1976 年唐山大地震CPT 液化数据库重构1

董 林 桑志心 王 蕾 夏 坤 吴平川

（河北工程大学, 土木工程学院, 河北邯郸 056038）

引言

基于现场试验指标的液化判别方法是半经验半理论方法。历史地震数据的积累，对液化判别方法的改进意义重大。近年来，对历史地震液化数据库的收集与整理，受到了越来越多的重视。而在历次地震中，1976年唐山大地震CPT 液化数据库较特殊。

1976 年唐山大地震在唐山与天津地区引起了范围广、灾害严重的液化震害。地震发生后，研究人员对液化场地进行了2 次静力触探测试，1977−1978 年使用单桥CPT 进行了第1 次测试（刘恢先，1985），由于单桥CPT 数据指标存在缺陷，且与国际不接轨（孟高头等，2000），2007 年中国地震局工程力学研究所与东南大学等单位对唐山地区部分测试点又进行了1 次CPTU 测试（邱毅，2008；Moss 等，2011）。

基于第2 次测试数据，Moss 等（2011）和Boulanger 等（2014）先后给出了唐山大地震CPT 液化数据库。但由于2 次试验相隔30 年，城市建设日新月异、地下水位变化及测试点重新定位误差，影响了新CPTU 数据的代表性。王蕾等（2021）对2 次测试数据进行了对比检验，发现经过30 年的时间，绝大多数测试点的液化层强度与埋深均发生了较大变化。因此，第2 次测试数据对液化点土层力学性质的代表性存疑。鉴于此，本文利用我国规范方法和NCEER 推荐方法对基于2 次测试的数据库进行液化判别，通过分析判别结果，结合2 次测试数据的优点，重新构建唐山大地震CPT 液化数据库。

1 基于2 次测试数据的CPT 液化数据库

王蕾等（2021）对唐山地区2 次测试的16 个共同测试点进行数据检验，剔除了错误点，并对数据检验正确的测试点选取了液化层。经数据处理后，分别建立了基于2 次测试数据的唐山大地震CPT 液化数据库，如表1～3 所示。

表1 基于第1 次CPT 测试的中国规范方法唐山大地震液化数据库Table 1 CPT-based liquefaction database from the first test according to Chinese code methods

1.1 液化判别方法

1.1.1 中国规范CPT 液化判别方法

根据《岩土工程勘察规范》（2009 年版）（GB 50021−2001）（中华人民共和国建设部等，2004）第

5.7.9 条条文说明，《94 规范》曾规定，采用静力触探试验判别，是根据唐山地震不同烈度区的试验资料，用判别函数法统计分析得出的，已纳入铁道部《铁路工程抗震设计规范》和《铁路工程地质原位测试规程》，适用于饱和砂土和饱和粉土的液化判别；具体规定是：当实测计算比贯入阻力ps或实测计算锥尖阻力qc小于液化比贯入阻力临界值pscr或液化锥尖阻力临界值qccr时，应判别为液化土，并按下列公式计算：

表2 基于第2 次CPTU 测试的中国规范方法唐山大地震液化数据库Table 2 CPT-based liquefaction database from the second CPTU test according to Chinese code methods

表3 基于第2 次CPTU 测试的NCEER 推荐方法唐山大地震液化数据库Table 3 CPT-based liquefaction database from the second CPTU test according to NCEER methods

式中，pscr、qccr分别为饱和土静力触探液化比贯入阻力临界值及锥尖阻力临界值（MPa）；ps0、qc0分别为地下水深度dw=2 m，上覆非液化土层厚度（计算时应将淤泥和淤泥质土层厚度扣除）du=2 m 时，饱和土液化判别比贯入阻力基准值和液化判别锥尖阻力基准值（MPa），可按表4 取值，10 度区基准值可按规范原始文献取值（周神根，1980）；αw为地下水位埋深修正系数，地面常年有水且与地下水有水力联系时，取1.13；αu为上覆非液化土层厚度修正系数，对于深基础，取1.0；αp为与静力触探摩阻比Rf（侧摩阻力fs与锥尖阻力qc的比值）有关的土性修正系数，可按表5 取值。

