2003 年新疆巴楚地震CPT 液化數據庫構建1

董 林 張 琪 夏 坤 彭皓皓 陳 強

（河北工程大學, 土木工程學院, 河北 邯鄲 056038）

引言

2003 年2 月24 日新疆巴楚-伽師地區發生MS6.8 地震，震源深度25.2 km，出現了唐山地震、海城地震后近30 年我國大陸最具規模的砂土液化現象（艾買提·乃買提，2004；羅福忠等，2006）。地震發生后，中國地震局立即組織專家對災區進行了液化現象與液化震害調查，標定了液化點。2009 年，中國地震局工程力學研究所對巴楚地區21 個液化點和17 個非液化點進行了現場鉆孔勘察，并開展了標準貫入試驗（SPT）、孔壓靜力觸探試驗（CPTU）和剪切波速試驗（VS）等（董林，2010）。

對于本次測試數據，李兆焱（2012）分別給出了基于SPT 和CPT 指標的巴楚地震液化數據庫，并對數據庫進行了長期分析研究（李兆焱等，2012，2013a，2013b）。大量研究表明，巴楚地震液化砂土標貫擊數與錐尖阻力指標偏大，采用目前國內外液化判別方法往往會判為非液化，這種現象在世界范圍內是罕見的。

鑒于以往選取液化層時，往往僅關注錐尖阻力較小且穩定的層，忽略了摩阻比變化趨勢及數值，李兆焱（2012）數據庫選取非液化點臨界液化層時，錐尖阻力偏大、層位偏深，同時考慮巴楚地區上覆非液化層透水條件的特殊性，本文通過Robertson 土質分類圖對CPTU 數據進行土類分層檢驗，對比鉆孔柱狀圖中土層土類，檢驗二者的一致性，通過土類篩選，結合標貫擊數與錐尖阻力選定液化層。最后，利用我國規范方法構建巴楚地震CPT 液化數據庫，并進行判別分析。

1 方法介紹

1.1 Robertson 土質分類圖

Robertson 等（1998）基于大量實測數據與理論分析，建立了CPT 指標土質分類圖（圖1），構建了土類指數Ic，其隨歸一化摩阻比的增大而增大，隨歸一化錐尖阻力的增大而減小。對于圖1 中土類2～7，Ic為5 組同心圓的半徑，按下式計算：

圖1 Robertson 土類指數分類圖Fig.1 CPT-based soil behavior-type chart proposed by Robertson

式中，qc為錐尖阻力；fs為側摩阻力；Q為歸一化錐尖阻力；F為歸一化摩阻比；σv0為 總上覆壓力；σ′v0為有效上覆壓力；Pa為1 個標準大氣壓；n為應力指數。

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，由式（1）～式（3）計算Ic，如果Ic＞2.6，則為黏土，n即為1.0；如果Ic＜2.6，則改取n為0.5，代入式（1）～式（3）重新計算Ic，如果重新計算的Ic＜2.6，則n確定為0.5；如果重新計算的Ic＞2.6，則n應取為0.7，并代入式（1）～式（3）重新計算Ic。計算完成后，將Q和F代入圖1，即可判別土類。

1.2 分層依據

CPTU 測試可提供錐尖阻力qc、側摩阻力fs、孔壓u及摩阻比Rf（fs與qc的比值），如圖2（a）所示。2009 年現場勘查同一測試點鉆孔與CPT 孔位直線距離均在5 m 以內，可認為二者土層剖面是一致的。由于CPT 指標相對于SPT 指標更連續，且離散性小，因此利用qc-h（h為埋深）圖確定液化層更有優勢，尋找qc數值小且穩定的層，而如果不注重Rf-h圖，很可能造成選取黏土為液化層的錯誤結果（王蕾等，2021）。因為黏土相對于砂土一般錐尖阻力qc較小，而摩阻比Rf較大。砂土摩阻比一般＜2%，而黏土摩阻比基本＞3%（孟高頭等，2000；TB 10018-2018《鐵路工程地質原位測試規程》（國家鐵路局，2018））。

