核设施勘察中抗震Ⅰ类物项饱和砂土地基的液化判别

孙立川 赵在立 朱勇强

(河北中核岩土工程有限责任公司，河北石家庄 050021)

0 引言

涉核工程建设必须要考虑地震风险，而饱和砂类土地震液化就是需要考虑的重要地震灾害之一。在涉核岩土工程勘察中，根据标准贯入试验(SPT)和波速进行液化判别是我国规范的主要方法，该方法是基于我国地震现场液化调查资料和Seed简化法原理建立的[1]。

Seed等提出并逐步改进了土体抗液化强度的估计方法。Idriss[3]、Juang[4]和Boulanger[5]等利用加权最大似然法原理给出了液化概率PL与名义抗液化安全系数，循环应力比CSR，循环阻力比CRR)之间的关系式，使得液化判别公式具有了概率法的意义。陈国兴等[6](1996)提出了砂性土液化判别及可靠性评价方法，引入模糊烈度的概念，并进一步提出液化势分析的概率方法。我国《核电厂抗震设计规范》[7]根据陈国兴等的研究成果采取了由地面水平向峰值加速度计算标准贯入基准值N0的计算方法[8]。

我国建筑抗震设计规范液化判别概率公式N=αβN0是符圣聪等[9-10]根据中国的实测地震液化数据提出的。Dobry等提出了基于剪切波速Vs的砂性土液化势的估算方法，Andrus等[11]给出了液化临界曲线。石兆吉等[12]提出了基于剪切波速的液化临界判别式，并为天津市建筑地基基础设计规程和我国《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)(2009年版)采用。

陈国兴等[13](2015)提出了SPT液化判别临界曲线，并针对核电厂Ⅰ类物项、Ⅱ类物项和Ⅲ类物项地基给出了相应的液化概率PL控制值和名义抗液化安全系数建议值。孔梦云等[14]提出了基于修正剪切波速Vs1的液化临界曲线，同样给出了各类型地基的液化分类概率控制值PL和名义抗液化安全系数建议值。

本文针对某核设施抗震Ⅰ类物项的饱和砂土地基，采用了规范方法和文献[13-14]的研究成果共四种方法进行液化判别。结果表明，现行《核电厂抗震设计规范》液化判别的安全裕度和核相关物项的破坏后果不匹配。而文献[13]和文献[14]的判别方法有时会出现不合常理的判别结果。针对上述问题提出了一些改进建议。

1 常用的液化判别方法

1.1 规范的液化判别式

1.1.1 《核电厂抗震设计规范》

现行《核电厂抗震设计规范》[7]规定，液化判别按照国标《建筑抗震设计规范》进行，但标准贯入锤击数基准值N0按照下式计算：

式中：α为按照物项的类别由规定的地震加速度峰值推算出的验算地点的地面加速度值，g；Ni、bi、ci按表1采用。

表1 《核电厂抗震设计规范》[7]计算参数表

与《核电厂抗震规范》[7]所对应的是89版《建筑抗震设计规范》，该版本抗震规范中地震分组以及地震液化判别式和现行建筑抗震规范不同。

1.1.2 《建筑抗震设计规范》

现行2016版《建筑抗震设计规范》[15]的液化判别分为液化初判和复判。初判条件仅适用于抗震设防烈度7或8度，对于初判不液化的地层无需再进行复判[16]。对于初判不能排除液化的地层，根据标贯试验数据进行复判(适用判别深度≤20 m)。

标准贯入锤击数临界值Ncr：

当现场标贯试验击数N≤Ncr时，判为液化。建筑抗震设计规范的标准贯入锤击数基准值N0按照场地设防加速度(烈度)查表2。

表2 液化判别标准贯入锤击数基准值N0

由表2可见，《核电厂抗震设计规范》[7]标贯击数基准值N0小于同等设防加速度的《建筑抗震设计规范》[15]第二、第三地震分组相应的的N0β值，而与第一、二分组的平均值大致相当。

