砂土地基液化判別方法標準與比較分析

錢明

(中國石油工程建設公司華東環境巖土工程分公司，山東 青島 266071)

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砂土地基液化判別方法標準與比較分析

錢明

(中國石油工程建設公司華東環境巖土工程分公司，山東 青島 266071)

[摘要]目前國內外已出現有多種液化判別方法，但由于不同方法的判斷依據不同，各自在不同條件下的計算精度有時也差別較大，采用不同方法判別砂土液化可能性時會得出不同的、甚至是相反的結果。為了能夠準確判斷砂土的液化勢，介紹了目前常用的幾種砂土液化判別方法，在此基礎上，結合工程實例的典型現場實測數據，應用我國規范法和抗液化剪應力法進行了判定、評述和比較分析，并基于分析結果提出了合理的砂土液化勢判別方法和標準。

[關鍵詞]砂土液化；Seed簡化法；抗液化剪應力；原位測試

目前國內外已有多種砂土地基液化判別方法，但由于不同方法的判斷依據不同，各自在不同條件下的計算精度有時也差別較大，采用不同方法判別砂土液化可能性時會得出不同的、甚至是相反的結果。抗液化剪應力法是基于1971年提出的Seed簡化分析法，是目前普遍接受的砂土液化判別方法之一[1]。該方法不斷改進，美國國家地震工程研究中心(NCEER)建議的砂土液化判別簡化方法是Seed簡化分析法中最具代表性的[2]。而臨界標準貫入擊數法和靜力觸探試驗法屬于經驗分析法[3,4]，是在分析、統計世界各地廣泛的的地震液化震害調查基礎之上，建立的經驗準則和公式。劉漢龍等[5,6]引入概率法，運用累計疲勞規律表示剪應力循環的累積效應對自由平坦場地的液化勢進行判別。但概率法目前還處于發展階段，工程應用該法進行預測的實例還不多。室內試驗分析法是通過隨機加載的三軸試驗、振動臺試驗、離心機試驗[7]來模擬在地震時土的應力狀態。土層反應分析法[8]是砂土液化動力分析方法的液化判別上的應用，考慮因素可以很多，計算較嚴密，但關鍵是材料參數和荷載參數要選擇適當、合理，這有一定難度。

目前判別砂土液化可能性的方法主要有2大類：一是經驗法，即以地震現場液化調查資料為依據，給出判定液化的條件和界限，它不僅直觀，而且可自動考慮一些影響液化的重要因素。我國規范建議的原位測試法即屬此類別；二是試驗-分析法，即以室內液化試驗和土體地震反應分析結果為依據進行判定，其可靠性取決于室內液化試驗和土體地震反應分析結果的可信程度，Seed簡化剪應力對比法就是此類的典型代表方法。

試驗-分析法理論基礎完善，可以綜合考慮諸多影響因素，但難點在于水下的飽和砂土很難取出不受擾動試樣，而且取樣代價昂貴，無法選用現場和室內均能精確測定的指標，多數只能采用重塑試樣。對于經過加固處理后的砂土人工地基，可以采用重塑試樣進行測定，但對于砂土天然地基，因受結構性影響較大，采用重塑試樣誤差較大。因此，該類方法在工程實踐中應用存在諸多困難。但如果能夠采用適當的原位測試方法來確定砂土的抗液化剪應力比，那無疑可以明顯增加剪應力對比法在工程實踐中的應用。下面，筆者主要結合工程現場測試結果，基于原位標貫試驗和靜探試驗對液化判別方法進行綜合比較分析。

1基于標貫試驗的液化判別方法比較

目前基于標貫試驗的液化判別方法主要有2大類:一是經驗方法，典型代表是我國《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)提出的臨界標準貫入擊數法；二是經驗理論結合的方法，比較典型的是美國國家地震工程研究中心提出的NCEER法。

廣東揭陽某擬建大型石化廠區[9]場地上部20m范圍內主要分布的土層是松散～中密的粉細砂層，該層在地震荷載作用下存在液化的可能性。基于場地D2試驗區夯前的典型標貫試驗結果，假設地震震級7.5，地下水位2.1m，分別采用臨界標貫擊數法和NCEER法對其液化可能性進行了判別，計算結果見表1和圖1。

