砂土液化判别国内外规范对比研究

陈阁琳，曹华峰，何红国，杨丽丹（重庆一建建设集团有限公司，重庆 400053）



砂土液化判别国内外规范对比研究

陈阁琳，曹华峰，何红国，杨丽丹
（重庆一建建设集团有限公司，重庆 400053）

摘要：砂土液化是地基失稳主要因素之一，液化判别是减轻震害的有效手段。国外主流液化判别方法与国内标准存在较大差异，该文从判别方法理论基础角度出发阐述异同点。并列举一应用实例，对比分析判别结论差异性。

关键词：液化判别；改进简化判别法；标准贯入试验

0　前言

砂土液化是震中或震后产生地基失稳的主要因素之一，为减轻震害，场地土的液化预测和判别是减轻震害最直接和有效的手段。1971年日本新泻地震发生后，Seed和Idriss发表了“简化判别方法”作为液化判别的理论方法，定义了地震过程中饱和砂土液化激发机制的衡量参数—循环剪应力比CSR。从这以后不断完善这个简化判别方法，这方面里程碑的学者有Seed（1979），Seed和Idriss（1982）及Seed（1985）等发表的三篇论文。1985年Robert V.Whitman在国家研究委员会的资助下召集36位专家和学者对液化灾害评估进行了彻底的讨论。专家组提出一份报告（1985）成为后来对液化灾害评估广泛应用的标准和主要参考文献。

1996年T.L.Youd和I.M.Idriss召集了20多位专家，依据近10年的科研成果研究发展液化判别方法。参照美国NCEER推荐值，给出了震级缩放系数（MSF）。2001年T.L.Youd和I.M.Idriss发表了总结报告［1］，总结了小组在砂土液化评估方面所取得的收获。

国外在判别砂土液化时还提到一个概念是循环抗液化应力比（CRR），但地震产生的循环应力比CSR大于CRR时，判断为液化场地；反之，判断为非液化场地。对抗液化应力比CRR，可采用各种现场原位测试方法确定，主要是标准贯入试验（SPT），静力触探试验（CPT），以及适用于砂粒土地区的贝克尔方法（BPT）。常用是基于标准贯入试验SPT来衡量抗液化应力比CRR，国内规范也采用现场SPT来衡量砂土的抗液化能力。

中科院工程力学研究所给出的我国第一个砂土液化判别公式，在此基础上形成了 《工业与民用建筑抗震设计规范》TJ11-74［2］液化判别标准。考虑到74规范在实际工程应用中存在的问题，谢君斐、刘颖等人对该判别标准进行了一系列的讨论，并将74判别标准中的修正系数α、β分别给定为 “-0.1和0.1”，后此两参数为《建筑抗震设计规范》GB50011-2001［3］采用。另外，在此规范的基础上，考虑粘粒含量对饱和砂土抗液化能力的影响，01版建筑抗震设计规范和 《岩土工程勘察规范》GB50021-2001［4］加上了粘粒含量的修正，并加上埋深在15m到20m之间砂土液化的判别标准。

在海外项目实施过程中，依据现场试验采用国内外判别规范得到结论不一致，给项目实施带来一定影响。为积累经验，本文拟将国内外判别规范进行对比，并应用在项目实例中，分析国内外主流规范对饱和砂土液化判别的异同。

1　国内外砂土液化判别方法

1.1国外判别方法

在地震波的作用下，土中会产生动态剪应力，其大小可由如下等式表达：

式中，σ0是全部上覆压力；amax是地表的峰值水平加速度；rd为应力折减系数。

循环应力比是衡量饱和砂层在地震作用下发生液化的能力，可将上面得到的剪应力值对初始有效应力标准化得到：

在常规实际工程应用中，应力折减系数rd可采用Liao和Whitman（1986b）提出的方法来计算：

rd=1.0-0.00765z，z≤9.15m

rd=1.174-0.0267z，9.15m≤z≤23m

上式中z表示砂层埋深，单位为m。为方便计算，T.F.Blake采用上两式中直线夹角的平分线来作为最终的应力折减系数如下：

z表示砂层地面以下的埋深，单位为m。

对纯净砂（粘粒含量小于5%）而言，A.F.Rauch给出了对应7.5级地震时饱和砂土循环抗液化比CRR近似曲线如下：

CRRM=7.5=1/［34-（N1）60］+（N1）60/135+50/［10x（N1）60+45］2-1/200（3）

其中，（N1）60是与现场试验各种条件一致而对应纯净饱和砂土的标贯击数，上式对（N1）60≤30有效，若（N1）60＞30纯净砂土很密实不会液化，划分为非液化砂土。

考虑粘粒含量对砂土抗液化能力的影响，I.M.Idriss在R.B. Seed的协助下对标贯击数进行如下修正：

其中，α，β为调整系数，分别取值如下：

除考虑粘粒含量和颗粒特征对SPT结论的影响外，还需考虑SPT在实施过程中上覆土压力（CN）、锤形式（CE）、钻孔直径（CB）、杆长（CR）以及取样器形式（Cs）对标贯击数的影响：

