工程勘察中砂礫石層液化問題的分析評價

成小勇

（陜西省水利電力勘測設計研究院勘察分院，陜西 咸陽 712000）

1 前言

砂土地震液化問題是水利水電工程地質勘察中的主要地質問題之一，一旦產生液化，對工程危害性嚴重，甚至可以說是致命的。工程界對砂土液化問題一直進行著不懈的研究、探索，在此基礎上，形成了現今的多種分析評價方法，以及各種各樣的處理方法和形式。最容易產生液化的地層無疑是粉細砂層和粉土層，而對粒徑較粗的砂礫石層液化，不易引起重視，甚至直觀的認為不產生液化，但實際砂礫石層是有可能產生地震液化的。現行規范對液化評價列有幾種方法，但在實際操作中還存在一些問題，比如沒有專門的完全適合砂礫石層的直接評價方法，亦缺少液化指數及液化等級的定量評價等。

實際工作中遇到過幾例砂礫石層液化評價的典型案例，在分析評價的過程中，發現了一些特點和問題，亦產生了幾點不成熟的想法，拋磚引玉，與各位同行共勉。

2 現行規范對液化評價的問題探討

現行規范有液化評價內容的主要為《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487-2008）和《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）。前者對液化的評價分別列出了初判和復判，主要是定性的，如“土的地震液化判定工作可分初判和復判兩個階段。初判應排除不會發生地震液化的土層。對初判可能發生液化的土層，應進行復判”。建筑抗震設計規范中對液化的評價分為定性和定量兩部分，對應液化指數即可得到液化等級。規范除規定標準貫入判別法以外，還規定了相對密度復判法和相對含水率以及液性指數復判法進行復判。

2.1 現行規范液化評價方法及適用性

現行的規范中在復判時提供了標準貫入、相對密度、相對含水率和液性指數幾種方法，現對這幾種方法的適用性及局限性進行分析。①對砂層、粉土層的適用性：由于液化研究從一開始，主要就是針對易發生液化的粉細砂層、粉土層等地層進行的，目前規范所采用的方法、規定，對粉細砂、粉土等極易產生液化的敏感地層已相對成熟，其判別方法易操作且判定結果符合實際情況。②對砂礫石層適用性：現行的《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487-2008）條文說明中明確指出：標準貫入試驗主要只適用于砂土和少黏性土地基。③相對密度復判法適用性：采用相對密度法判定，只能做到規范上說的“不大于表P.0.4-2中的液化臨界相對密度時，可判為可能液化土”，還屬于定性的范籌。④相對含水率或液性指數復判法適用性：規范規定的復判法，很明顯主要只適合于少粘性土，對砂礫石無法采用，因為一般砂礫石樣品不做塑性指數或含水率測試。

2.2 實際操作中存在的問題

2.2.1 砂礫石層標準貫入試驗的難點

按現行規范，評價液化最直接的方法為標準貫入試驗錘擊數法，對砂礫石層無特別說明或專用評價方法，因此實際操作中只能和砂層、粉土層一樣，均采用標準貫入試驗錘擊數為準，且現行規范缺少砂礫石層液化評價實例。實際應用中，由于砂礫石層一般都含有較大粒徑顆粒（卵石、礫石），進行標準貫入試驗時會損壞試驗器刀口。在砂礫石層也強行做過標準貫入試驗，除試驗時極易損壞刀口外，同時錘擊數也明顯增大，成功率很低。由于試驗數據偏少、離散性大，最終導致本身就不多的試驗數據無法使用。

2.2.2 內業資料整理時的糾結

由前所述，砂礫石層中原位試驗一般為動力觸探試驗，即使有標準貫入試驗也是個別的。在資料整理分析時，因為無試驗資料或數據太少，代表性差無法使用。

再者，砂礫石液化現象總體來說，其液化比砂或少粘性土要小，有的還處于臨界狀態。同樣為砂礫石層，粘粒或砂粒含量稍高即存在液化，顆粒較粗且細粒含量少時則不產生液化，當然這也與工程當地的地震烈度和設防等級有關；按顆粒分析和相對密度判別的結果，往往是同一地層中，某幾組樣品判定為液化，某幾組樣品判定為不液化。又由于無法進行定量評價，只能說明不產生液化或可能產生液化，對液化的嚴重程度無法得出結論。在此種情況下，勘察報告中關于液化的結論和處理建議就顯得尤為糾結。

