海洋工程勘察中评价砂土液化势的方法研究 ？

　　海洋工程勘察中评价砂土液化势的方法研究

　　0 引言

　　 在振动作用下，饱和砂土中孔隙水压力逐渐上升，部分或完全抵消土骨架承担的有效应力，从而发生砂土液化。地震、爆炸、机械振动等都可以引起砂土液化现象，尤其是地震引起的砂土液化范围广、危害性更大。这种现象往往会造成地裂滑坡和地基不均匀沉陷，危及建筑物的正常使用与安全。因此，浅层饱和砂土的液化势判别是场址地震效应评价的重要内容。

　　 目前海洋工程勘察中，判断浅层饱和砂土液化的方法主要包括试验法和CPT资料分析法。其中试验法通常采用动三轴液化试验来判别，随着海洋岩土高级试验的发展和应用，利用循环DSS(DirectSingle Shear)试验判别砂土液化也开始在工程分析中得到了应用：原位CPT(Cone Penetration Test)测试是海洋工程勘察中应用非常成熟的一项技术，基于CPT测试资料判别浅层砂土液化的方法也有很多，需要在海洋工程分析中不断验证，逐步完善。研究结果表明，影响砂土液化的因素众多，包括地震作用、土的性质、应力状态和排水条件等。每种评估方法都有一定的适用范围，因此存在试验指标可靠度和液化判别精确度问题。海洋的地质条件相比陆地更加复杂，因此如何准确评价海底浅层砂土的液化势是一个技术难点。本文简要介绍了海洋工程勘察中砂土液化判别的方法，并对南海两个场址的浅层砂土进行了液化评价，分析了不同方法之间的差异与局限性，为海洋工程勘察中砂土液化势的评价积累了工程经验。

　　1 判别原理

　　 砂土液化产生条件可以分为外因和内因。外因可狭义地理解为有一定强度的地震。内因主要指土体自身构成与所处的环境，简述如下：

　　 (1)砂土处于饱和状态：海底浅层砂土基本处于饱和状态：

　　 (2)土的粒径与级配：与中值粒径和不均匀系数有关；

　　 (3)土的密实度：越密实越不易液化；

　　 (4)土的应力状态：上覆压力和侧向压力越大越不容易液化。

　　 采用比较分析法，通过比较外因条件与内因条件来分析地震荷载作用下浅层砂土层的液化势，具体判断步骤如下：

　　 (1)对场址内土层进行地震反应分析，根据得出的设计地震动参数来计算确定地震荷载在土层中引起的循环应力比CSR(Cyclic Stress Ratio)；

　　 (2)根据试验法或CPT分析法确定土层的循环阻力比CRR(Cyclic Resistance Ratio)；

　　 (3)最后进行比较分析，如果CSR≥CRR，那么在地震荷载作用下土层将会液化，否则土层将不发生液化。

　　2确定土层循环应力比的方法

　　循环应力比是根据场址的地震基本设计参数计算的。根据海洋工程勘察经验，采用Seed和Idriss教授等提出的砂土液化判别的简化计算方法来计算土层的循环应力比CSR。

　　3确定土层循环阻力比的方法

　　 海洋工程勘察中，确定土层的循环阻力比CRR的方法主要采用试验法和CPT资料分析法，其中试验法中包括“动三轴法”和“DSS法”：CPT资料分析法包括“Robertson法”和“Olsen法”。CPT是用静力将探头以一定的速率压入土中，利用探头内的测力传感器，通过电子量测仪器将探头受到的贯入阻力记录下来，由于贯入阻力的大小与土层的性质有关，因此通过分析贯入阻力的变化情况，可以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、侧摩阻力和孔隙水压力。确定土层循环阻力比的方法详细介绍如下。

