中美標準貫入試驗砂土液化判別方法差異性研究

孟永旭，丁曉慶，李 路，范勝華

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

0 引 言

砂類土地震效應表現為地震液化，屬地震直接災害。地震液化宏觀表現為地面噴砂冒水、地面開裂沉陷、建筑物及構筑物傾倒或側向滑移(基礎失效)。建于深厚覆蓋層的水電工程大壩，壩基砂土液化導致地基強度降低有發生壩體變形和失穩的風險，在勘察過程中應十分重視砂土液化問題，需對是否存在地震液化問題作出判別。國內外大壩工程地質勘察技術標準對砂土液化的判別均有明確的規定，我國規范砂土液化評價為強制性條文。

砂土液化評價主要根據原位試驗成果評估液化的可能性，其中采用標準貫入試驗(SPT)進行地震液化判別是常用的方法。眾多學者和機構通過研究提出不同的標準貫入試驗地震液化判別標準。GB 50287—2016《水力發電工程地質勘察規范》SPT法和美國內政部墾務局DS—13(13)—8《土石壩抗震分析和設計》SPT法，是海外水電工程地震液化評價主要方法。由于文化背景的差異，中國標準很難得到業主工程師或監理工程師的認同，有時采用Seed & Idriss“簡化判別法”，與我國水電SPT法的結果完全不同[1]。在海外項目勘察中采用哪種方法進行評價地震液化，是困擾工程技術人員的主要問題之一。

針對中外地震液化評價方法的對比分析，國內學者作了大量的研究工作，但其研究成果差異較大。曾凡振等[2]對中美抗震規范地基土液化判別方法進行了比較研究，認為兩國規范都采用以標準貫入試驗(SPT)為主的經驗判別方法，但美國規范考慮的液化影響因素較為全面，對于烈度Ⅷ度和Ⅸ度場地，我國規范的液化判別方法偏于不安全，而對地面以下15～20 m深度則偏于保守。佘躍心等[3]對比了我國GB 50011—2001規范液化判別公式與Seed簡化法的差異，Ⅶ度時N0=6時Seed法偏保守，而N0=10、16時我國規范公式偏保守。符濱等[4]研究認為，我國規范法相較Idriss法與NCEER法保守，NCEER法較Idriss法保守。袁曉銘等[5]對巴楚地震液化場地實測數據分析認為，理論上我國規范對巴楚地震液化場地的判別結果更偏于安全，但事實與之恰恰相反，現有的液化判別方法對巴楚地震給出的結果明顯偏于危險，抗震設防目標根據概率水準提出，地震動也具有概率的意義，但液化分析時采用的是確定法，明顯不相匹配。

中美地震液化評價標準評判的結果存在差異性已得到了較為一致的認識，但對采用哪個標準更為合理，當前的認識并不統一。中美標準差異性研究中很少深入探討中美標準貫入試驗的差異，這與其結論相左可能有較大的關系。吳曉東[6]對中外標準對標準貫入試驗規定進行了對比，SPT設備規格及試驗技術要求是基本相同的，但美標強調需進行設備能量比ERi的測定。實際上，標準貫入試驗的差異還有一項重要的差異，即中美標準貫入試驗對觸探桿直徑的要求不同，而觸探桿直徑對貫入擊數具有較大的影響是現實存在的。

本文對中美標準貫入試驗差異性進行分析，確定我國標準貫入試驗的能量比ERi為75%，常用φ42鉆桿相對于美標液化評價SPT標準鉆桿AW的桿徑系數為0.75左右。分別采用我國水電SPT法和美國墾務局SPT法，對海外實際工程砂土液化進行判別對比，結合歷史地震液化情況判別評價方法的合理性。

