天津地铁双桥静力触探评价土层液化分析研究

天津地铁双桥静力触探评价土层液化分析研究
通过对天津地铁在建项目中的14 个工点进行双桥静力触探、标准贯入试验和钻探取样综合试验，分析得出了锥尖阻力qc、摩阻比Rf 与黏粒含量ρc 之间的关系，提出了Rf 与ρc 的线性关系式，并采用双桥静力触探的方法对既有工点场地液化进行评价。

标签：地铁勘察；双桥静力触探；土层液化；分析研究
0 引言
天津市地处华北，地形自西北向东南逐渐降低，地貌为海积—冲积滨海平原及洼地，上部大部分被第四系沉积物覆盖，其中液化土层对天津地铁项目的建设产生了较大的影响。

对于土层是否液化及液化等级的判别，一直是地铁建设工程界探讨的重点。

目前提出的评价地层液化的方法有很多，包括标准贯入试验法、剪切波速法、临界震动加速度法、临界孔隙比法、静力触探法和综合指标法等[1-7]。

研究结果表明，影响砂土液化的因素众多，包括土的性质、应力状态、地震作用和排水条件等。

每种评估方法都有一定的适用范围，因此，存在试验指标可信度和液化判别精确度问题[8]。

双桥静力触探目前在工程勘察中被广泛应用，其具有速度快、稳定性好、精度高、清洁环保等特点，能够连续地划分土层。

本文针对天津地铁在建项目中的14 个工点，采用双桥静力触探、标准贯入和钻探取样相结合的方法，研究天津土层液化特性，提出了依据双桥静力触探进行液化初判公式，得到了双桥静力触探摩阻比和黏粒含量的关系，并通过与常规液化判定方法对比，分析了双桥静力触探试验方法判定液化在天津地铁工程建设中的可行性。

1 试验场地土层特点
天津市区地基土层为第四系海陆交互沉积的松散沉积物，20 m 深度范围内的土层按其成因可分为新近沉积层（0～11 m）、晚期冲积层（0～4 m）、中期浅海堆积层（4～14 m）及早期冲积层（14～20 m）。

各层中均有可液化土层分部，一般与黏性土层交错叠层存在，不同区域厚度变化较大，从几十厘米到几米不等。

其中埋深3～12 m 范围内海河等古河道及洼淀新近沉积的粉土呈稍密状态，地震时易液化[9]。

正是由于沉积地貌的特点，粉黏互层的现象在天津地层中普遍存在，这对标准贯入试验的准确性造成了一定影响，加之其本身受孔径大小、钻进方式及人为因素影响，使得同一土层的标准贯入指标统计离散性较大。

天津地鐵工程统计资料表明，在同一场地条件下，同一土层的同一深度，其相邻勘探孔之间标准贯入击数最多可相差50%。

这种情况下，采用标准贯入判别法会导致判别结果的离散性大且不稳定。

在天津地区这种粉黏互层的地层中，黏粒含量是判别土层是否为黏性土的重要指标。

规范中采用的静力触探试验方法进行液化判定，主要是通过计算贯入阻力psca 或qcca 后，与其临界值比较，判定是否为液化土[10]。

这种方法并没有直接考虑黏粒含量对液化判别的影响，使得其难以充分反应天津地区粉黏互层的地层液化特征。

2 双桥静力触探试验分析
2.1 试验点布置
本次试验选取天津地铁在建工程14 个工点，共布置试验点62 处、试验孔数218 孔，各工点试验情况见表1。

每个试验点均严格按照操作规程要求进行双桥静力触探、标准贯入和钻探取样，孔深全部大于20 m。

每个试验点的原样及扰样进行常规物性试验和室内颗分试验。

2.2 试验结果分析
2.2.1 双桥静力触探指标特征分析
经过对本次双桥静力触探试验指标的综合分析，天津市区范围内粉黏互层的地层呈现出较为统一的指标特征，主要表现为以下几个方面。

（1）黏粒含量较高的黏土及粉质黏土，锥尖阻力qc 的平均值较小。

随地层深度增加，qc 变幅较小，曲线较平滑。

（2）黏粒含量较少的砂质粉土及粉砂，qc 的平均值较大，随地层深度增加qc 值略有浮动，曲线呈长锯齿状，峰值较小。

（3）具有一定黏粒含量的黏质粉土中，qc 值一般介于以上的（1）和（2）之间。

随地层深度增加qc 曲线呈短锯齿状，当颗粒不均匀时峰值变化加剧，局部为不规则残破大锯齿状。

双桥静力触探中，摩阻比Rf 可由公式（1）计算得到：
（1）
式（1）中，fs 为双桥静力触探试验侧摩阻力，MPa；qc 为双桥静力触探试验锥尖阻力，MPa。

本次试验各土层的摩阻比Rf 、侧摩阻力fs 及锥尖阻力qc 的统计值见表2。

对于天津市内地区，土层黏粒含量越少qc 值越大，摩阻比Rf 随黏粒含量的增加而增加。

2.2.2 摩阻比Rf、锥尖阻力qc 及地层液化初判
本次试验地处天津市区北部，根据GB 18306-2015《震动参数区划图》的区域划分，本场地地震烈度为Ⅷ度，动峰值加速度值为0.20 g。

