饱和砂土液化判别方法中抗震规范与NCEER法的对比

张 义 陈晓锋

（四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041）

0 前言

饱和砂土液化是地震灾区常见的一种地质灾害，能引发建（构）筑物倾斜、倒塌、塌陷等，因此对饱和砂土进行液化判别是场地岩土工程评价的重要内容之一。目前，国内常用的判别场地饱和砂土液化情况的方法是根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010，2016 年版）推荐的标准贯入试验判别法，以下简称“抗震规范法”。抗震规范法主要是根据国内外大地震的资料和室内液化试验的研究成果确定，适用于地面以下20m 范围内的饱和砂土的液化判别[1]。国外使用频次较高的液化判别方法是SEED 法[2]。SEED 法最早是由Seed等人于1971 年根据美国和日本地震研究提出的砂土液化判别方法，是一种试验-分析方，后又经过多次发展和完善。其基本概念是先求地震作用下不同深度土处的剪应力，再求该处发生液化所必需的剪应力（液化强度）。美国国家地震工程研究中心（NCEER）分别于1996 年、1998 年，组织专家组对之前25 余年的液化判别研究成果和资料进行系统总结，进一步对SEED 法进行了改进和完善，此种简化的方法称为“NCEER 法”[5]。因此，NCEER 法是以SEED 法为基础演变的判别方法，目前被欧美、东南亚和非洲在内的大多数国家接受。该文通过工程实例，分别运用抗震规范法、NCEER法，采用标准贯入试验判别法对饱和砂土进行液化判别对比分析。

1 砂土液化的机理

1.1 液化机理

在地震作用下，饱和砂土的土粒在重新排列的过程中，体积发生变化，松散的砂土在震动过程中有变得更紧密的趋势；在短时间内孔隙水来不及分散排出，造成孔隙水压力增大，土体有效应力减小。根据有效应力原理，砂土的抗剪强度如下。

式中：τ为土的抗剪强度，σ为土的总应力，μ为土的超静孔隙水压力，φ′为土的有效内摩擦角。

由公式（1）可以看出，当孔隙水压力增加，土的抗剪强度降低。若振动强烈，而孔隙水压力增长很快而又不能立即消散，当发展至μ=σ时，土的抗剪强度τ=0，此时，土粒完全悬浮于水中，砂层丧失了抗剪强度和承载能力，土体处于流动状态，产生砂土液化现象。

1.2 砂土液化的主要因素

根据上述分析可知，场地的抗液化强度随土粒的密度增大而增大，随地下水的饱和度增大而降低，场地的有效应力越大，产生的孔隙水压力消散越快，发生液化的可能性越小。理论上讲，地基土上覆有效压力越大，即埋藏深度越大，越不容易液化。因此，砂土液化的影响因素主要有以下几点：1）土性条件；2）土层状态；3）地下水条件；4）地震动荷载条件；5）土层应力条件等。

2 抗震规范法

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010，2016 年版）第4.3 节[1]，首先对地面下存在的饱和砂土，按照地质年代、黏粒含量、浅埋天然地基见的上覆非液化土层和地下水位等三个条件，进行初步判别。若初判为液化、或考虑液化时，再根据标准贯入击数的实测值N做进一步判别。将标贯的实测值N与计算得到的标准贯入锤击数临界值Ncr进行比较。当NNcr时，则判定不会液化。在地面下20m深度范围内的液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr，可按式（2）计算。

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临界值；ds为饱和土标准贯入点深度；dw为地下水位深度；ρc为黏粒含量百分率，小于3 或为砂土时，应取3；β为调整系数，设计地震为第一组时取0.80，第二组取0.95，第三组取1.05。

由公式（2）可以看出，抗震规范法对砂土液化判别的主要与地震动参数、黏粒含量、地下水位埋深及深度有关，标贯临界锤击数随深度呈抛物线式递增，与地下水位呈反比关系，与地震动加速度呈正比关系。

