飽和黃土場地原位試驗及液化勢評價1

董 林 嚴武建 夏 坤 李少華 劉 琨

1）中國地震局蘭州地震研究所，黃土地震工程重點實驗室，蘭州 730000

2）甘肅省巖土防災工程技術研究中心，蘭州 730000

引言

飽和黃土甚至高含水率的黃土在地震作用下會發生液化，該結論已在室內動力試驗和古地震的調查中得到了證實（王蘭民等，2003）。然而，古地震黃土液化實例較少，且基本都是黃土液化與邊坡滑坡的耦合效應，液化與滑坡相互影響、相互促進，孰先孰后實難查明（王家鼎等，2001）。廖勝修等（2007）報道了一些強夯、打樁施工過程造成的飽和黃土液化現象，但是只對現象進行了描述，沒有評價液化勢的實際數據。因此，現階段對黃土液化勢的評價只能依靠室內動力試驗。然而，由于黃土特殊的結構性，其飽和過程較為復雜（王謙等，2013）。并且，室內飽和過程只加20kPa的圍壓，與現場飽和過程差異顯著，現場較大的上覆壓力會使黃土首先發生濕陷，改變其原有微結構。也就是說，室內飽和黃土并不是現實中的“飽和黃土”。這就導致了室內液化試驗結果不能代表現場飽和黃土的抗液化強度。

1999年中國臺灣集集地震和土耳其科賈埃利（Kocaeli）地震發生后，細粒土地震液化與震陷災害日益得到重視。Boulanger等（2004）依據塑性指數將細粒土分為類砂土與類黏土，并將前者造成的地震破壞現象仍然稱為“液化”，而將后者造成的破壞現象稱為“循環破壞”。按塑性指數劃分，絕大多數黃土屬于砂質粉土和黏質粉土，正好處于類砂土與類黏土之間的模糊地帶。因此，界定黃土的土類對評價黃土液化勢至關重要。

本文對蘭州市西固區某飽和黃土場地進行了鉆孔測試，現場試驗包括標準貫入試驗、靜力觸探試驗以及剪切波速測試，以靜力觸探試驗結果對不同含水率黃土的土類進行了界定，并且應用NCEER推薦方法，計算了3組原位試驗數據的飽和黃土循環抗力比（CRR），通過與唐山地震和集集地震液化土CRR對比，給出了飽和黃土液化勢的定量描述。

1 試驗場地和儀器

1.1 試驗場地

20世紀50年代初，蘭州市西固地區地下水貯存于卵石層中，50年代后期至80年代初，地下水位快速上升，形成以福利路—西固城為中心，呈環帶狀分布的地下水位上升區，上升區波及整個Ⅱ級階地。以階地后緣上升最為強烈，前緣較弱，福利路—西固城一帶上升幅度最大，累計達6—10m（王立平等，2008）。

本文選取了蘭州市西固區臨洮街寺兒溝村場地進行現場鉆孔測試。該場地地貌單元屬黃河南岸Ⅱ級階地，位于上述福利路—西固城環帶狀后緣地區。鉆孔顯示地下水位為27m，水位以下有4m厚的飽和黃土層，且鉆取巖芯樣顯示19m以下黃土含水率較大，呈軟塑狀態。現場鉆孔采用回轉鉆進的方式，并用巖芯管取樣鑒別地層。自地層3m以下每隔2m進行1次標準貫入試驗，待鉆孔作業完成，以XG-I懸掛式波速測井儀進行鉆孔剪切波速測試，測試順序自下而上，測點深度間隔1m。場地鉆孔柱狀圖見圖1，其中標貫擊數未經桿長修正。

1.2 試驗儀器

本次試驗采用了中國地震局蘭州地震研究所新近購置的靜力觸探試驗設備，該設備由荷蘭a.p.van den berg公司生產的靜力觸探系統與沈陽探礦機械廠改裝的鉆探車組成。利用鉆探車提供貫入力，而試驗主要使用荷蘭的鉆桿、Icone數字探頭及數據傳輸采集系統。鉆探車的觸探系統可提供200kN的貫入力和240kN的起拔力，貫入速度為0.5—1.6m/min（可調），油泵額定壓力為16MPa（最高為20MPa），擰錨扭矩為4000N·m，錨機轉速4rad/min。

Icone數字探頭是完全數字化的測試系統，在探頭中內置了24位分辨率的AD轉換器、微處理器和16MB存儲器，能夠保存和傳輸數字信號。完全數字化的Icone探頭采用4芯電纜傳輸所有測量的土壤參數信號，避免了因電纜長度和電纜接頭造成的信號損失。Icone探頭具有高于電測探頭10倍的分辨率和1級標定精度，是目前為止精度最高的靜力觸探儀，且其采用高硬度鋼材，更堅固耐用，更耐磨損。

