2003 年新疆巴楚地震CPT 液化数据库构建1

董 林 张 琪 夏 坤 彭皓皓 陈 强

（河北工程大学, 土木工程学院, 河北 邯郸 056038）

引言

2003 年2 月24 日新疆巴楚-伽师地区发生MS6.8 地震，震源深度25.2 km，出现了唐山地震、海城地震后近30 年我国大陆最具规模的砂土液化现象（艾买提·乃买提，2004；罗福忠等，2006）。地震发生后，中国地震局立即组织专家对灾区进行了液化现象与液化震害调查，标定了液化点。2009 年，中国地震局工程力学研究所对巴楚地区21 个液化点和17 个非液化点进行了现场钻孔勘察，并开展了标准贯入试验（SPT）、孔压静力触探试验（CPTU）和剪切波速试验（VS）等（董林，2010）。

对于本次测试数据，李兆焱（2012）分别给出了基于SPT 和CPT 指标的巴楚地震液化数据库，并对数据库进行了长期分析研究（李兆焱等，2012，2013a，2013b）。大量研究表明，巴楚地震液化砂土标贯击数与锥尖阻力指标偏大，采用目前国内外液化判别方法往往会判为非液化，这种现象在世界范围内是罕见的。

鉴于以往选取液化层时，往往仅关注锥尖阻力较小且稳定的层，忽略了摩阻比变化趋势及数值，李兆焱（2012）数据库选取非液化点临界液化层时，锥尖阻力偏大、层位偏深，同时考虑巴楚地区上覆非液化层透水条件的特殊性，本文通过Robertson 土质分类图对CPTU 数据进行土类分层检验，对比钻孔柱状图中土层土类，检验二者的一致性，通过土类筛选，结合标贯击数与锥尖阻力选定液化层。最后，利用我国规范方法构建巴楚地震CPT 液化数据库，并进行判别分析。

1 方法介绍

1.1 Robertson 土质分类图

Robertson 等（1998）基于大量实测数据与理论分析，建立了CPT 指标土质分类图（图1），构建了土类指数Ic，其随归一化摩阻比的增大而增大，随归一化锥尖阻力的增大而减小。对于图1 中土类2～7，Ic为5 组同心圆的半径，按下式计算：

图1 Robertson 土类指数分类图Fig.1 CPT-based soil behavior-type chart proposed by Robertson

式中，qc为锥尖阻力；fs为侧摩阻力；Q为归一化锥尖阻力；F为归一化摩阻比；σv0为 总上覆压力；σ′v0为有效上覆压力；Pa为1 个标准大气压；n为应力指数。

n值从砂土到黏土取0.5～1.0，具体确定方法如下：首先假设n取1.0，由式（1）～式（3）计算Ic，如果Ic＞2.6，则为黏土，n即为1.0；如果Ic＜2.6，则改取n为0.5，代入式（1）～式（3）重新计算Ic，如果重新计算的Ic＜2.6，则n确定为0.5；如果重新计算的Ic＞2.6，则n应取为0.7，并代入式（1）～式（3）重新计算Ic。计算完成后，将Q和F代入图1，即可判别土类。

1.2 分层依据

CPTU 测试可提供锥尖阻力qc、侧摩阻力fs、孔压u及摩阻比Rf（fs与qc的比值），如图2（a）所示。2009 年现场勘查同一测试点钻孔与CPT 孔位直线距离均在5 m 以内，可认为二者土层剖面是一致的。由于CPT 指标相对于SPT 指标更连续，且离散性小，因此利用qc-h（h为埋深）图确定液化层更有优势，寻找qc数值小且稳定的层，而如果不注重Rf-h图，很可能造成选取黏土为液化层的错误结果（王蕾等，2021）。因为黏土相对于砂土一般锥尖阻力qc较小，而摩阻比Rf较大。砂土摩阻比一般＜2%，而黏土摩阻比基本＞3%（孟高头等，2000；TB 10018-2018《铁路工程地质原位测试规程》（国家铁路局，2018））。

