基于CPTU土类指数的标贯值液化判别

杜广印 罗 涛 程 远 潘皇宋

(1东南大学岩土工程研究所, 南京 210096)(2江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室, 南京 210096)(3苏州市轨道交通集团有限公司, 苏州 215004)

基于CPTU土类指数的标贯值液化判别

杜广印1,2罗 涛1,2程 远3潘皇宋1,2

(1东南大学岩土工程研究所, 南京 210096)(2江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室, 南京 210096)(3苏州市轨道交通集团有限公司, 苏州 215004)

为提高可液化地基液化判别的准确性,依托宿新高速公路共振法加固可液化地基项目,对共振法处理后的液化地基进行CPTU试验和SPT试验.对CPTU试验得到的土类指数Ic和SPT试验得到的标贯值N63.5进行处理分析.结果表明,饱和砂土和粉土的标贯值N63.5是土类指数Ic的一次函数(N63.5=-18.8Ic+52.0),即土类指数越大,土性越接近黏性,标贯值越小.基于N63.5与Ic的拟合关系式提出一种新型液化判别方法,即根据标贯值参照《建筑抗震设计规范》进行饱和砂土和粉土地基的液化判别,其中标贯值根据Ic计算获得,Ic则通过CPTU试验获取.与规范中SPT判别法相比,该方法可以提供连续的标贯值参数,与基于CPT的周期阻力比法相比,该方法计算简单.

液化地基;孔压静力触探;标贯值;土类指数

地震作用易导致饱和砂土或粉土地基发生液化,造成建筑物破坏,给人类生命财产带来巨大损失.如何准确评价地基的液化潜能,对实际工程建设具有重大意义,同时也面临着诸多挑战.对于高风险项目,人们常采用多种方法进行综合评估,以提高其可靠性.目前,液化地基的判别法主要有《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)中提出的标准贯入试验判别法,以及国外的修正Seed法.

标准贯入试验判别法在实际应用中是每隔1.5 m测试一个点,因此不能提供连续的标准贯入锤击数(下文简称标贯)断面.国外的修正Seed法[1]就是对等效周期应力比(CSR)与地基土的周期阻力比(CRR)进行比较,如果CRR>CSR,则判为不液化土;反之,则判为液化土.其中,CRR是利用CPTU试验测得的参数计算得到的,CSR是依据场地的地震设计参数计算得到的.但CSR和CRR的计算较为复杂,在实际应用中不太方便.

鉴于以上2种判别法存在的不足,本文拟综合利用CPTU试验能够得到连续的数据断面和标准贯入试验判别法简单方便的优点,提出一种新的可液化地基液化判别方法.

1 标贯值与土类指数的相关性

《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)规定[2]: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法,进行地表以下20 m深度内的液化判别.液化判别标贯临界值的计算公式如下:

(1)

式中,Ncr为液化判别标贯临界值;N0为液化判别标贯基准值(见表1);ds为饱和土标准贯入点深度,m;dw为地下水位深度,m;ρc为黏粒百分率,当低于3%或为砂土时取3;β为调整系数,对于设计地震第1,2,3组分别取0.80,0.95,1.05.当标贯实测值N>Ncr,则判为不液化土;反之,则判为液化土.

表1 液化判别标贯基准值N0

Jefferies等[3]提出各种土质分类界限对应的Qt,Fr和Bq的关系图为近似同心圆,同时用土类指数Ic来表示同心圆半径,计算公式如下:

(2)

式(2)中的计算需要用到CPTU试验测得的孔压数据,Robertson[4]建议忽略孔压参数,直接用Qt-Fr土类指数分类表(见表2),并重新定义土类指数Ic的计算公式:

(3)

改进的Robertson土类指数分类表如表2所示.

表2 改进的Robertson土类指数分类表

刘松玉等[5]通过分析江苏多个试验场地CPTU试验数据,建立了基于CPTU土类指数Ic的中国土性分类方法.邹海峰等[6]提出了基于CPTU电阻率和土类指数Ic计算CRR的液化判别方法.

