公路與鐵路規范飽和砂土地震液化判別準則對比分析

陳偉，李偉元

(1.中鐵二院成都地勘巖土工程有限責任公司，四川成都610031;2.云南省交通規劃設計研究院，云南昆明650011)

公路與鐵路規范飽和砂土地震液化判別準則對比分析

陳偉1，李偉元2

(1.中鐵二院成都地勘巖土工程有限責任公司，四川成都610031;2.云南省交通規劃設計研究院，云南昆明650011)

自飽和砂土地震液化初判與詳判中的試驗點深度、地下水埋深、地震動峰值加速度、黏粒含量幾方面入手，對比和分析《公路工程地質勘察規范》(JTG C20—2011)與《鐵路工程抗震設計規范》(GB 50111—2006，2009版)中砂土液化判別準則的差異，總結其中存在的問題。分析結果表明初判時兩者差異不大，采用標準貫入試驗詳判時，根據公路規范判定臨界錘擊數普遍大于或等于鐵路規范的計算值，公路規范的判定方法較鐵路保守。

地震 砂土液化 標準貫入 臨界錘擊數

地震時飽和松砂(含粉土)發生液化現象，使房屋傾斜、倒塌，地坪隆起、開裂，路基滑移縱裂，岸坡滑動。因此，地震液化的判定成為公路與鐵路地質勘察工作的重要內容。通過對新中國成立后幾次大地震如邢臺、通海、海城、唐山地震震區可液化土層的統計分析，同時借鑒國內外相關研究成果和經驗，公路和鐵路兩個行業形成各自獨立的液化砂土判別方法，液化判別均采用初判和詳判兩個步驟。

現行公路砂土液化判別相關技術規范有《公路工程抗震規范》(JTG B02—3013)、《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01—2008)與《公路工程地質勘察規范》(JTG C20—2011)。鐵路相關技術規范有《鐵路工程抗震設計規范》(GB 50111—2006，2009版)。其中《公路橋梁抗震設計細則》、《公路工程抗震規范》判別方法參考了《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2001，已作廢)，在此不進行討論。本文重點對比分析《公路工程地質勘察規范》與《鐵路工程抗震設計規范》中飽和砂土(含粉土)地震液化判別準則的差異。

1 初判準則對比

1)公路規范

飽和砂土液化初判準則第7.11.6～7.11.7條如下。

判別深度20 m，滿足以下三個條件之一可初判為不液化或不考慮液化影響:

①地質年代為第四紀晚更新世(Q3)及其以前時，可判為不液化;

②當抗震設防烈度為7，8，9度，粉土的黏粒(粒徑＜0.005 mm的顆粒)含量百分率分別不小于10%，13%和16%時，可判為不液化;

③基礎埋置深度不超過2 m的天然地基，當上覆非液化土層厚度和地下水位深度符合下列條件之一時，可不考慮液化影響。

式中:du為上覆非液化土層厚度，m;dw為地下水位埋置深度，m;db為基礎埋置深度，不超過2 m時，采用2 m;d0為液化土特征深度，在地震設防烈度為7，8，9度時粉土分別取6，7，8 m，砂土取7，8，9 m。

2)鐵路規范

初判準則第4.0.2～4.0.3條如下。

7度地震時判別深度為地面以下15 m，8度或9度時為地面以下20 m。滿足以下三個條件之一時，可不考慮液化影響，并不再進行液化判定:

①地質年代屬于上更新統及其以前年代的飽和砂土、粉土;

②土中黏粒含量百分比在抗震設防烈度為7度時＞10%，8度時＞13%，9度時＞16%;

③基礎埋置深度不超過2 m的天然地基，應符合液化初判圖(圖1)要求。

對比公路和鐵路規范可以看出公路與鐵路液化初判時均不考慮上更新統(Q3)及其以前砂土液化的可能。公路規范初判準則第2條對土的類別進行了限制，僅為粉土中黏粒含量達到要求時可判定為不液化，砂土無論黏粒含量多高均需要進行液化判定。初判第3條件看似差別較大，實則兩者對基礎埋深＜2 m的淺基礎判定大體相同，僅du+dw在液化初判圖中斜線邊界附近時，相較于判定公式(3)安全。但液化初判圖在使用中存在精度不高、使用不方便的問題。此時式(1)～式(3)中db=2，上述三式改寫為

