多功能CPTU与我国CPT液化判别对比试验研究

段 伟 蔡国军 刘松玉 董晓强 赵泽宁 陈瑞锋

(1太原理工大学土木工程学院, 太原 030024)(2东南大学交通学院, 南京 211189)

在地震荷载作用下,饱和砂土或粉土中孔隙水压力(简称孔压)逐渐增大,有效应力减小,土体承载力降低甚至完全丧失,进而发生液化现象.这种现象常常会引起建筑设施的不均匀沉降及结构的破坏,进而造成巨大损失.因此,对饱和土的原位状态特性及液化势进行有效评价是至关重要的.

地基土的空间分布和原位状态的确定是准确评价其液化势的关键,因此现场原位测试成为土体液化势评价最重要、最理想的手段[1-2].静力触探(CPT)作为最主要的原位测试技术,以其快速便捷、数据连续、可靠性强等优点,被广泛用于土体液化判别[1-4].目前我国工程实践中仍主要采用1960年代开发的单桥或双桥CPT技术,该技术存在功能单一、技术粗糙、测试精度低和稳定性差等问题.近几十年来,我国采用的单、双桥CPT液化判别技术一直未有实质性突破,与国际通用的CPT液化判别法仍存在很大的差异[1].事实上,土体液化与孔隙水压力密切相关,而孔压静力触探(CPTU)能够测试土体内部的孔压分布,在液化评价方面比CPT测试技术更具有优势[5].具体而言,CPTU测试的孔压参数及其衍生参数能够更准确地识别粉土等过渡性土,基于CPTU测试能够给出细粒土与砂粒土统一的液化势评价[6].另外,孔隙水压力在不同土层的响应非常灵敏,区别显著,通过孔隙水压力变化特征及含有孔压参数的土分类图能够较好地反映土体类型及状态[7].

现代数字式多功能CPTU液化判别技术在国外逐渐展开并取得阶段性的成果,然而国内CPTU判别法及其应用还鲜有报道.此外,每种液化评估方法都有一定的适用范围,存在试验指标的可信度及液化判别准确度的问题[8].因此,开展CPTU与CPT液化判别法的对比研究,不仅有助于深刻认识各种方法的优势,而且能够提高CPTU现代原位测试及其液化应用水平.

本文首先简要介绍CPT及CPTU液化判别法及原位状态评估理论,然后以江苏徐州液化地基场地为依托,重点对规范法、CPT与CPTU液化判别法进行对比,找出各方法间的差异,并对所提出的CPTU状态特性评价方法进行分析,最后指出CPTU测试在液化判别及原位状态特性评价中的优势.

1 液化判别法

目前较为典型的基于CPT的液化判别法有2种:我国规范法[9-10]和国际通用的Seed应力简化模型下的Robertson法[11-12].基于CPTU的液化判别法主要为Seed应力简化模型下的Juang法[6].

1.1 我国规范法

我国规范以地震现场实测资料为基础所建立的经验公式考虑了黏粒含量对液化的影响.具体公式如下[9-10]:

ps=p0αwαuαp

(1)

qcr=qcαwαuαp

(2)

式中,ps和qcr分别为饱和土比贯入阻力临界值和锥尖阻力临界值,MPa;p0、qc分别为饱和土液化判别比贯入阻力基准值和液化判别锥尖阻力基准值,MPa;αw=1-0.065(dw-2),αu=1-0.05(du-2)分别为水位和砂层修正系数;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为土性修正系数.当实测比贯入阻力或锥尖阻力小于单桥触探液化比贯入阻力临界值或双桥触探液化锥尖阻力临界值时,应判别为液化土；否则,不液化.

1.2 Seed应力简化法CPT及CPTU模型

国际上普遍采用Seed等[11]提出的应力简化法,通过周期应力比S与周期阻力比R的大小进行比较.因此,安全系数可定义为F=R/S,若F>1,则土体判为不液化;反之,则判为液化.其中,R可通过Robertson等[4]所提CPT法或Juang等[6]所提CPTU法进行计算.CPTU法R的计算式为

(3)

2 原位状态评价

2.1 土分类图

土体原位状态及剪胀剪缩性评价在地基土液化辨识中非常重要.引入状态参数ψ来表征砂土体积及状态变化[12].ψ>0表示砂土处于松散状态,受荷载作用发生剪缩,此时对应液化敏感区;ψ<0表示砂土处于密实状态,受荷载作用发生剪胀.因此,土分类图中增加了ψ等值线[12-13].