Robertson等[7]提出了归一化锥尖阻力qc/pa与标贯值N60之比((qc/pa)/N60)和平均粒径D50(0.001～1 mm)的关系.其中,N60是能量比(即贯入器处实际锤击能量与总锤击能量的比值)为60%时对应的标贯值.后来,Robertson等[8]又提出根据锥尖阻力、孔隙水压力及侧壁摩阻力3种土分类图表,并计算出每一种土的(qc/pa)/N60的值,这样就可由CPT测试的锥尖阻力qc以及土质分类结果直接估算出N60.Ic与(qc/pa)/N60的关系式如下[9]:

(4)

廖先斌等[10]采用直径42 mm的钻杆进行了62次标准贯入试验(SPT),经统计得到SPT能量比平均值为85%,变异系数为0.03,变异性极低,SPT试验采用的是63.5 kg的穿心锤,故本文将由SPT得到的标贯值记作N63.5,N60则根据CPTU实验数据利用式(4)计算得到.N63.5与N60有如下关系:

(5)

由此可得

N63.5=0.71N60

(6)

由以上研究可看出,目前CPTU土类指数Ic主要是用来进行土的分类,其分类结果大多数情况下与室内试验给出的土分类结果一致[11-14].也有学者利用土类指数Ic结合其他参数进行液化判别,但是用CPTU土类指数Ic单独进行液化判别尚未见报道.已有方法都不能单一地直接用土类指数Ic计算出标贯值,本文拟利用CPTU试验参数找出二者之间的对应关系,用土类指数Ic来计算标贯值,然后结合标贯值判别法提出CPTU土类指数液化判别方法.

2 现场CPTU试验

2.1 场地描述

共振法加固可液化地基现场试验依托江苏省宿新高速公路宿迁一标(SX-SQ1)K630～K730段可液化地基处理项目.场区抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.20g.地势平坦,场区表层为根植土和近期人工杂填土,其下为粉土、粉质砂土、粉土,土层具体描述见表3.

表3 试验段工程地质条件

2.2 CPTU试验设备

本次现场试验采用东南大学岩土工程研究所从国外引进的敞开式CPTU测试系统,探头的结构如图1所示.CPTU技术是在CPT技术的基础上,增加孔隙水压力元件,测试贯入过程中土体孔隙水压力的变化和消散过程,以更加准确地确定土层基本性质.首先,使用测试系统自带的E4FCS计算机系统来采集现场数据.然后,再利用CONEPLOT软件得到锥尖阻力、标贯值N60、侧摩阻力、孔隙水压力等数据.

图1 CPTU探头结构简图[6]

2.3 试验方案与结果分析

试验段根据振杆形式、激振力大小、振点间距的不同,共分为5个区,每个区分别布置了2个CPTU试验孔,共10个(1#～10#).试验段范围为100 m×40 m,试验孔位布置见图2.具体试验方案见表4,本文完成的10个CPTU试验孔深度均为20 m.

图2 CPTU试验孔位布置(单位：m)

CPTU试验在对地基进行共振法处理以后开展,图3给出了典型的CPTU试验孔的结果,图中u2为孔隙水压力.由图可知,以深度9.35 m为界,其上部孔隙水压力为负值,下部孔隙水压力为正值.锥尖阻力、侧摩阻力和标贯值均沿深度呈抛物线型变化,并且在深度9.35 m附近达到最大值.以9.35 m为界,其上部为非饱和土,下部为饱和粉土砂土.本文仅研究9.35 m以下的饱和粉土砂土.