表4 比贯入阻力和锥尖阻力基准值ps0、qc0Table 4 Liquefied reference value of specific penetration resistance ps0 and cone tip resistance

表5 土性修正系数αp 值Table 5 Values of soil property correction factor αp

1.1.2 NCEER 推荐Robertson 液化判别方法

Robertson 的CPT 液化判别方法是NCEER 推荐方法（Youd 等，2001）。Robertson 等（1998）建立了基于CPT 指标的土质分类图及液化判别方法，首先构建土类指数Ic：

式中，Q为归一化锥尖阻力；F为归一化摩阻比；σv0为 总上覆压力；σ′v0为有效上覆压力；Pa为1 个标准大气压；n为应力指数。

从砂土到黏土n值取为0.5～1.0，具体确定方法如下：首先假设n取1.0，由式（5）～式（7）计算Ic，如果Ic＞2.6，则土为黏土，n即为1.0，如果Ic＜2.6，则改取n为0.5，带入式（5）～式（7）重新计算Ic，如果此时Ic＜2.6，则n确定为0.5，如果Ic＞2.6，则应取n为0.7，并带入式（5）～式（7）重新计算Ic。

n值确定后，通过下列公式对锥尖阻力qc进行上覆有效压力修正：

对于浅层土，由于有效上覆压力小，计算上覆压力修正系数CQ值可能较大，NCEER 专家组（Youd 等，2001）建议CQ值≤1.7。

对于含细粒砂性土，由土类指数Ic计算细粒修正系数Kc，方法如下：

当Ic≤1.64 或1.64＜Ic＜2.36 且F≤0.5%，取Kc=1.0；对于Ic＜2.6 的其他区域，则Kc按下式计算：

1.2 数据库液化判别

分别利用上述2 个液化判别方法对唐山地区砂土CPT 液化数据库（表1～3）中的数据进行液化判别，判别结果如图1～3 所示。

图1 中国规范方法对第1 次测试数据的判别结果Fig. 1 Identification results for the first CPT test data using Chinese code methods

从液化判别结果来看，我国规范方法对第1 次测试数据ps指标的判别成功率较高，对液化点的判别成功率为81.82%，对非液化点的判别成功率为100%，仅将液化点T6 和T7 判别为非液化；我国规范方法对第2 次测试数据qc指标的判别成功率较低，对液化点的判别成功率为54.55%，对非液化点的判别成功率为50%，将液化点判别为非液化的有T1、T6、T8、T12-2 和T15，将非液化点判别为液化的有T5和T9；NCEER 推荐方法对第2 次测试数据的液化点判别成功率为72.73%，对非液化点判别成功率为25%，将液化点判别为非液化的有T6、T14 和T15，将非液化点判别为液化的有T4、T5 和T9。

针对液化判别方法对第1 次测试数据判别结果优于对第2 次测试数据判别结果的现象，总结原因为第1 次测试是地震后次年（1977 年）进行的，当时的测试数据对液化点土层力学性质具有较好的代表性，而第2 次测试是于地震后30 年（2007 年）进行的，30 年的时间唐山市完成了震后重建，且高速发展的城市建设对地下土层造成不同程度的影响，第2 次测试数据对液化点土层力学性质的代表性存疑。

2 2 次测试数据的对比与分析

2.1 第2 次测试数据的合成

通过对比2 次测试数据，部分测试点液化层第2 次实测锥尖阻力qc大于第1 次实测比贯入阻力ps，这是不正常的，且多数测试点液化层的上覆非液化层厚度发生了变化。为更好地对比2 次测试数据，本文将第2次测试数据进行合成，得到第2 次测试数据的合成ps值，具体计算过程如下：

式中，Qc和Pf分别为锥尖总阻力和侧壁总摩阻力；P为总贯入阻力；A和F分别为锥底截面面积和侧壁摩擦筒表面积；qc为锥尖阻力；fs为侧壁摩阻力；ps为比贯入阻力。

第2 次测试使用的孔压静力触探探头的锥底截面积为10 cm2，侧壁摩擦筒表面积为150 cm2（邱毅，2008）。利用式（16）求得各测试点液化层的合成ps值，如表6 所示。

