美國NCEER簡化判別法在砂土液化判別中的應用

胡龍虎，王新強

（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）

美國NCEER簡化判別法在砂土液化判別中的應用

胡龍虎*，王新強

（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）

介紹了美國地震工程研究中心改進后的簡化判別法的判別步驟，對國內某工程場區的飽和砂土地基進行了液化判別，并將判別成果與國內規范規定的判別方法的成果進行對比，得出一致的結論。

液化判別；循環應力比；循環阻力比；標準貫入試驗

1　概述

土體液化是指飽和狀態的砂土或粉土在一定強度的動荷載作用下表現出類似液體性質而完全喪失承載力的現象。砂土液化判別是巖土工程實踐中需要解決的一個重要問題。

H.B.Seed和Idriss于1971年提出簡化判別法，用于評價自由場地的液化問題，該方法在全世界內得到廣泛應用。隨著研究的深入，Seed于1979年，Seed和Idriss于1982年，Seed et al.于1985年分別發表文章對簡化判別法進行修改。1985年，美國研究協會召開研討會對簡化判別法進行全方面的修訂與更新并發表成果報告，該成果作為砂土液化判別的標準被廣泛的應用。1996年，美國地震工程研究中心（NCEER）召開研究會，總結砂土液化最新研究成果并對簡化判別法作出了進一步的改進。通過介紹NCEER改進后的簡化判別法（以下稱為NCEER法），用該法對某工程場區地基飽和砂土進行液化判別，將判別成果與國內規范規定的判別方法的成果進行對比，得出了一致的結論。

2　NCEER法介紹

簡化判別法是基于循環應力比CRS和循環阻力比CRR的比值建立關系的。NCEER法的液化判別公式為：

式中：CRR7.5——震級為7.5時的循環阻力比；

CSR——循環應力比；

MSF——震級比例系數，NCEER建議按表1取值；

FS——安全系數，若大于1，則表示該計算點判別結果為不液化，若小于1，則表示液化。

判別步驟如表1所示。

表1　震級比例系數MSF取值范圍

2.1CSR的計算

按式（2）計算CSR：

式中：τav——地震產生的平均循環剪應力；

amax——由地震產生的地表水平峰值加速度；

g——重力加速度；

σvo——計算深度處的豎向總應力；

σ′vo——計算深度處的豎向有效應力；

rd——應力折減系數。

用式（3）估算。

2.2CSR7.5的計算

相比從室內土工試驗測試得到CRR7.5，NCEER認為通過現場原位測試方法獲取CRR7.5數值更為方便和可靠，包括標準貫入試驗（SPT），靜力觸探試驗（CPT），剪切波速測試（Vs）和貝克貫入試驗（BPT）等。本文中介紹通過SPT計算得到循環阻力比CRR7.5，由式（4）計算：

式中：（N1）60——將上覆有效壓力調整為100kPa時和將錘擊能量轉換率調整為60%時的標貫擊數修正值。

砂土抗液化強度隨著細粒含量（粒徑小于0.075mm）的增加有明顯提高的趨勢，為考慮這一影響，NCEER法建議用式（5）對含有細粒的砂土（N1）60值進行修正：

式中：（N1）60cs——經過修正后等效純砂土標貫擊數；

α、β——修正系數，按下式取值（FC表示細粒含量）：

修正標貫擊數（N1）60和實測標貫擊數Nm的換算關系見式（8）：

式中：CN——上覆有效壓力修正系數；

CE——錘擊能量效率比修正系數；

CB——鉆孔直徑修正系數；

CS——取樣方法修正系數。

各系數取值方法及范圍見表2。

表2　SPT修正系數

3　工程實例應用

國內某重油加工工程廠區及碼頭庫區項目三標段包括原油罐區、汽油成品油罐區、柴油成品油罐區、污水處理場及輔助設施等內容。場區為沙丘地貌，在勘探深度15m范圍內所揭露的地層，主要為新近人工填土（Q4ml）、第四系風積層（Q4eol）、第四系沖積層（Q4al）、第四系海陸相交互沉積層（Q4mc）。擬建場地地下水類型主要為孔隙潛水，大氣降水及地表水為其補給來源，以蒸發及徑流方式排泄，地下水位較高，穩定水位埋深平均值為0.4m，場地地下水變化幅度受氣候季節的影響較大，液化計算時統一取地下水位dw=0.0m。砂土液化判別是該場地巖土工程勘察的主要內容之一。本文中對某輔助設施區域（16個鉆孔）進行液化判別，該區域15m范圍內的地層及描述見表3（場區①層素填土在本次液化判別區域沒有分布）。

表3　場地地層

場區位于7度近震區，震級取Mw=6.5，根據表1取震級比例系數MSF=1.5；地表水平峰值加速度取amax= 0.15g。用NCEER法對該場地的②-1層、②-2層、②-3層、②-4層進行液化判別。判別結果顯示16個鉆孔中10個鉆孔無液化可能性，6個鉆孔有液化可能性。6個有液化可能鉆孔的判別成果表如表4所示，由于篇幅所限，其他數據略。計算結果表明，上部土層②-1層細砂（2個計算點）和②-2層粉細砂（5個計算點）存在液化可能性，下部土層②-3層粉細砂、②-4層細砂的所有計算點的安全系數均大于1，不存在液化可能性。

表4　NCEER法液化判別成果表

為了驗證NCEER法判別結果的可靠性，按照國內規范《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）規定的液化判別方法（下稱SPT法，具體判別公式詳見該規范有關內容），對本場地地層進行液化判別，其中標貫擊數基準值N0按7擊考慮，地下水位dw按0.0m考慮，經判別：場地16個鉆孔中，其中5個鉆孔存在輕微液化，液化土層為②-1層細砂（1個計算點）和②-2層粉細砂（6個計算點）。

由判別成果對比可知，對本場地地基飽和砂土的液化判別，NCEER法和SPT法所得到的結論基本一致。

4　結論

在本工程場區地基飽和砂土液化判別中，NCEER法和SPT法的計算結果基本一致，說明了NCEER法在本工程砂土液化判別中的可靠性。同SPT法一樣，NCEER法也是液化判別經驗方法，由于本文中數據有限，需要更多的工程實踐去總結與更新。

NCEER法是國際上液化判別廣泛應用的方法之一，隨著我國經濟快速發展，國際市場的不斷開拓，該法將被更多的工程技術人員應用于海外項目的液化判別。

［1］ National Center for Earthquake Engineering Research.Liquefaction Resistance of Soils：Summery Report from The 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF Workshops on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils.Journey of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2001（10）.

［2］王剛，張建民.地震液化問題研究進展［J］.力學進展，2007，37（4）.

［3］戴洪軍，郭孔中，Damien L’EXCELENT.幾種不同液化計算方法的對比分析［J］.工程勘察，2006（9）.

［4］陳國興.對我國六種抗震設計規范中液化判別規定的綜述和建議［J］.南京建筑工程學院學報，1995（2）.

［5］GB50011-2010建筑抗震設計規范［S］.

TU44

B

1004-5716（2016）07-0015-04

2015-06-27

2015-07-01

胡龍虎（1989-），男（漢族），河北邢臺人，助理工程師，現從事巖土工程勘察方面的工作。