标贯击数液化判别方法的比较①

标贯击数液化判别方法的比较①

刘启旺1，2， 杨玉生1，2， 刘小生1，2， 赵剑明1，2

(1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048；

2 水利部水工程建设与安全重点实验室，北京 10048)

摘要：依据标贯击数进行液化判别的方法，国外以NCEER推荐方法(改进Seed法)为代表，国内以《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)为代表。NCEER方法与国内规范方法所依据的地震液化现场调查资料不同，采用的液化判据、反映震级影响的方法和考虑黏粒含量影响的方法也不同。将NCEER方法以液化临界标贯击数与深度的变化曲线表示，并将其与国内规范方法确定的液化临界标贯击数随深度的变化曲线进行比较。结果表明，在相同烈度下：近震时，国内规范方法偏于安全；远震时，对于7.5级以下地震，国内规范方法偏于安全；对于7.5～8.5级地震， 在一定加速度(烈度)下，NCEER方法与国内规范方法计算液化临界标贯击数接近，某些加速度(烈度)下NCEER方法偏于安全，某些加速度(烈度)下国内规范方法偏于安全。研究成果可为《水工建筑物抗震设计规范》的修订提供参考。

关键词：砂土液化； 判别方法； 临界标贯击数

收稿日期：①2014-08-20

基金项目：国家重点基础研究发展计划暨973 计划课题(2013CB036404)；国家自然科学基金青年项目(51209234)；中国水科院优秀青年科研专项(GE0145B102014)

作者简介：刘启旺(1962-)，男，高工，主要从事土石坝和地基抗震研究工作。E-mail：liuqw@iwhr.com。

中图分类号:TU433文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0794

Comparison of Standard Penetration Test (SPT) Methods for

Evaluating Seismic Liquefaction Potential

LIU Qi-wang1，2， YANG Yu-sheng1，2， LIU Xiao-sheng1，2， ZHAO Jian-ming1，2

(1.StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin，ChinaInstitute

ofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100048，China；

2.KeyLaboratoryonConstructionandSecurityofWaterProjectsofMinistryofWaterResources，Beijing100048，China)

Abstract：For the standard penetration test (SPT) method for evaluating seismic liquefaction potential，the liquefaction potential evaluation method recommended by the National Center for Earthquake Engineering Research (NCEER) is typically applied abroad；however，methods recommended by the code for geological investigation of water resources and hydropower engineering (GB50487-2008) and that for seismic design of buildings (GB50011-2010) are used domestically.These methods different in the following aspects：(1) earthquake liquefaction field investigation data；(2) liquefaction criterion；(3) method for reflecting the influence of earthquake magnitude；and (4) method for considering the influence of fines content.In this paper，the method recommended by NCEER is expressed by the curve of critical liquefaction blow count versus depth；a comparison is made between this curve and that determined by domestic methods.Under the same intensity，domestic methods tend to be safe for near earthquakes and distant earthquake with magnitude less than 7.5.For earthquakes with magnitudes of 7.5～8.5，critical liquefaction blow counts calculated by using the NCEER method are close to that calculated by domestic methods under specific acceleration，which tends to be safe depending on the specific acceleration.For distant earthquakes (design earthquake group 2)，under the magnitude of M=8.0 and seismic intensity of Ⅶ and Ⅸ，the critical liquefaction blow counts calculated by the different methods are very close；under the intensity of Ⅷ，the NCEER method tends to be safe.For distant earthquakes (design earthquake group 3)，the domestic methods tend to be safe with magnitude not more than 8.0.With the magnitude of M=8.5 and acceleration amax =0.3g，the critical liquefaction blow counts calculated by the different methods are close.The NCEER method tends to be safe with acceleration less than 0.3g，whereas the domestic methods tend to be safe with that more than 0.3g.For domestic methods，under distant earthquakes (design earthquake group 2)，the critical liquefaction blow counts calculated by the different methods are close with a difference of less than 2.5 blow counts.The method used in the code for seismic design of buildings (GB50011-2010) tends to be safe with acceleration not less than 0.3g.The above research results can provide a reference for code revision of the aseismic design of hydraulic structures.

