考虑土体老化（soil aging）效应下联合利用静力触探（CPT）与剪切波速（VS）进行地震场地分类及液化势评价的一体化方法

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Integrated use of CPT and VS for seismic site classification and liquefaction potential evaluation considering soil aging effects

　　

摘要：土体老化（soil aging）会影响地震场地分类及液化势（liquefaction potential）的评价结果。本研究提出一种联合锥尖阻力（cone tip resistance, qc）与剪切波速（shear wave velocity, VS）测量值来量化土体中老化效应的一体化方法。首先，从CPT-VS相关关系中推导出一个老化因子（aging factor, Ka），用以明确表征与老化相关的效应。随后，构建一个融合Ka的集成指标（ensembled index, EVQ= Ka·qc1N，其中qc1N为洁净砂归一化锥尖阻力），以反映土体老化对液化阻力（liquefaction resistance）的影响。基于EVQ，采用贝叶斯回归方法（Bayesian regression method）建立统一的液化概率模型（unified liquefaction probability model）。最后，讨论了该方法对地震场地分类及液化阻力的意义。研究结果表明：土体老化对地震场地分类及液化阻力的影响取决于CPT锥尖阻力的大小；所提出的Ka可在不需获知沉积绝对年龄的情况下有效量化老化程度；忽略土体老化会导致土体液化势的高估；所提出的概率模型对不同龄期土体均能提供统一、简便且相对准确的液化发生预测。该框架为风险导向型地震场地表征提供了实用工具，可便捷应用于地震静力触探（seismic CPT, SCPT）的工程实践中。

论文解读：《Integrated use of CPT and VS for seismic site classification and liquefaction potential evaluation considering soil aging effects》发表于Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering

一、研究背景与意义

在地震多发区域，地震场地分类（seismic site classification）多依据30 m深度内旅行时平均剪切波速（time-averaged shear wave velocity to 30 m depth, V_S30）按NEHRP（National Earthquake Hazards Reduction Program）标准执行，而液化触发评价则常基于静力触探（Cone Penetration Test, CPT）、标准贯入试验（Standard Penetration Test, SPT）或V_S的经验半经验相关关系估算循环阻力比（Cyclic Resistance Ratio, CRR）并与循环应力比（Cyclic Stress Ratio, CSR）比较判定。然而，土体沉积后随时间发生的强度与刚度增长现象——即土体老化（soil aging），包含化学胶结（如硅质沉淀颗粒接触胶结键）与力学机制（颗粒重排、嵌锁及次固结中摩擦阻力增加），会显著改变砂土的V_S与q_c关系及液化阻力。现有CPT-V_S转换关系多基于全新世（Holocene）土体建立，用于更新世（Pleistocene）老沉积层时常导致V_S30估计偏差进而影响场地类别划分；同时传统液化判别模型多源自＜3000年沉积案例历史，未充分考虑老化对CRR的提升作用，易高估年轻土液化势、低估老土安全性。虽有学者提出老化修正系数（如Arango等、Andrus等、Hayati and Andrus），但多需详细地质年代约束或复杂输入参数，不便常规工程应用。因此，研究人员开展本研究，旨在利用现场易获取的SCPT（seismic CPT）同步测得之q_c与V_S，构建不依赖绝对沉积年龄、可量化老化效应并同时服务于地震场地分类校正与液化概率评估的统一框架，具有重要工程实用价值。

二、主要关键技术方法

研究人员收集Andrus等（2004, 2009）、Shen等（2016）不同龄期砂土CPT-V_S数据，对Holocene、Young Holocene及Pleistocene砂拟合V_S=a·q_c1N^b（b固定为0.231），取对数截距K_a=ln a作为老化因子；集成指标定义为E_VQ=K_a·q_c1N（q_c1N为过覆压力修正洁净砂归一化锥尖阻力）。汇总包括Moss等、Boulanger and Idriss、Kayen等、Wood等及唐山、25例Pleistocene案例在内的260条液化案例史（178液化/82未液化，涵盖1886–2011年多震例），采用贝叶斯逻辑回归结合双曲线函数（Hyperbolic Function, HBF）形式CRR=α·E_VQ^β/[1+γ·E_VQ^β]，通过似然函数与无信息先验推求参数及模型误差σ_total，最终给出液化概率P_L=Φ[(CSR_7.5?CRR)/σ_total]，并与BI（Boulanger-Idriss）、RW（Robertson-Wride）、AS（Andrus-Stokoe）、Roy等模型对比验证。

三、研究结果

2.1 CPT-V_Scorrelation（CPT-V_S相关关系）

研究人员采用Andrus等（2004）形式V_S=a·q_c1N^b（b=0.231），对Holocene、Young Holocene及Pleistocene砂分别拟合发现系数a随土龄增大而增大（Pleistocene＞Holocene＞Young Holocene），表明老化主要影响该关系式之截距项a而非指数b。