1.2 基于Seed公式的判别法

Seed简化法中，地面下土体中一点的循环动剪应力比(CSR)为该点的等效地震剪应力与其竖向静正应力之比；土层抗液化强度(CRR)采用SPT试验或剪切波速试验确定。当CRR＞CSR时判定为不液化，反之判定为液化。

1.2.1 地震循环动剪应力比[2-4，13]

式中：σv为标贯试验点的总上覆压应力为该处的有效上覆压应力；αmax为水平向地表峰值加速度，g；rd为土层剪应力折减系数。

式中：MSF为震级标定系数；Kσ为有效上覆压力修正系数。

1.2.2 基于SPT的土层抗液化强度CRR

陈国兴[13]综合中、美液化数据库数据提出的并以为基准，规准化处理后的抗液化强度公式为：

式中：(N1)60cs为等效洁净砂的修正标贯击数，按下式计算：

Δ(N1)60为修正标贯击数，按下式计算：

FC为小于0.075 mm的细粒含量，5%≤FC≤35%(式(12)分母中的小数文献[13]中误为0.01，现据文献[3]改正)，Nm为现场标贯试验锤击数。

CN为贯入阻力上覆压力修正系数，按下式求解：

CE、CR、CB、CS含义和取值见表3。

1.2.3 基于剪切波速vs的抗液化强度CRR

孔梦云等[14]提出的基于修正剪切波速的抗液化强度公式：

其中，修正剪切波速vs1按下式计算：

式中：vs为剪切波速实测值；σ′v为测试土层深度处的有效上覆压应力；Pa为标准大气压强，取100 kPa。

表3 CE、CR、CB、CS含义和取值表[13]

1.2.4 抗液化强度公式的液化概率

陈国兴等[13]给出的判别式(6)的概率模型为：

孔梦云等[14]给出的式(12)的概率模型为：

依据对中美液化数据库共485例数据的分析结果，陈国兴[13]给出了对于非基岩厂址Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类物项的液化判别标准，分别为PL=4%、15%和25%(名义抗液化安全系数分别为1.45、0.997和0.845)。陈国兴还按照液化概率将核电厂Ⅰ类物项的饱和砂土地基液化可能性分为五类(见表4)。

表4 液化可能性分类(适用于标贯试验)[13]

孔梦云等[14]给出了对于非基岩厂址Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类物项的液化判别标准分别为PL=5%、15%和25%(相应的名义抗液化安全系数分别为1.643、1.015和0.788)。孔梦云等[14]给出的抗震Ⅰ类物项饱和砂土地基液化可能性分类见表5。

表5 液化可能性分类(适用于剪切波速)[14]

2 工程应用实例

2.1 工程概况

某核设施，筏板基础，基础埋深11.1 m，属抗震Ⅰ类物项。100年超越概率1%的地表水平向峰值加速度(SL-2)为0.405 g。MW=7.0(100年超越概率1%)。地层为第四系人工填土()、第四系下更新统洪积砾砂()、新近系上新统(N2s)洪积砂土(局部呈胶结状)及粉质黏土。地层剖面图如图1所示。

图1 典型工程地质剖面图

勘察场地内饱和砂土为③层新近系上新统细砂、⑤层新近系上新统粉砂，液化判别的地下水位按照抗浮设计水位取值。按照规范[7]和规范[15]、陈国兴SPT法[13]、孔梦云剪切波速[14]等方法进行液化判别。

2.2 根据核电厂抗震设计规范进行判别

根据表1，由式(1)和式(2)计算的该场地标准贯入试验锤击数基准值N0为17.13击(见表6)，该工程场地的判别结果均为不液化(见表7)。

表6 核电厂抗震设计规范标准贯入锤击数基准值

表7 核电厂抗震设计规范液化判别结果表

2.3 根据建筑抗震设计规范进行判别

本工程也根据《建筑抗震设计规范》的N0取值进行了液化判别。根据厂址附近发震断裂到建设场地的距离，应按照第一分组或设计近震(89版抗震规范)，这里为安全起见，取β=1.0，则N0β取19击，判别结果也均为不液化。