表6 基于第2 次测试数据合成的ps 值Table 6 Composed ps values from second CPTU test data

2.2 2 次测试数据对比

将利用上述公式合成的ps（表6）与第1 次测试的ps（表1）进行对比，结果如表7 所示，2 次测试得到的上覆非液化层厚度对比如表8 所示，中国规范方法对第2 次测试数据合成ps指标（第2 次测试ps与第2次测试du）的判别结果如图4 所示。

表8 上覆非液化层厚度对比Table 8 Thickness comparison of the overlying non-liquefied layer

由表7、表8 可知，绝大多数测试点的ps值和上覆非液化层厚度du均发生了变化。由图2、图4 可知，基于第2 次测试数据不同指标的液化判别结果基本相同，仅有部分测试点受侧壁摩阻力fs的影响，位置发生了小幅度移动。这说明我国CPT 液化判别方法中基于ps指标和基于qc指标的液化判别式具有较好的一致性。

图2 中国规范方法对第2 次测试数据的判别结果Fig. 2 Identification results for the second CPTU test data using Chinese code methods

图4 中国规范方法对第2 次测试数据合成ps 指标的判别结果Fig. 4 Identification results for the composed ps values based on second CPTU test using Chinese code methods

第2 次测试相对于第1 次测试而言，上覆非液化层厚度du和比贯入阻力ps均发生了变化，为分析其对液化判别结果的影响程度，以控制变量法进行分析。

2.2.1 上覆非液化层厚度对判别结果的影响

由表8 可知，除T1、T4、T7、T9、T10、T15、T16 测试点上覆非液化层厚度变化较大外，其他测试点变化均较小。其中，上覆非液化层厚度变大的测试点有T1、T4、T6、T8、T10、T11、T12-1 和T12-2，上覆非液化层厚度变小的测试点有T5、T7、T9、T13、T15 和T16，上覆非液化层厚度不变的测试点为T14。

控制比贯入阻力ps不变，即利用第1 次测试的ps和第2 次测试的du进行液化判别，判别结果如图5 所示。对比图1 和图5，分析上覆非液化层厚度（液化层埋深）对判别结果的影响。由图1、图5 可知，上覆非液化层厚度变化较大的测试点，在判别结果图中均沿y轴方向发生了显著移动，其中，上覆非液化层厚度变大的测试点均向下移动，而上覆非液化层厚度变小的测试点均向上移动。但上覆非液化层厚度的变化未显著改变判别结果，可见本次上覆非液化层厚度的变化对液化判别结果的影响较小，不是主要因素。

图5 基于第1 次测试ps 与第2 次测试du 的液化判别结果Fig. 5 Identification results for the first test ps and second test du

2.2.2 比贯入阻力对判别结果的影响

由表7 可知，经30 年的变化，T1、T6、T8、T10、T12-2、T14、T15、T16 测试点的ps值增大，而T4、T5、T7、T9 测试点的ps值减小，T12-1 和T13 测试点的ps值几乎不变。

控制上覆非液化层厚度du不变，即利用第2 次测试数据合成的ps与第1 次测试的du进行液化判别，结果如图6 所示。对比图1 和图6，分析比贯入阻力ps（液化层强度）对判别结果的影响。由图1、图6 可知，ps值变大的测试点在判别结果图中的位置均向右移动，而ps值变小的测试点在液化判别结果图中的位置均向左移动，T12-1 和T13 测试点的位置几乎未变化。由图2、图6 可以看出其判别结果基本一致。

图6 基于第2 次测试ps 与第1 次测试du 的液化判别结果Fig. 6 Identification results for the second test ps and first test du

由此可知，土体强度变化是造成2 次测试判别成功率相差较大的主要原因，这也说明经过30 年，唐山地区各测试点的液化层土体强度已发生较大变化，土层液化可能性也发生了较大变化，基于第2 次CPTU 测试数据建立的液化数据库，可靠度较低，并不能代表1976 年唐山大地震时的液化情况。

3 第1 次测试数据分解

第2 次测试数据不能代表地震时土层的力学性质，而第1 次测试数据由于指标缺陷，不能通过目前使用较多、判别效果较好的土质分类图及液化判别方法进行分析，无法对液化判别方法的改进提供实质性的数据支持。基于上述矛盾，将第1 次测试的数据指标ps分解为qc和fs，利用分解得到的qc和fs对第1 次测试数据指标进行补充完善。