各系数根据具体形式采用文献［1］中表2中采用。

考虑到震级不同于7.5的场地，砂土液化安全系数采用下式计算：

式中MSF为震级比例因子，对不同于7.5级地震场地，诸学者提出对应的比例因子MSF，列于文献［1］中表3中，Idriss提出的系数一般为下限；Andrus and Stokoe（1997）提出的系数一般为上限。

1.2国内规范判别方法

国内饱和砂土液化判别分为初判和复判两个阶段，饱和砂土或粉土，当符合下列条件之一时，可初步判别为不液化或可不考虑液化的影响。

（1）地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及其以前时，7、8度时可判为不液化。

（2）粉土的黏粒（粒径小于0.005mm的颗粒）含量百分率ρc，7度、8度和9度分别不小于10、13和16时，可判为不液化土。

（3）浅埋天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响：

式中dw、d0、du、db分别为地下水位深度、液化土特征深度、扣除淤泥与淤泥质土非液化土层厚度、基础埋置深度。

对复判从形式上看，国内砂土液化判别规范有两种形式，即《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010和《公路工程地质勘察规范》JTG C20-2011［5］中提到的液化判别公式。建筑抗震规范是沿用上一版次中的判别形式，公路地质勘察规范采用新的形式，本文以建筑抗震规范中判别公式为对象，与国外判别方法进行对比分析。建筑抗震设计规范中临界标贯击数按下式计算：

式中，β为调整系数，根据场地地震设计分组确定。其他符号说明同上，其中的N0为标贯基准值，该规范按设计基本地震加速度取值。

一般将标贯击数与临界标贯击数相比较，大于临界标贯击数认为是不液化，小于临界标贯击数则判为液化土层。

2　实例分析

南方沿海某项目中，根据 《中国只震动参数区划图》GB 18306-2001（08）及《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010，场区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，该场地地震动反应谱特征周期按0.35s考虑，设计地震分组为第一组，场地类别按Ⅲ类考虑。现场三个钻孔中代表深度标贯结果如表1所示。

表1　试验段标贯成果图

采用国内规范 《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010对上标贯成果进行复判，结果如表2所示。

表2　《建筑抗震设计规范》液化判别结果

根据上述提到的Seed&Idriss“改进简化判别法”对上述标贯试验砂层进行液化判别，得到表3所示的结果。

相比较而言，采用Seed&Idriss“简化判别法”得到的液化判别结果与国内规范得到的结果完全不同。上述判别过程中，采用Seed&Idriss（1982年）提出的MSF系数0.94。若选择下限Idriss提出的0.84，所得到的安全系数将更低，饱和砂土液化可能性更大。

表3　Seed and Idriss抗液化能力分析结果

3　结论

本文针对国内外饱和砂土液化判别过程进行了对比分析，初步得出如下结论。

（1）对砂土液化抵抗能的衡量上，国内规范采用在基准值的基础上，考虑砂层埋深、含泥量、地下水位深度的影响，来源于地震现场液化调查经验；国外规范则根据修正标贯击数与CRR之间的关系得到对应含泥量15%循环抗液化应力比的公式，是基于历史地震、现场调研得到的数据记录拟合而成。从这点上看，国内外判别标准均来源于地震现场砂土液化调查资料归纳而得。

（2）国内规范对砂土形成地质年代，以及不同设防标准下饱和砂土含泥量进行初判，这一过程在国外规范中是未考虑；针对浅基础，在基础埋深、地下水位深度及基础尺寸满足一定要求时，可初判砂层为非液化土层，这点在国外规范中也未考虑。

（3）现场得到的标准贯入试验值，国外规范对其进行了各种修正，再进行循环抗液化应力比CRR计算；而国内规范则直接采用现场采集得到的标贯击数，不考虑现场试验时诸多因素的影响。

（4）本文通过工程实例重点阐述砂土液化辨别方法的对比研究，针对国内与国外规范判别结论不一致的情况，建议仍以国内现行规范为准，国外规范结论作为参考。

参考文献：

［1］T.L.Youd，I.M.Idriss.Liquefaction Resistance of Soil：Summary Report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSFWirkshops on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils ［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering，2001，127（4）：297-313.

［2］中国建筑科学研究院.TJ11-74工业与民用建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，1974.

［3］住建部.GB50011-2001建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2010.

［4］建设部.GB50021-2001岩土工程勘察规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2001.

［5］交通运输部.JTG C20-2011公路工程地质勘察规范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

责任编辑：孙苏，李红

曹华峰（1979-），男，湖北武汉人，博士，主要从事岩土检测和原位试验工作。

中图分类号：TU441+.4

文献标识码：A

文章编号：1671-9107（2016）07-0053-03

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.07.053

收稿日期：2016-04-27

作者简介：陈阁琳（1979-），男，湖南邵阳人，本科，高级工程师，总工程师，主要从事建筑施工技术。

Comparative Study on Liquefaction Discrimination Methods at Home and Abroad

Abstract：Liquefaction is one of the main causes of foundation instability，and liquefaction discrimination is an effective means to ease earthquake damage.The mainstream approach of liquefaction discrimination is quite different from that of other countries.From the perspective of the theoretical basis of discrimination methods，the similarities and differences of these methods are demonstrated，with one case presented to verify the results.

Keywords：liquefaction estimation；improved simplified discrimination methods；standard penetration test.