圖2 E-06 測點原位測試結果Fig.2 In-situ test results of Site E-06

本次分析首先以鉆孔柱狀圖中的分層為依據，對CPTU 測試圖進行土分層，對于較厚的土層，根據錐尖阻力qc和摩阻比Rf隨深度的變化趨勢進行細分層。同一土層中，錐尖阻力和摩阻比一般較均勻。表層填土由于土質不均、成分混雜、曲線震蕩幅度較大且無明顯規律，所以在分層時不予考慮。分層后求出各土層平均錐尖阻力、側摩阻力及摩阻比，利用Robertson 土質分類圖進行各土層土類的檢驗。

2 液化數據庫檢驗

巴楚地區共有38 個測試點，其中液化點21 個，非液化點17 個。限于篇幅，本文僅介紹4 個測試點，主要呈現檢驗CPTU 數據的過程及與李兆焱（2012）數據庫的主要區別。

（1）E-06 非液化點（215 省道126 km 樁號旁，Ⅷ度區，地下水位3.800 m）

由圖2（a）中的Rf-h和qc-h圖可知，此測試點3 m 以下土層均為砂層，與圖2（b）鉆孔柱狀圖中的各土層土類對應一致。根據錐尖阻力qc和摩阻比Rf隨深度的變化趨勢進行細分層，結果如表1 所示。將分層后的各土層數據代入Robertson 土質分類圖，結果如圖3 所示，將圖3 土類結果與鉆孔柱狀圖中的土類進行對比，結果如表2 所示。由表2 可知，Robertson 土質分類圖具有較高的準確性。

表1 E-06 測點CPTU 分層結果Table 1 CPTU soil layer classification result of site E-06

表2 E-06 測點土層土類檢驗結果Table 2 Soil layer inspection results of site E-06

圖3 E-06 測點土類指數分類圖Fig.3 CPT-based soil behavior-type chart for site E-06

參照各土層平均錐尖阻力及圖2（b）中對應深度范圍內的標貫擊數，選取臨界液化層。②細砂層的標貫擊數為10，平均錐尖阻力為14.35 MPa；③細砂層的標貫擊數為17，平均錐尖阻力為7.81 MPa；④細砂層的標貫擊數為23，平均錐尖阻力為10.83 MPa。E-06 鉆孔地下水位為3.800 m，由于②細砂層上覆滲透性的非飽和細砂，具有排水邊界，地震時不易液化，這與該層土強度無關（袁曉銘等，2018）。綜合考慮，選取埋深為5.1～6.3 m 的③細砂層和埋深為6.3～9.0 m 的④細砂層為臨界液化層。

李兆焱（2012）選取埋深為12.0～14.5 m 的細砂層為臨界液化層，該層埋深較大、土層過于密實，地震時大概率不會發生液化，這對研究液化判別臨界曲線沒有意義。李兆焱（2012）數據庫選取非液化點臨界液化層時，選取力學指標過大的測點還有E-07、E-09、E-11、E-12、E-13、ZK33、ZK38。

（2）SY-05 液化點（臥里托格拉克鄉16 大隊2 小隊，Ⅶ度區，地下水位3.700 m）

由圖4（a）中的Rf-h和qc-h圖可知，此測試點土層自上而下可分為三類，分別為細粒土、砂土、細粒土土層，與實際鉆孔柱狀圖中的各土層土類對應一致。因此，可參照鉆孔柱狀圖對CPTU 測試圖進行土分層。對于較厚的土層，根據錐尖阻力qc和摩阻比Rf隨深度的變化趨勢進行細分層，分層結果如表3 所示。將分層后的各土層數據代入Robertson 土質分類圖，如圖5 所示，將圖5 土類結果與鉆孔柱狀圖中的土類進行對比，結果如表4 所示。由表4 可知，Robertson 土質分類圖具有較高的準確性。

表3 SY-05 測點CPTU 分層結果Table 3 CPTU soil layer classification result of site SY-05

表4 SY-05 測點土層土類檢驗結果Table 4 Soil layer inspection results of site SY-05

圖4 SY-05 測點原位測試結果Fig.4 In-situ test results of site SY-05

圖5 SY-05 測點土類指數分類圖Fig.5 CPT-based soil behavior-type chart for site SY-05

參照各土層平均錐尖阻力及圖4（b）中對應深度范圍內的標貫擊數選取液化層。SY-05 鉆孔地下水位為3.700 m，②細砂層標貫擊數為33，平均錐尖阻力為12.49 MPa；③細砂層標貫擊數為34，平均錐尖阻力為12.60 MPa；④細砂層標貫擊數為36，平均錐尖阻力為16.15 MPa。在液化層的選取上，雖然⑤、⑥層的平均錐尖阻力較?。ǚ謩e為2.39 MPa 和3.09 MPa），但該處土層為黏土，不會液化，所以液化層選為埋深為4.18～6.86 m 的③細砂層。

