飽和砂土液化判別方法中抗震規范與NCEER法的對比

張 義 陳曉鋒

（四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610041）

0 前言

飽和砂土液化是地震災區常見的一種地質災害，能引發建（構）筑物傾斜、倒塌、塌陷等，因此對飽和砂土進行液化判別是場地巖土工程評價的重要內容之一。目前，國內常用的判別場地飽和砂土液化情況的方法是根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010，2016 年版）推薦的標準貫入試驗判別法，以下簡稱“抗震規范法”。抗震規范法主要是根據國內外大地震的資料和室內液化試驗的研究成果確定，適用于地面以下20m 范圍內的飽和砂土的液化判別[1]。國外使用頻次較高的液化判別方法是SEED 法[2]。SEED 法最早是由Seed等人于1971 年根據美國和日本地震研究提出的砂土液化判別方法，是一種試驗-分析方，后又經過多次發展和完善。其基本概念是先求地震作用下不同深度土處的剪應力，再求該處發生液化所必需的剪應力（液化強度）。美國國家地震工程研究中心（NCEER）分別于1996 年、1998 年，組織專家組對之前25 余年的液化判別研究成果和資料進行系統總結，進一步對SEED 法進行了改進和完善，此種簡化的方法稱為“NCEER 法”[5]。因此，NCEER 法是以SEED 法為基礎演變的判別方法，目前被歐美、東南亞和非洲在內的大多數國家接受。該文通過工程實例，分別運用抗震規范法、NCEER法，采用標準貫入試驗判別法對飽和砂土進行液化判別對比分析。

1 砂土液化的機理

1.1 液化機理

在地震作用下，飽和砂土的土粒在重新排列的過程中，體積發生變化，松散的砂土在震動過程中有變得更緊密的趨勢；在短時間內孔隙水來不及分散排出，造成孔隙水壓力增大，土體有效應力減小。根據有效應力原理，砂土的抗剪強度如下。

式中：τ為土的抗剪強度，σ為土的總應力，μ為土的超靜孔隙水壓力，φ′為土的有效內摩擦角。

由公式（1）可以看出，當孔隙水壓力增加，土的抗剪強度降低。若振動強烈，而孔隙水壓力增長很快而又不能立即消散，當發展至μ=σ時，土的抗剪強度τ=0，此時，土粒完全懸浮于水中，砂層喪失了抗剪強度和承載能力，土體處于流動狀態，產生砂土液化現象。

1.2 砂土液化的主要因素

根據上述分析可知，場地的抗液化強度隨土粒的密度增大而增大，隨地下水的飽和度增大而降低，場地的有效應力越大，產生的孔隙水壓力消散越快，發生液化的可能性越小。理論上講，地基土上覆有效壓力越大，即埋藏深度越大，越不容易液化。因此，砂土液化的影響因素主要有以下幾點：1）土性條件；2）土層狀態；3）地下水條件；4）地震動荷載條件；5）土層應力條件等。

2 抗震規范法

根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010，2016 年版）第4.3 節[1]，首先對地面下存在的飽和砂土，按照地質年代、黏粒含量、淺埋天然地基見的上覆非液化土層和地下水位等三個條件，進行初步判別。若初判為液化、或考慮液化時，再根據標準貫入擊數的實測值N做進一步判別。將標貫的實測值N與計算得到的標準貫入錘擊數臨界值Ncr進行比較。當NNcr時，則判定不會液化。在地面下20m深度范圍內的液化判別標準貫入錘擊數臨界值Ncr，可按式（2）計算。

式中：Ncr為液化判別標準貫入錘擊數臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數臨界值；ds為飽和土標準貫入點深度；dw為地下水位深度；ρc為黏粒含量百分率，小于3 或為砂土時，應取3；β為調整系數，設計地震為第一組時取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

由公式（2）可以看出，抗震規范法對砂土液化判別的主要與地震動參數、黏粒含量、地下水位埋深及深度有關，標貫臨界錘擊數隨深度呈拋物線式遞增，與地下水位呈反比關系，與地震動加速度呈正比關系。