圖1 液化初判

同時，也可以看到公路規范7.11.7條第3款中的db“不超過2 m時，應采用2 m”與前提“基礎埋深不超過2 m的天然基礎”表述的不合理之處。前提應改為“基礎淺埋的天然地基，當上覆非液化土層厚度和地下水位深度符合下列條件之一時，可不考慮液化影響”。

2 詳判準則對比

經初判可能液化的土層，公路和鐵路規范均規定可采用標準貫入試驗進行飽和砂土液化判別。

1)公路規范評判準則(第7.11.8條)如下

當N1＜Ncr(即N＜Ncr/Cn)時，為液化土。式(7)與式(8)中:N1為修正標準貫入錘擊數;Cn為標貫入錘擊數修正系數;N為實測標貫錘擊數;Ncr為修正的液化臨界標準貫入錘擊數;σ0為標貫點處土的總上覆壓力，σ0=γudw+γd(ds－dw);σe為標貫處土的有效覆蓋壓力，σe=γudw+(γd－10)(ds－dw);γu為地下水位以上土的重度，砂土取18.0 kN/m3，粉土取18.5 kN/m3;γd為地下水位以下土的重度，砂土取20.0 kN/m3，粉土取20.5 kN/m3;ds為標準貫入點深度;Kh為水平地震系數;Cv為地震剪應力隨深度的折減系數;ξ為黏粒含量修正系數，ξ=1－0.17ρ1c/2，ρc為黏粒含量百分率。

2)鐵路規范附錄B規定

當N＜Ncr時，為液化土。

式(9)～式(13)中:N0為臨界標準貫入錘擊數;α1為地下水位埋深修正系數，當地面常年有水且與地下水有水力聯系時，dw為0;α2為標準貫入試驗點的深度修正系數;α3為上覆非液化土層厚度修正系數，對于深基礎α3取1;α4為黏粒重量百分比Pc的修正系數。

上述公式同時受試驗點深度、地下水位埋深、地震動參數、黏粒含量、土質類別等因素影響。為方便與標準貫入實測錘擊數N對比，以Ncr/Cn表示公路標準貫入臨界錘擊數，Ncr表示鐵路標準貫入臨界錘擊數。受篇幅所限，在此考慮常見的地震基本烈度Ⅶ度、動峰值加速度0.10g，上覆非液化層厚度為0，飽和砂土黏粒含量為4%的組合，探討單因素變化對臨界錘擊數Ncr/Cn與Ncr的影響。當地震基本烈度、動峰值加速度，上覆非液化層厚度與黏粒含量為其他組合時，臨界錘擊數Ncr/Cn與Ncr的變化趨勢相似。

在相同的黏粒含量條件下，公路規范中式(7)、式(8)判定的飽和粉土與砂土的臨界錘擊數Ncr/Cn之間存在較小的差異，一般在0～0.3擊;鐵路規范中式(9)～式(13)判定的飽和粉土與砂土的臨界錘擊數Ncr一致。

2.1 ds對Ncr/Cn和Ncr的影響

為簡化計算，選擇地下水位1，3，6 m時予以分析，試驗點深度對Ncr/Cn與Ncr的影響見圖2。圖中1，2，3區分別對應設計地震第1，2，3組，即特征周期0.35，0.40，0.45 s。

從圖1可以看出，隨試驗深度ds增加，Ncr/Cn與Ncr總體為增加的趨勢，但ds在17 m以下時，鐵路Ncr出現減小趨勢，相鄰深度間差值不超過0.1擊。Ncr/Cn與Ncr總體出現增加的趨勢不能理解為隨深度的增加，深部的砂土比上部更易液化。隨埋深增大，砂土中有效應力增加，液化所需的超孔隙水壓力增大，液化越困難。隨深度增加實測錘擊數N增大，N－Ncr和N－Ncr/Cn越大。