2.4 根据SPT锤击数按照式(6)进行液化判别

在全部23个标贯试验点的液化判别中(见表8)，编号为12-1、4-1、14-1的标贯试验结果判别为液化。

表8 根据陈国兴建议的SPT液化临界曲线判别的结果

2.5 根据剪切波速按照式(12)进行液化判别

据单孔波速法试验结果，③层细砂、⑤层粉砂的剪切波速离散性非常小，取平均值进行计算。对全部钻孔分别按照式(15)进行计算。计算点包括每层的层顶处、层底处和层中点处。除22号和23号孔的③层细砂的底板处有液化可能外，其余钻孔的判别结果均为不液化(见表9)。

表9 根据孔梦云的剪切波速试验液化临界曲线判别的结果

3 分析和讨论

(1)根据规范[7]和规范[15]，该场地③层细砂、⑤层粉砂均为不液化土。而根据陈国兴SPT法[13]、孔梦云剪切波速[14]判别法，个别判别点液化。

(2)由表1和表6，《核电厂抗震设计规范》[7]的基准值N0=17.13击，小于建筑抗震设计规范[15]第三分组的N0=20击。根据文献[18]，《核电厂抗震设计规范》中的式(1)和式(2)是采用模糊烈度的概念提出的，大致与旧版的《建筑抗震设计规范》GB 50011—2001设计近震相当。可见，核电厂抗震设计规范的液化判别的安全裕度与建筑抗震规范大致相当或偏小，与核相关物项严重的破坏后果不匹配。

(3)据陈国兴公式的判别结果，有三个标贯试验点判别为液化(见表8)。经过反算，这三个标贯试验点的标贯击数与临界值Ncr仅仅相差1～2击，处于液化临界曲线附近(见图2)。从地质条件来看，新近系上新统洪积砂土局部呈胶结状态，沉积年代久远，密实度较高，抗液化强度较高。此工程场地已经进行了多年、多期工程建设，过去的勘察工作和地震安评工作都不认为这个场地有液化现象，相关监管部门和设计院也都认可此结论。

图2 液化临界曲线与修正标贯锤击数散点图

文献[13]确定液化临界曲线的原则是非常严格的(宁可把不液化误判为液化，也不可把液化误判为不液化)。对于中美液化数据库全部485数据来说，仅有1个液化点位于式(9)对应的液化临界曲线下方[13]，也即仅有一个液化点误判为不液化，这是精度很高、非常严苛的判别标准。但其所依据的文献[19]的中国液化数据限于当时的条件，有的标贯数据是从钎探试验换算得到的，有的假定标贯试验地面以上的钻杆长度，有的没有矩震级，数据的严格程度并不高。这样，陈国兴SPT法严格的判别标准就存在高估场地液化风险的可能。

(4)根据式(15)进行判别，22号和23号钻孔③层细砂的底板处的结果为液化(见图3、表9)，但该层细砂顶板处和中间处的砂土却判别为不液化。检查钻孔柱状图，发现除了③层细砂的底板埋深较其它相邻钻孔加深了0.5～2 m外，其他情况均相同。

图3 剪切波速液化临界曲线与修正剪切波速散点图

例如24号钻孔③层细砂底板埋深仅仅比23号钻孔浅0.5 m，其他条件类似，判别结果就为不液化。人为修改22号和23号钻孔的③层细砂底板埋深和其它邻近钻孔一致，则判别结果就变为不液化；而人为加大其它非液化钻孔的③层细砂底板埋深，则该钻孔的判别结果也随之由不液化变为液化。这说明底板埋深是液化与否的关键因素。