Key words： sand liquefaction； evaluation method； critical SPT blow counts

0研究背景

1964年日本新泻地震和美国阿拉斯加地震发生了大量由于砂土液化而导致的严重震害，引起了工程界的普遍重视。此后有关土的动力液化特性，土体地震液化判别方法和地基抗液化处理措施成为学术界和工程界的重要研究课题。在土体地震液化判别方面，经过长期的改进和完善，基于地震液化调查资料建立的液化判别经验方法已经比较成熟，在工程中得到了广泛的应用。在国外以Seed简化法为代表，国内以《水利水工程地质勘察规范》(GB50487-2008)和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)方法为典型代表。

1971年Seed[1]提出了判别砂土液化的简化方法，Seed等[2-4]相继对该法进行了改进和完善；1985年美国国家研究委员会组织召集36位著名专家组成工作小组，提交了一份改进Seed简化方法的报告[5]，此后该法逐渐成为北美和世界上许多地区进行砂性土液化判别的标准方法；1996年美国国家地震工程研究中心(NCEER)组织专家组对之前10余年的液化判别研究成果和资料进行系统的总结，进一步对Seed简化法进行了改进和完善[6]。

在我国邢台地震(1966年)年和通海地震(1970年)砂土震害调查资料基础上，《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ11-74)首次在国内规范中给出了采用标贯击数进行砂土液化的判别，后来又进一步根据1975年海城地震和1976年唐山地震砂土和粉土地震液化的调查资料，对判别式进行修改，并将规范更名为《建筑抗震设计规范》(GBJ11-89)。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)进一步对15～20 m深度的液化判别问题作出了具体的延伸的规定，即15～20 m深度范围内仍按15 m深度处的液化临界标贯击数进行判别。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)又依据我国学者采用概率液化判别的研究成果，并考虑规范的延续性，以对数曲线的形式表达液化临界标贯击数随深度的变化。我国《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)中液化临界标贯击数随深度的变化在5～15 m之间，与《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)相同，当深度小于5 m时采用5 m处的液化临界标贯击数。

Seed[3]曾将Seed简化法与《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ11-74)方法进行过比较，结果显示7.5级地震时两者确定的抗液化强度比CRR与标贯击数关系曲线十分一致。《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)中，以Ⅷ度区(峰值加速度为0.2g)为例对Seed简化法和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)计算确定的液化临界击数随深度变化进行过比较研究。结果表明：设计地震1组(近震)时，在12 m深度内两者液化临界标贯击数较接近，按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)给出的比较图中的比例量测换算可知，在12～20 m深度范围内，两者液化临界标贯击数最大相差约3.3击，《建规》偏于安全；设计地震第2、第3组(远震)时，在13 m以内标贯击数最大相差1.8击，在13～20 m深度范围内最大相差6.2击。随着新的震害资料的补充和新的研究成果的积累，不同的方法都有了新的发展，并进行了相应的改进。如NCEER对Seed简化法计算中的应力折减系数γd、标贯基数较小时纯净砂的抗液化强度比基准线CRR7.5、上覆有效应力归一系数CN、震级比例系数MSF等进行了调整，并增加考虑上覆有效应力对抗液化强度比的影响的修正。但已有的研究中没有全面考虑各方法最新调整的因素，还未对调整后的方法进行过全面的对比分析。因此，有必要对采用调整后的方法判别砂土地震液化的安全性进行比较研究。

2008年汶川“5·12”大地震之后，水利部组织相关科研院所进行《水工建筑物抗震设计规规范》的修订工作。为了给“场地和地基”的修订提供参考，结合水利水电规划设计研究总院主持的《高土石坝抗震性能及抗震安全研究》课题，将NCEER推荐的标贯击数液化判别方法与国内规范方法进行系统的对比研究。研究中对依据不同方法确定的液化临界标贯击数随深度的变化曲线进行比较，给出不同方法应用于液化判别时的安全性评价。本文仅给出有关纯净砂的研究及结果，考虑细粒(<0.074 mm)含量或黏粒(<0.05 mm)含量影响的比较结果将另文阐述。

1方法概述

1.1NCEER推荐方法[6]

NCEER推荐方法采用下式判别液化

式中，CSR为地震引起的水平剪应力比；CRR为可液化土层的抗液化强度比。

水平剪应力比CSR采用下式计算：

NCEER对计算γd的方法进行了修正，对于一般工程，γd值建议采用：

rd=1.0-0.007 65zforz≤9.15m

抗液化强度比可采用室内原状样试验方法或现场试验方法确定，工程实践中主要采用现场原位试验方法。NCEER推荐采用图1所示曲线确定抗液化强度比。NCEER对纯净砂在标贯击数较小时对应的抗液化强度比CRR曲线进行了调整(图1中坐标原点附近的虚线)。