由鐵路公式計算的Ncr在地震2，3區均較1區大，差值在1～3擊。這與建筑物在2，3區受地震危害較1區大的實際情況相符。水位埋深1，3 m時，地表淺部5～7 m公路Ncr/Cn與鐵路2，3區Ncr較為接近;5 m以下公路Ncr/Cn普遍較鐵路2，3區Ncr大，一般在1～5擊，差值隨地下水位增加而增大。

2.2 地下水埋深對Ncr/Cn和Ncr的影響

為避免與初判矛盾，選擇地下水位在0～6 m內變化，試驗點深度分別為6，12，18 m時，地下水埋深dw與Ncr/Cn和Ncr的關系見圖3。

地下水位0～6 m時，隨水位降低，Ncr/Cn與Ncr均呈現減小趨勢，鐵路為線性減小，公路為曲線降低。隨地下水位降低，水下飽和砂土液化趨勢顯著降低。

在相同水位時，除試驗深度ds=6 m時公路Ncr/Cn與鐵路2，3區Ncr較為接近(差值0～0.4擊)外，其余公路Ncr/Cn普遍大于鐵路2，3區Ncr，一般在1～4.3擊，兩者之間的差值隨試驗點深度增加而增加。

2.3 地震動峰值加速度對Ncr/Cn和Ncr的影響

在不同的地震動峰值加速度影響下，砂土的液化能力不同。公路Ncr/Cn與鐵路Ncr受地震影響程度分別體現在水平地震系數Kh與臨界標準貫入錘擊數N0的取值上，見表1。

圖2 試驗深度與臨界錘擊數關系

圖3 地下水位與臨界錘擊數關系

表1 水平地震系數Kh與臨界標準貫入錘擊數N0

在上覆非液化層厚度為0，黏粒含量為4%，地下水位為0，試驗點深度為6，12，18 m時，Ncr/Cn，Ncr隨地震動峰值加速度的變化關系見圖4。

圖4 地震動峰值加速度與臨界錘擊數關系

隨地震動峰值加速度增大，不同試驗深度的飽和砂土Ncr/Cn，Ncr均出現增加趨勢，相同地震動峰值加速度、同一試驗深度，鐵路2，3區Ncr較1區大，公路Ncr/Cn仍大于鐵路2，3區Ncr。Ncr/Cn－Ncr隨試驗深度的增加而增加，一般在0.4～3.8擊。雖然計算公式、取值均不同，但鐵路Ncr與公路Ncr/Cn曲線形狀大體一致，可見兩者受地震動影響程度基本相同。

2.4 黏粒含量對Ncr/Cn和Ncr的影響

飽和砂土、粉土隨黏粒含量增多，液化趨勢減弱，臨界擊數減小。公路規范黏粒含量修正系數參考1987年版《鐵路工程抗震設計規范》推薦的數值，現行鐵路規范與之相同，即鐵路臨界錘擊數Ncr與公路Ncr/Cn受黏粒含量影響程度相同。黏粒含量與修正系數α4和ξ的關系如圖5所示。黏粒含量越高，α4，ξ越小，Ncr/Cn，Ncr越小，飽和砂土越不易液化。

圖5 黏粒含量Pc與修正系數α4和ξ的關系

3 存在的問題

公路、鐵路對飽和砂土、粉土液化的判別均是建立在資料統計分析的基礎上，在實際工作中液化判別較準確，但均有不足之處。

1)根據SEED與NCEER液化判別理論，公路規范液化判別公式中采用標準貫入點處土的總上覆壓力σ0的大小查表確定標貫錘擊數修正系數Cn是錯誤的，應按標準貫入點處土的有效上覆壓力σe的大小，查表確定Cn值。由總上覆壓力σ0確定的臨界擊數Ncr/Cn普遍比相同條件下由鐵路規范確定的臨界錘擊數Ncr大。

2)公路規范中計算標準貫入點處總上覆壓力σ0和有效上覆壓力σe時，規定地下水位以上土重度砂土取18 kN/m3，粉土取18.5 kN/m3，水下飽和重度分別取20.0 kN/m3與20.5 kN/m3，與場地實際情況常存在較大差異，如覆蓋層為大面積深厚軟土、碎石土地區。