　　3.1 动三轴法

　　 动三轴法是海洋工程勘察中确定砂土层循环阻力比最常用的方法，采用电气伺服振动三轴试验装置测定土样抗液化强度，试验可参考ASTM规范与《土工试验规程》进行。振动液化三轴试验显示出土样在液化破坏过程中有明显的循环活动特征，按照5 ％的峰到峰振动应变确定破坏次数。通常，利用液化阻力比随振动液化破坏次数的变化关系表示土层的抗液化特性，通过振动三轴试验确定一定振动液化破坏次数下的液化阻力比。通过多个平行试验来获得不同破坏次数对应的液化阻力比，将有效的试验结果进行拟合以确定液化阻力比随振动液化破坏次数变化的关系曲线。

　　3.2 DSS法

　　 DSS试验是海洋岩土工程高级试验的一种，试验参考ASTM规范。首先制备试验样品，样品尺寸为50mmx20mm：然后将试验样品放入单剪仪进行固结，固结方式为逐级加荷方式或线性加荷方式；固结完成后，再进行等体积剪切测试，等体积剪切模拟不排水剪切条件，即剪切过程中竖向有效应力的降低或增加等于孔隙水应力的增加或降低：最后通过测定试样的竖向压力和竖向变形、水平剪力和水平变形来计算土的抗剪强度和剪切模量等。采用应力控制的循环DSS试验方式，试验过程中需要持续监测竖向有效应力的变化，剪切过程中有效应力的减小即表现为孔隙水压力的增加。当孔隙水压力达到100％，试样被完全破坏，即液化。记录下此时的循环次数与循环应力比。通过多个平行试验来获得不同循环次数对应的循环应力比，将有效的试验结果进行拟合，以确定土层的循环应力比随振动液化循环次数的变化关系曲线。

　　3.3 Robertson法

　　 P．K．Robertson和C．E．Wride提出了CPT土质分类公式及抗液化能力的评估方法，其最大优点就是分析流程中的每一步骤均以数学式表达，可以直接应用CPT测试结果计算循环阻力比CRR。该理论是基于对薄层土锥端阻力修正和对场址及土性修正的基础上建立的。

　　3.4 OLSen法

　　R．S．Olsen发展了使用锥端阻力和侧壁摩阻力评估液化阻力的方法。R．S．Olsen建议采用应力指数c对qc1进行归一化，因为应力指数c是归一化锥端阻力qc1和摩阻比Rf的函数，通过一个迭代程序确定。R．S．Olsen提出一个基于CPT的土质特征图，可以通过迭代程序用于确定应力指数c。

　　4 工程实例分析

　　4.1 A场址砂土液化势的评价分析

　　 南海东部A场址的取样孔（编号为BH1）和CPT测试孔（编号为CPT1）相距约9.7m．两孔土质情况基本一致。

　　 在第一层(0～3.8m)砂土中选取了一组较好的原状土进行了平行试验，根据动三轴试验结果拟合了液化阻力比与振动液化破坏次数的关系曲线，

　　 对于深度0～3.8m松散到中密的细砂层，BH1取样孔和CPT1测试孔分别用“动三轴法”和“CPT资料分析法”进行了砂土液化势的分析。对于200年重现期（取αmax=0.lg）和1000年重现期（取αmax=0.2g）的地震。

　　 对于1000年重现期的地震强度．3种方法对0～3.8m的砂土液化的判断结果存在一定的差异，“Robertson法”判断结果为部分不液化，而“动三轴法”和“Olsen法”判断结果为液化。造成判别结果差异的主要原因是不同方法依据的评价指标不一样，“Robertson法”分析时侧重于锥端阻力的测试值，而“Olsen法”主要侧重于摩阻比的计算值。“Robertson法”分析结果不一样的原因可能是CPT探头在压入过程中，对探头下方的砂土有压实挤密作用，导致探头的锥端阻力测试值偏大，从而使“Robertson法”计算的抗液化强度偏大，出现了部分砂土不液化的判定结果。