对于一般工程，为便于编程，图1中纯净砂对应的抗液化强度比CRR7.5可采用下式表示：

式(4)适用于(N1)60<30的情况，对(N1)60≥30的纯净砂视为不液化土。

图1　抗液化剪应力比与修正标贯击数的关系(震级M=7.5) [6] Fig.1　Relationship between the shear stress ratio and corrected blow count (M=7.5)

图1还给出了考虑细粒(<0.074 mm)含量FC对抗液化剪应力比与修正标贯击数关系曲线的影响。为便于编程计算，采用式(5)来计算不同细粒含量时，对试验标贯击数进行修正后得到等效洁净砂的标贯击数，以考虑细粒含量的影响。

式中：α、β的值按细粒含量FC来确定。当FC≤5%时，α=0，β=1.0；当FC≥35%时，α=5.0，β=1.2；当5%

除细粒含量和级配特征影响标贯击数(N1)60外，标贯测试系统参数和上覆有效应力对(N1)60也有影响，采用下式校正:

式中：Nm为实测标准贯入击数；CN为上覆有效应力归一系数；CE为击锤能量修正系数；CB为钻孔直径修正系数；CR为钻杆长度修正系数；CS为护壁校正系数。

式中：CRR7.5为抗液化强度比，由图1或式(4)确定；MSF为震级比例系数，当M<7.5时，MSF的下限采用式(11)计算，上限采用式(12)计算，当MW>7.5时，采用式(11)计算MSF；Kσ为上覆应力校正系数；f为与场地条件(包括相对密度、应力历史、沉积年代和超固结比等)有关的指数，f的取值见表1。

表1　不同相对密度对应的 f值 [6]

1.2国内规范的方法

我国规范采用下式判别液化

式中：N为实测标贯击数；Ncr为液化临界标贯击数。

《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)(下文简称《建规》)采用下式计算液化临界标贯击数：

传统游戏很有趣，但是面对快速发展的社会，幼儿更加愿意接受新事物。幼儿教师本来在年龄上与幼儿就有很大的距离，为了近距离和幼儿的心灵接触，就要在保持一颗童心的基础上与时俱进，这样才会更容易被幼儿所接受和信任。教学中我们要根据教学大纲开发具有时代特征的游戏。

式中：Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值；N0为液化判别标准贯入锤击数基准值；ds为饱和土标准贯入点深度(m)；dw为地下水位(m)；ρc为黏粒含量百分率，当小于3%或为砂土时应采用3%；β为调整系数，设计地震第一组取0.80，第二组取0.95，第三组取1.05。

《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)(下文简称《水规》)采用下式计算液化临界标贯击数

式中：ρc为土的黏粒含量质量百分率(%)，当ρc<3%时，ρc取3%；N0为液化判别标准贯入锤击数基准值；ds为当标准贯入点在地面以下5 m以内的深度时，应采用5 m计算。

式(16)适用于15 m以内，对于15～20 m之间，在实用中通常采用《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)建议的公式：

1.3NCEER方法与国内规范方法的差异

《水规》和《建规》方法与NCEER方法所依据的地震液化现场调查资料不同，包括地震动强度、地表峰值加速度、发生液化的深度和土性条件等均有差异。此外，采用的液化判据、反映震级影响的方法和考虑细粒(黏粒)含量影响的方法也不相同。要对二者进行比较分析，应将液化判据统一到相同的表现形式，并且要确定震级、烈度与地震分组的大致对应关系。

1.3.1液化判别的思路

1.3.2反映震级影响的方法

在地表峰值加速度(烈度)相同的条件下，较大震级、较远震中距的地震(远震)的影响与较小震级、较近震中距的地震(近震)的影响相比，尽管地面峰值加速度可能比较接近，但在频率成分和持续时间上会有较大差异。远震的低频率成分丰富，持续时间长，近震高频成分相对丰富，持续时间短。对于一般的覆盖层地基，在地震导致液化方面，远震的作用明显大于近震。

