几种地震液化判别方法的对比

2019-11-07任志善李从昀

岩土工程技术 2019年5期

郝兵任志善李从昀

(1.北京电力经济技术研究院有限公司，北京 100107；2.国网经济技术研究院有限公司，北京 100209)

0 引言

砂土液化是典型的不良地质作用和地震地质灾害，能直接导致地基失效，造成各类建筑和市政设施的破坏。历次地震都有大面积地震液化导致的工程事故[1]。因此，作为基础的工程勘察中，地震液化判别尤其重要，直接关系到工程的抗震安全性及工程造价水平。

我国目前的液化判别方法应用最广泛的是以《建筑抗震设计规范》为代表的标贯法，大部分建(构)筑抗震规范、市政类抗震规范的方法思路上基本一致，只是表达形式和参数略有不同。其判别方法经过了78规范[2]、89规范[3]、2001规范[4]以及2010规范[5]的不断改进，其中2010版的判别方法中采用人工网络模型、可靠度理论等新思路和方法建立判别依据，并保证了规范应用的延续性[6]。《岩土工程勘察规范》[7]和《铁路工程地质原位测试规程》[8]中提出用静力触探进行液化判别；《岩土工程勘察规范》也有用波速进行液化判别的，但实际应用过程中发现，这种方法判别的结果经常偏差较大[9]；国外比较通用的是美国NCEER法[10-12]，即修正的Seed法。陈国兴2005年提出的概率判别方法[13]，另外还有动三轴方法等。

鉴于砂土液化判别结论对工程的抗震安全性及造价影响较大，用单一的液化判别方法得到的结论往往显得依据不够充分，因此，多种手段的综合液化判别在工程勘察中有重要的意义。

1 主要判别方法

液化判别方法的建立是在理论的基础上进行推导，或根据历次地震灾害调查和勘察数据建立散点图，分析回归后建立相应的判别准则。由于地层土质的非均质特征，无论采用哪种指标都会具有一定的离散性，这就导致任何判别方法都不可能有百分百的成功率。规范为了方便使用，提出在评价液化等级时应逐点判别，按孔计算，综合评价的基本顺序方法，很大程度上方便了勘察人员对数据的分析判断。但是，近年来有许多勘察技术人员据此思路提出了所谓“液化点”的概念，认为单个样本小于临界值，即判断为该点处为可液化土层。并以此为基础对整个场地进行判别，得出了只要有个别点液化，整个场地就是液化，液化深度也取最大“液化点”深度，否则认为评价结论不安全。还有一些人认为只有20 m深钻孔中的标贯样本才能进行液化判别，其他钻孔中的标贯样本不能参与判别。对此，范士凯大师指出：地震砂土液化判别中所谓“液化点”是错误的概念，正确方法应按散点图或标贯的统计值进行判别。

1.1 标贯法

该方法最初是我国学者在Seed等人的确定性方法的基础上，结合邢台(1960)、河源(1962)、通海(1970)、海城(1975)和唐山(1976)地震液化区的调查数据，通过统计分析建立起来的。规范中对液化判别分为初判和细判两阶段，初判液化的情况才进行细判。初判主要考虑年代、黏粒含量、平均粒径和上覆非液化土层厚度等因素。细判采用临界标准贯入击数作为判别标准，当实测的标贯击数小于临界标贯锤击数时，就可以判定为液化土。

式中：Ncr——临界标准锤击数；

N0——标准贯入基准锤击数；

ds——标准贯入点深度，m；

dw——地下水位深度，m；

ρc——黏粒百分比含量，当含量小于3或为砂土时，取值为3。

该方法考虑了地震动要素、初始应力和土质特征的影响因素，是目前《建筑抗震设计规范》推荐的液化判别方法。该方法历经多次修订，能反映出我国抗震科研的最新成果和工程实践经验，及时跟踪并吸取国外的研究成果，因此在我国应用最为广泛。

1.2 NCEER法

1996年，美国国家地震工程研究中心(NCEER)对Seed简化法进行了修订，形成了基于循环应力比和循环阻力比的简化判别法(“NCEER”法)。NCEER法是美国规范推荐的砂土液化判别方法，该方法的判别公式为：

