基于标准贯入试验(SPT)的液化安全系数和位移估算
1. 引言
液化评价的经验方法主要有三种:
(1) 标准贯入试验SPT【基于标准贯入试验(SPT)的液化评价】
(2) 静力触探试验CPT【静力触探试验(CPT)的现场测试参数及其解释】
(3) 剪切波速试验VST【基于剪切波速的地震液化判别(Shear Wave Velocity)】
相对于使用数值方法进行的液化评价,这些半经验的方法通称为"简化过程(simplified procedure)"。本文讨论了SPT的液化分析过程和结果,侧重于输入参数的估计。
2. SPT试验结果
整个尾矿库的地形是北高南低,库内北侧的标高大约在1053米,而南侧的标高大约在1031米,高差大约为20m,因此南侧的尾矿坝是重点关注对象。在以前的岩土工程勘察中,仅在北侧布置了一条勘察剖面(1-1'),后来在1-1'剖面的西侧增补了三个勘察剖面:19-19',20-20'和21-21',而且还作了静力触探试验CPT。不过,没有发现19-19'剖面的CPT试验数据,只有统计数据。 下面以19-2钻孔为例,讨论了基于标准贯入试验SPT的液化分析结果。19-19'勘察线布置在原1-1'勘察线的西侧,共设有7个钻孔,包括坝体最外侧的鉴别孔(TK1),平均钻孔间距大约50m,其中钻孔19-2,19-4和 19-6作了标准贯入试验。19-2钻孔位于尾矿库内,地面高程为1052.47m, 地下水位高程为1043.77m,因此水位埋深8.7m。钻孔深度19m,共穿过3个地层:尾粉土1,尾粉土2和粉质粘土4-4。
标准贯入试验SPT N的值从上至下逐渐增大,N=6~26。尾粉土有细粒含量(FC, fines content),在一些液化分析中需要对SPT N值进行FC修正,FC是土试样穿过#200号筛(0.075mm)的百分比。19-2号钻孔对尾粉土进行了筛分试验,对于12m以下的粉质粘土,假定FC=15%。SPT的N值以及FC值总结如下:
土层密度的值取自实验室试验,由于没有19-2钻孔的单独试验结果,因此土层密度取地层的统计值,具体来说取平均值,单位为kN/m^3:(1) 尾粉土①: 单位重量21.0,饱和单位重量23.0;(2) 尾粉土②: 单位重量22.1,饱和单位重量23.7;(3) 粉质粘土④4:单位重量19.2,饱和单位重量19.6;最大地震加速度取0.2g,地震震级取6.1,有3种主要的计算方法:(1) Youd et al. (2001)
(2) Cetin et al. (2004)
(3) Idriss and Boulanger (2008)
为了与CPT的计算方法相对比,选择(3) I& B(2008)的方法。
液化分析需要对现场实测的SPT值进行修正,计算出N1(60):
5.2 应力折减系数
应力折减系数(Stress Reduction Coefficient)Rd用来决定不同深度下的最大剪应力,理论上,有5种方法计算Rd:
(1) NCEER (1997)
(2) Idriss (1999)
(3) Kayen (1992)
(4) Cetin et al. (2004)
(5) Liao and Whitman (1986)
目前的计算使用的是预定义的(2) Idriss (1999)的算法。
5.3 安全系数
计算的安全系数值为1.7~2.0,表明尾粉土未发生液化,液化概率为0,因而侧向位移和垂直沉降。
5.4 侧向位移
因为计算出的最大安全系数为2.0,因此我们使用了5种方法计算FS<2.0的侧向位移,结果显示Zhang (2004)的方法计算的最大侧向位移为5.7cm,而Wu (2003)的方法计算的最大侧向位移为78.6cm,分别代表了预测的最小值和最大值。
5.5 垂直沉降量
与侧向位移的计算思路一样,因为计算出的最大安全系数为2.0,所以使用6种方法计算FS<2.0的垂直沉降量,结果显示Tokimatus & Seed (1984)的方法计算的垂直沉降量最大,为8.8cm。
使用19-2钻孔的SPT数据进行了液化分析,结果显示液化安全系数FS=1.7~2,垂直沉降量最大值8.8cm,侧向位移根据计算方法不同,可能的位移量为5.7~78.6cm。