在相同地表峰值加速度(烈度)下，《水规》以近震和远震来反映震级和震中距对液化临界标贯击数的影响，《建规》以设计地震分组来反映震级和震中距对液化临界标贯击数的影响，NCEER方法则采用震级比例系数来反映不同震级对液化临界曲线的影响。《建规》中的“设计地震1组”对应于《水规》中的“近震”，《建规》中的“设计地震2组”大致与《水规》中的“远震”对应。因此，要将NCEER方法和国内规范方法进行对比，需要确定震级、烈度与地震分组的大致对应关系。

2以深度与液化临界标贯击数关系表示NCEER方法的步骤

(1) 给定地表峰值加速度amax，通过式(2)计算不同深度处的地震循环剪应力比CSR；

(2) 由于要计算液化临界标贯击数，则需要使土体抗力与地震剪应力相等，即可令CRR7.5=CSR；

(3) 依据图1或式(4)计算(N1)60，所获得的(N1)60即为上覆有效应力为100 kPa时的液化临界标贯击数Ncr；

(4) 采用下式将液化临界标贯击校正到相应深度，获得相应深度下的液化临界标贯击数Ncr。

再按照步骤(3)和(4)确定相应深度处的液化临界标贯击数Ncr。

3标贯击数液化判别方法的比较研究

3.1震级、烈度与地震分组的对应关系

根据地震资料统计分析，我国1980年烈度表采用表2所示的经验关系。对于中浅源地震，震中烈度与震级的大致对应关系见表3[7-8]。根据表2及表3的经验关系，可得地面峰值加速度、地震烈度与震级(近震或远震)的大致对应关系(表4)。

表 2　地面峰值加速度 a max与烈度 I的经验关系 [7-8]

表 3　震中烈度 I 0与震级 M对照表 [7-8]

表4地震烈度I、地面峰值加速度amax与震级M的对应关系

Table 4Rrelationship between intensityI，peak ground accelerationamaxand magnitudeM

αmax/g0.10.150.200.30.4烈度I6.67.27.68.28.6对应震级近震5.0～5.55.5～6.06.06.0～6.56.5～7.0远震>6.0～6.5>6.5～7.0>7.0>7.0～7.5>7.5～8.0

3.2标贯击数液化判别方法的比较研究

为对Seed简化法与国内规范方法进行对比，以均质砂层为例进行研究。假定地下水埋深以上砂层天然容重为18 kN/m3，地下水埋深以下砂层饱和容重为19 kN/m3。

3.2.1相对密度对液化临界标贯击数的影响

表 5　不同相对密度下NCEER方法计算液化临界标贯击数的比较( a max=0.4 g)

图2　相对密度对液化临界标贯击数的影响(a max=0.4g) Fig.2　 The impact of relative density on critical SPT blow counts (a max=0.4g)

级、不同相对密度计算液化临界标贯击数的对比情况：

(1) 在相同震级下，相对密度越大，计算液化临界标贯击数越大；

(2) 震级在6.5～8.5之间，Dr≤40%时，计算液化临界标贯击数比Dr≈60%时小0～1.6击，当Dr≥80%时，计算液化临界标贯击数比Dr≈60%时大0～1.6击。

当地面峰值加速度为其他值时，计算液化临界标贯击数对比情况与0.4g时相似，最大相差基本在1.6～1.7击以内，限于篇幅，本文不再给出相关图表。

因此，进行上覆有效应力对抗液化强度的校正时，相对密度对NCEER方法计算液化临界标贯击数的影响相对来说比较小。实际工程中，易液化砂土通常处于松散或中密状态，紧密状态的砂层通常不易液化。本文在依据NCEER方法计算液化临界标贯击数随深度的变化关系曲线时，取相对密度Dr≈60%。

3.2.2标贯击数液化判别方法的比较

(1) 《水规》与《建规》的比较

表6为采用《水规》与《建规》计算液化临界标贯击数的差异情况。由图3和表6可知：

表 6《水规》与《建规》的比较(5～20 m)

Table 6Comparison ofNcrusing “water code” and “building code”(5～20 m)

amax/g(Ncr)水近-(Ncr)建1(Ncr)水远-(Ncr)建20.1-0.3～1.20.9～3.30.15-1.6～0.4-0.8～1.60.2-1.1～1.3-1.0～1.90.3-2.2～1.1-3.5～0.30.4-1.3～2.5-3.8～0.8

