PCPT资料在海底浅层砂土液化势判别中的应用*1

郑喜耀,姚首龙,周杨锐,周松望

(1.中海油田服务股份有限公司,广东 湛江 524057； 2.中海油田服务股份有限公司， 天津 300451)

PCPT资料在海底浅层砂土液化势判别中的应用*1

郑喜耀1,姚首龙2*,周杨锐2,周松望2

(1.中海油田服务股份有限公司,广东 湛江 524057； 2.中海油田服务股份有限公司， 天津 300451)

介绍了用PCPT资料判别浅层砂土液化势的方法，并分别用动三轴试验判别法和PCPT资料判别法比较了南海东部海域两个平台场址的浅层砂土液化势判别结果。通过实例验证说明，在熟练掌握PCPT测试方法、资料采集、数据处理和成果解释的基础上，用PCPT判别法判别浅层砂土液化势是可行的。

PCPT；动三轴法；PCPT法；砂土；液化势

孔压静力触探(Piezocone Penetration Test,PCPT)技术在我国海上平台场址和管线路由工程地质勘察中广泛使用，但用PCPT资料直接判别砂土液化势的工作则刚开始。浅层砂土液化势判别是场地、地基地震效应评价的重要内容，目前陆上建筑场地、地基浅层砂土液化势判别主要依据国标《岩土工程勘察规范》和《建筑抗震设计规范》，用标准贯入试验判别法判别。海上建筑场地由于水深、钻探设备等条件的限制，浅层砂土液化势判别通常采用动三轴试验判别法(以下简称“动三轴法”)，由于该方法需要采用较多原状砂土样，对砂土样的采集、运输、制备和试验要求很高，在某个环节稍有差错将影响试验结果的合理性，而且试验周期也较长，效率较低。近年来，随着PCPT技术在我国海洋工程地质勘察中的广泛应用，和用PCPT资料判别浅层砂土液化势方法(以下简称“PCPT法”)的完善，在熟练掌握PCPT测试方法、资料采集、数据处理和成果解释的基础上，直接利用PCPT测试结果对砂土液化势进行判别成为可能。本研究首先介绍用PCPT资料判别砂土液化势的方法，同时通过南海东部海域两个平台场址分别用“动三轴法”和“PCPT法”对浅层砂土液化势判别结果对比，说明用“PCPT法”判别浅层砂土液化势快速、合理、可靠，并建议在今后的海洋工程勘察实践中，在积累成熟地区经验的基础上，可以直接应用。

1 用PCPT资料判别砂土液化势的方法

PCPT是用静力将标准规格的探头以一定的速率压入土中，利用探头内的力传感器，通过电子量测器将探头受到的贯入阻力记录下来，根据量测到的贯入阻力随深度的变化情况，了解土层的工程性质。目前海上工程勘察常用孔压静力触探(PCPT)，测量指标包括锥端阻力(qc)，侧摩阻力(fs)和孔隙水压力(u2)。

用PCPT资料判别砂土液化势方法，根据Youd等[1]提出的方法和Lu*LU Y P.Evaluation of liquefaction potential under cyclic loading,2008.推荐的方法，总结如下：

1.1 确定砂性土循环阻力比CRR

对于7.5级地震，标准化PCPT阻力qcIN为

qcIN=CQ(qc/Pa)

(1)

对于纯砂(细粒质量分数，Fine Conetent,FC≤5%)的锥尖贯入阻力(qcIN)cs为

(qcIN)cs=qcIN

对于粉质砂的锥尖贯入阻力(qcIN)cs为

(qcIN)cs=Kc(qcIN)

式中，Kc为对应于颗粒特征的折算因子。

33.75Ic-17.88。Ic为土的属性类型指数[2]，

(2)

