某场区黏土质砂液化综合判别研究

李 兵 郭宏云 王新波 孙崇华

（北京特种工程设计研究院，北京 100028）

0 引言

某场区经过前期勘察，普遍分布有第四系全新统的海相沉积的粉砂层。粉砂层中含有大量的细颗粒（d<0.075 mm），含量约为28%～49.9%，而且细颗粒中黏粒（d<0.005 mm）的含量12.4%～18.7%，塑性指数大于10，按照土的分类标准《土的工程分类标准》（GB/T 50145−2007），应定名为黏土质砂（SC）。按照《建筑抗震设计规范》（GB 50011−2010）（2016年版）推荐的液化判别公式对该类地层进行液化判别时，为严重液化，大大的提高了工程建设成本。

本场区细颗粒含量较高的黏土质砂与传统意义上的粉砂有很大区别，用统一的液化判别公式来判别其抗液化性能的适用性值得研究。在具有相同液化势的情况下，由于土中黏粒含量很高，该类土层的标准贯入击数远小于标准的粉砂地层。为了提高岩土工程勘察的精度，积累地区勘察经验，本文针对该类地层的特殊性，采用多种液化判别方法进行综合液化判别，并提出适用于细粒土质砂的液化判别方法。

砂土液化是岩土工程界比较复杂的问题，特别是砂土中细粒土含量比较高时，砂土的液化判别显得更加复杂。汪闻韶[1]对液化研究进行过详细的总结，尤其是国内的液化研究做了详细的总结，王明洋等[2]还对饱和砂土动力液化研究进展进行了总结。谢定义[3]、张克绪和谢君裴[4]、徐志英[5]、栾茂田[6]、吴世明等[7]、王钟琦[8]对砂土、粉土和粉煤灰等的液化问题做了大量的研究，探索了剪切荷载下孔隙水压力的变化规律以及砂土动本构特性和液化发展过程等问题。Finn等[9]、Seed等[10]、Dealba等[11]、Ishinhara等[12]在液化方面作了许多研究工作，进行了大量的试验研究和理论研究，Seed提出液化简化判别法[10]。Seed[13]、Finn[14]等对欧美国家从20世纪60年代初到80年代初的振动何载作用下饱和砂土的液化工作进行了总结，Iwasaki[15]对日本砂土液化研究方面的成果进行了总结，并给出了从1909年到1978年间发生在日本的大地震的液化灾害较详细的现场资料，总结了砂土地基岸坡液化的振动台试验结果。随着研究的开展，土动力学问题慢慢地从试验研究方向向数值计算方法转变。Finn等[9,16]在20世纪70年代提出了有效应力动力分析方法，并针对地震液化分析了一维垂向传播的剪切问题，得到了这种条件下的液化发展过程等。

1 工程地质及水文地质

1.1 工程地质条件

根据钻探揭露，场地30 m深度范围内，地层由上至下主要分布有耕土，第四系全新统海相沉积土及残积土，根据附近地质资料，基岩埋深在35 m左右，为下白垩统鹿母湾组砂岩。各层土的地质特征描述如下：

（1）黏土质砂：褐黄色，红褐色，湿−很湿，松散，钻孔揭露该层层厚为5.6～7.9 m，平均层厚6.42 m，层顶高程31.18～31.87 m，层底高程22.25～25.85 m。颗粒成分主要为石英、长石等，磨圆度较差，颗粒不均匀，细粒土含量较高，局部为夹粉质黏土薄层。

（2）黏土质砂：褐黄色夹棕红色，湿−很湿，松散，钻孔揭露该层层厚为8.7～11.4 m，平均层厚为10.13 m，层顶高程为21.55～25.85 m，层底高程为12.85～14.99 m。主要矿物成份为石英、长石，磨圆度较差，级配差，细粒土含量高，尤其黏粒含量较高，局部夹粉质黏土薄层。