在勘察工作中，对埋深及厚度变化不大、粒度组成相似的砂层，一般评价为均匀地层，当该层砂土的剪切波速统计确定后，按照式(15)，液化抵抗强度CRR就确定了，不随判别点的深度、水位深度的变化而变化。液化与否此时决定于地震循环应力比CSR的大小。而由式(4)，地震震级和设计地震加速度一旦确定，CSR就决定于式(4)括号内的算式的大小(为方便讨论和叙述，以下设。

设地层为单一均匀细砂层，饱和重度19 kN/m3，天然重度17 kN/m3。则，随着深度加大逐渐增大并趋于稳定值19/9=2.11(见图4)，而由式(5)计算的rd随深度加大逐渐减小(见图5)，β的数值呈现先增大、到一定深度后又减小的过程(见图6)。这就有可能出现对于同一层砂，较深部位的地震循环应力比CSR比浅部大的现象，导致上部砂层判别为不液化(近水面处除外)，反而深部同样的砂却判别为液化的反常结果。

图4 随深度变化图

图5 折减系数rd随深度变化图

图6 β=0.65随深度和水深dw的变化图

表10 β与深度的对应关系(dw=0.5 m)

假设当判别点深度2 m时，由式(15)判别的结果为刚好不液化，由表10得此时的β值为1.08，随着判别点深度加大，CSR随之增大。而因为地层的vs取统计平均值不变，由式(15)计算的液化抵抗强度CRR却逐渐减小，则对应的判别结果就是液化。从图6和表10看，至少要到12.0～13.0 m深度才会再次判别为不液化。这就会出现这样的结果：上覆有效压力小的浅部细砂被判别为不液化(近水面处除外)，而深部上覆有效压力较大的同样的细砂层反而判别为液化。而众所周知，砂层埋深越大，上覆有效应力越大，对液化产生抑制作用，深层砂层应该更难以液化[14]。

从地质条件来看，新近系上新统洪积砂土局部呈胶结状态，沉积年代久远，密实度较高，抗液化强度较高。液化判别结果仅仅底板埋深稍深了一点，判别结果就从不液化变为液化，显然与实际情况不符。结合地质条件综合判定③层细砂不会液化。

(5)建议在应用采用剪切波速由式(15)进行液化判别时，每层砂都分为上中下三个判别点分别进行液化判别，如果仅有层底处判别结果为液化，而层顶和层中点处为不液化，则应结合饱和砂土的沉积年代、黏粒含量、胶结情况等综合判别。

4 结论

(1)根据《核电厂抗震设计规范》[7]和《建筑抗震设计规范》[15]，该工程场地③层细砂、⑤层粉砂均为不液化场地。在微调了液化分类概率控制值后，陈国兴SPT法的判别结果也为不液化。而根据孔梦云剪切波速法的结果仅有个别饱和砂土层底处判别结果为液化，在考虑了地质年代、胶结程度等地质资料后，综合判别结果为不液化。

(2)现行的《核电厂抗震设计规范》在饱和砂土液化判别上的安全裕度和核相关物项的破坏后果不匹配，而陈国兴SPT法[13]、孔梦云剪切波速[14]判别法的安全裕度较高，偏于安全。在涉核工程中，除采用《核电厂抗震设计规范》外，建议同时采用《建筑抗震规范》做对比，最好采用文献[13-14]进行计算对比，综合判别，所得结论更加可靠。

(3)对于本工程抗震Ⅰ类物项，笔者建议把陈国兴判别式的液化分类概率控制值PL取为8%(名义抗液化安全系数约等于1.2)，则所有标贯试验的判别结果均为不液化。

(4)采用孔梦云等建议的式(15)时，因为砂层波速定值(平均值)，有时会出现浅部砂层不液化，反而深部同样的细砂层判为液化的反常结果。对此，建议每层砂都分为上中下三个判别点计算，结合地质情况综合判别。

(5)该工程根据各类液化判别方法，结合以往勘察成果和地震安评报告，综合判定③层细砂、⑤层粉砂为不液化，这个结论在勘察成果评审时得到了与会专家的认可。