式中：FS——安全系数，若FS＞1，表示该计算点不液化，若FS≤1，则表示该计算点液化；

CRR7.5——震级为7.5时的循环阻力比；

CSR——循环应力比；

MSF——震级比例系数，NCEER建议按表1取值。

表1 震级比例系数MSF取值

式中：αmax——由地震产生的地表水平峰值加速度；

g——重力加速度；

σv0——计算深度的竖向总应力；

γd——应力折减系数，可按式(4)计算；

CRR7.5有多种计方法，本文采用标准贯入试验(SPT)法，公式(5)适用于(N1)60＜30击的砂土。

(N1)60CS——经过修正后等效纯砂土标贯击数，按公式(6)计算；

α、β——修正系数，按公式(7)取值，(FC表示细粒含量)：

(N1)60——将上覆有效压力调整为100 kPa时和将锤击能量转换率调整为60%时的标贯击数修正值，按公式(8)计算：

式中：CN——上覆有效压力修正系数，按公式(10)取值；

式中：CE——锤击能量效率比修正系数；

CB——钻孔直径修正系数；

CS——取样方法修正系数。

各系数取值方法及范围见表2。

表2 (N1)60修正系数取值

1.3 静力触探法

《岩土工程勘察规范》根据唐山地震不同烈度区的静力触探试验资料，用判别函数法分析得出判别公式，并已纳入《铁路工程地质原位测试规程》(TB 10041—2003)。其中双桥静力触探具体判别公式如下：

式中：qccr——是指静力触探锥尖阻力临界值；

qc0——指地下水位埋深在2 m、上覆非液化土层厚度在2 m时，双桥锥尖阻力的基准值，按表3确定；

表3 双桥静力触探锥尖阻力基准值

αw——地下水位埋深修正系数，按公式(12)计算，地面常年有水且与地下水有水力联系时，取1.13；

dw——地下水位埋深，m；

αu——上覆非液化土层厚度修正系数，按公式(13)计算，对深基础，取1.0；

式中：du——上覆非液化土层厚度，m，计算式扣除淤泥和淤泥质土层厚度；

αp——与静力触探摩阻比有关的土性修正系数，按表4取值。

表4 土的修正系数αp值

当实测的锥尖阻力小于公式(11)计算的临界值时，就可判定为液化土层。但该方法是基于区域试验资料得出，区域的适用性有待进一步验证。实际应用中应注意判别钻孔应与钻探相结合，否则仅仅根据触探数据推断地层岩性，容易出现误判。

1.4 剪切波速法

石兆吉根据Dobry刚度法原理和我国现场资料提出用剪切波速进行液化判别，该方法曾被《天津市建筑地基基础设计规范》(TBJ 1—88)采用，用来判别地面下15 m以内的砂土和粉土地震液化可能。

式中：vscr——饱和砂土或饱和粉土液化剪切波速临界值，m/s；

vs0——与烈度、土类有关的经验系数，按表5确定；

ds——剪切波速测试点深度，m；

dw——深度，m。

表5 与烈度、土类有关的经验系数υs0值

该方法通过对比土层的剪切波速与液化临界剪切波速来判定饱和砂土和粉土的液化可能，当实测的波速小于波速的临界值时，即刻判定该层土为可液化土层。

1.5 其他方法

除上述列举的方法之外，还有许多判别方法，例如动三轴法、临界孔隙比法、概率判别方法等。近年来，随着科研的不断深入，出现了人工神经网络法、模糊综合评价法等方法，本文不再赘述。

2 地震液化的综合判别

地震液化判别，首先应在进行充分历史地震液化情况调查和场地工程地质条件分析的基础上，明确可液化地层，然后采用一种或多种方法进行判别，再通过综合分析得出结论。

某500 k V变电站位于北京市大兴区，该场地位于永定河冲洪积扇的下部，20 m深度的地层岩性以粉土及砂土交互沉积为主。新近沉积层厚度约9～10 m，根据区域地震资料，这类土由于沉积年代短，密实度差，容易发生地震液化。因此，本工程勘察过程中将液化判别作为工程的重点问题之一，采用多种手段和方法综合判别。

2.1 历史地震液化灾害调查

根据历史记载和仪器记录，北京及周边临近地区自公元274年以来，共发生4.75级以上的地震近百次，其中3次造成了北京城区的地震烈度为8度，历史地震由于年代久远，无法考证当时的地震液化情况。1976年唐山地震，虽然北京地区的烈度为6度，但温榆河沿岸以及本场区附近的大兴采育地区，已经出现喷水冒砂的地震液化现象①中国地震局工程力地壳应力研究所.北京新机场项目工程场地地震安全性评价报告[R].2012.。唐山地震后国家地震局组织科学家对北京地区进行震害预测(见图1)，本工程场区属于可能砂土液化区。

图1 唐山地震后北京地区震害预测图

本工程场地典型的地质剖面图见图2，其中①层为人工填土层，②—④层为新近沉积层，⑤—⑦层为一般第四纪沉积层。

另外，钻探发现土层的颜色暗黄褐色，含有物有大量的螺壳，土质结构不均匀，多呈团块状结构，具有典型的北京地区近代土特征，见图3。另据文献[14]，本区域7.5 m深度样品地质年代测试结果为1.98 ka，属于第四纪新近沉积层，与野外描述的判断有很好的一致性。

根据地层条件结合区域工程经验分析，20 m深度范围内的砂质粉土②、粉砂③、砂质粉土④层发生地震液化的可能性较大，细砂⑤层有发生地震液化的可能。(见表6)