（3）砂质黏性土：紫灰色，饱和，可塑，钻孔揭露该层层厚为7.0～8.8 m，层顶高程为12.85～14.99 m，主要为粉质黏土，含大量砂土及砾石，由上至下砾石含量逐渐增加。

1.2 水文地质条件

根据勘察资料，场区地下水位埋深为5.1～7.8 m，标高19.43～26.43 m，属于潜水。根据场地附近地质资料，该场地地下水位年变幅1.2 m，近3～5年最高地下水位按现有钻孔水位上升1.2 m考虑。

1.3 物理力学性质

为了对场区内第①层黏土质砂及第②层黏土质砂进行详细分析，在场区内采取原状土样进行物理力学试验。

（1）液塑限试验

根据液塑限试验结果，第①层黏土质砂的塑性指数一般在10.6～16.7，平均塑性指数为13.5，第②层黏土质砂的塑性指数一般为8.5～13.4，平均塑性指数为10.5，塑性指数远大于砂土的塑性指数，属于粉质黏土的塑性指数范围。

（2）压缩性试验

根据压缩试验结果，第①层黏土质砂层的压缩模量Es100-200一般为4.48～14.86 MPa，平均为8.61 MPa；第②层黏土质砂的压缩模量Es100-200一般为4.96～17.21 MPa，平均为10.95 MPa。属于中等压缩性土。

（3）颗分试验

为了研究场区内特殊性砂土的颗粒组成，对所取土样进行了颗粒分析试验，采用六偏磷酸钠做分散剂，根据颗分试验结果，第①层黏土质砂中的细颗粒含量比较高，约为25.3%～49.4%，平均含量约为40.7%，而黏粒含量约为12.5%～18.7%，平均含量约为15.6%，黏粒含量较高；第②层黏土质砂中细颗粒含量约为23.8%～49.9%，平均含量约为44.2%，而黏粒含量约为12.4%～24.9%，黏粒含量平均为16.4%，黏粒平均含量略高于第①层黏土质砂层的黏粒平均含量；第③层砂质黏性土的细颗粒含量较高，由上至下，砾粒含量逐渐增多。

（4）直剪试验

根据剪切试验结果，第①层黏土质砂层的黏聚力一般为37.8～72.5 kPa，平均为48.2 kPa，内摩擦角一般为22°～31°，平均值为26.1°；第②层黏土质砂的黏聚力一般为12.3～40 kPa，平均为23.8 kPa，内摩擦角一般为19.3°～36°，平均为28.9°。土层表现出高黏聚力和高内摩擦角的性质，具有砂土和黏性土的双重性质。

2 液化判别

关于地基土液化的判别方法，国内外有数十种，比较成熟的已经列入国内外各类规范的也有十几种，《岩土工程勘察规范》（GB 50021−2001）除推荐采用标准贯入试验判别外，还提出了静力触探试验法和剪切波速法，本次工作采用原位测试和室内试验相结合的方法来评价场区土层的抗液化性能。在原位测试手段中，除了采用传统的标贯及剪切波速的液化判别法外，还采用扁铲侧胀试验这种新型原位测试方法；另外通过现场取样，在室内进行动三轴试验模拟试验，获得场区土层的动剪应力比，通过试验分析的方法进行液化判别。本次共在场区进行了6个钻孔的平行测试试验，由于每个钻孔的原位测试及液化判别结果基本类似，限于篇幅，本文重点分析1#钻孔综合液化判别的情况。

2.1 标准贯入试验法

标准贯入临界击数判别法是我国研究工作者根据邢台地震（1966年）、通海地震（1970年）、海城地震（1975年）、唐山地震（1976年）及国外大地震的资料和室内液化试验的研究成果确定的，是基于实际地震时液化调查而建立的判别方法，被《建筑抗震设计规范》所采用，是我国目前最常用的液化判别方法之一。详细判别公式见式（1）。