2.2 超孔隙水压力

通过CPTU孔压消散试验获取静孔隙水压力(即静孔压u0),并在CPTU贯入过程中记录动态孔隙水压力(即动孔压u2),将二者的差值(记为U)进行比较,以评估土体材料潜在的剪缩或剪胀性.U的正、负分别对应剪缩、剪胀行为.

2.3 基于应力归一化超孔压

在CPTU贯入过程中测试所得的超孔压能够评估土体密实状态及其剪胀特性.基于无量纲原则,定义超孔压与有效应力的比值为归一化超孔压(记为uN).uN的正、负分别对应土体材料的剪缩、剪胀行为.

2.4 联合图法

建议将土分类图中ψ=-0.05作为剪胀、剪缩的边界线[13],利用当前的ψ与ψ=-0.05等值线的相对位置(记为ψ-0.05)来量化土体的剪胀剪缩状态.将指标uN、ψ-0.05分别作为坐标轴的x、y轴,来综合表征剪胀性,作为剪胀性评价的联合图法.当土体处于第一、三象限时,对应土体分别处于松散、密实状态,具有剪缩、剪胀行为.

3 试验场地

3.1 工程地质条件

济宁-徐州高速公路全线处于同一工程地质区内,属于丰沛冲积平原工程地质亚区.地层上部主要为第四纪全新世亚黏土夹粉砂、亚砂土以及全新世早期沉积的湖沼相软黏土,下部为第四纪更新世(亚)黏土,局部夹砂性土,含较多砂礓.该场地主要的不良地质问题为地震砂土液化,该场地地震动峰值加速度值为0.10g,相当于地震基本烈度为Ⅶ度.表1给出了各土层的液化信息.其中,1-1层、1-2层、1-4c层主要为亚黏土混粉砂,部分为松散状态亚砂土.1-1层位于地下水位以上且黏粒含量较高,为不液化土层;而1-4c层钻孔较少,部分CPT判别为液化;液化层主要在1-2层;对于2-1c层或2-2层,土层为亚砂土或粉砂,以中密状态为主,局部呈稍密状态,标贯击数高,仅个别稍密状态的区域液化.

表1 试验场地各土层液化信息

3.2 CPT及CPTU测试

针对济宁-徐州高速公路工程进行了一系列的CPT和CPTU试验研究.CPT设备采用江苏溧水仪器厂生产的双桥静力触探仪,以消除CPT不同设备所产生的系统误差.CPTU设备则使用美国Vertek-Hogentogler公司现代多功能数字式CPTU测试系统,CPTU探头符合国际标准:锥角60°,锥底截面积10 cm2,侧壁摩擦筒表面积150 cm2,孔压透水元件厚度5 mm,位于锥肩位置(u2位置).CPT探头的尺寸如下:锥角60°,锥底截面积为10 cm2,侧壁摩擦筒表面积200 cm2.2种设备的贯入速率均为2 cm/s,其中CPTU和CPT分别沿深度每5 cm和每10 cm测试一组读数.CPT或CPTU试验过程分别严格按照铁道部规程TB 10018—2003[14]和CPTU国际标准[15]进行.为了有效地进行CPT与CPTU对比分析,将CPT和CPTU钻孔间距控制在1～2 m内.

本文采用多功能数字式高精度CPTU测试系统，具有以下优点:① 修正锥尖阻力,真正反映土的性质;② 评价固结与渗流特性;③ 区分排水、部分排水、不排水贯入方式;④ 提高土分层与土质分类的可靠性.

3.3 试验结果

该试验场地包含了典型的砂土、粉砂、亚黏土混粉砂等土层,是液化地质灾害主要考虑的土层及土类,具有一定的代表性和普遍性.该试验场地基本覆盖了砂土液化场地的主要工点,试验概况如表2所示.总计完成静力触探钻孔21个,其中CPT 12个,CPTU 9个,钻孔深度均超过15 m.表2中断面K18+615、K27+130、K27+230位于地震烈度为Ⅵ度的地区,不考虑液化影响.其余断面的测试孔地区为Ⅶ度,设计地震分组按第1组进行液化判别.值得注意的是,CPTU在贯入过程中会实时记录孔隙水压力,地下水位也很快被辨识.