靜力觸探設備如圖2所示，探頭如右圖，規格符合國際標準，錐角為60°，錐底直徑為35.7mm，錐底截面積為10cm2，側壁摩擦筒表面積為150cm2。本次試驗主要測定錐尖阻力qc、側摩阻力fs。

2 試驗結果和分析

2.1 孔壓靜力觸探測試（CPT）試驗數據

場地孔壓靜力觸探測試（CPT）的原始數據見圖3。對比鉆孔柱狀圖1，5—7m含煤渣雜填土層錐尖阻力與側摩阻力明顯較大，另外，由于該場地深層黃土（17m以下）偶含礫石，使錐尖阻力多次出現峰值，結合側摩阻力波動幅值相對錐尖阻力較小的特點，可知確為礫石所致（蔡國軍等，2006）。

圖1 飽和黃土場地鉆孔柱狀圖Fig.1 Borehole profile of saturated loess site

圖2 靜力觸探試驗設備Fig.2 Cone penetrometer equipment

圖3 場地CPT測試結果Fig.3 CPT test results of loess site

為方便分析計算，對圖3錐尖阻力進行土層分層，結合鉆孔柱狀圖，不考慮填土層而著重考慮黃土含水率的變化，分層結果見圖4。

2.2 試驗結果對比

按照圖4土層分層，對各層黃土錐尖阻力求平均值，并將其與實測標貫擊數、剪切波速結果繪出隨深度變化的散點圖，見圖5。圖中，3個指標從趨勢上高度吻合，相互驗證了試驗結果的可靠性。其中，剪切波速隨深度的變化顯示出最好的規律性。深度小于20m時黃土的剪切波速線性增大，體現了上覆壓力的影響。深度為20—27m時黃土含水率較大直至飽和，由于黃土的水敏性，剪切波速又線性減小。27m以下，黃土飽和，剪切波速明顯小于水位線以上的黃土，并且隨著深度增加又線性增大。需要注意的是，由于受到少量礫石的影響，錐尖阻力指標沒有剪切波速指標的效果好，而標貫試驗自上而下的離散性都較大。

另外，水位上下黃土力學指標的差值中，標貫擊數最大，剪切波速最小，錐尖阻力居中，體現了3個指標力學意義的不同。標貫試驗土體應變最大，靜力觸探試驗次之，而剪切波速為小應變無損測試，應變最小，體現了飽和黃土在不同應變擾動下的強度衰減。

圖4 場地CPT土層分層Fig.4 CPT soil layer profile of loess site

2.3 基于CPT指標的黃土土類

劉松玉等（2013）對江蘇省典型地質成因場地進行了大量的孔壓靜力觸探（CPTU）測試，分析比較了國際上常用的7種CPTU土分類方法，發現Robertson等（1998）建立的基于CPT指標的土質分類圖（圖6）及液化判別方法準確度最高，且與中國標準的土類較接近。該方法構建土類指數Ic，歸一化錐尖阻力Q和歸一化摩阻比F：

圖5 原位試驗結果對比Fig.5 Comparison of test results of three in-situ

其中，qc為錐尖阻力；fs為側壁摩阻力；σv0為總上覆壓力；為有效上覆壓力；Pa為1個標準大氣壓。式（2）中，n值從砂土到黏土取0.5—1.0，具體確定方法如下：首先假設n取1.0，由公式（1）—（3）計算Ic，若Ic＞2.6，則土為黏土，n即為1.0；若Ic＜2.6，則改取n為0.5，帶入公式重新計算Ic，如果新的Ic＜2.6，則n確為0.5，若新的Ic＞2.6，則應取n為0.7，并再次重新計算Ic。該場地黃土土類指數計算結果見表1（其中Rf為摩阻比），黃土在土質分類圖上的位置見圖7。

表1 黃土CPT土類指數Table 1 loess soil behavior-type index

對比圖6，該場地黃土屬于砂質粉土和黏質粉土，現場取樣室內土工試驗顯示該場地黃土塑性指數介于6.2—8.7，黏粒含量介于16.9%—18.1%，可以說土分類非常準確。并且，黃土主要位于圖6正常固結右側，正好體現了黃土Q3的地質年代。

圖7中，隨著深度20m以下黃土含水率逐漸變大，首先表現出摩阻比變大。因為干黃土即使黏粒含量較大，黏性卻不顯現，只有含水量增大，黏性才能逐漸表現出來。而27m以下的飽和黃土，由于其具有水敏性，錐尖阻力顯著減小，表現出土類指數Ic明顯增大。CPT土分類圖既反應土的可塑性，又反映了土的強度（Olsen，1994）。即2個塑性指數相同的土，若強度不同，則土分類很可能不同。