图2 E-06 测点原位测试结果Fig.2 In-situ test results of Site E-06

本次分析首先以钻孔柱状图中的分层为依据，对CPTU 测试图进行土分层，对于较厚的土层，根据锥尖阻力qc和摩阻比Rf随深度的变化趋势进行细分层。同一土层中，锥尖阻力和摩阻比一般较均匀。表层填土由于土质不均、成分混杂、曲线震荡幅度较大且无明显规律，所以在分层时不予考虑。分层后求出各土层平均锥尖阻力、侧摩阻力及摩阻比，利用Robertson 土质分类图进行各土层土类的检验。

2 液化数据库检验

巴楚地区共有38 个测试点，其中液化点21 个，非液化点17 个。限于篇幅，本文仅介绍4 个测试点，主要呈现检验CPTU 数据的过程及与李兆焱（2012）数据库的主要区别。

（1）E-06 非液化点（215 省道126 km 桩号旁，Ⅷ度区，地下水位3.800 m）

由图2（a）中的Rf-h和qc-h图可知，此测试点3 m 以下土层均为砂层，与图2（b）钻孔柱状图中的各土层土类对应一致。根据锥尖阻力qc和摩阻比Rf随深度的变化趋势进行细分层，结果如表1 所示。将分层后的各土层数据代入Robertson 土质分类图，结果如图3 所示，将图3 土类结果与钻孔柱状图中的土类进行对比，结果如表2 所示。由表2 可知，Robertson 土质分类图具有较高的准确性。

表1 E-06 测点CPTU 分层结果Table 1 CPTU soil layer classification result of site E-06

表2 E-06 测点土层土类检验结果Table 2 Soil layer inspection results of site E-06

图3 E-06 测点土类指数分类图Fig.3 CPT-based soil behavior-type chart for site E-06

参照各土层平均锥尖阻力及图2（b）中对应深度范围内的标贯击数，选取临界液化层。②细砂层的标贯击数为10，平均锥尖阻力为14.35 MPa；③细砂层的标贯击数为17，平均锥尖阻力为7.81 MPa；④细砂层的标贯击数为23，平均锥尖阻力为10.83 MPa。E-06 钻孔地下水位为3.800 m，由于②细砂层上覆渗透性的非饱和细砂，具有排水边界，地震时不易液化，这与该层土强度无关（袁晓铭等，2018）。综合考虑，选取埋深为5.1～6.3 m 的③细砂层和埋深为6.3～9.0 m 的④细砂层为临界液化层。

李兆焱（2012）选取埋深为12.0～14.5 m 的细砂层为临界液化层，该层埋深较大、土层过于密实，地震时大概率不会发生液化，这对研究液化判别临界曲线没有意义。李兆焱（2012）数据库选取非液化点临界液化层时，选取力学指标过大的测点还有E-07、E-09、E-11、E-12、E-13、ZK33、ZK38。

（2）SY-05 液化点（卧里托格拉克乡16 大队2 小队，Ⅶ度区，地下水位3.700 m）

由图4（a）中的Rf-h和qc-h图可知，此测试点土层自上而下可分为三类，分别为细粒土、砂土、细粒土土层，与实际钻孔柱状图中的各土层土类对应一致。因此，可参照钻孔柱状图对CPTU 测试图进行土分层。对于较厚的土层，根据锥尖阻力qc和摩阻比Rf随深度的变化趋势进行细分层，分层结果如表3 所示。将分层后的各土层数据代入Robertson 土质分类图，如图5 所示，将图5 土类结果与钻孔柱状图中的土类进行对比，结果如表4 所示。由表4 可知，Robertson 土质分类图具有较高的准确性。

表3 SY-05 测点CPTU 分层结果Table 3 CPTU soil layer classification result of site SY-05

表4 SY-05 测点土层土类检验结果Table 4 Soil layer inspection results of site SY-05

图4 SY-05 测点原位测试结果Fig.4 In-situ test results of site SY-05

图5 SY-05 测点土类指数分类图Fig.5 CPT-based soil behavior-type chart for site SY-05

参照各土层平均锥尖阻力及图4（b）中对应深度范围内的标贯击数选取液化层。SY-05 钻孔地下水位为3.700 m，②细砂层标贯击数为33，平均锥尖阻力为12.49 MPa；③细砂层标贯击数为34，平均锥尖阻力为12.60 MPa；④细砂层标贯击数为36，平均锥尖阻力为16.15 MPa。在液化层的选取上，虽然⑤、⑥层的平均锥尖阻力较小（分别为2.39 MPa 和3.09 MPa），但该处土层为黏土，不会液化，所以液化层选为埋深为4.18～6.86 m 的③细砂层。