4 不同液化判别方法对比分析

Robertson法作为国际上最典型的CPT液化判别法,与国内通用的规范法有一定的差异[1],这2种方法属于CPT法.Juang法即CPTU法目前在国内外规范规程中还未有明文规定,需要更多的工程实践去检验与分析.无论是规范法还是Robertson法,关于其与CPTU法之间差异性的研究相对缺乏.本文结合国内实际液化场地资料,重点比较和评价了CPT与CPTU液化判别法.

由于规范法是根据计算锥尖阻力临界值与实测锥尖阻力相比来进行液化判别,因此R值对比主要通过Robertson法与Juang法来进行比较.图1给出了Robertson法与Juang法预测R值的对比结果.可看出,2种方法计算所得R值虽有较为明显的差异,但表明这2种方法在预测R值时存在不同程度的保守性.整体而言,Juang法计算所得R值与Robertson法计算所得R值差别在-0.10～0.15之间(图中虚线范围内,即偏离y=x线的临界位置).Robertson法在大多数深度位置预测的R值轻微地高于Juang法预测值.由于缺乏更多的试验数据资料,无法更进一步判别2种方法计算结果的准确性.

表2 地基液化判别CPTU试验概况

图1 不同深度处2种方法预测R值对比

基于上述液化判别法,对徐州场地不同深度位置进行液化判别.以规范法判别结果为参考,对Robertson法和Juang法液化判别正确率进行比较.本文共进行了765个深度位置处的液化势分析,分别采用Robertson法和Juang法计算R值,与相应的S值进行比较,进而给出是否液化的结果,如表3所示.由表可知,Juang法在预测R值方面比Robertson法更加保守,这样在预测液化场地时给出更高的准确率,而在预测非液化场地时给出较低的准确率.这一现象与图1所反映的趋势一致.因此,为了确保其安全性,Juang法具有足够的保守性,在预测液化发生时的正确率达到96.4%,可作为首选判别方法.

表3 Robertson法和Juang法比较

在液化地基、路基等工程实践中,评价一个液化方法优劣及精准度时,应分别从液化与非液化2个角度分别进行综合评价.基于此并以规范法为参考时,Juang法较Robertson法更为准确.Juang法中通过内含Bq的土类指数Ic将砂质土和粉质土液化判别统一起来,能够解决通常认为“太黏不液化”的问题,而本文研究场地多处存在亚黏土,这也可能是Juang法液化判别准确性高的原因之一.总之,Juang法是一种较为综合性的方法,但存在一定的局限性,如所采用CPTU数据库仅包括中国台湾集集地震和土耳其阿达帕扎里地震案例CPTU数据,剩余数据为其他液化案例中CPT数据,后期仍需要数据的补充与工程实践的不断完善.另外,在某些测点液化关键层位置,S和R值相差不大,该部分测点液化判别的准确性还需结合液化概率和室内试验进行进一步判断.

为了进一步较为详细地比较2种方法,对典型断面K45+333进行分析,结合表3中CPTU测试资料采用上述2种方法对R值进行预测,结果见图2.其中，包括锥尖阻力(qt)、侧壁摩阻力(fs)、孔隙水压力(u2、u0)和液化评价指标(R、S)等4个指标剖面图.

以相同的方法,计算并分析其他测点断面关键层位置,结果见表4.由表可知:以规范法为参考时,Juang法比Robertson法更加准确,如Robertson方法在预测非液化区域时较为准确,而Juang方法在预测液化区域时较为准确,与规范法判别结果一致性更高.总体而言,2种方法在预测液化阻力时都较为准确.事实上,二者与规范法在计算方法方面存在一定差异,也会造成不一致的结果.但由于没有实际验证的液化与非液化点,进而规范法液化判别时的准确度也无法给出.有关规范法与上述Seed应力法的比较还需要结合历史液化案例进行更多的探索.