表1　基于標貫試驗的液化判別方法比較

圖1　基于標貫試驗的液化可能性安全系數曲線

表1中規范法是采用實測標貫擊數與建筑抗震設計規范提供的經驗公式計算得出的液化判別臨界擊數進行比較。NCEER法是抗液化剪應力比(CRR)與SEED簡化法表示的周期應力比(等效循環應力比CSR)的比值，定義為砂土的抗液化安全系數。根據表1和圖1中的結果可知，規范法(臨界標貫擊數法)和NCEER法的液化判別結果總體規律基本一致，但規范法計算的液化可能性安全系數均大于NCEER法的計算結果，特別是15m以下的深層土體差別更大，說明相對于美國NCEER法，我國《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)規定的臨界標貫擊數法偏保守。

2基于靜探試驗的液化判別方法比較

我國目前工程上所使用的CPT液化判別方法為《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)條文說明中建議的判別方法，該法是以地震現場實測資料，用判別函數法統計分析得出了靜力觸探試驗液化判別法。國外主要根據 Seed提出的周期應力比 CSR與周期阻力比CRR(抗液化剪應力比)的比較來判斷液化場地，這也是最早提出的可判別具有水平地面自由場地液化的方法，其中主要的方法有Robertson法和Olsen 法。

基于場地D2試驗區夯前的一個典型靜探試驗結果，假設地震震級7.5，地下水位2.1m，我們分別采用臨界靜力觸探阻力法和Robertson法對其液化可能性進行了判別，計算結果如圖2所示。

根據圖2中的結果可知，由于我國《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)建議的方法與基于靜探試驗的Robertson法[10]在計算方法和標準確定依據上存在一定差異，因此兩者的判別結果在某些深度存在不一致，甚至出現相反的結果，Robertson法在大多數深度位置預測的液化安全系數低于或接近我國《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)的預測值。

3砂土液化判別方法綜合比較分析

圖2　基于靜探試驗的液化可能性安全系數曲線

根據上述分析以及前人的有關研究成果，目前國內外常用的幾種液化判別方法均有其局限性，其用于工程實踐的優勢和劣勢可以歸納如下：

1)基于室內試驗結果的抗液化剪應力法(Seed簡化法)，理論基礎明確，不但可以綜合考慮埋深、地下水位、覆蓋層厚度、震級或烈度等諸多影響因素，而且可以全面靈活地考慮地震動特性。但困難在于水下的飽和砂土很難取出不受擾動試樣，而且取樣代價昂貴，多數只能采用重塑試樣。對于砂土天然地基，因受結構性影響較大，采用重塑試樣誤差較大。因此，該方法在工程實踐中應用存在諸多困難，目前國外均采用基于標貫擊數的Seed簡化法。

2)我國的規范和我國有關單位所研究的方法，絕大多數都是經驗方法，如《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)提出的臨界標準貫入擊數法和《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)條文說明中建議的臨界靜力初探阻力判別方法等。這些方法是根據國內大量震害現象和地震現場實測數據統計建立的，可以考慮地震烈度的影響，實用性和針對性較強，且按規定計算及選取防震抗液化措施較簡單易行，試驗設備和試驗方法比較簡單。但這類方法大多未能考慮土類的影響，缺乏理論基礎，無法考慮地震動特性和震級等的影響。另外，標準貫入試驗存在設備和操作方法不規范、人為干擾明顯、測量數據離散性大、可重復性低等缺陷，且對于深層砂土的液化判斷偏于保守。

3)將剪應力對比法和原位測試技術結合在一起的方法，如基于標貫試驗的NCEER剪應力對比法和基于靜探試驗的Robertson剪應力對比法。這些方法將室內試驗以及理論研究的成果與原位測試技術結合起來，理論基礎明確，既可以考慮諸多影響因素，又具有明顯的實用性和可操作性，易于為工程界接受和采用。但目前該類方法的評價指標和判斷標準仍多為人為經驗確定，應用時間短，尚缺乏足夠的地震現場實測資料和工程實踐驗證。由于原位測試方法設備簡單，操作方便，特別是靜探法具有快捷、連續、經濟、可重復性高、系統誤差和偶然誤差相對較小等優點，隨著震害現場數據的逐漸積累、完善，該類方法特別是基于靜力觸探試驗結果的抗液化剪應力法，代表著液化判別方法的發展趨勢，無疑具有更好的應用前景。