3 NCEER 法

国外常用的NCEER 法是在SEED 简化法的基础上发展而来的，其实质是将砂土中由地震动作用产生的剪应力与产生液化所需的剪应力（即在相应动力作用下砂土的抗剪强度）进行比较，后H.B.Seed 将上述理论简化，利用成等效循环应力比CSR（地震引起的水平剪应力比）与地基土的循环阻力比（抗液化强度比）CRR的比较，当CSR>CRR时，砂土液化。

3.1 CSR 的计算

等效循环应力比CSR如公式（3）所示。

陈国兴、胡庆兴等建议，23

3.2 CRR 的计算

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标准贯入实验现场原位试验方法。NCEER 推荐采用图1 所示曲线确定抗液化强度比。

如图1 所示，CSR和标准贯入锤击数关系的散点图是以震级M为7.5 的地震现场考察结果为依据得到的。NCEER 建议的CRR 曲线适用于震级M约为7.5 级的地震砂土液化判别。图1 中细粒含量含量Fc小于5%的分界线，称之为纯砂土基本曲线，如公式（5）所示。

图1 抗液化强度比与修正标贯击数的关系（震级M=7.5）

式中：（N1）60为将上覆有效压力为100kPa 和锤击能量转换率为60%时的标贯击数修正值，为考虑细粒含量对抗液化强度的影响，将含细粒的砂土（N1）60修正为等效纯净砂土（N1）60cs，见公式（6）。显然含细粒含量越高，土的抗液化强度也越高。

式中：α、β为考虑细粒含量Fc的修正系数，当Fc≤5%时，α=0，β=1；当5%

对震级M≠7.5 时，应考虑不同震级对液化判别的影响，采用震级标定系数MSF进行CRR的修正。

MSF=102.24/M2.56（7）NCEER 也给出了MSF与震级M的关系表，见表1。

表1 MSF 与震级M 的关系表

在国内，对一般工程，常用到场地的地震动峰值加速度αmax和地震基本烈度两个参数，通过国内外学者的研究，震中烈度I0与震级M之间一般有如下关系。

3.3 标贯击数的修正

在图1 及公式（5）中，标准贯入击数都是需要进行修正的。国外常采用能量因子为60%时对应的标贯修正值，而影响N60修正的因素影响众多，主要受钻孔孔径、取样器是否装衬管、杆长及锤击能量传递效率等。对纯净的砂土，通常认为，其标贯击数受上覆侧应力影响较大，而侧应力受上覆应力的影响，因此对砂土标贯修正时，还需考虑上覆侧应力对标贯击数的影响。因此，相应能量因子为60%对应的上覆应力为100kPa 时的标贯击数（N1）60修正如公式（10）所示。

式中：Nm为实测标贯击数；CN为上覆有效应力系数；CE为锤的能量修正系数；CB为孔径修正系数；CR为杆长修正系数；CS为是否装标贯衬管的修正系数。

修正系数CN可按公式（11）计算。

CE、CB、CR、CS是标准贯入测试系统的校正系数，对一定的测试系统，其对应的值是确定的，其系数的取值见表2。

表2 SPT 修正系数表

4 抗震规范与NCEER 法的比较

4.1 判别原理上不同

我国的抗震规范法以大量的现场液化与未液化实测数据为基础，采用人工神经网络模型，并结合结构可靠度理论，得到了不同地面加速度、不同地下水位和埋深的液化临界锤击数，是根据以往大量的地震经验统计得出的经验方法。虽然缺乏理论基础，但简单实用，便于工程人员掌握[1]。NCEER法在主要是基于室内试验、地震经验和现场测试结果建立的试验分析法，该方法考虑了砂土的应力状态、地震影响、细砂含量等，公式较为复杂，在实际使用过程中并不方便，但该方法具有一定的理论基础，考虑的因素更多。

4.2 地震作用的影响

两种方法都考虑地震对液化判别的影响。所不同的是，NCEER 法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，震级能反映震源释放的能量等级，与地面峰值加速度有一定的对应关系。而抗震规范以地震基本烈度和设计地震分组来反映地震对场地和液化临界标贯击数的影响。