该液化层平均锥尖阻力和标贯击数明显偏大却依然发生液化，因液化形成了较大的喷水冒砂孔，进而形成长40 m、宽10 m 的低地。

李兆焱（2012）对该测试点液化层的选取为埋深10.4～12.0 m 的土层，CPTU 测试图中埋深10.4～12.0 m 处平均锥尖阻力较小且均匀，但该层摩阻比Rf较大且为黏土，不会发生液化，显然这样选取是错误的。李兆焱（2012）数据库忽略摩阻比Rf，选取黏土或部分黏土为液化层的测点还有SY-01、SY-07、SY-09、SY-12、SY-14、SY-21、SY-26、SY-29、E-05。

（3）SY-17 液化点（色力布亚镇13 大队5 小队，Ⅷ度区，地下水位0.400 m）

由图6（a）中的Rf-h和qc-h图可知，此测试点土层均为砂层，与实际钻孔柱状图中的土层土类一致。因此，可参照钻孔柱状图对CPTU 测试图进行土分层。对于较厚的土层，根据锥尖阻力qc和摩阻比Rf随深度的变化趋势进行细分层，分层结果如表5 所示。将分层后的各土层数据代入Robertson 土质分类图，结果如图7 所示，将图7 土类结果与钻孔柱状图中的土类进行对比，结果如表6 所示。由表6 可知，Robertson土质分类图具有较高的准确性。

表6 SY-17 测点土层土类检验结果Table 6 Soil layer inspection results of site SY-17

图6 SY-17 测点原位测试结果Fig.6 In-situ test results of Site SY-17

图7 SY-17 测点土类指数分类图Fig.7 CPT-based soil behavior-type chart for site SY-17

参照各土层平均锥尖阻力及图6（b）中对应深度范围内的标贯击数选取液化层。①细砂层平均锥尖阻力为1.86 MPa；②细砂层标贯击数为13，平均锥尖阻力为2.53 MPa，更深处的砂层由于标贯击数与锥尖阻力持续增大，不易发生液化。SY-17 钻孔地下水位为0.400 m，由于①细砂层有上透水边界，不易发生液化（袁晓铭等，2018），因此该测试点液化层选为埋深2.5～4.5 m 的②细砂层。

液化导致该处水塘周围喷砂点较多，并有裂缝，喷砂孔径较小，一般约20 cm。

李兆焱（2012）将该测试点液化层选为埋深0.5～4.5 m 的细砂层，由于透水边界的存在，这样选取是错误的，存在透水边界的测点还有SY-01、SY-05、SY-06、SY-08、SY-18、SY-21、SY-24、SY-25、SY-27、E-06、E-12、ZK24、ZK25。

（4）ZK30 液化点（琼库尔恰克乡5 大队6 小队，Ⅸ度区，地下水位2.600 m）

由图8（a）中的Rf-h和qc-h图可知，此测试点土层自上而下分为两类，分别为细粒土、砂土土层，与实际钻孔柱状图中的土层土类对应一致。因此，可参照钻孔柱状图对CPTU 测试图进行土分层。对于较厚的土层，根据锥尖阻力qc和摩阻比Rf随深度的变化趋势进行细分层，结果如表7 所示。将表7 中各土层数据代入Robertson 土质分类图，结果如图9 所示，将图9 土类结果与钻孔柱状图中的土类进行对比，结果如表8 所示。由表8 可知，Robertson 土质分类图具有较高的准确性。

表7 ZK30 测点CPTU 分层结果Table 7 CPTU soil layer classification result of site ZK30

表8 ZK30 测点土层土类检验结果Table 8 Soil layer inspection results of site ZK30

图8 ZK30 测点原位测试结果Fig.8 In-situ test results of Site ZK30

图9 ZK30 测点土类指数分类图Fig.9 CPT-based soil behavior-type chart for site ZK30

参照各土层平均锥尖阻力及图8（b）中对应深度范围内的标贯击数选取液化层。ZK30 地下水位为2.600 m，②细砂层标贯击数为15，平均锥尖阻力为4.09 MPa；③细砂层标贯击数为12，平均锥尖阻力为8.38 MPa。②、③层从土类及强度来说均易液化，为防止错选液化层，该测试点液化层选两层，分别为埋深2.6～4.1 m 的②细砂层和埋深4.1～6.8 m 的③细砂层。