当Ic>2.6时，表明土质富含粘土或具塑性，不易液化。

有了适当的Ic和Kc值，可对7.5级地震的循环阻力比CRR7.5进行计算，即：

当(qcIN)cs<50时，CRR7.5=0.833[(qcIN)cs/1000]+0.05

当50≤(qcIN)cs<160时，CRR7.5=93[(qcIN)cs/1000]3+0.08

震级小于或大于7.5时，可通过乘以大小比例缩放因子(MSF)得出CRR7.5：

当(qcIN)cs<50时，CRR7.5=0.833[(qcIN)cs/1000]·MSF

当50≤(qcIN)cs<160时， CRR7.5=0.833[(qcIN)cs/1000]·MSF

式中，MSF为比例缩放因子，可按表1及有关建议取值。

表1 Youd &Idriss[1]推荐的MSF值Table 1 MSF values recommended by Youd &Idris in 2001

注：空白处无数据

对于小于7.5级的地震，MSF下限用Idriss[4]推荐值，上限用Andrus and Stoke[5]推荐值。

对于大于7.5级的地震，MSF用Idriss[4]推荐值。

对于软土层中的薄层砂(<750 mm)，qc值会偏小，需要运用下式修正qc后再进行液化势分析：

qc=KH·qcA

(3)

KH=0.25[(H/dc)/17-1.77]2+1.0

(4)

式中,H为硬层厚度(mm)；qcA为实测硬层贯入阻力；dc为圆锥直径(mm)。

1.2 确定砂性土循环应力比CSR

对应于7.5级地震,砂性土循环应力比CSR为

(5)

当循环应力比CSR大于循环阻力比CRR时，液化有可能发生。

2 用动三轴方法判别砂土液化势

依据Seed等[3]建议的剪应力比较法分析地震荷载作用下土层的液化势。首先确定地震荷载在土层中引起的地震等效平均振动剪应力τc为

(6)

式中，dz为地震剪应力修正系数；γi为第i层土的饱和容重；hi为第i层土的层厚；g为重力加速度；amax为海底泥面处的水平向最大地震加速度。

再确定土层的液化阻力τd

(7)

如果τc>τd，那么在地震荷载作用下土层将发生液化，否则土层将不发生液化。

3 PCPT方法与动三轴方法判别结果比较

以我国南海东部海域两个平台场址(A和B)为例，分别利用PCPT方法与动三轴试验方法对砂土液化势进行判别与对比分析。

3.1 A平台场址

A平台场址的取样孔A-BH和孔压静力触探孔A-PCPT相距约4 m，两孔0～20 m深度范围内剖面图如图1所示。

图1 A-BH和A-PCPT浅层剖面图Fig.1 Sub-bottom stratum profiles at boreholes A-BH and A-PCPT

对于深度7.7～13.8 m中密实的粉质细砂层，A-BH取样孔和A-PCPT孔分别用“动三轴法”和“PCPT法”判别砂土液化势，对于50 a超越概率分别为10%和2%的地震，砂土液化势判别结果分别如图2和图3所示。

图2 50 a不同超越概率情况下根据动三轴试验计算的A-BH土层的地震剪应力与抗液化强度Fig.2 τc and τd versus penetration based on cyclic triaxial method at the boring A-BH for different seismic exceeding probabilities

由图2、图3可见，对于50 a超越概率10%的地震，所分析的砂土层均表现为不液化，且抗液化强度比地震剪应力大出的幅度相近；对于50 a超越概率2%的地震，“动三轴法”判别结果为基本不液化，但“PCPT法”判别结果表现为部分液化。造成以上两种判别结果差异的原因，可能与“动三轴法”所用土样的代表性有关，也可能与两孔在相同深度上土质有所变化有关。例如，PCPT孔资料显示(图4)，12.2～13.8 m深度的土表现出不排水属性，即出现较明显的正孔隙水压力，表明该砂土含较多粘粒，土的强度较低，在PCPT孔未取土样、未经粘粒含量校正的情况下得出的液化势判别结果与实际情况有差异。由于PCPT能够测得土的锥端阻力等指标随深度变化的连续曲线，更精确反映土的类型、强度和排水属性等工程性质随深度的变化，在对砂土进行液化势判别时具有更高的灵敏度。

图3 50 a不同超越概率情况下根据PCPT数据计算的A-PCPT土层的循环应力比与循环阻力比Fig.3 CSR and CRR versus penetration based on PCPT method at the boring A-CPT for different seismic exceeding probabilities

3.2 B平台场址

该平台场址其中的取样孔B-BH和孔压静力触探孔B-PCPT相距约10 m，两孔0～20 m深度范围内剖面图如图5所示。

对于深度在9.7～16.3 m的中密实的砂质粉土和粘质砂质粉土，两孔分别用“动三轴法”和“PCPT法”判别砂土液化势，对于50 a超越概率分别为10%和2%的地震，砂土液化势判别结果分别如图6和图7所示。