(a) 锥尖阻力

(b) 侧壁摩阻力

(c) 孔隙水压力

(d) 周期应力比与阻力比

表4 采用规范法、CPT和CPTU法液化判别结果

5 原位状态评价分析

5.1 土分类分析

为了进一步明确试验场地土类及其密实状态,以徐州场地典型断面K47+946(其中1.5～7.0 m为潜在液化深度范围)为例,图3(a)和(b)分别给出了Robertson及Jefferies和Been土分类图,其中Qt、Fr分别为归一化锥尖阻力和摩阻比.由图3(a)可知,大部分数据点位于等效归一化锥尖阻力Qtn=70等值线(ψ=-0.05)的下方及其附近,表明该深度土体基本处于松散状态,有剪缩行为,有潜在的液化可能性.图3(b) 给出了含有ψ等值线的CPTU土分类图,可看出大部分土体处于ψ=-0.05等值线的下方及其附近,同样说明土体松散,具有潜在的液化可能性,这与表4中液化分析结果一致.该土分类图将土体状态量化,可直观地判别土体的状态,对土体的潜在液化势进行定性判别.这可作为液化初判标准,也可作为液化势判别结果的复核手段.

5.2 超孔压法分析

图4给出了场地典型断面K72+500超孔压法分析结果,其中包括锥尖阻力(qt)、孔隙水压力(u2、u0)和归一化超孔压(uN)三个指标剖面图.由图可知,在1.5～6.5 m或10～15 m之间,uN基本为负值或接近于零,说明土体在该处以下显示出潜在的剪胀行为,土体处于密实状态,不易发生液化.土体在6.5～10.0 m之间,uN基本为正值,说明该处以下土体显示出潜在的剪缩行为,土体处于松散状态,是液化敏感区域,应该在实际工程中进行加固处理.因此,通过超孔压及基于应力归一化的超孔压剖面图,可直观地观测超孔压沿深度的变化规律,进而可分析土体的原位状态,对原位状态作出定性判别,这也是对潜在液化势判别的补充.

(a) Robertson图

(b) Jefferies和Been图

(a) 锥尖阻力

(b) 孔隙水压力

(c) 归一化超孔压

5.3 联合图法分析

以徐州场地典型断面K47+946为例,图5(a)和(b)分别给出了联合图(状态参数差ψ-0.05与归一化超孔压uN)结果.可将ψ-0.05、uN作为2个独立的剪胀性评价标准,在此双重标准下,可对土体的剪胀剪缩状态做出较为理想的辨识划分,进而表征场地潜在的液化与非液化区域.K47+946断面在1.5～7.0 m深度内主要位于第一象限,土体处于松散状态,存在潜在的剪缩行为和一定液化风险;而在12.2～15.1 m深度内主要位于第三象限,土体处于密实状态,存在一定的剪胀行为,无潜在的液化风险.这与第4节及5.1节的液化势分析及土分类图状态评价结果一致,表明该联合图法具有一定的实际应用价值.

(a) 剪缩行为(潜在液化)

(b) 剪胀行为(不液化)

6 结论

1) 我国规范法以临界贯入阻力形式给出,简单实用,在工程建设中具有非常重要的意义,但缺乏理论支撑.作为总应力法的Seed法考虑了很多因素,在国际上被广泛用于液化评价.Robertson法作为Seed总应力框架下的液化阻力通用法,是目前国际上广泛采用的方法.

2) Robertson法和Juang法都可用来预测土体的液化阻力.场地比较结果表明,2种判别法与我国规范法计算结果基本一致.Robertson法在预测非液化区域时更为准确,而Juang法能够考虑细粒土液化,在预测液化区域时较为准确,其判别正确率高达96.4%,与规范法判别结果一致性更高.Juang法作为CPTU统一液化判别法,代表着液化判别技术的发展趋势,需要更多的国内外工程实践去检验、总结和修正.

3) 土体的空间分布与原位状态是地基液化评价的关键内容,而CPTU能够直接测试孔压分布情况,评价土体空间分布及原位状态,为潜在液化结果分析提供初判或核验作用.

4) CPTU土分类图中绘制的状态参数等值线能够直观地评价土体的类型及原位状态,间接地对场地的液化与非液化土进行划分.提出的超孔压法和联合图法能够正确评估土体潜在剪胀剪缩特性行为,最终形成土体空间分布及原位状态的CPTU综合评价体系,可作为对液化敏感区的初判或液化结果分析的核验手段.

5) CPTU测试技术能够测试孔隙水压力,在砂土、粉土液化评价方面更具有优势.它具有高精度、智能化、多功能、可靠性强、理论完善等突出优点,能够直接进行土体原位状态的辨识,给出更丰富更准确的液化评价信息.现代高精度多功能 CPTU液化技术能够给出常规 CPT及 CPTU 特有的判别结果,具有较好的推广应用前景.