3 NCEER 法

國外常用的NCEER 法是在SEED 簡化法的基礎上發展而來的，其實質是將砂土中由地震動作用產生的剪應力與產生液化所需的剪應力（即在相應動力作用下砂土的抗剪強度）進行比較，后H.B.Seed 將上述理論簡化，利用成等效循環應力比CSR（地震引起的水平剪應力比）與地基土的循環阻力比（抗液化強度比）CRR的比較，當CSR>CRR時，砂土液化。

3.1 CSR 的計算

等效循環應力比CSR如公式（3）所示。

陳國興、胡慶興等建議，23

3.2 CRR 的計算

抗液化強度比可采用室內原狀樣試驗方法或現場試驗方法確定，工程實踐中主要采用標準貫入實驗現場原位試驗方法。NCEER 推薦采用圖1 所示曲線確定抗液化強度比。

如圖1 所示，CSR和標準貫入錘擊數關系的散點圖是以震級M為7.5 的地震現場考察結果為依據得到的。NCEER 建議的CRR 曲線適用于震級M約為7.5 級的地震砂土液化判別。圖1 中細粒含量含量Fc小于5%的分界線，稱之為純砂土基本曲線，如公式（5）所示。

圖1 抗液化強度比與修正標貫擊數的關系（震級M=7.5）

式中：（N1）60為將上覆有效壓力為100kPa 和錘擊能量轉換率為60%時的標貫擊數修正值，為考慮細粒含量對抗液化強度的影響，將含細粒的砂土（N1）60修正為等效純凈砂土（N1）60cs，見公式（6）。顯然含細粒含量越高，土的抗液化強度也越高。

式中：α、β為考慮細粒含量Fc的修正系數，當Fc≤5%時，α=0，β=1；當5%

對震級M≠7.5 時，應考慮不同震級對液化判別的影響，采用震級標定系數MSF進行CRR的修正。

MSF=102.24/M2.56（7）NCEER 也給出了MSF與震級M的關系表，見表1。

表1 MSF 與震級M 的關系表

在國內，對一般工程，常用到場地的地震動峰值加速度αmax和地震基本烈度兩個參數，通過國內外學者的研究，震中烈度I0與震級M之間一般有如下關系。

3.3 標貫擊數的修正

在圖1 及公式（5）中，標準貫入擊數都是需要進行修正的。國外常采用能量因子為60%時對應的標貫修正值，而影響N60修正的因素影響眾多，主要受鉆孔孔徑、取樣器是否裝襯管、桿長及錘擊能量傳遞效率等。對純凈的砂土，通常認為，其標貫擊數受上覆側應力影響較大，而側應力受上覆應力的影響，因此對砂土標貫修正時，還需考慮上覆側應力對標貫擊數的影響。因此，相應能量因子為60%對應的上覆應力為100kPa 時的標貫擊數（N1）60修正如公式（10）所示。

式中：Nm為實測標貫擊數；CN為上覆有效應力系數；CE為錘的能量修正系數；CB為孔徑修正系數；CR為桿長修正系數；CS為是否裝標貫襯管的修正系數。

修正系數CN可按公式（11）計算。

CE、CB、CR、CS是標準貫入測試系統的校正系數，對一定的測試系統，其對應的值是確定的，其系數的取值見表2。

表2 SPT 修正系數表

4 抗震規范與NCEER 法的比較

4.1 判別原理上不同

我國的抗震規范法以大量的現場液化與未液化實測數據為基礎，采用人工神經網絡模型，并結合結構可靠度理論，得到了不同地面加速度、不同地下水位和埋深的液化臨界錘擊數，是根據以往大量的地震經驗統計得出的經驗方法。雖然缺乏理論基礎，但簡單實用，便于工程人員掌握[1]。NCEER法在主要是基于室內試驗、地震經驗和現場測試結果建立的試驗分析法，該方法考慮了砂土的應力狀態、地震影響、細砂含量等，公式較為復雜，在實際使用過程中并不方便，但該方法具有一定的理論基礎，考慮的因素更多。