根据文献[1]的规定，对于Ⅷ度区场地，非浅埋基础的第四系全新统（Q4）地层，其黏粒含量大于13% 时，可初判为不液化。

本文将本次试验成果按地层分类进行初判，并结合摩阻比Rf 和锥尖阻力qc，给出了试验点分布及其分界线，见图1。

根据图1，其分界线可表示为式（2）：
qc = 0.01e3.672Rf （2）
式（2）中各符号意义同前。

2.2.3 摩阻比Rf 与黏粒含量ρc 的关系
本次试验中，触探摩阻比Rf 与黏粒含量ρc 呈现特定的线性关系，见图2。

从图2 中可以看到，Rf 与ρc 存在如下关系：
ρc = 6.61 Rf + 0.85 （3）
式（3）中，ρc 为土层的黏粒含量百分率，%。

3 双桥静力触探液化判定评价
本文使用文献[10]、[12]中的方法来计算触探锥尖阻力临界值qccr。

该方法是以地震现场实测资料为基础建立起来的经验公式，提出了在一定地震烈度条件下，场地的饱和砂土发生液化时所对应的双桥触探液化临界锥尖阻力qccr 的计算方法，其判别式表达为：qccr = qc0 αw αu αp （4）
αw = 1-0.065（dw-2）（5）
αu = 1-0.05（du-2）（6）
（7）
式（4）～（7）中，qccr 为液化锥尖阻力临界值，MPa；du 为上覆非液化土层厚度，m；dw 为地下水位深度，m；qc0 为地下水深度du = 2 m、上覆非液化土层厚度= 2 m时的饱和土液化判别锥尖阻力基准值，MPa；αw 为地下水位埋深dw 修正系数；αu 为上覆非液化土层厚度du 修正系数；αp 为与双桥静力触探摩阻比有关的土性修正系数。

计算得到的qccr 与现场试验实测得到的qc 之比，可得到液化土层的液化指数IE，IE 可用来重新评价场地的液化等级。

表 3 中，14 个工点的岩土勘察报告中均采用规范常规方法判定的场地液化等级，与本次采用双桥静力触探方法相比，结论偏于保守。

根据地方经验，本文的判别方法得出的场地液化评价更为
接近实际，也较为合理。

4 结论
（1）由于天津地区新近沉积层多为粉黏互层，其液化影响因素较为复杂，黏粒含量为其中较为重要的因素，此时采用常规标准贯入方法来判定土层液化存在一定的局限性。

（2）双桥静力触探指标中，锥尖阻力qc 与摩阻比Rf 都与黏粒含量ρc 存在一定的关系。

随着ρc 的增加，qc 值减少，Rf 增加，其中Rf 与ρc 呈线性关系。

（3）常规方法评价场地液化等级偏于保守，采用双桥静力触探方法评价场地土液化等级与实际更为接近，具有一定的可行性，可供天津地区其他地铁工程参考使用。

参考文献
[1] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[S]. 2010.
[2] GB 50007-2011 建筑地基基础设计规范[S]. 2011.
[3] GB 50909-2014 城市轨道交通结构抗震设计规范[S]. 2014.
[4] GB 50021-2001 岩土工程勘察规范[S]. 2001.
[5] 汪明武，罗国煜. 最优化法在砂土液化势评价中的应用[J]. 岩土工程学报，1999，21（6）.
[6] 沈珠江. 砂土液化分析的散粒体模型[J]. 岩土工程学报，1999，21（6）.
[7] 赵成刚，尤昌龙. 饱和砂土液化与稳态强度[J]. 土木工程学报，2001，34（3）.
[8] 張继红，顾国荣. 双桥静力触探法判别上海薄夹层黏土地基液化研究[J]. 岩土力学，2005，26（10）.
[9] DB/T 29-191-2009/J11414-2009. 天津市地基土层序划分技术规程[S]. 2009.
[10] TB 10018-2003/J261-2003. 铁路工程地质原位测试规程[S]. 2003.
[11] GB 18306-2015 中国地震动参数区划图[S]. 2015.
[12] 蔡国军，刘松玉，童立元，等. 基于静力触探测试的国内外砂土液化判别方法[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27（5）.
责任编辑朱开明。