图2 场地典型地层剖面图

图3 钻探岩芯断面

表6 主要土层测试指标成果

工程场区分布的地下水稳定水位标高20.46～22.54 m(埋深5.00～7.20 m)，地下水类型为台地潜水。但根据北京地区抗浮设防水位研究成果[14]，在考虑北京地区长期的地下水政策之后的预测远期水位会接近自然地面，因此本工程的液化判别水位埋深统一按0 m计算。

2.2 地震液化综合判别

本工程勘察进行了标准贯入试验(SPT)、剪切波速测试(单孔法)、双桥静力触探试验等，并采取原状土样和扰动土样进行了室内试验。采用多种判别标准进行液化判别，以期对各种方法得出的结论进行对比，综合分析后得出合理的结论。

分析地层的沉积年代和测试数据以及地下水位情况，不满足初判不液化的条件，因此应进一步的细判。

(1)标贯法

根据地层分析情况，现主要对砂质粉土②、④砂质粉土及粉砂③、细砂⑤层进行标贯测试，并采取标贯器样品进行了室内黏粒含量试验，为了方便对比，图中粉土Ncr曲线统一取本场地粉土的平均黏粒含量6.5进行计算，N0取12，β=0.95，具体判别情况见图4。

图4 标贯法液化判别

根据图4的散点图，砂质粉土②层样本总数37个，可液化样本31个，占比84%；粉砂③层样本总数17个，可液化样本17个，占比100%；砂质粉土④层样本总数29个，可液化样本24个，占比83%；上述土层液化样本数均占绝对多数，因此判别为液化土层。细砂⑤层样本总数18个，全部为不液化样本，因此判别为非液化土层。对于砂土和粉土，采用标贯法判别取得了较好的一致性。需要说明的是，为了与NCEER法相比较，粉砂③层从28个样本空间中选取(N1)60CS≤34的17个样本进行统计。计算的液化指数0.35～5.74，综合判别场地的液化等级为轻微。

(2)NCEER法

根据室内试验成果，本场地粉土的FC(小于0.075的粒径百分比)为84～86，砂土的细颗粒含量也较高，为31～39，详见表7。

表7 主要土层Fc成果表

采用NCEER法进行计算，并将每个样本点的深度和Fs绘制于图5中。

图5 NCEER法液化判别

根据图5可以看出，砂质粉土②层样本点37个，可液化样本32个，占比86%；砂质粉土④层样本点29个，可液化样本21个，占比72%；上述土层判别为液化土层，并且液化样本数占比较大，取得了较好的一致性。粉砂③层样本点17个，可液化样本5个，占比29%，这与标贯法的判断结果并不一致，无法判定为液化土层。细砂⑤层由于标贯击数＞34，已经不适用于判别公式，通过其他方法可直接判定为非液化土层。

(3)静力触探法

利用双桥静力触探试验得出的液化判别成果参见图6。

图6 静力触探法液化判别

通过图6可以看出，砂质粉土②层，粉砂③层及砂质粉土④层均判定为液化土层，与其他方法得到的结论一致。细砂⑤层有两个样本点液化，其余点不液化，总体判定为不液化土层。

(4)剪切波速法

根据图7，砂质粉土②层、砂质粉土④层不液化，粉砂③层仅有1个点液化，而细砂⑤层也判定为液化土层，与其他方法形成显著差异。

(5)将以上几种方法判别的结论列于表6。

图7 剪切波速法液化判别

通过表6可以看出，对于砂质粉土②层和砂质粉土④层，除波速法外，采用其他方法判别的结论一致，均为液化土层。对于粉砂③层，采用标贯法和静探法都判别为液化土层，但采用NCEER法和波速法判别为不液化土层。对于细砂⑤层，除波速法判别为液化土层外，其余方法都判别为非液化土层。分析认为波速法存在明显的缺陷，判别公式中对于深度较为敏感，特别是深部的砂土层，15 m深度的vscr已经达到321 m/s，这显然已经超过此深度密实砂土的波速范围，不符合实际；对于0～6 m的粉土，vscr为10～100 m/s，又明显偏小。因此，波速法进行液化判别有待进一步商讨。采用NCEER法得出粉砂③不液化的原因主要是由于细颗粒(＜0.075 mm)含量较高，该方法认为细颗粒含量有助于抵抗液化，而我国研究成果普遍认为黏粒(＜0.005 mm)对抵抗液化有较大作用，两者之间存在一定的差异，因此得出不同的判别结论。国内也有规范和研究成果表明对于粉砂，需要考虑粘粒含量的影响。通过上述分析，波速法液化判别存在明显的缺陷，应用时应慎重。在对待粉砂、细砂等细颗粒含量较高的砂土，因NCEER法和其他方法可能存在明显的差别，有待做进一步的研究。