砂土地震液化評價方法的新老規范對比研究

李小雷，李 江，楊玉生2，，劉斌云，寧保輝，彭兆軒

（1.北京工業大學城市建設學部，北京 100124； 2.中國水利水電科學研究院，北京 100048；3.新疆水利水電規劃設計管理局，新疆烏魯木齊 830000；4.河南省水利勘測設計研究有限公司，河南鄭州 450047）

水利水電工程、水運工程、港航工程，以及河流沖積平原上的基礎設施（如機場）建設活動常導致工程加載或卸載工況的出現，使得工程建造前后覆蓋層所處的應力條件不同［1-3］。 如覆蓋層上筑壩等工程建設中，經常遇到高填方引起覆蓋層土體工程加載或深挖方引起的覆蓋層土體工程卸載情況，對于擋水建筑物來說，工程建造后工程場址附近地下水位會升高［4］。工程建造前后，地面高程和地下水位發生較大改變導致覆蓋層相應部位的應力條件發生變化。 同樣，河流沖積平原上的機場建設中，常出現挖方和填方等工程加載、卸載工況［5-6］。 因此，在工程場址區地震基本烈度較高，且覆蓋層中存在對地震荷載比較敏感的土體情況下，就要求在工程的勘測設計階段對工程建造后正常運行階段覆蓋層地基的地震液化穩定性進行評價，即工程加載、卸載引起覆蓋層地基土體應力條件變化時對其進行地震液化評價。 在采用標貫擊數法進行液化評價時需要考慮應力條件變化，采用經校正的標貫擊數進行地震液化評價。 采用標貫擊數進行挖方和填方影響下的修正，不同學者對校正擊數中有關參數的選取有不同觀點。 趙連忠等［6］認為在采用標貫試驗對場地進行液化指數計算和液化等級判別時，填挖的設計標高不能對液化指數計算公式進行修正，應采取天然的地面標高進行計算。 王世岐等［7］認為液化計算起始標高應選用填土后的地面標高。 王維理等［8］認為在考慮挖方填方影響后直接采用現場數據參照《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010） （2016年版）計算所得場地判別結果與實際情況存在較大差異，在實際工程中應該對標貫擊數實測值、臨界值進行修正。 郝利君［9］認為《建筑抗震設計規范》 （GB 50011—2010） （2016 年版）并未對挖方和填方過程中上覆應力改變情況下的實測標準貫入擊數進行修正，不能準確地反映實際工程情況，在實際工程中應根據具體情況展開定性分析。 結合以上學者的研究可以看出，對實測標準貫入擊數的校正是否能真實地反映應力條件對標準貫入擊數的影響，直接關系到工程安全。

針對水利水電工程建設中因工程活動導致加載或卸載引起覆蓋層地基應力條件改變的情況，《水工建筑物抗震設計規范》（SDJ 10—78）給出了以應力表示的實測標準貫入擊數線性化校正的方法，并以校正后的標準貫入擊數與工程建成后運用條件下的液化臨界標準貫入擊數進行對比，判別工程建成后運用條件下原標準貫入試驗點的液化可能性，隨后演變為《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487—2008）中以埋深表示的線性化校正方法。 2008 年“5·12”汶川大地震之后，水利水電行業抗震規范和勘察規范啟動修編論證工作。 楊玉生等［10-11］在建立的砂土地基模型基礎上，對國內外地震液化評價方法進行了比較，并重點對水利水電工程建設前后、工程加載、卸載條件下砂土地震液化判別的方法進行了論證，推薦采用非線性化校正方法代替線性化校正方法對測試標貫試驗擊數進行考慮應力條件的校正，該理論被納入《水力發電工程地質勘察規范》（GB 50287—2016），也被國標和行標水工抗震規范采納。 此外，在《水力發電工程地質勘察規范》（GB 50287—2016）中，對液化臨界標貫擊數的計算，也參考引用了《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）采用對數曲線的形式反映其隨深度的變化，并做出了適用于水利水電工程特點的改進。