1 中美標準貫入試驗(SPT)的差別

1.1 試驗設備及方法

中美標準貫入試驗(SPT)進行砂土液化判別時，我國水電工程采用的標準為NB/T 35102—2017《水電工程鉆孔土工原位測試規程》；美國標準貫入試驗采用的是美國材料與試驗協會標準ASTM，主要有ASTM D1586—11《標準貫入試驗方法》和ASTM D6066—11《判斷砂土液化的標準貫入試驗實施規程》。中美標準貫入試驗在貫入器、錘擊系統和標準貫入擊數值方面基本相當。主要差異有2個方面：一是，美標要求進行能量比測試，而我國對此未規定；二是，試驗的鉆桿要求不同。

1.2 錘擊能量比

通常認為，我國標準貫入測試設備的能量比為60%。符濱等[4]對采用φ42鉆桿的我國標準貫入試驗設備進行了125個點的能量比測試，平均能量比ERi=85%。王建軍等[7]進行了5組280個點的能量比測試，平均能量比ERi=75%。研究表明，我國φ42鉆桿SPT能量比在75%～85%之間。

1.3 鉆桿型號

我國標準觸探桿的直徑NB/T 35102—2017規定為42 mm或50 mm。ASTM D1586—11規定鉆探設備符合ASTM D6169規定，其鉆桿規格符合ASTM D2113—14的規定。ASTM D6066—11明確規定鉆桿尺寸應限制在ASTM D1586—11允許范圍內，大多數液化數據是采用小鉆桿收集的，齊平接頭鋼AW或AWJ DCDMA鉆桿是數據庫中使用的典型鉆桿，對于超過50 ft(15 m)的深度，最好使用更大的桿件，如BW至NW尺寸[8]。從中美標準鉆桿型號與參數對比(見表1)可知，我國φ42鉆桿無論是其外徑還是單位長度質量均小于AW的參數，相對而言，φ50鉆桿與AW參數更為接近。

表1 中美標準鉆桿型號與參數對比

美國內政部墾務局DS—13(13)—8《土石壩抗震分析和設計》要求，地震液化評價的SPT必須按照ASTM D1586—11(一般用于SPT)和ASTM D6066—11(特定用于液化評估的SPT)規定進行，偏離測試標準會產生誤導性的結果。墾務局通常采用NW鉆桿，相對于AW或AWJ鉆桿，其分析結果可能差異很小[9]。

實際工作發現，φ42和φ50鉆桿的標準貫入試驗成果存在較大差異。龍燕明[10]指出，砂土和風化巖φ42和φ50鉆桿的標準貫入擊數比值(桿徑影響系數)為0.75～0.80。為研究鉆桿直徑對標貫擊數影響，上海勘測設計研究院有限公司在華能灌云300 MW海上風電場項目中進行不同鉆桿直徑標貫對比試驗，采用鉆桿直徑42 mm進行標貫試驗共566次，采用鉆桿直徑50 mm進行標貫試驗共147次，在沒有考慮錘擊能量比差異的影響下，桿徑影響系數在0.29～0.80之間，均值為0.60左右。可見，桿徑對擊數的影響是客觀存在的。

2 中美標準貫入試驗SPT砂土液化判別方法對比

2.1 我國水電SPT法

GB 50287—2016《水力發電工程地質勘察規范》[11]地震液化評價分為初判和復判，復判采用我國GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》(2016年版)[12]推薦的SPT法，水電工程地震液化評價考慮遠震影響，地震影響系數β(遠震和近震影響)取1.0。

水電SPT法采用對每個標準貫入試驗點進行逐點判別的方法。液化判別時采用水工建筑物抗震設防烈度對應的地震動峰值加速度值。通過對比計算得出的各標準貫入試驗點錘擊數臨界值Ncr與實測錘擊數N，判別地震液化的可能性，N

(1)

式中，N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值，在設計地震動加速度為0.10g、0.15g、0.20g、0.30g、0.40g時分別取7、10、12、16、19；ds為標準貫入試驗貫入點深度；dw為地下水埋深；ρc為土的黏粒含量百分率，小于3或為砂土時，取3。

工程正常運行時，標準貫入試驗貫入點深度和地下水位深度與進行標準貫入試驗時的貫入點深度和地下水位深度不同，需對標準貫入試驗實測錘擊數N進行校正，并按校正后的標準貫入試驗錘擊數N′進行判別，即