式中：Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值；N0为液化判别标准贯入锤击数基准值；ds为饱和土标准贯入点深度，m；dw为地下水位，m；ρc为黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3；β为调整系数，设计地震第一组取0.80，第二组取0.95，第三组取1.05。

采用标准贯入试验法液化判别的结果见表1。从判别结果可以看出，场区内①层黏土质砂和②层黏土质砂为可液化土层，场区土层的液化等级为严重液化。

表1 标准贯入法液化判别结果

2.2 剪切波速法

剪切波速法是石兆吉研究员根据Dobry刚度法原理和我国现场资料推演出来的。用剪切波速判别地面下15 m范围内饱和砂土和粉土的地震液化，可采用以下方法：实测剪切波速vs大于按式（2）计算的临界剪切波速时，可判为不液化。

式中：vscr为饱和砂土或饱和粉土液化剪切波速临界值，m/s；vs0为与烈度、土类有关的经验系数，按表2取值；ds为剪切波速测点深度，m；dw为地下水深度，m。

表2 与烈度、土类有关的经验系数vs0

采用剪切波速法进行液化判别的判别结果见表3。

表3 剪切波速液化判别结果

2.3 抗液化剪应力法

抗液化剪应力法是由Seed和Idriss(1971)提出的简化方法发展而来，它以地震在土层中引起的动剪应力比CSR来表征动力作用大小，以一定振次下达到液化时所需要的动剪应力比CRR来表征抵抗液化的能力。

式中：τav为地震作用平均水平剪应力，kPa；为有效上覆压力，kPa；σvo为总上覆压力，kPa；αmax为地震作用引起的水平向地面运动加速度峰值，可由表4查得；g为 重力加速度；γd为应力折减系数，按照Liao和Whitman(1986)建议取值：γd=1−0.00765zz≤9.15m

表4 地面最大加速度αmax

通过比较饱和砂土的抗液化剪力强度CRR和地震时的等效循环应力比CSR的大小，如果CRR>CSR，则不液化，反之则液化。

本次工作采用野外原位测试和室内试验分析两种方法来获得CRR，用以判断场区土层的抗液化性能。

2.3.1 扁铲侧胀试验法

扁铲侧胀试验所得到的水平应力指数KD可以反映土的相对密度、应力状态、应力历史、胶结作用和土体结构，这些参数在土体液化判别中具有重要作用，Marchetti(2005)提出了用水平应力指数(KD)来计算砂土的CRR。

上述公式是根据7.5级地震提出的计算公式，在用于其他震级的场地，需进行修正，本场区属于6.5级地震潜在震源区，因此需对上述公式进行修正。其中MSF为地震修正系数，按照表5根据地震震级选取，取MSF为1.5，采用扁铲侧胀试验法计算的CSR及CRR结果见图1。

表5 地震修正系数表

图1 CSR、CRR深度曲线（1#孔）

根据以上计算结果，通过扁铲侧胀试验进行液化判别，场区第①层黏土质砂为非液化土层，而第②层黏土质砂为局部液化土层。

2.3.2 试验分析法

试验分析法是通过现场取原状样，在室内进行动三轴试验，得到试样的动强度曲线，然后根据地震震级，确定地震等效循环周数N，根据N利用动强度曲线，得到相应的动剪应力比。

现场取原状样，在室内进行动三轴试验，得到试样的动强度曲线，试验所得的动强度曲线见图2。

图2 动强度曲线

采用公式（3）计算CRR值。

式中：Cr为应力校正系数，可根据表6确定。

表6 应力校正系数

场区地震设防烈度为8度，因此αmax=0.15g，根据公式γd7.5m=0.943，γd13m=0.827，重度γ为18.5 kN/m3(水上)，20 kN/m3(水下)，地下水位埋深为3 m，则此时：

