一种判别深埋饱和砂土地震液化的方法与流程

本发明属土工抗震安全评价领域，涉及一种判别深埋饱和砂土地震液化的方法。

背景技术：

我国水电资源80％以上分布在地震活动频繁且强度大的西部地区，该地区河床大多具有深厚覆盖层，深厚覆盖层中常存在砂土等在地震作用下可能液化的土层或透镜体。随着西部大开发战略的实施，越来越多的土石坝工程将建于深厚覆盖层上，深厚覆盖层中砂土或其透镜体在地震作用下的稳定性是涉及工程安全和可行性的关键问题，但深埋饱和砂土地震液化判别是目前学术上和工程上的难点问题。标准贯入试验是应用广泛的现场原位测试方法，基于标准贯入试验判别地基土液化可能性的方法在工程中应用十分广泛，但现有规范中的标准贯入试验液化判别方法，其适用的地基土深度在20m(上覆有效应力大致上为200kPa)以内，对超过20m(上覆有效应力大致上为200kPa)的深埋饱和砂土地基液化判别，现有方法不适用。

技术实现要素：

本发明一种判别深埋饱和砂土地震液化的方法的目的是将基于标准贯入试验的浅层土地震液化判别方法拓展应用于深埋饱和砂土地震液化判别；现有技术仅适用于浅层砂土地震液化判别，应用于上覆有效应力超过20m的土体液化判别实际上是缺乏足够的依据的。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种判别深埋饱和砂土地震液化的方法，用于超过20m的深埋饱和砂土地基液化判别，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在现场，根据规范对大厚度深埋砂土层在不同部位、不同深度处进行标准贯入试验，得到不同位置、不同深度处砂层的标准贯入击数N’；

步骤二、根据标准贯入试验点应力条件，计算一定地震加速度下标准贯入试验测试点处地震引起的地震动剪应力比CSR：

式中：τ_av—地震引起的动剪应力；a_max－地表地震动水平峰值加速度；g－重力加速度；σ_v0－竖向总应力；σ'_v0－上覆有效应力；r_d—应力刚度折减系数；

步骤三、确定覆盖层土体标准贯入试验实际临界上覆有效应力σ'_cr，具体步骤如下：

A、假定覆盖层土体标准贯入试验的临界上覆有效应力为σ'_a；

B、将各标准贯入试验点上覆有效应力σ'_v0和假定的临界上覆有效应力σ'_a进行比较，若σ'_v0≤σ'_a，则用公式(2)将试验点深度处对应的实测标准贯入击数N’校正到上覆有效应力为100kPa的标准应力条件下，校正后的标准贯入击数为(N₁)₆₀；

其中，P_a为大气压力；

C、采用假设检验方法对校正到100kPa下的标准贯入击数样本数据进行正态分布检验，判断假定临界上覆有效应力σ'_a下校正后的标准贯入击数样本数据是否符合正态分布，若检验结果符合正态分布，则说明该假定上覆有效应力σ'_a在公式(2)的适用范围之内，可继续增大假定的临界上覆有效应力，继续以下步骤；

D、增大假定的临界上覆有效应力至σ'_a+Δσ，重复B至C，对校正到100kPa下的标准贯入击数样本数据进行正态分布检验，直至在假定的临界上覆有效应力下，对校正后的标准贯入击数样本数据检验结果不符合正态分布且假定的临界上覆有效应力达到800kPa以上为止；

E、根据上述各假定临界上覆有效应力下，对校正到100kPa下的标准贯入击数样本数据进行假设检验的结果，绘制偏度系数、峰度系数与假定临界上覆有效应力σ'_a的关系曲线，图中两者能同时满足U<U_0.05＝1.96到两者不能同时满足U<U_0.05＝1.96的分界点对应的假定临界上覆有效应力即为实际临界上覆有效应力σ'_cr；

步骤四、采用公式(3)将深埋饱和砂层不同位置、不同深度处的标准贯入击数N’校正到100kPa的标准应力条件下，获得不同位置、不同深度处标准贯入试验点的归一化标准贯入击数(N₁)₆₀：

步骤五、采用步骤四确定的不同位置、不同深度处标准贯入试验点的归一化标准贯入击数(N₁)₆₀，按照公式(4)计算深埋饱和砂土不同位置、不同深度处标准贯入试验点对应的抗液化动剪应力比CRR_7.5：

步骤六、将抗液化动剪应力比CRR_7.5同地震动剪应力比CSR进行比较，当CSR≥CRR_7.5，土体发生液化；当CSR＜CRR_7.5，土体不发生液化。

进一步优选地，所述步骤三对所述假定临界上覆有效应力条件下归一到100kPa相同应力条件下的标准贯入击数样本数据进行假设检验，确定其是否符合正态分布，直至在假定的临界上覆有效应力下，对校正后的标准贯入击数样本数据检验结果不符合正态分布且假定的临界上覆有效应力达到800kPa以上为止，据此确定满足正态分布与不满足正态分布的分界点为标准贯入试验实际临界上覆有效应力，进而根据确定的标准贯入试验实际临界上覆有效应力，对深埋饱和砂土进行地震液化判别。