由于以往人們在決定液化強度曲線時，往往帶有一定的主觀性，所確定的液化強度不一定就是地震時飽和砂土極限狀態的真實反映。因此，對某一特定砂層能否液化的判別只能是近似的估計，特別是對接近臨界條件的砂層，很可能出現誤判。目前現有的各種液化判別方法都具有這種性質，其差別只是誤判的原因和概率有所不同。現有的各種液化可能性判斷方法，各有其優勢及局限性，考慮到當前對地震及其液化機理的認識水平，目前和今后相當長的時期內，經驗方法仍是很重要的。對原狀砂土進行液化判斷時，應結合我國規范規定的經驗法，使用基于靜探試驗的抗液化剪應力對比法進行液化勢評價，以提高判定場地砂土液化勢的準確性。

4結論

1)我國規范提供的液化判別方法是根據國內現場測試數據統計建立的經驗方法，實用性和針對性較強，但缺乏明確的理論基礎，僅是按照烈度考慮的，無法考慮震級等因素影響。相應于國外同類判別方法，我國規范液化判別式偏于保守，會使一些工程投資大幅增加，另外標準貫入試驗還存在不連續、人為因素干擾大、可重復性差等局限性。

2)近年來提出的基于原位測試的抗液化剪應力對比法(Seed簡化法)，因其綜合了理論分析法和經驗法的優勢，隨著地震現場實測資料的逐漸積累完善和工程實踐的檢驗，基于原位測試的剪應力對比法，特別是基于靜力觸探試驗的剪應力對比法，無疑代表著液化判別方法的發展趨勢，將來具有更好的應用前景。

3)現有的抗液化剪應力對比法、臨界標準貫入擊數法和靜力觸探試驗法等液化可能性判斷方法，各有其優勢及局限性。鑒于現有各種測試手段的可靠性和可操作性，考慮到當前對地震及其液化機理的認識水平，對現場砂土進行液化判斷時，應結合我國規范規定的經驗法，使用基于靜探試驗的抗液化剪應力對比法進行液化勢評價，以提高判定液化勢的準確性。

[參考文獻]

[1]Seed H B，Booker R. Stabilization of potentially liquefial sand desposits using gravel drains[J]. Journal of Geotechnical Engineering Div, 1976, 102(7):1～15.

[2] Youd T L, Idress I M. Liquefaction resistance of soils: summery report from the NCEER and 1998 NCEER/NSF workshops on evaluation of liquefaction resistance of soils[J]. Journal of Geotechnical and GEO-environment Engineering, ASCE, 2001, 127(8):817～833.

[3]GB50011-2011，建筑抗震設計規范[S].

[4]GB50021-2001，巖土工程勘察規范(2009年版)[S].

[5]劉漢龍,陸兆臻,錢家歡.土石壩非線性隨機反應及動力可靠性分析[J]. 河海大學學報，1996,24(3):105～109.

[6] Pande G N, Zienkiewic C. Soil Mechanics -Transientandcyclicloadin[M]. London: John Wiely and Son, 1982.

[7] Lixun Sun. Centrifuge modeling and finite element analysis of pipeline buried in liquefaction soil[D]. New York:Columbia University,2001.

[8] Sasaki Y, Taniguehi E. Large scale shaking-table tests on the effectiveness of gravel drains for liquefiable sand deposits [J]. soil Dynamics&Earthquake Engineering Conference. Southampton, Balkema, Rotter-dam, 1982(10):843～857.

[9]周迅軍，張志豪，錢明，等.大型石化廠區軟弱地基土的加固處理研究技術報告[Z].北京:中國石油工程建設公司，2012.

[10]符圣聰，江靜貝.關于建立新的液化判別標準的建議[J].工程抗震與加固改造，2005,27(2):61～66.

[編輯]計飛翔

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)10-0052-04

[中圖分類號]TU398

[作者簡介]錢明(1971-)，男，碩士，高級工程師，現主要從事巖土工程技術方面的研究工作；E-mail：qdqianming@126.com。

[基金項目]中國石油工程建設公司科學研究與技術開發項目(CPECC2012KJ02)。

[收稿日期]2015-12-15

[引著格式]錢明.砂土地基液化判別方法標準與比較分析[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(10)：52～55.