地震液化判別方法對比分析

仇道健 湯慧卿 趙朝華

（1、黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州450000 2、中水北方勘測規劃設計研究有限責任公司，天津300000）

1 地震液化定義及液化機理

關于地震液化的定義，各種規范及文獻資料均大同小異，一般而言，地震液化是指少粘性土在震動作用下喪失承載能力，由固態變為液態的現象。

震動作用不是特指地震，也包括動力荷載或其它能引起震動的外力作用，因此，地震液化叫震動液化可能更加確切。少粘性土一般指砂土和粉土，在水利上包括砂土、砂壤土、輕粉質壤土等黏粒含量較少的多種土類。

地震液化機理，飽和土在震動作用下，土顆粒有移動和變密的趨勢，根據Terzaghi 有效應力原理，σ=σ'+μ，有震動作用且土體排水不暢的情況下，超靜孔隙水壓力增加，土體承擔的有效應力減少最終直至為0，此時，總應力均由水壓力承擔，土顆粒懸浮于水中，而水不能承擔剪應力，致使承載力喪失，地基變形，造成危害。

地震液化可使地基軟化，建筑物因而倒塌；大量飽和土可從地下如泉水涌出（泉涌），在地面堆積成丘；另一方面則使地下某些部位空虛，地面因而沉陷。主要表現：噴水涌砂；地面沉陷；地基失效；蠕動滑塌等。

2 液化初判常用方法

液化判別時宜首先進行初判，主要目的是事先排除一批不可能液化的工程，在工作量布置階段減少勘察工作量，避免重復工作，降本增效；另一方面，初判不液化的地層無需再進行復判，減少了技術人員計算工作量。

各規范規定的初判條件大同小異，歸納起來主要有以下幾條可以不考慮液化的條件：

①地震強度因素：地震烈度小于7 度的地區，但對沉降敏感的建筑物應按7 度考慮；

②地質因素：形成年代在Q3及以前的地層；

③地下水因素：非飽和土；

④土粒因素：黏粒含量百分比，7 度區大于10%，8 度區大于13%，9 度區大于16%；黏粒含量測定必須采用六偏磷酸鈉作為分散劑，采用氨水等其它分散劑時需按規定換算；

⑤覆土因素：采用淺基礎時，厚度和地下水位深度符合一定條件時，可不考慮液化影響；

3 液化復判常用方法

我國現行勘察規范中提供了多種地震液化的評價方法，多以原位測試方法進行評價，如建筑抗震設計規范推薦標貫法，巖土勘察規范推薦標貫法、波速法和靜探法，油氣田行業推薦波速法，公路行業推薦靜探法，水利水電行業推薦的標貫法、相對密度法、相對含水率、液限指數法和波速法，水運行業推薦標貫法，鐵路行業推薦標貫法和靜探法等等。總體而言，標貫法最為常用，其他方法可作為輔助判別。因各種方法有各自的優缺點，因此，建議采用多種方法綜合判斷，相互印證。

國內外歷次大地震震害表明，平面不規則、質量與剛度偏心和抗扭剛度太弱的結構，在地震中遭受到嚴重的的破壞。國內一些振動臺模型試驗結果也表明，過大的扭轉效應會導致結構的嚴重破壞。JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》規定了高層結構的位移比與周期比的限值，目的主要是限制結構的扭轉效應。

3.1 標貫法

標貫法是基于國內地震特別是唐山海城等大地震現場實測資料進行統計分析，同時借鑒國外液化評價成果和經驗建立起來的，是基于實際地震時液化調查而建立的液化判別方法，缺乏理論基礎，但是由于積累了大量的標貫數據，與實際情況較為一致，是一種可靠的判別ρ 方法，這也是目前我國規范多推薦標貫法的原因。

采用標貫法判別深度為20m，在使用過程中，各規范計算公式基本一致，均采用標貫實測擊數進行，但水利工程和水運工程中，因建成后和建成前水位變化較大，因此要對標貫擊數進行地下水位修正。不同規范其判別公式及修正公式略有差別，實際計算時可按不同工程類別分別采用不同的計算公式。