4.2 地震作用的影響

兩種方法都考慮地震對液化判別的影響。所不同的是，NCEER 法采用震級比例系數來反映不同震級對液化臨界曲線的影響，震級能反映震源釋放的能量等級，與地面峰值加速度有一定的對應關系。而抗震規范以地震基本烈度和設計地震分組來反映地震對場地和液化臨界標貫擊數的影響。

4.3 上覆土壓力的影響

一般地，上覆土層的有效應力σv′越大，則土體越不易發生液化。我國規范在計算Ncr時考慮了上覆土的厚度，相當于間接考慮了上覆土有效應力σv′對飽和砂土的影響；NCEER法在計算時則是直接考慮了上覆土有效應力σv′的影響。

4.4 細砂含量的影響

我國抗震規范法認為對液化起阻抗作用的細粒主要為黏粒，在粉土中需要測定黏粒含量，而在砂土中則不考慮黏粒的影響，因此高細粒含量土的抗液化強度被低估。NCEER法考慮了細粒土含量的影響，當Fc<5%時視為純凈砂，在Fc>35%時則按 35%考慮，因此對高細粒含量的土體，其抗液化強度也在一定程度上被低估。

4.5 標貫擊數的影響

我國抗震規范法和國外的NCEER 法均采用標準貫入試驗數據作為評價抗液化強度的指標；不同的是，抗震規范法則直接采用未經修正的標貫實測數據，有關地下水位、試驗點埋深的影響則體現在臨界錘擊數中，而NCEER 法須對實測標貫數據進行錘擊能量、桿長、上覆有效應力等方面的修正。

5 工程實例

某場地位于河流沖積階地上，區域地貌為侵蝕堆積地形之河漫灘及Ⅰ級階地、冰水堆積扇狀平原，地勢總體為南低北高。

場地地震動峰值加速度αmax為0.2g，基本烈度為VIII 度，地震分組為第三組，震級M為7 級。場地地下水為松散巖類孔隙水，地下水位5m，埋深淺，水量豐富。

場地地層較簡單，主要為第四系全新統沖積層（Q4al ），從上至下可分為：①粉質黏土，稍濕～濕，可塑，含較多砂粒，夾薄層粉砂、粉土，平均厚度約5m；②粉砂，濕～飽和，松散～中密，平均厚度約7m；③細砂，飽和，中密～密實，平均厚度約10m。地層條件見表3。

表3 場地地層基本條件

采用標準貫入試驗法，根據抗震規范法及NCEER 法分別對鉆孔內的標貫測試進行液化判別，其比較結果見表4。

表4 兩種液化判別方法結果比較

由表4。可以看出，基于標貫擊數的抗震規范法與NCEER法對場地砂土液化判別的結果基本一致，但明顯NCEER 法的場地液化安全系數要大于抗震規范法，表明抗震規范法在判別結果上偏保守。

6 結論

飽和砂土液化是地震災區常見的一種地質災害，能引發建（構）筑物傾斜、倒塌、塌陷等，造成巨大的損失。因此，對飽和砂土進行液化判別是場地巖土工程評價的重要內容之一。目前，國內外對地震液化的判別方法不盡相同，該文主要針對國內的《建筑抗震設計規范》和國外的NCEER法關于砂土液化判別方法的說明和比較，并用實例進行了對比驗算。結論如下：1）抗震規范法屬于經驗法，主要是以國內外大地震的資料和室內液化試驗的研究成果為依據，給出判定液化的條件和界限，適用于地面以下20m 范圍內的飽和砂土的液化判別。2）NCEER 法屬于簡化試驗-分析法，理論基礎完善，是由美國國家地震工程研究中心在SEED 簡化法的基礎上發展而來的，對SEED 法進行了進一步完善。3）抗震規范和NCEER 法比較而言，判別原理上不同，在地震作用的影響、細砂含量的影響、上覆土壓力的影響等方面也有一定差異，標貫擊數的考慮也不相同。4）根據工程實例表明，基于標貫擊數的抗震規范法與NCEER 法對場地砂土液化判別的結果基本一致，但NCEER 法的場地液化安全系數明顯要大于抗震規范法，表明抗震規范法在判別結果上偏于保守。鑒于工程案例和實驗數據不足，建議后期不斷豐富數據，進一步補充分析。