表4 试验方案

(a) 孔隙水压力

(b) 锥尖阻力

(c) 侧壁摩阻力

(d) 标贯值

(e) 土类指数

(f) 土层

图3 典型CPTU测试结果图

3 基于土类指数的标贯值液化判别法

3.1 标贯值N60与土类指数Ic的关系

选取试验段A区(1#,2#试验孔)、B-1区(3#,4#试验孔)、B-2区(5#,6#试验孔)、C区(7#,8#试验孔)的CPTU数据,每个区分别有50,51,51,45组CPTU数据,每组数据包括土层深度、锥尖阻力、侧摩阻力、孔隙水压力和标贯值N60.利用式(3)计算出土类指数Ic,然后分别得到各区的标贯值N60与x土类指数Ic之间的关系图,见图4.由图可见,每个区的标贯值N60与土类指数Ic之间都呈线性相关,关系式分别如下:

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,标贯值N60与土类指数Ic之间存在很强的线性负相关性,并且4个拟合关系式非常相似.将4个区的数据进行综合分析(见图5),得到拟合标贯值N60与土类指数Ic的关系式如下:

(a) A区

(b) B-1区

(c) B-2区

(d) C区

N60=-26.5Ic+73.3,R2=0.92

(8)

式(8)主要适用于1.5

图5 N60与Ic拟合曲线

3.2 标贯值N63.5与土类指数Ic的关系

联立式(6)、(8)可得到N63.5和Ic的关系式如下:

N63.5=-18.8Ic+52.0

(9)

用式(9)得到的N63.5代替SPT试验的标贯值,然后根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)进行液化判别.具体步骤是:首先利用式(9)得到标贯计算值,然后与式(1)得到的标贯临界值比较.若计算值大于临界值,则判为不液化土;反之,则判为液化土.

与原有液化评价方法相比,本文提出的液化判别方法主要有以下优点:① 与规范中SPT判别法相比,本方法可以提供连续的标贯值参数;② 与基于CPT的周期阻力比法相比,本方法计算简单.

3.3 方法验证

为验证式(9)的可靠性,本文选取试验段D区(9#,10#试验孔)的CPTU数据进行了验算,共49组.具体步骤如下:

① 将49组数据中的土层深度、锥尖阻力和侧摩阻力等代入式(3)得出土类指数Ic.

② 利用式(8)得到N60的计算值,并与N60原始值对比,结果见图6(a).

③ 利用式(9)得到N63.5的计算值,并与相同深度的通过SPT得到的N63.5实测值对比,结果见图6(b).

④ 利用式(1)得到Ncr,并与SPT测得的N63.5实测值进行对比,结果见图6(c).

⑤ 将N63.5计算值与Ncr进行对比,结果见图6(d).

由图6可知,式(8)得到的N60计算值和N60原始值基本符合;式(9)得到的N63.5计算值与相同深度的通过SPT得到的N63.5实测值也基本相同.本方法的液化判别结果与通过SPT测试直接判别的结果相同,故本文提出的式(9)是可靠的.

(a) N60计算值与原始值

(b) N63.5计算值与实测值

(c) N63.5实测值液化判别

(d) N63.5计算值液化判别

3.4 方法的实践意义

本文提出的拟合公式直接用CPTU土类指数Ic来表示标贯值,然后用标贯值参照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)进行液化判别,省去了标准贯入试验.该方法很好地利用了CPTU试验的连续性和标贯值液化判别法的便捷性,既增加了液化判别的可靠性,又方便工程人员实际操作.但是,目前尚需在实际工程中进行检验.

4 结论

1) CPTU试验作为先进的现代原位测试手段,能够获取连续地质断面的试验参数,为可液化地基的液化评估提供连续地质断面的原位测试数据.

2) 建立了饱和粉土砂土的标贯值N63.5与土类指数Ic之间的关系,得出N63.5为Ic的一次函数.利用CPTU或者CPT测试数据计算出土类指数Ic,进而得出标贯值N63.5.

3) 利用土类指数Ic计算出的标贯值N63.5进行液化判别,该液化判别方法经验证具有较好的可靠性,且具有计算简单、能够提供连续的标贯值断面等优点.该方法适用于1.5

References)

[1]Seed H B, Idriss I M. Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential[J].JournaloftheSoilMechanicsandFoundationsDivision, 1971, 97(9): 1249-1273.