进一步地，所述步骤一中，采用常规钻具将试验深埋饱和砂土层钻孔至试验土层标高以上15cm处，清除孔内残土，并根据需要进行护壁；

贯入前，连接好标准贯入试验装置，拧紧钻杆接头，将贯入器放入孔内至孔底，并避免冲击孔底，测量得到钻孔深度，注意保持贯入器、钻杆、导向杆联接后的垂直度；

贯入时，采用63.5kg的穿心锤，以76cm的自由落距，采用自动落锤法，将贯入器以每分钟15～30次击打入土中15cm后，再开始记录每打入10cm的锤击数，获得累计30cm的锤击数—标准贯入击数N’。

进一步地，所述步骤三中σ'_a值取200～300kPa。

此外，所述步骤三中Δσ值取5～10kPa。

更加优选地，所述正态分布检验采用矩法进行正态分布检验。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明提供了一种判别深埋饱和砂土地震液化的方法，能够克服现有规范中标准贯入击数液化判别方法不适用于20m以下土层的缺陷，能够将现有标准贯入击数液化判别方法拓展应用于深埋饱和砂土地震液化判别，可克服原有浅层砂土地震液化判别方法不能应用于深埋饱和砂土的局限，为高地震烈度区深厚覆盖层上建土石坝时覆盖层地基地震稳定性评价和坝体-地基系统抗震安全评价提供关键支撑。

附图说明

图1为本发明具体实施例所涉及的深埋饱和砂层不同上覆有效应力下的实测标准贯入击数；

图2为本发明具体实施例所涉及的不同假定临界上覆有效应力下的偏度系数和峰度系数的关系示意图；

图3为本发明具体实施例中确定的临界上覆有效应力校正到100kPa后的标准贯入击数；

图4是本发明具体实施例测得的深埋饱和砂土最大液化深度。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明的具体实施方式进一步详细描述。由于标准贯入试验是现有技术中的成熟方法，所以对其具体试验过程不做赘述。

本发明的主要技术思路是：依据相同的应力条件下，同一土层的土工测试参数符合正态分布的原理，假定标准贯入试验的临界上覆有效应力，将标准贯入试验点上覆有效应力小于临界上覆有效应力处的标准贯入击数归一化到相同的应力条件(100kPa)，进而采用假设检验确定校正后的标准贯入击数样本数据是否满足正态分布，据此确定砂层实际临界上覆有效应力，进而进一步对深埋饱和砂土进行地震液化判别。具体方式如下：

步骤一、在现场，根据规范，优选《土工试验规程》对大厚度深埋砂土层在不同部位、不同深度处进行标准贯入试验，得到不同位置、不同深度处砂层的标准贯入击数N′，本步骤中，采用常规钻具将试验深埋饱和砂土层钻孔至试验土层标高以上15cm处，清除孔内残土，并根据需要进行护壁；

贯入前，连接好标准贯入试验装置，拧紧钻杆接头，将贯入器放入孔内至孔底，并避免冲击孔底，测量得到钻孔深度，注意保持贯入器、钻杆、导向杆联接后的垂直度；

贯入时，采用63.5kg的穿心锤，以76cm的自由落距，采用自动落锤法，将贯入器以每分钟15～30次击打入土中15cm后，再开始记录每打入10cm的锤击数，获得累计30cm的锤击数—标准贯入击数N’。步骤二、根据标准贯入试验点应力条件，计算一定地震加速度下标准贯入试验测试点处地震引起的地震动剪应力比CSR：

式中：τ_av—地震引起的动剪应力；a_max－地表地震动水平峰值加速度；g－重力加速度；σ_v0－竖向总应力；σ'_v0－上覆有效应力；r_d—应力刚度折减系数。

步骤三、确定覆盖层土体标准贯入试验实际临界上覆有效应力σ'_cr，具体步骤如下：

A、假定覆盖层土体标准贯入试验的临界上覆有效应力为σ'_a，σ'_a取200～300kPa；

B、将各标准贯入试验点上覆有效应力σ'_v0和假定的临界上覆有效应力σ'_a进行比较，若σ'_v0≤σ'_a，则用公式(6)将试验点深度处对应的实测标准贯入击数N’校正到上覆有效应力为100kPa的标准应力条件下，校正后的标准贯入击数为(N₁)₆₀；

其中，Pa为大气压力。

C、采用假设检验方法对校正到100kPa下的标准贯入击数样本数据进行正态分布检验(下文以矩法(即U检验法)为例进行说明)，判断假定临界上覆有效应力σ'_a下校正后的标准贯入击数样本数据是否符合正态分布，若检验结果符合正态分布(即偏度系数和峰度系数U均满足U<U_0.05＝1.96)，则说明该假定上覆有效应力σ'_a在公式(6)的适用范围之内，可继续增大假定的临界上覆有效应力，继续以下步骤。

