液化判别中国交通规范和NCEER法对比分析研究

0 引言

饱和砂土液化是工程勘察中经常遇到的不良地质问题之一，国内外均由相对成熟的判别方法，液化判别是工程勘察成果中的重要组成部分。通过多年的经验总结及大量的研究工作，目前国内外规范中的液化判别方法中大多是基于SPT和室内试验，也有基于静力触探试验、剪切波速试验等原位测试试验；高校及研究者们通过建立各种模型进行砂土液化预测，如基于随机森林算法、PCA-DDA原理、模糊概率、人工神经网络模型、Fisher判别模型等。本文以巴基斯坦某工程项目为例，项目涵盖公路工程、水运工程，基于国内交通行业规范中的公路工程抗震设计规范、水运工程抗震设计规范及国外NCEER判别方法对其地基进行砂土液化判别，分析比较各个判别方法的区别。

1 判别方法概述

1.1 国内交通规范

公路工程抗震规范分为初判和复判两个步骤。初判通过对地震烈度、地层年代、黏粒含量、上覆非液化土层厚度、地下水位及基础埋深等综合判定是否需要进一步复判。

复判采用标准贯入锤击数实测值（N）与锤击数临界值（Ncr）进行对比，当N＜Ncr时，则判为液化土。临界锤击数按着深度进行计算：

地面以下15m范围内，

地面以下15至20m范围内，

式中：Ncr是液化判别标准贯入锤击数临界值；N0是液化判别标准贯入锤击数基准值；ds是饱和土标准贯入点深度（m）；ρc是黏粒含量百分率（%），当小于3或为砂土时，应采用3。

水运工程抗震设计规范也分为初判和复判两个步骤。初判通过对地震烈度、地层年代、黏粒含量等综合判定是否需要进一步复判，相对公路工程抗震设计规范少了上覆非液化土层厚度、地下水位及基础埋深的初判。

复判采用标准贯入锤击数实测值（N63.5）与锤击数临界值（Ncr）进行对比，当N63.5＜Ncr时，则判为液化土。临界锤击数按着深度进行计算：

地面以下20m范围内，

式中：Ncr是液化判别标准贯入锤击数临界值；N0是液化判别标准贯入锤击数基准值；β是调整系数，按设计分组取值；ds是饱和土标准贯入点深度（m）；dw是地下水位埋深，当地面位于水下时，取0。Mc是黏粒含量百分率（%），当小于3或为砂土时，应采用3。

1.2 NCEER法

NCEER法是在Seed简化法的基础上发展而来的，1971年Seed首先提出了砂土液化判别的简化方法，后来Seed、Idriss等相继对其进行了改进，1996年美国国家地震工程研究中心（NCEER）组织专家对之前的液化判别成果以及资料进行系统的分析总结，进一步对Seed简化法进行了改进和完善。

判别指标及抗液化安全系数（FS），计算如下：

式中：CRR7.5：7.5级地震的地基土的循环阻力比（抗液化强度比）；CSR：等效循环应力比（地震引起的水平剪应力比）。

MSF为震级标定系数，由下式给出：

式中：Mw：为震级。

等效循环应力比（地震引起的水平剪应力比）（CSR），计算如下：

式中：amax是地震产生的地面水平加速度峰值；g为重力加速度；σvo和σ′vo分别是总的和有效的垂直覆盖层应力；γd是通过公式估算的应力折减系数：

7.5 级地震的地基土的循环阻力比（抗液化强度比），计算如下：

式中：（N1）60是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，为考虑细粒含量的影响，将其修正为等效纯净砂土的（N1）60cs。

式中：α和β根据以下关系确定的系数：α=0，β=1.0，当FC≤5%时；α=exp[1.76-（190/FC2）]，β=[0.99+（FC1.5/1000）]，当5%＜FC＜35%时；α=5.0，β=1.2，当FC≥35%时。