(2)

2.2 美國墾務局SPT法

Youd等在美國國家基金委(National Science Foundation)和國家地震工程研究中心(National Center for Earthquake Engineering Research)的資助下，提出了改進的Seed簡化方法。Idriss等[9]應用最大似然法(Maximum likelihood)原理，提出了以Idriss液化臨界曲線為依據的液化判別概率方法。美國內務部墾務局DS—13(13)—8《土石壩抗震分析和設計》采用了Idriss和Boulanger(2010)液化評價程序[13]。

SPT(或其他測試方法)本質上并不精確，包括有大量的不確定性，在液化判別時還需結合其他方法作出判定。液化評價中地震動參數采用工程抗震設計相同的概率水平，液化分析時需將每個標準貫入試驗實測錘擊數N修正至等效凈砂當量值(N1)60cs，并計算標準循環抗液化阻力比CRR7.5，σ=1，α=0和標準循環應力比CSR7.5，σ=1，α=0。每個標準貫入試驗區間的(N1)60cs確定之后，需選擇評價土層的代表性(N1)60cs值作評價參數，一般取平均值，概率風險可取2個或更多個有代表性的(N1)60cs值。

2.2.1 計算標準循環抗液化阻力比CRR7.5，σ=1，α=0

影響標準貫入試驗實測錘擊數N值的因素很多，落錘系統(包括落錘、錘墊、落錘釋放裝置)、鉆孔直徑、鉆桿類型、鉆桿長度、貫入器有無內襯等，均可能對N值產生影響。因此，液化分析時需將每個標準貫入試驗實測錘擊數N進行修正。考慮不同設備和現場步驟，修正后60%能量比的標準貫入試驗錘擊數N60為

N60=CECBCRCSN

(3)

式中，CE為鉆桿能量比修正系數，CE=ERi/60；CB為鉆孔直徑調整系數，一般取1.0；CR為鉆桿長度調整系數，鉆桿長度L為5～33 ft時，CR=0.009L+0.7，鉆桿長度L為33～100 ft時，CR=1.0，鉆桿長度L大于100 ft時，CR=1.0-0.001(L-100)；CS為貫入器無襯墊調整系數，不帶襯墊的(N1)60≤10時，CS取1.1，(N1)60≥30時，CS取1.3，10<(N1)60<30時，在其之間時取其線性插值，有襯墊，CS取1.0。考慮上覆壓力修正后的標準貫入試驗錘擊數(N1)60為

(N1)60=CNN60

(4)

(5)

(6)

式中，FC為細粒土含量，小于5%時取5，大于35%時取35。標準循環抗液化阻力比CRR7.5，σ=1，α=0計算公式為

(7)

2.2.2 計算標準循環應力比CSR7.5，σ=1，α=0

為了便于將不同震級、不同深度的土層進行比較，將液化或不液化土層的循環應力比CSR標準化為

CSR7.5，σ=1，α=0=CSR/(KαKσMSF)

(8)

式中，Kα為非水平地面CSR調整系數，Idriss和Boulanger也提出了非水平地面CSR調整系數Kα的經驗公式，方程十分復雜，準確確定Kα值需要采用有限元分析，計算地震前的滲流和水庫荷載條件下的表面靜態剪應力，工作量巨大。由于假定Kα=1，對精度損失很小，通常簡要分析時Kα取1.0；Kσ為有效上覆應力CSR調整系數；MSF為地震震級(用來確定荷載循環次數)的CSR調整系數。循環應力比CSR計算公式如下

(9)

(10)

式中，Cσ為系數。地震震級(用來確定荷載循環次數)的CSR調整系數MSF計算公式如下

MSF=6.9exp(-Mw/4)-0.058

(11)

2.2.3 液化判別

液化判別采用確定法和概率法。確定法公式為

FS=CRR7.5，σ=1，α=0/CSR7.5，σ=1，α=0

(12)

