全系数Fs[7]：

(8)

式中：M为所研究地区对应的地震烈度。

2 工程实例应用

2.1 工程概况

港珠澳大桥是我国继三峡工程、青藏铁路、南水北调、西气东输、京沪高铁之后又一重大基础设施项目，东连香港、西接珠海、澳门，是集桥、岛、隧为一体的超大型跨海通道。港珠澳大桥由沉管隧道、东西人工岛三大部分组成，其中沉管隧道是目前世界上综合难度最大的沉管隧道之一，起于伶仃洋粤港分界线，沿23DY锚地北侧向西，穿越珠江口铜鼓航道、伶仃西航道，止于西人工岛结合部非通航孔桥西端，全长7 440.546m。鉴于该工程工期紧、难度大、风险性大，本研究采用以孔压静力触探原位测试技术为主、钻探技术为辅的方法对港珠澳大桥海底地层进行了工程地质勘察。

2.2 研究区抗震设计参数

参照《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)，沉管隧道区划图设防水准为50年超越概率10%，场地条件为平坦稳定的II类场地，地震动最大峰值加速度为0.10 g，地震基本烈度为VII度，地震动反映谱特征周期为0.35s；根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)，设计地震分组为第一组；根据《港珠澳大桥工程场地设计地震动参数评价报告》(2009年)，珠江三角洲历史上发生过的地震最大震级为5级，依据强震构造类比，震级上限设为6.5级；按照《建筑工程抗震设防分类标准》(GB500223—2008)，沉管隧道作为特殊设防类建筑考虑，抗震设防烈度应提高一度按VIII度来分析，建议采用地震动峰值加速度为0.2 g用于地震液化计算。

2.3 初步判别砂土液化

2.4SPTn判别法判别砂土液化特征

本文以孔压静力触探孔CPTU62孔为例，分析该静力触探孔数据下的砂土层在7级地震的条件下是否会发生液化。将CPTU62孔中小于20 m的土壤分为四层，有液化可能性的土层有一层，即深度为11.979～12.848 m的中砂层,因此需要依据CPTU62孔数据对其进行进一步的液化判别。

依据SPTn判别法的基本原理，首先要计算CPTU62孔土层关于归一化锥尖阻力Qtn、摩阻比Fr和土的类型指数Ic三个参数值，具体的计算流程见图1；然后由此获得CPTU62孔土层的Qtn、Fr和Ic随深度变化的曲线图(见图2);再后依据式(5)计算出归一化锥尖阻力的修正系数Kc，并计算出修

正后的锥尖阻力Qtn,cs，由此获得CPTU62孔土层的Qtn、Kc和Qtn,cs随深度变化的曲线图(见图3)；最后由式(6)可计算出震级为7级所引起的循环应力比CSR与导致液化的循环应力比CRR的比值Fs，如果安全系数Fs小于1，表示所研究的孔压静力触探孔饱和砂土层在震级为7级的条件下会发生液化，需要提出相应的处理措施；如果安全系数Fs大于1，表示所研究孔压静力触探孔饱和砂土层在震级为7级的条件下不会发生液化。判别归一化锥尖阻力CPTU62孔土层砂土液化的曲线特征见图4。

由图4可知，在震级为7级的地震条件下，所研究的CPTU62孔中小于20 m的土层有一层，土层液化的安全系数Fs小于1,即深度为11.979～12.848 m的中砂层，该层土体判别为可液化土。

3 结 论

从孔压静力触探孔砂土液化的曲线特征可以看出，同一液化土层，因物理力学性质的不同，土体液化安全系数也不尽相同；从孔压静力触探孔的SPTn投影图上可以明确砂土液化的三个特征：发生液化土体的位置、发生液化土体的厚度和发生液化土体的安全系数。

[1] 官继昌,王宁,葛明明,等.砂土液化判别的研究现状及存在问题[J].吉林建筑工程学院学报,2010,27(3):13-16.

[2] 罗强.饱和砂土地震液化研究现状[J].攀枝花学院学报(综合版),2008,25(3):12-14.

[3] 杨玉生,刘小生,刘启旺.地基砂土液化判别方法的探讨[J].水力学报,2010,4(19):1061-1069.

[4] Ramsey N.ACalibratedModelfortheInterpretationofConePenetrationTestsCPTsinNorthSeaQuaternarySoils[M].London:Proc. SUT Conf.，2002.

[5] 蔡国军,刘松玉,杜广印,等.多功能孔压静力触探(CPTU)试验研究[J].工程勘察,2007(3):10-15.

[6] Robertson P K.Soil classification using the cone penetration test [J].CanadianGeotechnicalJournal，1990，27(1)：151-158.

[7] Eslami A,Fellnius B H.Pile capacity by direct CPT and CPTU methods applied to 102 case histories[J].CanadianGeotechniealJournal,1997，34(6)：880-898.

[8] 于明明，贾志献，滕伟福.孔压静力触探在海底勘察中的应用[J].安全与环境工程,2012,6(3):129-130.

Identification of the Characteristics of Sand Liquefaction Based on SPTn Discriminant Analysis

YU Mingming1,JIA Zhixian2,LIN Yingjie3,FAN Jiujiu1,WANG Bo1

(1.NorthwestResearchInstituteofEngineeringInvestigationsandDesign,Xi'an710003,China; 2.PowerChinaXibeiEngineeringCorporationLimited,Xi'an710003，China;3.EastChina
MineralExplorationandDevelopmentBureauforNon-ferrous,Nanjing210007,China)

Sand liquefaction is one of the main problems of bad engineering geological phenomenon, so correct analysis and discrimination of sand liquefaction is of great significance to the stable development of human civilization.On the basis of accurate data provide by pore pressure static cone penetration test, together with SPTn discriminant analysis,this paper clears the characteristics of sand liquefaction:the liquefaction safety factor of the same liquefaction soil layer is not the same.Based on the SPTn discrimination method the paper clearly obtains three characteristics of sand liquefaction:the occurrence location of liquefaction soil,the occurrence thickness of liquefaction soil,and the safety factor of liquefaction soil.

sand liquefaction;SPTn discriminant method;Seed simplified discriminant;cone penetration test with pore pressure(CPTU);liquefaction characteristics

1671-1556(2015)04-0164-04

2014-12-23

2015-06-18

于明明(1986—)，女，硕士，助理工程师，主要从事地质灾害评估与评级工作。E-mail:710761734@qq.com

X93;P642.1

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.029