3 工程實例及思路拓展

3.1 砂礫石液化分析評價的工程實例

3.1.1 涇河新城涇河防洪暨生態治理工程

1）工程地質概況

工程區位于咸陽市涇陽縣城南的涇河干流上，治理河段長17.5 km，設計為1級堤防。地層巖性主要有卵石層、砂礫石層及砂層，底部為粉質粘土。地震動峰值加速度a=0.15 g，地震動反應譜特征周期T=0.35 s，相應地震基本烈度為Ⅶ度。兩岸地下水補給河水，含水層為卵石、砂礫石層等。

2）砂礫石層顆粒組成及動力觸探試驗

根據試驗資料，砂礫石層中大于20 mm的卵粒含量為38.5%；2 mm～20 mm的礫粒含量為39.4%；砂粒含量為9.4%；小于5 mm顆粒含量為30.5%；小于0.075 mm的細粒含量為11.9%。砂礫石層的動力觸探試驗經統計整理后，得出錘擊數標準值為9.5擊，呈稍密狀態。

3)砂礫石層的相對密度

根據野外天然密度試驗得到的天然干密度，結合室內相對密度試驗取得的最大和最小干密度，按公式計算出每組樣品的相對密度，見表1。

表1 相對密度試驗統計表

4)液化判別

按《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487-2008）中規定的初判方法（見規范P.0.3條）進行差別。

首先砂礫石層的地質年代不是晚更新世或以前，小于5 mm顆粒含量剛好超出規范要求的30%；小于0.005 mm顆粒的含量由于沒有再進一步分析（按土工試驗規程和方法標準，篩析法最小孔徑為0.075 mm，當粒徑小于0.075 mm的試樣質量大于總質量的10%時，才測定粒徑小于0.075 mm的顆粒組成），因此不能確定砂礫石層是否存在液化。本工程當時也沒有進行波速測試工作，只能進行復判。

規范所列的3種復判方法，由于砂礫石層不宜作標準貫入試驗，相對含水率或液性指數復判法也不適合砂礫石地層，故采用相對密度法進行復判。

工程區地震動峰值加速度a=0.15 g，按《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487）132頁中的表P.0.4-2查得，液化臨界相對密度為0.73。從表1中各試驗樣品的相對密度指標可以看出，僅樣品TK17的相對密度大于液化臨界相對密度，也就是說6組樣品中，有5組都有可能產生液化，但液化程度到底如何就不得而知了，因為《建筑抗震設計規范》中的液化指數是根據標準貫入錘擊數來計算的，沒有標準貫入試驗數據就無法判定。

3.1.2 天水市藉河生態綜合治理工程

1）工程地質概況

工程位于天水市藉河干流上，治理河段長13 km，主要建筑物有兩岸堤防、橡膠壩和鋼壩閘等。地層結構上部為砂礫石層，下部為泥巖。地震動峰值加速度a=0.30 g，地震動反應譜特征周期T=0.40 s（本工程當時也沒有進行波速測試工作），相應的地震基本烈度為Ⅷ度，砂礫石為主要含水層。

2)砂礫石層的動力觸探試驗

通過對砂礫石層的動力觸探成果統計，錘擊數為9～12擊，呈稍密～中密狀態。

3)砂礫石層的相對密度

根據野外天然密度試驗得到的天然干密度，結合室內相對密度試驗取得的最大和最小干密度，按公式計算出每組樣品的相對密度，見表2。

表2 砂礫石層相對密度試驗統計表

4）液化判別

由于砂礫石層不能進行標準貫入試驗，因此采用規范所列的其它幾種方法對液化問題進行分析。

a.按顆粒組成分析

從表3可以看出，雖然為同一地層，但按顆粒組成分析樣品，有的液化有的不液化。上段6個壩基中，小于5 mm的粒徑含量一般為22.4%～36.7%，所取15組樣品中有10組小于30%，細粒含量均小于5%，說明有三分之一的樣品有液化可能，且液化樣品分布于不同壩基中。下段4個壩基中，小于5 mm的粒徑含量一般為26.6%～37.2%，所取8組樣品中有3組小于30%，細粒含量最大僅為3.8%，說明有液化可能的為3組，占全部的38%，且液化樣品在各壩線呈無規律分布。