式中，FS為液化安全系數，FS<1.0為液化土；如果CSR與CRR相同，液化或循環破壞的概率約為15%。液化概率法采用IB模型，對于給定的(N1)60cs和CSR7.5，σ=1，α=0，其標準循環應力比CSR7.5，σ=1，α=0超過標準循環抗液化阻力比CRR7.5，σ=1，α=0的概率PL(N1)60csCSR7.5，σ=1，α=0為

(13)

式中，Φ[x]為x的標準正態累積分布函數；σln(R)為(N1)60cs給定值的CRR標準偏差，假設(N1)60cs的所有值為常數，等于0.13。

2.3 地震液化判別方法差異性分析

中美SPT砂土液化判別方法均是根據地震液化資料建立的經驗性方法。對比兩國的評價標準，主要差異表現在以下幾個方面：

(1)液化判別公式的理論依據。美國地震液化評價方法理論依據為Ishihara(1977)100%孔隙率的周期應力率公式，判別公式各項指標的物理含義較為清晰。我國SPT法是在基本模型Ncr=N0[1+βw(dw-2)+βs(ds-3)]基礎上發展起來的[2]，評價方法主要考慮地震加速度、上覆土壓力及砂土黏粒含量的影響，基本模型是基于地下水埋深和砂土埋深與基準擊數的線性關系，物理含義并不清晰，在海外水電工程中難以向業主工程師或監理工程師進行合理的解釋。

(2)地震影響參數的選擇。美國地震液化評價方法考慮了震級及地面加速度的影響，地震動參數采用工程抗震設計相同的概率水平。我國SPT砂土液化評價中采用水工建筑物抗震設防烈度對應的地震動峰值加速度值，未考慮震級大小的影響，根據地震設防烈度進行評價時，設防烈度為Ⅵ度時一般不進行地震液化評價，由于沒有充分考慮地震震級的大小，對烈度區(特別近場區有發生中強震的)偏于不安全。據汶川8.0級地震液化震害調查結果，Ⅵ度區不僅有液化現象，而且有明顯的液化震害[14]，對Ⅵ度區時不進行液化判別不合理。我國地震烈度的劃分中，其動參數取值為其分區值的下限，采用的地震動參數值為偏低值，可能小于該區可能遭受的地震影響，按設防烈度確定地震動參數進行評價的方法不合理。

(3)標準貫入試驗擊數選取。我國液化數據中的河源、邢臺、通海、唐山、海城地震，唐山、通海和海城3次地震數據占總數的85%，唐山地震數據占60%[4]。除唐山地震、海城地震數據中的標貫擊數是通過現場標貫試驗給出外，其他幾次地震中液化數據的標貫擊數是采用輕便針釬技術得到的釬探擊數換算而來的。美國地震液化數據庫的數據資料大部分來自于美國和日本的地震液化實例。陳國興等[15]依據美國和我國液化數據庫，按Idriss-Boulanger液化臨界曲線的基本形式，分別確定了2個數據庫的液化臨界曲線，我國的曲線位于美國曲線的內側，減小了液化區，單從曲線分析，美國標準偏于安全。我國標準貫入試驗未進行錘擊能量比修正，且采用的φ42鉆桿直徑明顯小于美標的規定，修正后的標準貫入擊數，我國液化臨界曲線位于美國曲線的外側，即增大液化區。在地面下15～20 m深度范圍內，我國建筑抗震設計規范地震液化評價方式比Seed法標貫擊數大3.0～9.9擊，我國規范評價標準偏于安全[2]。

(4)評價方法。我國規范采用SPT進行復判和逐點判別的方法，由于測試成果受多種因素的影響，本質上不精確，采用不精確的試驗值評價結果必然存在不確定性，在工程應用經常出現一個鉆孔各測試點的判別不一致和同一場地不同孔的判別結果不一致的情況。美國標準采用同一土層的代表性值作為評價依據，相對更能較好地反應土層的性質，采用確定法和概率法進行判別，且確定法結果也給出可能概率，符合水電工程抗震設防基于概率水準的要求。