3)公路規范對地震動峰值加速度為0.15g，0.30g的地區未給出水平地震系數Kh值。

4)計算液化指數時，公路規范采用實測錘擊數Ni與臨界錘擊數Ncri是錯誤的，應采用修正錘擊數N1i與臨界錘擊數Ncri或實測錘擊數Ni與Ncri/Cni(Cni為i點錘擊數修正系數)組合。

5)目前普遍認為，在某一深度范圍內，標貫錘擊數臨界值應該隨深度的增加而增加。但試驗深度ds在17 m以下時，鐵路規范求得的臨界錘擊數Ncr出現減小趨勢，有待根據深部實際液化資料進一步驗證。

6)工程填挖方造成地下水位埋深、上覆非液化土厚度變化，是否應以工程正常使用后的情況進行復判，兩行業規范均未明確。

7)公路和鐵路規范對于黃土地區的實用性以及地震基本烈度為9度及以上時第四系上更新統飽和砂土、粉土是否液化的判別，目前缺乏實踐資料驗證。

4 結論

1)液化土初判時，對于飽和砂土、粉土能否使用黏粒含量來判別，在公路規范中僅限定為粉土，而鐵路規范未加限制。使用液化初判圖與初判公式對于埋深＜2 m的天然基礎判定結果大體相同。

2)采用標準貫入試驗詳判時，隨試驗深度ds增加，臨界錘擊數增大，地表5～7 m以下，公路臨界錘擊數Ncr/Cn普遍較鐵路Ncr大。

3)地下水位0～6 m內，隨水位降低，臨界錘擊數減小。相同水位公路臨界錘擊數Ncr/Cn均不小于鐵路Ncr。

4)隨地震動峰值加速度增大，臨界錘擊數增加。公路臨界錘擊數Ncr/Cn與鐵路Ncr受地震動影響程度基本相同。同一深度，地震動峰值加速度相同時，公路Ncr/Cn仍普遍大于鐵路Ncr。

5)飽和砂土、粉土黏粒含量增多，臨界錘擊數減小。公路臨界錘擊數Ncr/Cn與鐵路Ncr受黏粒含量影響程度相同。

6)公路砂土液化詳判準則較鐵路保守，兩者對飽和砂土、粉土液化的判別結果均存在較高的準確性，但均存在不足之處，有待改進。

［1］中華人民共和國交通運輸部.JTG C20—2011公路工程地質勘察規范［S］.北京:人民交通出版社，2011.

［2］中華人民共和國交通部.JTJ 004—89公路工程抗震設計規范［S］.北京:人民交通出版社，1989.

［3］中華人民共和國交通運輸部.JTG/T B02-01—2008公路橋梁抗震設計細則［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［4］中華人民共和國建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50111—2006鐵路工程抗震設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2009.

［5］尹志芳.有關砂土液化判別公式的一些探討［J］.福建建筑，2010(5):84-85.

［6］朱國祥，金淮，周玉鳳，等.現行不同規范中標貫法液化判別結果的對比分析［J］.工程勘察，2012(10):32-37.

［7］石兆吉，張榮祥，顧寶和.砂土液化判別和評價綜合方法研究［J］.地震工程與工程振動，1997(3):82-88.

［8］佘躍心.砂土液化判別方法可靠性評價［J］.巖土力學，2004，25(5):803-807.

［9］陳國興，胡慶興，劉雪珠.關于砂土液化判別的若干意見［J］.地震工程與工程振動，2002(2):141-151.

［10］佘躍心.關于飽和砂土液化判別方法的幾點思考［J］.公路，2002(8):52-55.

［11］程建龍，何亞斌，翟惠明.公路工程地震液化判別及液化指數相關問題探討［J］.交通標準化，2013(7):74-76.

［12］周江平，彭雄志，趙善銳.基于標準貫入試驗擊數與簡化西特法的砂層地基地震液化勢研究［J］.鐵道建筑，2004 (3):32-35.

［13］中華人民共和國鐵道部.TB 10001—2005鐵路路基設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

(責任審編李付軍)

U442.5+5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.28

1003-1995(2015)06-0109-05

2014-07-25;

2015-02-28

陳偉(1981—)，男，四川中江人，工程師，碩士研究生。