　　 综合以上3种方法分析结果，认为对于200年重现期的地震，A场址0～3.8m的砂土基本不会液化：对于1000年重现期的地震，A场址0～3.8m的砂土很可能会液化。

　　4.2 B场址砂土液化势的评价分析

　　 南海东部B平台场址的取样孔（编号为BH2）和CPT测试孔（编号为CPT2）相距约87m，两孔土质情况基本一致。

　　 在第四层(6.8～10.4m)砂质粉土中选取了两组较好的原状土分别进行了动三轴试验和循环DSS试验。根据动三轴试验结果拟合了液化阻力比与振动液化破坏次数的关系曲线，根据循环DSS试验结果拟合了循环应力比随振动液化循环次数变化的关系曲线。

　　 对于深度6.8m至10.4m的砂质粉土，BH2取样孔和CPT2孔分别用“动三轴法”、“DSS法”和“CPT资料分析法”进行了砂土液化势的分析。对于200年重现期（取αmax=0. lg）和1000年重现期（取αmax=0.2g）的地震。

　　 对于200年重现期的地震，“动三轴法”、“DSS法”和“Robertson法”对于所分析的砂土层判别结果均表现为不液化；而“Olsen法”判别结果主要表现为不液化，但个别薄层表现为液化。对于1000年重现期的地震，“动三轴法”、“DSS法”和“Robertson法”对于所分析的砂土层判别结果均表现为液化：而“Olsen法”判别结果主要表现为液化，但个别薄层接近为不液化。“DSS法”得出的CRR比“动三轴法”得出的稍大一些，造成差异的主要原因是试验方法的不同，因为循环DSS试验有K0固结过程，能较大程度减少样品扰动对试验结果的影响。“Robertson法”与“Olsen法”得出的CRR基本一致，但是“Olsen法”得出的CRR离散幅度更大一些，这主要是两种分析方法之间存在的差异，但不影响对所分析的砂土液化势整体结果的判断。

　　综合以上四种方法的分析判别结果，认为对于200年重现期的地震，B场址6.8～ 10.4m的砂土层基本不会液化；对于1000年重现期的地震，B场址6.8～ 10.4m的砂土层会液化。

　　5结论

　　 通过实例对上述几种砂土液化判别方法的分析和对比，总结如下结论，供同行参考。

　　 (1)“动三轴法”为目前国内海洋工程中判别浅层砂土液化势的主要方法，但该方法对所取砂土样品的质量要求高，所需样品较多，试验过程也受各种因素的影响。因此，试验时应尽量选取“原状（未扰动）”、“无弱夹层”、“均匀”、“有代表性”的样品，在样品充足时尽量多做平行试验。

　　 (2)“DSS法”所需试验样品相对较少，可以通过K0固结来减少样品扰动的影响。由于其试验成本较高，在国内工程暂时尚未广泛应用，但其优势明显，将会逐步推广起来。

　　 (3)“动三轴法”和“DSS法”前提条件是有高质量未扰动的土样，通过对试验样品的分析结果来代表所在砂土层的液化结果，而实际上整层土并不会完全均匀的，所以试验法所得出的结果将不可避免与实际情况存在一些偏差。因此，室内制备重塑样品时应参照CPT成果合理确定砂土密实度，才能提高试验精度。

　　 (4) CPT数据分析法是通过原位测试来完成的，它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趋势，利用CPT数据进行砂土液化势判别具有快捷、连续、经济和可靠的优点。(5)通过对多种砂土液化势评价方法的分析和对比，认为Robertson法和Olsen法为目前较合理的CPT资料分析法，目前它们在海洋工程勘察中应用广泛。对于地质条件简单或地质经验丰富的区域，在熟练掌握CPT测试方法、资料采集、数据处理和成果解释的基础上，可以直接利用CPT资料分析法对砂土液化势进行判别。

　　 (6)由于不同方法的判别结果仍然存在一些差异，因此在地质条件复杂的区域，应使用多种方法来综合评价，以提高分析解释的准确性。

　　                      摘自《工程勘察》2020年第48卷第2期