①在地表峰值加速度amax=0.1g～0.4g之间，《水规》(近震)与《建规》(设计地震1组)计算液化临界标贯击数比较接近，相差在2.5击以内；

②在地表峰值加速度分别为0.1g、0.15g、0.20g、0.30g和0.40g时，采用《水规》(远震)与《建规》(设计地震2组)计算液化临界标贯击数差值分别不超过3.3、1.6、1.9、3.5和3.8击，amax=0.3g～0.4g时，《建规》方法偏于安全。

(2) 《水规》与NCEER方法的比较

表7给出了《水规》(远震)与NCEER法计算液化临界标贯击数的差异。由图3和表7可知，当地表峰值加速度amax=0.1g～0.4g，近震时采用《水规》计算液化临界标贯击数明显大于采用NCEER方法，近震时《水规》偏于安全。相同地表峰值加速度下，《水规》(远震)与NCEER方法比较分析的汇总结果见表8。

图3　不同地震峰值加速度时液化临界标贯击数随深度变化的对比 Fig.3　Variation of critical SPT blow counts of liquefaction with depth under different a max

amax/gM=6.0M=6.5M=7.0M=7.5M=8.0M=8.50.108.0～14.66.5～11.95.0～9.33.6～6.71.7～3.8-0.5～1.10.15-5.6～10.43.7～7.21.5～4.0-1.3～0.5-2.4～-4.20.20--2.6～6.10.6～2.5-3.0～-1.2-6.3～-3.90.30--0.6～4.2-1.8～1.0-4.8～-1.6-3.4～-7.10.40----0.8～3.6-2.0～2.1-3.5～1.1

(3) 《建规》与NCEER方法的比较

表9为《建规》(设计地震2、3组)与NCEER方法计算液化临界标贯击数的差异情况。由图3和表9可知，当地表峰值加速度amax=0.1g～0.4g，近震时采用《建规》计算液化临界标贯击数明显大于采用NCEER方法计算液化临界标贯击数，近震时《建规》偏于安全。相同地表峰值加速度(烈度)下，《建规》(远震)与NCEER方法比较分析的汇总结果见表10。

表 8　《水规》与NCEER方法比较分析结果汇总

4结论

对国外液化判别中广泛采用的NCEER推荐方法(改进Seed法)(以液化临界标贯击数与深度的变化曲线表示NCEER方法的液化判别标准)、国内《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)中的标贯击数法、《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中的标贯击数法进行对比。结果表明，在相同烈度下:

表 9　《建规》(远震)与NCEER比较

表 10　《建规》(远震)与NCEER方法比较分析结果汇总

(1) 近震时，国内规范方法偏于安全；

(2) 远震(设计地震2组)且震级M≤7.5时，国内规范方法偏于安全(震级M=7.5、地表峰值加速度amax=0.3g时，国内规范方法与NCEER方法计算结果接近，相差不超过2.1击)；远震(设计地震2组)且震级M=8.0、烈度为Ⅶ度或Ⅸ度时国内规范方法与NCEER方法计算结果接近(amax=0.1g时，国内规范方法偏于安全)，烈度为Ⅷ度时NCEER方法偏于安全；远震(设计地震2组)且震级M=8.5时，NCEER方法偏于安全(amax=0.1g时，《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)与NCEER方法计算结果接近，相差不超过1.1击)；

(3) 远震(设计地震3组)且震级M≤8.0时，《建筑抗震设计规范》(GBJ5001-2010)方法明显比NCEER方法偏于安全(震级M=8.0，amax=0.2g时，两者计算结果接近，相差不超过1.2击)；远震(设计地震3组)且震级M=8.5、amax=0.3g时，《建筑抗震设计规范》(GBJ5001-2010)方法计算结果与NCEER方法计算结果一致，相差不超过1.1击，amax<0.3g时，NCEER方法偏于安全，amax>0.3g时，《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)方法偏于安全；

(4) 《水规》(近震)与《建规》(设计地震1组)计算液化临界标贯击数接近(相差2.5击以内)。在地表峰值加速度为0.1g、0.15g、0.20g、0.30g和0.40g时，采用《水规》(远震)与《建规》(设计地震2组)计算液化临界标贯击数差值分别不超过3.3击、1.6击、1.9击、3.5击和3.8击，amax=0.3g～0.4g时，《建规》方法偏于安全。即小震时《水规》方法与《建规》方法计算液化临界标贯击数比较接近，大震时《建规》方法偏于安全。

这些系统的研究成果为《水工建筑物抗震设计规范》的修订提供了依据，也可以作为实际工程中评价标贯击数法液化判别结果的参考依据。

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