3.1 分解方法与结果

王蕾等（2021）进行数据检验时发现，经30 年的变化，正确测试点土层力学性质虽发生了变化，但其土层土类并未改变，可认为摩阻比Rf未发生较大变化。因此，本文将第2 次测试得到的摩阻比Rf当作第1次测试时各土层的摩阻比，利用式（17）和式（18）推导得到式（19），将第1 次测试所得ps分解为qc和fs。这样得到的qc和fs虽有误差，但相比第2 次测试数据更具代表性。具体计算公式如下：

将第1 次测试的比贯入阻力ps和第2 次测试的摩阻比Rf代入式（17）与式（19），得到各测试点的分解qc和fs，如表9 所示。

表9 基于第1 次测试数据ps 的分解qc 与fs 指标Table 9 qc and fs values decomposed from the first test ps data

3.2 基于分解数据的液化判别

将表9 中的分解数据及第1 次测试的现场土层埋深条件（表1）代入中国规范方法和NCEER 推荐方法，判别结果分别如图7、图8 所示。

图7 中国规范方法对第1 次测试数据分解指标的判别结果Fig. 7 Identification results for decomposed data from the first test using Chinese code methods

图8 NCEER 推荐方法对第1 次测试数据分解指标的判别结果Fig. 8 Identification results for decomposed data from the first test using NCEER methods

由图1、图7 可知，利用中国规范方法对分解指标qc的判别结果与基于第1 次测试ps指标的判别结果几乎一致，反映出由ps分解得到的qc和fs具有较高的可靠性。通过对比图2 与图7、图3 与图8 的判别结果可知，基于第1 次测试ps分解指标的液化判别结果优于基于第2 次测试指标的液化判别结果。

图3 NCEER 推荐方法对第2 次测试数据的判别结果Fig. 3 Identification results for the second CPTU test data using NCEER methods

液化判别的优良效果证明利用第1 次测试数据ps分解得到的qc和fs较第2 次测试数据更具代表性。

3.3 基于第1 次测试分解数据的唐山大地震CPT 液化数据库

本文建议利用第1 次测试数据ps分解得到的qc和fs对第1 次测试数据指标进行补充完善，基于第1 次测试分解数据的中国规范方法、NCEER 推荐方法CPT 液化数据库分别如表10、表11 所示。

表10 基于第1 次测试分解数据的中国规范方法CPT 液化数据库Table 10 CPT-based liquefaction database from the first test decomposed data according to Chinese code methods

表11 基于第1 次测试分解数据的NCEER 推荐方法CPT 液化数据库Table 11 CPT-based liquefaction database from the first test decomposed data according to NCEER methods

4 结论

（1）本文首先给出了基于2 次测试数据的唐山大地震CPT 液化数据库，利用我国规范方法和NCEER推荐方法对数据库进行了液化判别，发现针对第1 次测试数据的判别成功率较高，而针对第2 次测试数据的判别成功率较低。这是因为经30 年的时间，绝大多数测试点的液化层强度与埋深均发生了较大变化，土层液化可能性已发生较大变化。因此，基于第2 次CPTU 测试的液化数据库可靠性较低，对液化判别方法的改进意义较小。

（2）为直接对比2 次静力触探数据，本文将第2 次测试数据qc和fs进行了合成，将2 次测试数据的ps进行了对比，用控制变量法分析了不同因素对液化判别结果的影响，得出各测试点土层强度的变化是导致2次测试数据液化判别结果不同的主要原因，而上覆非液化层厚度的改变对液化判别结果的影响较小。

（3）本文利用第2 次测试数据摩阻比Rf对第1 次测试数据ps进行分解，分解为qc和fs指标。液化判别结果表明，相比第2 次测试数据，分解指标具有更高的可靠性。因此，本文建议使用分解指标qc和fs，弥补第1 次测试指标的缺陷，未来对CPT 液化判别方法进行改进时，建议使用本文基于第1 次测试分解数据的唐山大地震CPT 液化数据库。