砂土液化判別國內外規范對比研究

陳閣琳，曹華峰，何紅國，楊麗丹（重慶一建建設集團有限公司，重慶 400053）

?

砂土液化判別國內外規范對比研究

陳閣琳，曹華峰，何紅國，楊麗丹
（重慶一建建設集團有限公司，重慶 400053）

摘要：砂土液化是地基失穩主要因素之一，液化判別是減輕震害的有效手段。國外主流液化判別方法與國內標準存在較大差異，該文從判別方法理論基礎角度出發闡述異同點。并列舉一應用實例，對比分析判別結論差異性。

關鍵詞：液化判別；改進簡化判別法；標準貫入試驗

0　前言

砂土液化是震中或震后產生地基失穩的主要因素之一，為減輕震害，場地土的液化預測和判別是減輕震害最直接和有效的手段。1971年日本新瀉地震發生后，Seed和Idriss發表了“簡化判別方法”作為液化判別的理論方法，定義了地震過程中飽和砂土液化激發機制的衡量參數—循環剪應力比CSR。從這以后不斷完善這個簡化判別方法，這方面里程碑的學者有Seed（1979），Seed和Idriss（1982）及Seed（1985）等發表的三篇論文。1985年Robert V.Whitman在國家研究委員會的資助下召集36位專家和學者對液化災害評估進行了徹底的討論。專家組提出一份報告（1985）成為后來對液化災害評估廣泛應用的標準和主要參考文獻。

1996年T.L.Youd和I.M.Idriss召集了20多位專家，依據近10年的科研成果研究發展液化判別方法。參照美國NCEER推薦值，給出了震級縮放系數（MSF）。2001年T.L.Youd和I.M.Idriss發表了總結報告［1］，總結了小組在砂土液化評估方面所取得的收獲。

國外在判別砂土液化時還提到一個概念是循環抗液化應力比（CRR），但地震產生的循環應力比CSR大于CRR時，判斷為液化場地；反之，判斷為非液化場地。對抗液化應力比CRR，可采用各種現場原位測試方法確定，主要是標準貫入試驗（SPT），靜力觸探試驗（CPT），以及適用于砂粒土地區的貝克爾方法（BPT）。常用是基于標準貫入試驗SPT來衡量抗液化應力比CRR，國內規范也采用現場SPT來衡量砂土的抗液化能力。

中科院工程力學研究所給出的我國第一個砂土液化判別公式，在此基礎上形成了 《工業與民用建筑抗震設計規范》TJ11-74［2］液化判別標準?？紤]到74規范在實際工程應用中存在的問題，謝君斐、劉穎等人對該判別標準進行了一系列的討論，并將74判別標準中的修正系數α、β分別給定為 “-0.1和0.1”，后此兩參數為《建筑抗震設計規范》GB50011-2001［3］采用。另外，在此規范的基礎上，考慮粘粒含量對飽和砂土抗液化能力的影響，01版建筑抗震設計規范和 《巖土工程勘察規范》GB50021-2001［4］加上了粘粒含量的修正，并加上埋深在15m到20m之間砂土液化的判別標準。

在海外項目實施過程中，依據現場試驗采用國內外判別規范得到結論不一致，給項目實施帶來一定影響。為積累經驗，本文擬將國內外判別規范進行對比，并應用在項目實例中，分析國內外主流規范對飽和砂土液化判別的異同。

1　國內外砂土液化判別方法

1.1國外判別方法

在地震波的作用下，土中會產生動態剪應力，其大小可由如下等式表達：

式中，σ0是全部上覆壓力；amax是地表的峰值水平加速度；rd為應力折減系數。

循環應力比是衡量飽和砂層在地震作用下發生液化的能力，可將上面得到的剪應力值對初始有效應力標準化得到：

在常規實際工程應用中，應力折減系數rd可采用Liao和Whitman（1986b）提出的方法來計算：

rd=1.0-0.00765z，z≤9.15m

rd=1.174-0.0267z，9.15m≤z≤23m

上式中z表示砂層埋深，單位為m。為方便計算，T.F.Blake采用上兩式中直線夾角的平分線來作為最終的應力折減系數如下：

z表示砂層地面以下的埋深，單位為m。

對純凈砂（粘粒含量小于5%）而言，A.F.Rauch給出了對應7.5級地震時飽和砂土循環抗液化比CRR近似曲線如下：

CRRM=7.5=1/［34-（N1）60］+（N1）60/135+50/［10x（N1）60+45］2-1/200（3）

其中，（N1）60是與現場試驗各種條件一致而對應純凈飽和砂土的標貫擊數，上式對（N1）60≤30有效，若（N1）60＞30純凈砂土很密實不會液化，劃分為非液化砂土。

考慮粘粒含量對砂土抗液化能力的影響，I.M.Idriss在R.B. Seed的協助下對標貫擊數進行如下修正：

其中，α，β為調整系數，分別取值如下：

除考慮粘粒含量和顆粒特征對SPT結論的影響外，還需考慮SPT在實施過程中上覆土壓力（CN）、錘形式（CE）、鉆孔直徑（CB）、桿長（CR）以及取樣器形式（Cs）對標貫擊數的影響：