4.3 上覆土压力的影响

一般地，上覆土层的有效应力σv′越大，则土体越不易发生液化。我国规范在计算Ncr时考虑了上覆土的厚度，相当于间接考虑了上覆土有效应力σv′对饱和砂土的影响；NCEER法在计算时则是直接考虑了上覆土有效应力σv′的影响。

4.4 细砂含量的影响

我国抗震规范法认为对液化起阻抗作用的细粒主要为黏粒，在粉土中需要测定黏粒含量，而在砂土中则不考虑黏粒的影响，因此高细粒含量土的抗液化强度被低估。NCEER法考虑了细粒土含量的影响，当Fc<5%时视为纯净砂，在Fc>35%时则按 35%考虑，因此对高细粒含量的土体，其抗液化强度也在一定程度上被低估。

4.5 标贯击数的影响

我国抗震规范法和国外的NCEER 法均采用标准贯入试验数据作为评价抗液化强度的指标；不同的是，抗震规范法则直接采用未经修正的标贯实测数据，有关地下水位、试验点埋深的影响则体现在临界锤击数中，而NCEER 法须对实测标贯数据进行锤击能量、杆长、上覆有效应力等方面的修正。

5 工程实例

某场地位于河流冲积阶地上，区域地貌为侵蚀堆积地形之河漫滩及Ⅰ级阶地、冰水堆积扇状平原，地势总体为南低北高。

场地地震动峰值加速度αmax为0.2g，基本烈度为VIII 度，地震分组为第三组，震级M为7 级。场地地下水为松散岩类孔隙水，地下水位5m，埋深浅，水量丰富。

场地地层较简单，主要为第四系全新统冲积层（Q4al ），从上至下可分为：①粉质黏土，稍湿～湿，可塑，含较多砂粒，夹薄层粉砂、粉土，平均厚度约5m；②粉砂，湿～饱和，松散～中密，平均厚度约7m；③细砂，饱和，中密～密实，平均厚度约10m。地层条件见表3。

表3 场地地层基本条件

采用标准贯入试验法，根据抗震规范法及NCEER 法分别对钻孔内的标贯测试进行液化判别，其比较结果见表4。

表4 两种液化判别方法结果比较

由表4。可以看出，基于标贯击数的抗震规范法与NCEER法对场地砂土液化判别的结果基本一致，但明显NCEER 法的场地液化安全系数要大于抗震规范法，表明抗震规范法在判别结果上偏保守。

6 结论

饱和砂土液化是地震灾区常见的一种地质灾害，能引发建（构）筑物倾斜、倒塌、塌陷等，造成巨大的损失。因此，对饱和砂土进行液化判别是场地岩土工程评价的重要内容之一。目前，国内外对地震液化的判别方法不尽相同，该文主要针对国内的《建筑抗震设计规范》和国外的NCEER法关于砂土液化判别方法的说明和比较，并用实例进行了对比验算。结论如下：1）抗震规范法属于经验法，主要是以国内外大地震的资料和室内液化试验的研究成果为依据，给出判定液化的条件和界限，适用于地面以下20m 范围内的饱和砂土的液化判别。2）NCEER 法属于简化试验-分析法，理论基础完善，是由美国国家地震工程研究中心在SEED 简化法的基础上发展而来的，对SEED 法进行了进一步完善。3）抗震规范和NCEER 法比较而言，判别原理上不同，在地震作用的影响、细砂含量的影响、上覆土压力的影响等方面也有一定差异，标贯击数的考虑也不相同。4）根据工程实例表明，基于标贯击数的抗震规范法与NCEER 法对场地砂土液化判别的结果基本一致，但NCEER 法的场地液化安全系数明显要大于抗震规范法，表明抗震规范法在判别结果上偏于保守。鉴于工程案例和实验数据不足，建议后期不断丰富数据，进一步补充分析。