①建筑抗震設計規范（GB50011-2010）和巖土工程勘察規范（GB50021-2001（2009 年版）提供的計算公式如下：

④水運工程抗震設計規范（JTS146-2012）提供計算公式如下：

3.2 波速法

采用波速法判別深度為15m，當實測波速小于臨界波速時即判為液化，其臨界波速值計算公式如下：

3.3 靜探法

巖土工程勘察規范條文說明中規定，采用靜力觸探試驗判別液化，當實測計算比貫入阻力ps或實測計算錐尖阻力qc小于液化比貫入阻力臨界值pscr或液化錐尖阻力qccr時，應判別為液化土，并按下式計算：

αω、αμ和αρ分別為地下水、上覆非液化土層厚度和土性修正系數。

而鐵路工程抗震規范中提出采用，當實測貫入阻力Psca 小于液化臨界貫入阻力Ps'時，應判為液化土。其臨界貫入阻力計算公式為：

3.4 相對密度法

水利水電規范提供了相對密度判別的方法，飽和無粘性土（包括砂和砂礫）的相對密度小于臨界相對密度時判為液化，臨界相對密度在0.05g、0.10g、0.20g、0.40g 時分別為65、70、75 和85。相對密度的計算公式為Dr=（emax-e0）/（emax-emin）=[（ρd-ρdmin）ρdmax]/[（ρdmax-ρdmin）ρd]。

3.5 相對含水率法或相對液限法

水利水電規范同時提供了相對含水率法和液限法，規定如下：

①當飽和少黏性土的相對含水率≥0.9 時，或液性指數≥0.75 時，可判為可液化土。

②相對含水率按下式計算：Wu=Ws/WL，Ws 為少黏性土的飽和含水率，WL為少黏性土的液限含水率。

③液性指數按下式計算：IL=（WS-WP）/（WL-WP）。

其它還有簡化SEED 法、CSR（等效循環應力比）法、動三軸試驗法等。

4 液化等級的判定

當判定為液化的土層需要進行液化指數的計算，依據每個鉆孔的液化指數，判定液化等級，遵循“逐點判別、按孔計算、綜合判定”的原則。

鉆孔的液化指數根據下式計算：

當采用靜探法時，應先按靜探成果進行地質分層，上式中Ni/Ncri以ps/pscr或者qc/qccr代替，ps、qc及di采用平均值。而wi如何取值各規范均有具體規定。

根據液化指數判定液化等級，建筑抗震和巖土勘察規范中二者對應關系見下表，其它行業規范中規定有不同的界限標準，例如《室外給排水及熱力管道抗震設計規范》規定按判別深度不同采取不同的界線標準。根據液化等級，針對不同的建筑物、基礎形式、重要性和危害程度等采取不同的液化地基處理方案，一般分為不處理、部分處理和全部處理三個層次，具體處理方法可按相關規范執行，需要指出的是不是所有的液化土層都需要處理，但同時上部荷載較小的工程，比如給排水管道，地震液化時不僅會產生地基沉陷還會產生管道上浮現象，也需要進行地基處理。

5 結論

目前，建筑、鐵路、公路、核電、水運、水利水電等都有自己的抗震設計規范，標貫、靜探和波速等指標的判別方法較為成熟，跟土的液化特性具有較好的相關性，因此上述規范多以此三種方法作為判別標準，但這些公式都是基于經驗公式和概率統計的基礎上建立起來的，有其區域性和不確定性，各種方法考慮因素不一，各有其優缺點，因此，為較準確的判定場地液化情況，需采用多種方法綜合判斷，建議以標貫法為主，以靜探法和波速法為輔助判別方法。

隨著數學方法和計算機技術的不斷發展，對地震液化的研究逐步深入，新的判別方法也在不斷地嘗試和創新，比如神經網絡法、概率判定法等，同時對飽和黃土和礫類土的液化問題也在不斷深入研究中。