2.2 A novel aging factor originating from CPT-V_Scorrelation（源于CPT-V_S相关关系的新型老化因子）

取K_a=ln a=ln V_S?b·ln q_c1N（实测可用V_S与q_c直接计算），分析表明K_a与q_c无明显相关性，而传统指标q_c1N/G_max（G_max为小应变最大剪切模量）受q_c影响，证明K_a主要反映土体老化而非大应变性质；K_a随log(沉积时间t)呈上升趋势（虽存离散但因测量、函数形式及t估算不确定性所致），且可隐式考虑粒径特征（有效粒径D₁₀、细粒含量FC）影响。液化与未液化案例中Pleistocene沉积K_a普遍高于Holocene，同一年龄组内未液化案例K_a高于液化案例，验证了K_a捕捉老化/结构性对液化阻力贡献的能力。

2.3 Ensembled index（集成指标）

为同时体现大应变性状（密度/状态，由q_c1N反映）与老化/小应变结构性（由K_a反映）对液化阻力的协同增强作用，构建E_VQ=K_a·q_c1N^1.0（大应变权重取1.0）。E_VQ随q_c1N或K_a增大而单调增大，与液化阻力变化规律一致。

3. Effect of soil aging on seismic site classification（土体老化对地震场地分类的影响）

以K_a≈4.25为年轻易液化土（Young/Holocene）与K_a≈4.35为Holocene/Pleistocene界限，分析用Holocene基准CPT-V_S关系推算V_S30再对照NEHRP类别之偏差：当q_c＜25（Zone I）均为E/F类不受老化影响；q_c≥175（Zone III）均为D类不受老化影响；25＜q_c＜175（Zone II）具分类不确定性——用Holocene关系估算Pleistocene土V_S30会偏高致场地类别偏保守（高估刚度类），反之Pleistocene关系用于Holocene土低估V_S30致场地类别偏不保守。建议Zone II借助现场SCPT算K_a辅助判断。

4. Development of a unified liquefaction probability model based on the ensembled index（基于集成指标的统液液化概率模型建立）

经贝叶斯回归得到推荐关系式CRR=0.068·E_VQ^1.23/[1+0.019·E_VQ^1.23]，总标准差σ_total=0.417（含参数不确定度与模型误差）。液化概率P_L=Φ{(CSR_7.5?CRR)/0.417}。灵敏度分析显示E_VQ对q_c1N近似成比例敏感（?lnE_VQ/?lnq_c1N≈1），对K_a敏感性随K_a增大略降，低K_a（年轻土）时老化效应影响更显著。

5. Liquefaction potential evaluation using the unified model（基于统一模型的液化势评价）

模型ROC曲线AUC达0.841，优于Boulanger-Idriss（2016）模型之0.818；最佳判定阈值P_L=0.44，保守工程建议取P_L=0.15。整体准确率OA（threshold=0.44）为78.9%（Holocene 77.9%，Pleistocene 88%），threshold=0.15时OA升至81.2%，优于Roy模型（70.4%）、RW（74.2%）、AS（75.8%）。Pleistocene案例经Hayati and Andrus（2009）修正之BI/RW/AS也获较高OA（88%），但需关键扰动时间信息，本模型无需地质年代即可统一适用。老化影响分析表明：低CSR_7.5时老化效随q_c1N增大减弱；高CSR_7.5（≥0.2）时老化效随q_c1N增大增强；忽略老化会明显低估液化阻力（尤其老沉积）。给出P_L=15%时CRR等值线图供查用。

6. Practical implications（工程应用建议）

推荐SCPT现场同步获取q_c、V_S→计算q_c1N、K_a、E_VQ→输入设计地震CSR_7.5→按模型算CRR与P_L→判断液化（CRR＜CSR_7.5判液化）→必要时地基处理后复评。

四、讨论与结论（翻译自Conclusions）

本研究基于CPT与V_S探究土体老化对地震场地分类及液化势的影响，主要结论如下：

（1）源自CPT-V_S相关关系的老化因子K_a不受大应变性质影响，主要反映土体老化并可隐式考虑颗粒特征；集成指标E_VQ=K_a·q_c1N可有效耦合大应变性状与老化对液化阻力的作用。

（2）将老化效应纳入地震场地分类分析表明：用Holocene基准CPT-V_S关系估算Pleistocene土层V_S30可能导致过保守的场地类别；q_c≥175时场地恒为D类不受老化影响，q_c≤25时恒为E/F类不受影响，中间范围（25＜q_c＜175）分类受土龄影响具不确定性。

（3）基于E_VQ建立的统一液化概率模型无需详细关键扰动时间与地质年龄信息，可对Holocene与Pleistocene土提供统一、简便且较准确的液化概率估计。

（4）CSR_7.5较小时老化对液化阻力影响随q_c1N增大减弱；CSR_7.5较大时老化影响随q_c1N增大增强；不考虑土体老化会明显低估液化阻力。

（5）所提方法主要适用于砂土及粉砂，高塑性细粒土与砾质土适用性有限，需进一步研究拓展。

该框架兼容现行液化触发流程，可作为SCPT测试中附加场地指标实施，助力城市抗震微区划中区分穿透阻力相近但龄期不同区域之液化易损性排序，并为人工填海与天然老化沉积之差异化处理及地基改良决策提供依据。