D、增大假定的临界上覆有效应力至σ'_a+Δσ，Δσ可取5～10kPa，重复B至C，对校正到100kPa下的标准贯入击数样本数据进行正态分布检验，直至在假定的临界上覆有效应力下，对校正后的标准贯入击数样本数据检验结果不符合正态分布且假定的临界上覆有效应力达到800kPa以上为止。

E、根据上述各假定临界上覆有效应力下，对校正到100kPa下的标准贯入击数样本数据进行假设检验的结果，绘制偏度系数、峰度系数与假定临界上覆有效应力σ'_a的关系曲线，图中两者能同时满足U<U_0.05＝1.96(即p>0.05)到两者不能同时满足U<U_0.05＝1.96的分界点对应的假定临界上覆有效应力即为实际临界上覆有效应力σ'_cr。

此步骤中依据相同的应力条件下，同一土层的土工测试参数符合正态分布的原理，对假定临界上覆有效应力条件下归一到100kPa相同应力条件下的标准贯入击数样本数据进行假设检验，确定其是否符合正态分布，直至在假定的临界上覆有效应力下，对校正后的标准贯入击数样本数据检验结果不符合正态分布且假定的临界上覆有效应力达到800kPa以上为止，据此确定满足正态分布与不满足正态分布的分界点为标准贯入试验实际临界上覆有效应力，进而根据确定的标准贯入试验实际临界上覆有效应力，对深埋饱和砂土进行地震液化判别。

步骤四、采用公式(7)将深埋饱和砂层不同位置、不同深度处的标准贯入击数N’校正到100kPa的标准应力条件下，获得不同位置、不同深度处标准贯入试验点的归一化标准贯入击数(N₁)₆₀：

步骤五、采用步骤四确定的不同位置、不同深度处标准贯入试验点的归一化标准贯入击数(N₁)₆₀，按照公式(8)计算深埋饱和砂土不同位置、不同深度处标准贯入试验点对应的抗液化动剪应力比CRR_7.5：

步骤六、将抗液化动剪应力比CRR_7.5同地震动剪应力比CSR进行比较，当CSR≥CRR_7.5，土体发生液化；当CSR＜CRR_7.5，土体不发生液化。

下面以梅勒水电站坝基覆盖层深埋饱和砂层地震液化判别为例，来具体说明本发明方法的实施过程。

(1)对深埋饱和砂层开展标准贯入试验，测得不同位置、不同深度(不同上覆有效应力)处标准贯入试验点的标准贯入击数，测试结果见图1所示。

(2)根据标准贯入试验点的应力条件，按照公式(5)计算各标准贯入试验点在设定加速度下引起的地震引起的动剪应力比CSR。

(3)假定覆盖层标准贯入试验临界上覆有效应力σ'_a为300kPa，将图1中小于300kPa的标准贯入试验点处的实测标准贯入击数N’按照公式(6)校正到100kPa上覆有效应力条件下，采用矩法(即U检验法)对校正后的标准贯入击数(N₁)₆₀进行正态分布检验，计算偏度系数和峰度系数分别为0.74和0.8，偏度系数和峰度系数U均满足U<U_0.05＝1.96(即p>0.05)，说明校正后的样本数据符合正态分布。

(4)增大假定的临界上覆有效应力为(σ'_a+Δσ)，Δσ取10kPa，重复(3)，对校正到100kPa下的标准贯入击数样本数据进行正态分布检验，计算相应的偏度系数和峰度系数，并检验偏度系数和峰度系数U是否均满足U<U_0.05＝1.96(即p>0.05)，直至在假定的临界上覆有效应力下，对校正后的标准贯入击数样本数据检验结果不符合正态分布且假定临界上覆有效应力达到800kPa以上(本例最大到840kPa)，不同假定临界上覆有效应力下的偏度系数和峰度系数见表1所示。

表1不同假定临界上覆有效应力对应的偏度系数和峰度系数

(5)绘制偏度系数和峰度系数随假定临界上覆有效应力变化的关系曲线，如图2所示，依据图2确定满足正态分布(偏度系数和峰度系数U均满足U<U_0.05＝1.96)和不满足正态分布(偏度系数和峰度系数U不能均满足U<U_0.05＝1.96)的假定临界上覆有效应力的分界点，该分界点即为实际临界上覆有效应力，如图2可知实际临界上覆有效应力σ'_cr为416kPa。

(6)采用确定的临界上覆有效应力σ'_cr＝416kPa，按照公式(7)将深埋饱和砂层不同位置、不同深度处的实测标准贯入击数校正到100kPa的上覆有效应力条件下的(N₁)₆₀，校正后的标准贯入击数见图3所示。

(7)根据确定的(N₁)₆₀，采用公式(8)计算深埋饱和砂土不同位置、不同深度处标准贯入试验点对应的抗液化动剪应力比CRR_7.5。

(8)将(5)和(8)计算得到的地震剪应力比CSR与抗液化动剪应力比CRR_7.5进行比较，若CSR≥CRR_7.5，则土体发生液化；若CSR＜CRR_7.5，土体不发生液化。图4给出了采用本发明方法判别得到的实际深埋饱和砂层最大液化深度。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。