天津地铁双桥静力触探评价土层液化分析研究

姜 祺

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300251）

0 引言

天津市地处华北，地形自西北向东南逐渐降低，地貌为海积—冲积滨海平原及洼地，上部大部分被第四系沉积物覆盖，其中液化土层对天津地铁项目的建设产生了较大的影响。对于土层是否液化及液化等级的判别，一直是地铁建设工程界探讨的重点。目前提出的评价地层液化的方法有很多，包括标准贯入试验法、剪切波速法、临界震动加速度法、临界孔隙比法、静力触探法和综合指标法等[1-7]。研究结果表明，影响砂土液化的因素众多，包括土的性质、应力状态、地震作用和排水条件等。每种评估方法都有一定的适用范围，因此，存在试验指标可信度和液化判别精确度问题[8]。

双桥静力触探目前在工程勘察中被广泛应用，其具有速度快、稳定性好、精度高、清洁环保等特点，能够连续地划分土层。本文针对天津地铁在建项目中的14 个工点，采用双桥静力触探、标准贯入和钻探取样相结合的方法，研究天津土层液化特性，提出了依据双桥静力触探进行液化初判公式，得到了双桥静力触探摩阻比和黏粒含量的关系，并通过与常规液化判定方法对比，分析了双桥静力触探试验方法判定液化在天津地铁工程建设中的可行性。

1 试验场地土层特点

天津市区地基土层为第四系海陆交互沉积的松散沉积物，20  m 深度范围内的土层按其成因可分为新近沉积层（0～11  m）、晚期冲积层（0～4  m）、中期浅海堆积层（4～14  m）及早期冲积层（14～20  m）。各层中均有可液化土层分部，一般与黏性土层交错叠层存在，不同区域厚度变化较大，从几十厘米到几米不等。其中埋深 3～12  m 范围内海河等古河道及洼淀新近沉积的粉土呈稍密状态，地震时易液化[9]。

正是由于沉积地貌的特点，粉黏互层的现象在天津地层中普遍存在，这对标准贯入试验的准确性造成了一定影响，加之其本身受孔径大小、钻进方式及人为因素影响，使得同一土层的标准贯入指标统计离散性较大。天津地铁工程统计资料表明，在同一场地条件下，同一土层的同一深度，其相邻勘探孔之间标准贯入击数最多可相差 50%。这种情况下，采用标准贯入判别法会导致判别结果的离散性大且不稳定。

在天津地区这种粉黏互层的地层中，黏粒含量是判别土层是否为黏性土的重要指标。规范中采用的静力触探试验方法进行液化判定，主要是通过计算贯入阻力psca或qcca后，与其临界值比较，判定是否为液化土[10]。这种方法并没有直接考虑黏粒含量对液化判别的影响，使得其难以充分反应天津地区粉黏互层的地层液化特征。

2 双桥静力触探试验分析

2.1 试验点布置

本次试验选取天津地铁在建工程 14 个工点，共布置试验点 62 处、试验孔数 218 孔，各工点试验情况见表 1。每个试验点均严格按照操作规程要求进行双桥静力触探、标准贯入和钻探取样，孔深全部大于 20  m。每个试验点的原样及扰样进行常规物性试验和室内颗分试验。

表1 试验点分布及项目 孔

2.2 试验结果分析

2.2.1 双桥静力触探指标特征分析

经过对本次双桥静力触探试验指标的综合分析，天津市区范围内粉黏互层的地层呈现出较为统一的指标特征，主要表现为以下几个方面。

（1）黏粒含量较高的黏土及粉质黏土，锥尖阻力qc的平均值较小。随地层深度增加，qc变幅较小，曲线较平滑。

（2）黏粒含量较少的砂质粉土及粉砂，qc的平均值较大，随地层深度增加qc值略有浮动，曲线呈长锯齿状，峰值较小。

（3）具有一定黏粒含量的黏质粉土中，qc值一般介于以上的（1）和（2）之间。随地层深度增加qc曲线呈短锯齿状，当颗粒不均匀时峰值变化加剧，局部为不规则残破大锯齿状。

双桥静力触探中，摩阻比Rf可由公式（1）计算得到：

式（1）中，fs为双桥静力触探试验侧摩阻力，MPa；qc为双桥静力触探试验锥尖阻力，MPa。

本次试验各土层的摩阻比Rf、侧摩阻力fs及锥尖阻力qc的统计值见表 2。对于天津市内地区，土层黏粒含量越少qc值越大，摩阻比Rf随黏粒含量的增加而增加。

表2 不同土层的 qc 与 Rf 指标

2.2.2 摩阻比Rf、锥尖阻力qc及地层液化初判

本次试验地处天津市区北部，根据 GB 18306-2015《震动参数区划图》的区域划分，本场地地震烈度为Ⅷ度，动峰值加速度值为 0.20g。根据文献[1]的规定，对于Ⅷ度区场地，非浅埋基础的第四系全新统（Q4）地层，其黏粒含量大于 13% 时，可初判为不液化。本文将本次试验成果按地层分类进行初判，并结合摩阻比Rf和锥尖阻力qc，给出了试验点分布及其分界线，见图1。根据图 1，其分界线可表示为式（2）：

式（2）中各符号意义同前。

图1 分类地层液化初判分区图

2.2.3 摩阻比Rf与黏粒含量ρc的关系

本次试验中，触探摩阻比Rf与黏粒含量ρc呈现特定的线性关系，见图 2。从图 2 中可以看到，Rf与ρc存在如下关系：

式（3）中，ρc为土层的黏粒含量百分率，%。

图2 摩阻比与黏粒含量的关系

3 双桥静力触探液化判定评价

本文使用文献[10]、[12]中的方法来计算触探锥尖阻力临界值qccr。该方法是以地震现场实测资料为基础建立起来的经验公式，提出了在一定地震烈度条件下，场地的饱和砂土发生液化时所对应的双桥触探液化临界锥尖阻力qccr的计算方法，其判别式表达为：

式（4）～（7）中，qccr为液化锥尖阻力临界值，MPa；du为上覆非液化土层厚度，m；dw为地下水位深度，m；qc0为地下水深度= 2  m、上覆非液化土层厚度 = 2  m时的饱和土液化判别锥尖阻力基准值，MPa；αw为地下水位埋深dw修正系数；αu为上覆非液化土层厚度du修正系数；αp为与双桥静力触探摩阻比有关的土性修正系数。

计算得到的qccr与现场试验实测得到的qc之比，可得到液化土层的液化指数IE，IE可用来重新评价场地的液化等级。表 3 中，14 个工点的岩土勘察报告中均采用规范常规方法判定的场地液化等级，与本次采用双桥静力触探方法相比，结论偏于保守。根据地方经验，本文的判别方法得出的场地液化评价更为接近实际，也较为合理。

表3 双桥静力触探法与常规方法液化判定结果对比

4 结论

（1）由于天津地区新近沉积层多为粉黏互层，其液化影响因素较为复杂，黏粒含量为其中较为重要的因素，此时采用常规标准贯入方法来判定土层液化存在一定的局限性。

（2）双桥静力触探指标中，锥尖阻力qc与摩阻比Rf都与黏粒含量ρc存在一定的关系。随着ρc的增加，qc值减少，Rf增加，其中Rf与ρc呈线性关系。

（3）常规方法评价场地液化等级偏于保守，采用双桥静力触探方法评价场地土液化等级与实际更为接近，具有一定的可行性，可供天津地区其他地铁工程参考使用。