該液化層平均錐尖阻力和標貫擊數明顯偏大卻依然發生液化，因液化形成了較大的噴水冒砂孔，進而形成長40 m、寬10 m 的低地。

李兆焱（2012）對該測試點液化層的選取為埋深10.4～12.0 m 的土層，CPTU 測試圖中埋深10.4～12.0 m 處平均錐尖阻力較小且均勻，但該層摩阻比Rf較大且為黏土，不會發生液化，顯然這樣選取是錯誤的。李兆焱（2012）數據庫忽略摩阻比Rf，選取黏土或部分黏土為液化層的測點還有SY-01、SY-07、SY-09、SY-12、SY-14、SY-21、SY-26、SY-29、E-05。

（3）SY-17 液化點（色力布亞鎮13 大隊5 小隊，Ⅷ度區，地下水位0.400 m）

由圖6（a）中的Rf-h和qc-h圖可知，此測試點土層均為砂層，與實際鉆孔柱狀圖中的土層土類一致。因此，可參照鉆孔柱狀圖對CPTU 測試圖進行土分層。對于較厚的土層，根據錐尖阻力qc和摩阻比Rf隨深度的變化趨勢進行細分層，分層結果如表5 所示。將分層后的各土層數據代入Robertson 土質分類圖，結果如圖7 所示，將圖7 土類結果與鉆孔柱狀圖中的土類進行對比，結果如表6 所示。由表6 可知，Robertson土質分類圖具有較高的準確性。

表6 SY-17 測點土層土類檢驗結果Table 6 Soil layer inspection results of site SY-17

圖6 SY-17 測點原位測試結果Fig.6 In-situ test results of Site SY-17

圖7 SY-17 測點土類指數分類圖Fig.7 CPT-based soil behavior-type chart for site SY-17

參照各土層平均錐尖阻力及圖6（b）中對應深度范圍內的標貫擊數選取液化層。①細砂層平均錐尖阻力為1.86 MPa；②細砂層標貫擊數為13，平均錐尖阻力為2.53 MPa，更深處的砂層由于標貫擊數與錐尖阻力持續增大，不易發生液化。SY-17 鉆孔地下水位為0.400 m，由于①細砂層有上透水邊界，不易發生液化（袁曉銘等，2018），因此該測試點液化層選為埋深2.5～4.5 m 的②細砂層。

液化導致該處水塘周圍噴砂點較多，并有裂縫，噴砂孔徑較小，一般約20 cm。

李兆焱（2012）將該測試點液化層選為埋深0.5～4.5 m 的細砂層，由于透水邊界的存在，這樣選取是錯誤的，存在透水邊界的測點還有SY-01、SY-05、SY-06、SY-08、SY-18、SY-21、SY-24、SY-25、SY-27、E-06、E-12、ZK24、ZK25。

（4）ZK30 液化點（瓊庫爾恰克鄉5 大隊6 小隊，Ⅸ度區，地下水位2.600 m）

由圖8（a）中的Rf-h和qc-h圖可知，此測試點土層自上而下分為兩類，分別為細粒土、砂土土層，與實際鉆孔柱狀圖中的土層土類對應一致。因此，可參照鉆孔柱狀圖對CPTU 測試圖進行土分層。對于較厚的土層，根據錐尖阻力qc和摩阻比Rf隨深度的變化趨勢進行細分層，結果如表7 所示。將表7 中各土層數據代入Robertson 土質分類圖，結果如圖9 所示，將圖9 土類結果與鉆孔柱狀圖中的土類進行對比，結果如表8 所示。由表8 可知，Robertson 土質分類圖具有較高的準確性。

表7 ZK30 測點CPTU 分層結果Table 7 CPTU soil layer classification result of site ZK30

表8 ZK30 測點土層土類檢驗結果Table 8 Soil layer inspection results of site ZK30

圖8 ZK30 測點原位測試結果Fig.8 In-situ test results of Site ZK30

圖9 ZK30 測點土類指數分類圖Fig.9 CPT-based soil behavior-type chart for site ZK30

參照各土層平均錐尖阻力及圖8（b）中對應深度范圍內的標貫擊數選取液化層。ZK30 地下水位為2.600 m，②細砂層標貫擊數為15，平均錐尖阻力為4.09 MPa；③細砂層標貫擊數為12，平均錐尖阻力為8.38 MPa。②、③層從土類及強度來說均易液化，為防止錯選液化層，該測試點液化層選兩層，分別為埋深2.6～4.1 m 的②細砂層和埋深4.1～6.8 m 的③細砂層。