表3 各壩基砂礫石層按顆粒含量液化初判表

b.按相對密度分析

根據規范要求，判定土層相對密度不大于表4（擇自《水利水電工程地質勘察規范》第132頁）中的液化臨界相對密度時，可判為可能液化土。上段砂礫石層相對密度一般為0.35～0.69，平均0.63，下段砂礫石層相對密度一般為0.55～0.68，平均0.53，均屬于中密狀態，且小于規范要求，故屬可能液化土層。

表4 飽和無粘性土的液化臨界相對密度

c.按地層剪切波速分析

上段地層剪切波速測試砂礫石層Vs=137 m/s～363 m/s,下段地層剪切波速測試砂礫石層Vs=134 m/s～645 m/s,對應上限剪切波速不滿足規范要求，初判為可能液化土。

3.2 思路拓展

3.2.1 利用動力觸探評價砂礫石層液化的可行性和意義

目前還沒有專門針對砂礫石層液化的評價方法，若用標準貫入可以評價砂層及粉土層的液化，那么動力觸探為什么就不能用來評價砂礫石層的液化問題呢？兩者原理相近，使用的試驗器具基本一致。如能通過動探擊數，對應相對密度、粒徑組成等，找出其中相互關聯的規律，從而解決其液化的定性評價問題應該是可能的。

目前，標準貫入擊數和相對密度之間有較成熟的對應關系，但動力觸探和相對密度之間缺乏對應關系。如能通過試驗分析，建立工程區砂礫石層的相對密度Dr和動力觸探擊數N63.5之間的對應關系，則完全可以利用“規范”中相對密度法（已轉換為對應的動探擊數）來對砂礫石層是否液化進行評判。

但砂礫石層液化評價的難點，在于定量評價。如果要利用動探擊數來進行定量評價，其實際操作上，甚至是解決問題的思路或者說方向上，還比較模糊，只能在實踐中不斷摸索。

3.2.2 利用動力觸探評價液化嘗試

1）工程實例

以天水穎川河治理工程為例，工程區地震動峰值加速度a=0.30 g，地震動反應譜特征周期T=0.40 s，相應的地震基本烈度為Ⅷ度，按《水利水電工程地質勘察規范》中相對密度復判法，該工程區的液化臨界相對密度應為8.0。具體思路，首先利用規范中按細粒含量的初判法，對所有樣品進行初判，篩選剔除掉不需要復判的樣品，然后利用相對密度法進行復判，最后再對應各取樣點最近的鉆孔動探擊數來比較，用以證明動探擊數評判的可行性。各評判結果對照見表5。

2）可行性分析

從表5可以看出，參與試驗比對的20組樣品中，利用細粒含量初判法剔除了5組不會液化的樣品。再利用相對密度法對剩余的15組樣品進行判別，判別結果為不液化的2組，可能液化的13組。最后再對應動探擊數比對，從動探擊數來看，有兩個動探擊數為13擊的樣品，按相對密度法評判時，一個液化一個不液化。而小于13擊的樣品，在相對密度評判時全部為可能液化，大于13擊的樣品不液化。很顯然，13擊的動探擊數，應為這個樣品試驗區的液化臨界值，其規律還是很明顯的。

值得指出的是，在利用細粒含量初判法剔除的5組樣品中，如果只用動探擊數來判別，則這5組樣品全部為可能液化樣品，所以若要利用動探擊數來評價液化時，必須先用細粒含量初判法予以篩選剔除。

3）動力觸探評價法的優點

在水利水電工程勘察中，鉆孔動力觸探屬常規性試驗，在某種程度上是必不可少的，其操作簡便易行，數據應用成熟。即使不進行液化評價，動力觸探試驗還是要做的，如能利用動探擊數來進行液化評價，則可在不增加費用和工作量的前提下，完善某些工程中資料不全面、某一評價方法不能操作的尷尬。

表5 砂礫石層液化判別表

4 結語

我國目前對砂礫石層液化方面的研究不多，實際工作中遇到類似問題無具體規范、方法可循，在此提出的用動力觸探對砂礫石層進行液化評價的想法還不甚成熟，該方法是否可做為最終評判依據，還值得商榷。假使可行，則還需要大量的工程實踐和數據分析比對。寫這篇文章的目的，是為拋磚引玉，希望引起各位業界同仁的注意，共同摸索探討，期望在不久的將來，砂礫石層液化評判能準確、簡便、易行。