(5)細粒土的影響。我國標準中考慮了黏粒含量對液化的影響，但為砂土時應取3，將公式黏粒含量的影響僅限制在粉土的范圍內，實際上砂類土并不考慮細粒土的影響。細粒含量FC對砂土液化的影響尚存在不同的觀點，自然界中基本不存在純凈的砂土，或多或少含有少量細粒土，考慮細粒含量FC對砂土液化的影響是必要的。

3 中美SPT砂土液化判別方法在海外工程中的應用

尼泊爾塔馬柯西3水電站位于尼泊爾中部的第三省松柯溪河左岸一級支流塔馬柯西河上，為蓄水式電站，總機容量186 MW。大壩為混合壩型，兩岸擋水壩段為粘土心墻堆石壩，最大壩高46.5 m，泄水壩段為混凝土閘壩，最大壩高30m。根據《工程場地安全性評價報告》壩址區50年超越概率10%、5%和2%的地面場地震液化評價動參數PGA分別為0.30g、0.46g和0.65g。地震危險性主要來自距工程區30 km的8.2級潛在震源區的影響。按我國標準工程抗震設計標準采用50年超越概率10%的地震動參數(0.30g)，而《尼泊爾水電項目研究指南》(2003)工程采用最大設計地震(MDE)的地震動參數，相當于50年超越概率2%的地震動參數(0.65g)。

壩址河床覆蓋層厚37.0～60.3 m，由全新統沖洪積層和更新統冰積層組成。ZK25孔以灰～深灰色中細砂為主，夾有少量漂卵，局部混雜粘土團塊，細粒土含量小5%。標準貫入試驗采用我國設備φ42鉆桿，錘擊能量比取75%，桿徑影響系數取0.75，采用我國水電SPT法和美國墾務局SPT法對其液化進行判別。場地地震液化評價動參數PGA取0.30g，地震震級MW為8.2。地震液化評價結果見表2、3。

表2 我國水電SPT法地震液化評價結果

從表2、3可知，工程場地遭遇50年超越概率10%地震，我國水電SPT法判別該層存在液化問題，美國墾務局SPT確定法判別為不液化，概率法的液化概率為0.13；50年超越概率2%地震美國墾務局SPT法判別該層為液化土，概率法的液化概率為1.0。

表3 美國墾務局SPT法地震液化評價結果

根據我國抗震設計標準和尼泊爾標準，該層為液化土。由于兩國的抗震設計標準不同，且我國抗震設計標準低于尼泊爾，難以得到業主工程師的認可。

2015年4月25日14時11分，尼泊爾博克拉以東67 km(28.231°N 84.731°E)發生7.8級地震，震源深度8.2 km。根據USGS資料，塔馬柯西3水電站壩址地震動峰值加速度達0.50g。根據我國國家地震局對其影響烈度的分析，工程區地震影響烈度為Ⅷ度，現場調查并沒有發現工程場區及附近的區域有地震液化現象。從歷史地震宏觀災害分析，50年超越概率10%的地震動參數為0.30g時工程場地不存在砂土地震液化問題，說明我國水電SPT法相對較為保守，而美國墾務局SPT法評判結果更加符合工程實際。

4 結 語

中美SPT砂土液化判別方法均是基于地震液化資料建立的經驗性法，采用SPT法進行液化判別存在一定的不確定性。我國SPT砂土液化判別方法總體上偏于保守，且存在理論依據不充分、對標準貫入試驗未進行修正、地震震級的影響考慮不充分等方面的問題，不利于在海外水電工程中應用。通過在海外水電工程的實際應用，美國墾務局SPT法評價結果較我國水電SPT法更符合實際情況，海外水電工程地震液化宜采用美國墾務局SPT法進行判別。

美國墾務局SPT法涉及因素分析較多，在海外水電工程的勘察中應注重這些因素和評價參數的選取。條件許可時，應按ASTM D6066—11的相關規定，選擇符合標準的試驗設備進行標準貫入試驗。