液化導致該處形成2 個噴水冒砂孔，直徑約16 cm，排列方向為230°，噴砂尺寸為1.5 m×1.5 m。

李兆焱（2012）僅選取埋深為3.3～4.1 m 的細砂層為液化層，而③細砂層標貫擊數更小、錐尖阻力較小且穩定，地震時也可能液化。出于同樣的考慮，液化層選2 層的測點還有SY-08、SY-14、SY-18、SY-26、SY-27、E-03、E-04、E-06、E-09、E-10。

3 液化數據庫分析

根據GB 50021-2001《巖土工程勘察規范（2009 年版）》（中華人民共和國建設部等，2009）的規定：當實測計算錐尖阻力qc小于液化錐尖阻力臨界值qccr時，應判別為液化土，并按下列公式計算：

其中，qccr為飽和土靜力觸探液化錐尖阻力臨界值（MPa）；qc0為當地下水深度dw=2 m、上覆非液化土層厚度du=2 m 時飽和土液化判別錐尖阻力基準值（MPa），可按表9 取值。按規范原始文獻，表9 中qc0取值范圍與地震震級、震中距有關（周神根，1980）。按Seed 理論，考慮矩震級從6～8.5 級（Seed 等，1983），巴楚Mw6.4 級地震中Ⅶ度區qc0取4.83 MPa，Ⅷ度區qc0取10.83 MPa，Ⅸ度區qc0取16.85 MPa；αw為地下水位埋深修正系數，地面常年有水且與地下水有水力聯系時取1.13；αu為上覆非液化土層厚度修正系數，對于深基礎取1.0；dw為地下水位深度（m）；du為上覆非液化土層厚度（m），計算時應將淤泥和淤泥質土層厚度扣除；αp為與靜力觸探摩阻比有關的土性修正系數，可按表10 取值。

表9 錐尖阻力基準值qc0Table 9 Liquefied reference value of cone tip resistance

表10 土性修正系數αpTable 10 Values of soil property correction factor αp

利用上述方法對前文選定的液化點液化層與非液化點臨界層分析液化可能性，建立液化數據庫，分別如表11、12 所示，液化判別結果如圖10 所示。

表11 基于CPT 測試的我國方法巴楚地震液化數據庫（液化點）Table 11 CPT-based liquefaction database from Bachu earthquake according to Chinese code methods （liquefaction spot）

表12 基于CPT 測試的我國方法巴楚地震液化數據庫（非液化點）Table 12 CPT-based liquefaction database from Bachu earthquake according to Chinese code methods （non-liquefactionspot）

從液化判別結果來看，我國規范CPT 液化判別方法對巴楚地震液化點的判別成功率為37.04%（10/27），對非液化點的判別成功率為90.91%（20/22），整體偏于危險。

4 結論

本文利用Robertson 土質分類圖對巴楚地震液化地區CPTU 數據進行土類分層檢驗，選定了液化點液化層與非液化點臨界液化層，重新構建了巴楚地震CPT 液化數據庫，主要得出以下結論：

（1）巴楚地震液化點的力學指標偏大卻仍然液化，不能因為液化點力學指標偏大而將非液化點臨界液化層力學指標選得更大，應選非液化點土層剖面中最易液化層，這有利于研究液化判別臨界曲線。

（2）由于CPT 指標相對于SPT 指標更連續，且離散性小。因此，習慣利用qc-h圖確定液化層，但如果不注重Rf-h圖，很可能造成選取黏土為液化層的錯誤結果，應引起重視。

（3）巴楚地區地表土層與唐山地震、海城地震液化區地表土層有顯著區別。唐山地震、海城地震液化層基本上覆飽和、不透水黏土層，而巴楚地區液化層往往上覆非飽和細砂，易形成透水邊界。巴楚地震相對于唐山地震、海城地震，液化點噴砂量小而噴水量大（董林，2010），很可能與此有關，對于該現象的進一步影響，有待繼續研究。