场区处于6.5级潜在震源区，因此在计算CRR 时，地震震级按6.5级考虑，此时等效应力循环周数为8次，见表7所示。

表7 不同震级的等效应力循环次数

此时CRR 计算如下：

根据试验分析方法，在6.5级地震下，场区7.5 m及13 m处地基土不会发生液化。

3 液化判别结果分析

采用标贯法、剪切波速法、扁铲侧胀法及试验分析法方法对场区内地基土层进行液化评价的结果如表8所示，从分析结果可以看出，采用不同判别方法得到的判别结果差异较大。

表8 各种判别液化判别结果表

分析上述几种液化判别方法的差异性，主要是由于不同判别方法所反映土层特性的侧重点不一致，而使得不同液化判别方法在判别相同地层时出现不同的结果。对于本场区土层，具有高塑性指数、高黏粒含量、高黏聚力等黏性土的特点，同时又具有高砂粒含量，高内摩擦角等砂土的特点，具有黏性土和砂土的双重特点，而具体表现在标贯击数上，同样密实度的砂土，由于黏土颗粒的存在而使得标贯击数降低，因此在使用标准贯入测试进行液化判别时而使得本来不液化的土判为液化土，而轻微液化的土判别为严重液化的土；由于扁铲侧胀的方法，不仅考虑了砂土的密实性，还考虑了土性的影响因素，测试数据丰富，更好地反映了地基土的信息，且测试数据连续，能最大限度降低薄层黏性土的影响；试验分析的方法概念明确，考虑因素全面，基本能真实反映地基土的抗液化性能，因此成为评价地基土液化性能最可靠的方法。

4 场区液化综合判别

针对本场区地基土的特点，由于缺乏地区经验，即使有少数几个试样也难独自制定考虑黏粒含量影响的黏土质砂液化判别方法，因此直接采用规范公式并略加修改，更加简捷。由于塑性指数能反映黏土颗粒的含量大小及黏土矿物成分，因此在进行液化判别时，按塑性指数的大小来决定液化判别公式中的黏粒含量的大小。对于黏土质砂，当塑性指数大于10时，具有黏性土的性质，而且随土中细颗粒含量从小于50%变化到大于50%时，土性由砂土变为黏土，因此可考虑以塑性指数等于10作为黏土质砂液化判别时黏粒含量取值的标准，当塑性指数大于10时，黏粒含量以实际含量代入液化判别公式进行液化判别，而当塑性指数小于10时，黏粒含量按3%代入液化判别公式进行液化判别。

按照上述方法，对本场区地基土进行液化判别，由于场区第①层黏土质砂及第②层黏土质砂的塑性指数均大于10，在进行液化判别时，黏粒含量按颗分试验测得的实际含量代入判别，判别结果为轻微液化。判别结果见表9。

表9 修正液化判别公式判别结果

5 结论

本场区地基土具有细粒土含量高、黏粒含量高、塑性指数高、黏聚力高等不同于纯净砂土的特点，采用抗震规范规定的液化判别公式对本场区地基土进行液化判别，会出现误判的现象，因此采用标准贯入测试、剪切波速、扁铲侧胀等原位测试及室内试验等多种方法对场区地基土进行综合液化判别，并对液化判别结果进行综合分析，得出以下结论：

（1）对于高细粒土含量（15%≤细粒含量<50%），在进行液化判别时应考虑黏粒含量大小对其抗液化性能的影响，而不应统一按照3%，采用《建筑抗震设计规范》规定的液化判别公式进行液化判别。

（2）对于高细粒土含量的砂土可考虑根据塑性指数对建筑抗震规范规定的液化判别公式进行简单修正，当塑性指数大于10时，按照实际黏粒含量代入《建筑抗震设计规范》规定液化判别公式进行液化判别，当塑性指数小于10时，黏粒含量统一按照3%代入液化判别公式进行液化判别。

（3）由于本文提出的修正液化判别公式建立在个别地区少量的试验样本基础之上，应进一步增加试验样本，研究该修正液化判别公式的合理性和通用性。