图6 50 a不同超越概率情况下根据动三轴试验计算的B-BH土层的地震剪应力与抗液化强度Fig.6 τc and τd versus penetration based on cyclic triaxial method at the boring B-BH for different seismic exceeding probabilities

图7 50 a不同超越概率情况下根据PCPT数据计算的B-PCPT土层的循环应力比与循环阻力比Fig.7 CSR and CRR versus penetration based on PCPT method at the boring B-CPT for different seismic exceeding probabilities

从图6和图7可以看出，对于50 a超越概率10%的地震，所分析的砂土层均表现为不液化，且抗液化强度比地震剪应力大出的幅度基本相同；对于50 a超越概率2%地震，所分析的砂土层均表现为液化，但“PCPT法”得出的地震剪应力比抗液化强度大出的幅度更大些，这可能表现为两种不同方法所得出结果的差异，但不影响对所分析的砂土液化势的判别。

4 结 论

通过以上两种方法的展示和实例分析对比，可以得出以下结论：

1)“动三轴法”为目前国内海上平台场址和管线路由浅层砂土液化势判别的主要方法，但该方法对所取砂土样的质量要求高，所需土样较多，试验结果也易受各种因素的影响。

2)“PCPT法”计算方法合理，各项指标明确，易于编程计算，结果更详细，可在总结工程经验的基础上推广应用。

3)由于PCPT能够测得土的锥端阻力等指标随深度变化的连续曲线，更精确反映土的类型、强度和排水属性等工程性质随深度的变化，对砂土进行液化势判别更加方便快捷、结果可靠。

4)由于“PCPT法”在国内刚开始应用，各海区应在与其它成熟方法对比的基础上积累经验，根据砂土的类型、级配、密实度、粘粒含量和埋深等情况，结合工程师的经验，合理选用经验参数，在积累成熟地区经验的基础上(包括对n值和MSF值的选用)，可以直接应用。

[1]YOUD T L,IDRISS M.Liquefaction resistance of soils: summary report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF workshops on evaluation of liquefaction resistance of soils[J].Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering,2001,127(10):817-833.

[2]LUNNE T,ROBERTSON P K,POWELL J J M.Cone penetration testing in geotechnical practice[M].New York: Spon Press,1997: 352.

[3]SEED H B,IDRISS I M.Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential [J].Journal of Soil Mechanics and Foundation Division,American Society of Civil Engineering,1971,97(9):1249-1273.

[4]IDRISS I M.Characteristics of earthquake ground motion[C]∥ Proceedings of the ASCE Getechnical Engineering Division Specialty Conference: Earthquake Engineering and Soil Dynamics,1978,3: 1151-1265.

[5]ANDRUS R D,STOKOE K H.Liquefaction Resistance Based on Shear Wave Velocity[C]∥National Center for Earthquake Engineering Research.Proceedings of the Nceer Workshop on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils,Technical Report No.NCEER-97-0022.Buffalo: State University of New York,1997:89-128.

ApplicationofPCPTDatatotheDisciminationofLiquefactionPotentialofSub-bottomGranularSoils

ZHENGXi-yao1,YAOShou-long2,ZHOUYang-rui2,ZHOUSong-wang2

(1.ChinaOilfieldServicesLimited,Zhanjiang 524057,China；2.ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin 300451,China)

A method for discriminating the liquefaction potential of sub-bottom sandy soils by using PCPT data is presented.The liquefaction potential of sub-bottom sandy soils at two platform sites in the eastern South China Sea is distinguished by using the cyclic triaxial test method and the PCPT method respectively,and the results from these two methods are compared.It is demonstrated that the discrimination of liquefaction potential of sub-bottom sandy soils by using PCPT data can be feasible if the measuring method,data acquisition,data processing and interpretation of PCPT are known very well.

PCPT (Piezocone Penetration Test);cyclic triaxial test method;PCPT data method;sand soils;liquefaction potential

2013-11-25

南海深水油汽开发示范工程(20112X05056)

郑喜耀 (1964-)，男，注册岩土工程师，主要从事海洋岩土工程方面研究.E-mail：zhengxy4@cosl.com.cn*通讯作者：姚首龙(1983-)，男，工程师，主要从事海洋地质方面研究.E-mail：yaoshl3@cosl.com.cn(王佳实 编辑)

P736.3

A

1002-3682(2014)03-0055-08