[2]中华人民共和国建设部.GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[3]Jefferies M G, Davies M P. Soil classification by the cone penetration test: Discussion[J].CanadianGeotechnicalJournal, 1991, 28(1): 173-176. DOI:10.1139/t91-023.

[4]Robertson P K. Interpretation of cone penetration tests—a unified approach[J].CanadianGeotechnicalJournal, 2009, 46(11): 1337-1355. DOI:10.1139/t09-065.

[5]刘松玉,蔡国军,邹海峰.基于CPTU的中国实用土分类方法研究[J].岩土工程学报,2013(10):1765-1776. Liu Songyu, Cai Guojun, Zou Haifeng. Research on Chinese practical soil classification method based on CPTU[J].JournalofGeotechnicalEngineering, 2013(10): 1765-1776.(in Chinese)

[6]邹海峰,刘松玉,蔡国军,等.基于电阻率CPTU的饱和砂土液化势评价研究[J].岩土工程学报,2013,35(7):1280-1288. Zou Haifeng, Liu Songyu, Cai Guojun, et al. Research on the liquefaction evaluation of saturated sand based on resistivity CPTU[J].JournalofGeotechnicalEngineering, 2013, 35(7): 1280-1288.(in Chinese)

[7]Robertson P K, Campanella R G, Wightman A. SPT-CPT correlations[J].JournalofGeotechnicalEngineering, 1983, 109(11): 1449-1459. DOI:10.1061/(asce)0733-9410(1983)109:11(1449).

[8]Robertson P K, Campanella R G, Gillespie D, et al. Use of piezometer cone data [C]//ProceedingsoftheASCESpecialtyConferenceInSitu’86:UseofinSituTestsinGeotechnicalEngineering. Blacksburg, USA, 1986.

[9]刘松玉,蔡国军,童立元.现代多功能CPTU技术理论与工程应用[M].北京:科学出版社,2013:239.

[10]廖先斌,郭晓勇,杜宇.英标和国标标贯设备试验结果相关性分析[J].岩土力学,2013,34(1):143-147. Liao Xianbin, Guo Xiaoyong, Du Yu. Correlation analysis of standard penetration test results on British and Chinese standard equipments[J].RockandSoilMechanics, 2013, 34(1): 143-147.(in Chinese)

[11]Osman M A, El Fatih O A. Evaluation of cone penetration test (CPT) classification methods for some local soils[J/OL].JournalofBuildingandRoadResearch, 2016, 5(1): http://ejournals.uofk.edu/index.php/JBRR/article/view/669.

[12]Eslami A, Alimirzaei M, Aflaki E, et al. Deltaic soil behavior classification using CPTU records—Proposed approach and applied to fifty-four case histories[J].MarineGeoresources&Geotechnology, 2017, 35(1): 62-79. DOI:10.1080/1064119x.2015.1102185.

[13]Robertson P K. Cone penetration test (CPT)-based soil behaviour type (SBT) classification system—An update[J].CanadianGeotechnicalJournal, 2016, 53(12): 1910-1927. DOI:10.1139/cgj-2016-0044.

[14]Shahri A A, Malehmir A, Juhlin C. Soil classification analysis based on piezocone penetration test data—A case study from a quick-clay landslide site in southwestern Sweden[J].EngineeringGeology, 2015, 189: 32-47. DOI:10.1016/j.enggeo.2015.01.022.

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. 作者简介: 杜广印(1964—)，男，博士，副教授，博士生导师，guangyin@seu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(41372308)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目和江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(SJLX15_0060)、江苏省自然科学基金资助项目(BK20150279).

杜广印,罗涛,程远,等.基于CPTU土类指数的标贯值液化判别[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(4):812-817.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.028.

TU413

A

1001-0505(2017)04-0812-06