各系數根據具體形式采用文獻［1］中表2中采用。

考慮到震級不同于7.5的場地，砂土液化安全系數采用下式計算：

式中MSF為震級比例因子，對不同于7.5級地震場地，諸學者提出對應的比例因子MSF，列于文獻［1］中表3中，Idriss提出的系數一般為下限；Andrus and Stokoe（1997）提出的系數一般為上限。

1.2國內規范判別方法

國內飽和砂土液化判別分為初判和復判兩個階段，飽和砂土或粉土，當符合下列條件之一時，可初步判別為不液化或可不考慮液化的影響。

（1）地質年代為第四紀晚更新世（Q3）及其以前時，7、8度時可判為不液化。

（2）粉土的黏粒（粒徑小于0.005mm的顆粒）含量百分率ρc，7度、8度和9度分別不小于10、13和16時，可判為不液化土。

（3）淺埋天然地基的建筑，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dw、d0、du、db分別為地下水位深度、液化土特征深度、扣除淤泥與淤泥質土非液化土層厚度、基礎埋置深度。

對復判從形式上看，國內砂土液化判別規范有兩種形式，即《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010和《公路工程地質勘察規范》JTG C20-2011［5］中提到的液化判別公式。建筑抗震規范是沿用上一版次中的判別形式，公路地質勘察規范采用新的形式，本文以建筑抗震規范中判別公式為對象，與國外判別方法進行對比分析。建筑抗震設計規范中臨界標貫擊數按下式計算：

式中，β為調整系數，根據場地地震設計分組確定。其他符號說明同上，其中的N0為標貫基準值，該規范按設計基本地震加速度取值。

一般將標貫擊數與臨界標貫擊數相比較，大于臨界標貫擊數認為是不液化，小于臨界標貫擊數則判為液化土層。

2　實例分析

南方沿海某項目中，根據 《中國只震動參數區劃圖》GB 18306-2001（08）及《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010，場區抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.2g，該場地地震動反應譜特征周期按0.35s考慮，設計地震分組為第一組，場地類別按Ⅲ類考慮?，F場三個鉆孔中代表深度標貫結果如表1所示。

表1　試驗段標貫成果圖

采用國內規范 《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010對上標貫成果進行復判，結果如表2所示。

表2　《建筑抗震設計規范》液化判別結果

根據上述提到的Seed&Idriss“改進簡化判別法”對上述標貫試驗砂層進行液化判別，得到表3所示的結果。

相比較而言，采用Seed&Idriss“簡化判別法”得到的液化判別結果與國內規范得到的結果完全不同。上述判別過程中，采用Seed&Idriss（1982年）提出的MSF系數0.94。若選擇下限Idriss提出的0.84，所得到的安全系數將更低，飽和砂土液化可能性更大。

表3　Seed and Idriss抗液化能力分析結果

3　結論

本文針對國內外飽和砂土液化判別過程進行了對比分析，初步得出如下結論。

（1）對砂土液化抵抗能的衡量上，國內規范采用在基準值的基礎上，考慮砂層埋深、含泥量、地下水位深度的影響，來源于地震現場液化調查經驗；國外規范則根據修正標貫擊數與CRR之間的關系得到對應含泥量15%循環抗液化應力比的公式，是基于歷史地震、現場調研得到的數據記錄擬合而成。從這點上看，國內外判別標準均來源于地震現場砂土液化調查資料歸納而得。

（2）國內規范對砂土形成地質年代，以及不同設防標準下飽和砂土含泥量進行初判，這一過程在國外規范中是未考慮；針對淺基礎，在基礎埋深、地下水位深度及基礎尺寸滿足一定要求時，可初判砂層為非液化土層，這點在國外規范中也未考慮。

（3）現場得到的標準貫入試驗值，國外規范對其進行了各種修正，再進行循環抗液化應力比CRR計算；而國內規范則直接采用現場采集得到的標貫擊數，不考慮現場試驗時諸多因素的影響。

（4）本文通過工程實例重點闡述砂土液化辨別方法的對比研究，針對國內與國外規范判別結論不一致的情況，建議仍以國內現行規范為準，國外規范結論作為參考。

參考文獻：

［1］T.L.Youd，I.M.Idriss.Liquefaction Resistance of Soil：Summary Report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSFWirkshops on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils ［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering，2001，127（4）：297-313.

［2］中國建筑科學研究院.TJ11-74工業與民用建筑抗震設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，1974.

［3］住建部.GB50011-2001建筑抗震設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2010.

［4］建設部.GB50021-2001巖土工程勘察規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2001.

［5］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.

責任編輯：孫蘇，李紅

曹華峰（1979-），男，湖北武漢人，博士，主要從事巖土檢測和原位試驗工作。

中圖分類號：TU441+.4

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）07-0053-03

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.07.053

收稿日期：2016-04-27

作者簡介：陳閣琳（1979-），男，湖南邵陽人，本科，高級工程師，總工程師，主要從事建筑施工技術。

Comparative Study on Liquefaction Discrimination Methods at Home and Abroad

Abstract：Liquefaction is one of the main causes of foundation instability，and liquefaction discrimination is an effective means to ease earthquake damage.The mainstream approach of liquefaction discrimination is quite different from that of other countries.From the perspective of the theoretical basis of discrimination methods，the similarities and differences of these methods are demonstrated，with one case presented to verify the results.

Keywords：liquefaction estimation；improved simplified discrimination methods；standard penetration test.