Boulanger等（2004）依據塑性指數將細粒土分為類砂土與類黏土，并將前者造成的地震破壞現象仍然稱為“液化”，而將后者造成的破壞現象稱為“循環破壞”。據此劃分原則，建議對前者仍然采用Seed簡化方法判別液化，而對后者仿照Seed簡化方法，結合黏土力學特性，建立了類黏土“循環破壞”判別準則。Boulanger等對類砂土和類黏土的劃分并不確切，其中塑性指數4—7（對應中國的塑性指數7—10，即黏質粉土）被認為是類砂土與類黏土的過渡帶，比較模糊。

黃土按照塑性指數劃分屬于砂質粉土和黏質粉土，而黏質粉土正好位于上述過渡帶內，對于其地震破壞現象是否屬于“液化”，尚存在疑問。表1中，飽和黃土的2個點的土類指數Ic為2.197和2.171。根據CPT土質分類，土類指數Ic＝2.6，是類砂土和類黏土的分界（Robertson等，1998；Ku等，2010；劉松玉等，2013），則飽和黃土確定屬于“類砂土”，可對其評價液化勢。

圖6 Robertson土類指數分類圖Fig.6 CPT-based soil behavior-type chart proposed by Robertson

圖7 黃土土類指數分類圖Fig.7 CPT-based loess soil behavior-type chart

3 飽和黃土CRR評價

Robertson的CPT液化判別方法是NCEER推薦方法（Youd等，2001），由公式（1）—（3）確定了應力指數n之后，通過下列公式對錐尖阻力qc進行上覆有效壓力修正：

對于含細粒土，按下式計算等價純凈砂錐尖阻力：

其中，當Ic≤1.64或1.64＜Ic＜2.36且F≤0.5%，取Kc＝1.0；對于圖6中Ic＜2.6的其他區域，則Kc按下式計算：

Kc值確定后，則可得到(qc1N)cs。對于MW7.5的地震，CRR7.5可表示為：

該場地2個飽和黃土CPT測點的計算結果見表2。

表2 飽和黃土循環抗力比Table 2 Cyclic resistance ratio of saturated loess

另外，按照NCEER推薦的標準貫入試驗（SPT）液化判別方法（Youd等，2001），對圖5中2個飽和黃土的SPT測點計算CRR，得到的結果為0.056和0.058。按照NCEER推薦的Andrus等（2000）的剪切波速液化判別方法，對圖5中4個剪切波速測點計算CRR，結果為0.085、0.091、0.092和0.093。

對比1999年集集地震和1976年唐山地震液化土CRR，集集地震液化土基于CPT指標的CRR為0.058—0.188（Ku等，2004），基于SPT指標的CRR為0.064—0.481（Hwang等，2001），唐山地震液化土基于CPT指標的CRR為0.063—0.479（Moss等，2011）。比較可知，飽和黃土的抗液化強度較低，甚至很低。

4 結論

本文通過CPT試驗界定了黃土土類，應用NCEER推薦方法，對錐尖阻力、標貫擊數、及剪切波速3個原位指標計算了飽和黃土循環抗力比CRR，通過與集集地震、唐山地震液化土CRR對比，描述了飽和黃土的抗液化強度。得出主要結論如下：

（1）由于受到黃土中少量礫石的影響，錐尖阻力沒有剪切波速指標的規律性好。該場地深度小于20m處黃土剪切波速呈線性增長，深20—27m時黃土含水率逐漸變大，由于其水敏性，黃土剪切波速線性減小。在27m以下，黃土飽和，剪切波速明顯小于水位以上的黃土。

（2）在水位線上下的黃土力學指標差值中，標貫擊數最大，剪切波速最小，錐尖阻力居中，體現了飽和黃土在不同應變擾動下的強度衰減。

（3）由于黃土含水率不同，在CPT土質分類圖上的位置不同，隨著含水率增大，首先表現為黏性更大，飽和之后，主要表現為強度降低。

（4）飽和黃土2個測點的土類指數Ic為2.197和2.171，小于類砂土和類黏土的界限2.6，證實黃土是類砂土，具有液化勢。

（5）飽和黃土基于CPT指標的CRR為0.080—0.081，基于SPT指標的CRR為0.056—0.058，基于剪切波速指標的CRR為0.085—0.093。而集集地震液化土CRR為0.058—0.481，唐山地震液化土CRR為0.063—0.479。比較結果顯示，飽和黃土抗液化強度很低。