式中：Nm是实测标贯击数；CN是上覆有效应力系数；CE是锤的能量修正系数；CB是孔径修正系数；CR是杆长修正系数；CS是是否装标贯衬管的修正系数。

2 海外工程实例

2.1 工程项目概况

巴基斯坦卡西姆PGLT液化天然气接收站码头工程是由巴基斯坦石油部主导建设的重要能源项目，位于巴基斯坦卡拉奇市东南的卡西姆港。本项目建设规模为一座LNG码头，停靠一艘17万方FSRU船，并靠一艘27万方LNG船。项目建成后将为巴基斯坦天然气管网每日提供7.5亿标准立方英尺的高压天然气。码头土建投资约5300万美元。码头采用“蝶形”离岸布置，泊位长度402m，中间布置工作平台1座（30m×30m），工作平台两侧分别布置靠船墩2座（22.5m×12m），布置系缆墩三座（首尾墩尺度15m×12m，横缆系缆墩尺度12m×9m），建筑平台一座（20m×36m兼有系缆墩作用），各墩（或平台）之间通过人行钢便桥联系；靠船墩中心距110m，可满足FSRU（170，150m3）船停靠要求；系缆墩中心距码头前沿线35m；码头港池设计泥面高程为-13.5m；工作平台顶标高7.5m，系缆墩顶标高7.5m；为保证码头正常生产运营，在建筑平台上设置消控楼一座内含控制室、变电所、发电机房、消防泵房、设备间等，建筑平台顶标高为7.5m。为满足FSRU码头通勤要求，在工作平台后沿设置小船泊位一座，可供日常维护补给小船靠泊使用。本项目工作范围包括码头工程，导助航设施工程，水工结构工程，疏浚工程等。如图1所示。

图1 项目地理位置图

2.2 液化判别及对比分析

本项目区域为滨岸相沉积地层，上部覆盖层分布粉质粘土、粉砂、细砂、粗砂，下部基岩为砾岩、砂岩及泥岩。项目位于Karachi东南2B地震带，地面类型a的参考最大地动加速度agr=0.18g，弹性反应谱的形状为1型。

项目区内存在公路桥梁、水运码头，分别通过公路抗震设计规范、水运抗震设计规范以及NCEER法对项目区内的20m以浅的饱和砂土层进行液化判别，判别结果及对比见表1。

表1 砂土液化判别结果表

通过判别结果及对比表分析：

①公路规范与水运规范液化判别结果基本一致，其中公路规范液化点占比48%，水运规范液化点占比40%，液化抵抗指数（抗液化指数）即N/NCR公路规范均小于水运规范；造成此差别的主要原因是因为两个规范对于标准贯入锤击数基准值的选取不同，公路规范根据设计基本地震动峰值加速度以及区划图上的特征周期进行取值，而水运规范根据设计基本地震加速度进行选取后根据设计地震分组进行调整。根据以往项目经验及计算公式分析，设计地震第一组地区，公路规范相对保守；设计地震第三组地区，水运规范相对保守；设计地震第二组地区，两种规范相当，但是地面下15m以浅公路规范相对保守；总体来说两种规范判别方法以及判别结果基本一致。

②NCEER法判别结果中液化点占比16%，与公路及水运规范的40%及48%相差较大，且液化抵抗指数（抗液化指数）即N/NCR大部分均大于国内两种规范的计算结果；造成此结果差异的原因主要是两种判别方法的差异，国内两种规范先通过初判，再根据可能液化地层现场的未经修正的标贯锤击数及其它因素如黏粒含量、地下水位、地震参数等进行复判；而NCEER法未进行初步判别，通过地基土的循环阻力比及等效循环应力比进行判别，考虑因素相对较多，包括了地震参数、上覆地层应力、有效应力，同时标贯值需经过两次修正，先将实测值修正为上覆有效压力为100kPa和锤击能量转换率为60%时的标贯击数修正值，再将此值修正为纯净砂的标贯值，CN为标准贯入的超荷修正系数；CE为标准贯入锤击能量比修正系数；CB为钻孔直径修正系数；CR为钻杆长度修正系数；CS为取样器类型修正系数；根据总体对比结果看，国内公路及水运规范相对NCEER法更为保守，NCEER法更为经济。

3 结论

①公路抗震设计规范与水运抗震设计规范液化判别原理一致，判别结果在不同设计地震分组区稍有差别，但是总体判别结果基本一致。

②NCEER法与国内两种交通规范判别相比原理有差别；NCEER法未提供初判过程，通过地基土的循环阻力比及等效循环应力比进行判别，考虑因素相对较多，包括了地震参数、上覆地层应力、有效应力，同时标贯值需经过两次修正；国内两种交通规范，提供初判过程，未经修正的标贯锤击数以及锤击数临界值进行判别，考虑黏粒含量、地下水位、地震参数等因素；通过对比分析国内规范判别相对保守。

③各种方法判别结果均由一定的差异性，本文依托巴基斯坦项目揭示判别方法以及结果上的差异性，各种项目均有各自适用的判别方法，应根据项目需要选取对应的方法进行判别。