液化导致该处形成2 个喷水冒砂孔，直径约16 cm，排列方向为230°，喷砂尺寸为1.5 m×1.5 m。

李兆焱（2012）仅选取埋深为3.3～4.1 m 的细砂层为液化层，而③细砂层标贯击数更小、锥尖阻力较小且稳定，地震时也可能液化。出于同样的考虑，液化层选2 层的测点还有SY-08、SY-14、SY-18、SY-26、SY-27、E-03、E-04、E-06、E-09、E-10。

3 液化数据库分析

根据GB 50021-2001《岩土工程勘察规范（2009 年版）》（中华人民共和国建设部等，2009）的规定：当实测计算锥尖阻力qc小于液化锥尖阻力临界值qccr时，应判别为液化土，并按下列公式计算：

其中，qccr为饱和土静力触探液化锥尖阻力临界值（MPa）；qc0为当地下水深度dw=2 m、上覆非液化土层厚度du=2 m 时饱和土液化判别锥尖阻力基准值（MPa），可按表9 取值。按规范原始文献，表9 中qc0取值范围与地震震级、震中距有关（周神根，1980）。按Seed 理论，考虑矩震级从6～8.5 级（Seed 等，1983），巴楚Mw6.4 级地震中Ⅶ度区qc0取4.83 MPa，Ⅷ度区qc0取10.83 MPa，Ⅸ度区qc0取16.85 MPa；αw为地下水位埋深修正系数，地面常年有水且与地下水有水力联系时取1.13；αu为上覆非液化土层厚度修正系数，对于深基础取1.0；dw为地下水位深度（m）；du为上覆非液化土层厚度（m），计算时应将淤泥和淤泥质土层厚度扣除；αp为与静力触探摩阻比有关的土性修正系数，可按表10 取值。

表9 锥尖阻力基准值qc0Table 9 Liquefied reference value of cone tip resistance

表10 土性修正系数αpTable 10 Values of soil property correction factor αp

利用上述方法对前文选定的液化点液化层与非液化点临界层分析液化可能性，建立液化数据库，分别如表11、12 所示，液化判别结果如图10 所示。

表11 基于CPT 测试的我国方法巴楚地震液化数据库（液化点）Table 11 CPT-based liquefaction database from Bachu earthquake according to Chinese code methods （liquefaction spot）

表12 基于CPT 测试的我国方法巴楚地震液化数据库（非液化点）Table 12 CPT-based liquefaction database from Bachu earthquake according to Chinese code methods （non-liquefactionspot）

从液化判别结果来看，我国规范CPT 液化判别方法对巴楚地震液化点的判别成功率为37.04%（10/27），对非液化点的判别成功率为90.91%（20/22），整体偏于危险。

4 结论

本文利用Robertson 土质分类图对巴楚地震液化地区CPTU 数据进行土类分层检验，选定了液化点液化层与非液化点临界液化层，重新构建了巴楚地震CPT 液化数据库，主要得出以下结论：

（1）巴楚地震液化点的力学指标偏大却仍然液化，不能因为液化点力学指标偏大而将非液化点临界液化层力学指标选得更大，应选非液化点土层剖面中最易液化层，这有利于研究液化判别临界曲线。

（2）由于CPT 指标相对于SPT 指标更连续，且离散性小。因此，习惯利用qc-h图确定液化层，但如果不注重Rf-h图，很可能造成选取黏土为液化层的错误结果，应引起重视。

（3）巴楚地区地表土层与唐山地震、海城地震液化区地表土层有显著区别。唐山地震、海城地震液化层基本上覆饱和、不透水黏土层，而巴楚地区液化层往往上覆非饱和细砂，易形成透水边界。巴楚地震相对于唐山地震、海城地震，液化点喷砂量小而喷水量大（董林，2010），很可能与此有关，对于该现象的进一步影响，有待继续研究。