本文以某砂基上的水庫大壩工程為例，基于壩基砂層實測標貫試驗資料，進行壩基砂土地震液化評價，對汶川地震前后《水力發電工程地質勘察規范》修編前后的液化評價方法進行對比，主要包括：1）對新老規范的液化臨界標貫擊數計算方法和考慮應力條件變化的實測標貫擊數校正方法進行對比；2）對天然砂基和經擠密砂樁處理的砂基按照新、老規范的方法進行地震液化評價；3）對建壩后工程正常運行條件下砂基按照新、老規范進行地震液化評價；4）對按照新老規范進行地震液化評價的結果進行綜合分析，驗證新規范中地震液化評價方法的適用性。

1 地震液化評價方法

我國規范標貫擊數法采用式（1）進行標貫試驗時或工程運行時土體地震液化評價，當試驗時或運行時標貫擊數小于相應條件下的液化臨界標貫擊數時土體發生液化，反之土體不發生液化。

式中：N為試驗時或運行時標貫試驗點的標貫擊數，Ncr為液化判別標貫擊數臨界值。

1.1 老規范液化判據指標的計算方法

對于運行時工程加載、卸載導致應力條件相比標貫試驗時發生改變的情況，老規范規定采用式（2）對試驗標貫擊數進行考慮應力條件變化的校正。

式中：N'為工程建造前標準貫入試驗點的標貫擊數；分別為工程建成后運行、標準貫入試驗時標準貫入點在當時地面以下的深度；分別為工程建成后運行、標準貫入試驗時地下水位在當時地面以下的深度，當地面淹沒于水面以下時取值為0。

對于液化臨界標貫擊數，老規范規定采用式（3）計算：

式中：ρc為土的黏粒含量，當ρc＜3%時，ρc取3%；N0為液化判別標準貫入擊數基準值，依據表1（表中0.10g、0.15g、0.20g、0.30g、0.40g為對應烈度的地震動峰值加速度）進行取值。 當標準貫入點在地面以下5 m以內的深度時，ds應采用5 m 計算。

表1 液化判別標貫擊數基準值

1.2 新規范液化判據指標的計算方法

新規范規定采用式（4）對試驗標貫擊數進行考慮應力條件變化的校正。

式中：σv為工程正常運行時標準貫入點有效上覆垂直應力，為進行標準貫入試驗時標準貫入點有效上覆垂直應力。 當小于35 kPa 時，取35 kPa。在地面以下20 m 深度范圍內，液化判別標準貫入擊數臨界值Ncr按式（5）計算：

式中：N0為液化判別標準貫入擊數基準值，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。

2 地震液化評價方法對比分析

某水庫大壩為土質心墻砂殼壩，為I 等大（1）型工程，抗震設防烈度為7 度，設計地震動峰值加速度為0.10g。 工程地質勘測表明，左岸Ⅰ級階地下部為砂層，河槽中的中粗砂為第四系全新統飽和少黏性土，兩者經初判均可能發生液化，需要進行液化復判，因此對覆蓋層開展了標準貫入試驗。 本文以場區Ⅰ級階地下部全新統砂層3 個鉆孔的標貫試驗為例進行研究。 進行標貫試驗時，鉆孔①、鉆孔②、鉆孔③試驗點深度分別為5～10、5～12、4～13 m，地下水位埋深d'w分別為8.1、7.9、7.9 m，工程運行時，標貫試驗點在原地面線深度不變，地下水位埋深均為0 m。

本研究基于3 種工況進行新老規范地震液化評價的對比：1）標貫試驗時；2）工程運行時，原試驗區處在上部壩體應力影響范圍之外，原標貫試驗點因地下水位上升發生工程卸載，以圖1 鉆孔位置A 為例；3）工程運行時，原試驗區處在上部壩體應力影響范圍之內，原標貫試驗點因上部壩體的影響發生工程加載，以圖1 中鉆孔位置B 為例。

圖1 建壩后鉆孔位置與大壩位置關系示意

表2、表3 分別為按照GB 50487—2008、 GB 50287—2016 對左岸Ⅰ級階地砂層在工程卸載和工程加載條件下的液化判據指標計算結果匯總。

表2 工程卸載條件下鉆孔①～③新老規范液化判據指標對比

表3 工程加載條件下鉆孔①～③新老規范液化判據指標對比

2.1 土體標貫擊數

圖2為鉆孔①～③試驗實測的標貫擊數隨深度的變化。 由圖2 可知，試驗標貫擊數隨著深度的增加而增大，同一深度不同鉆孔標貫擊數有一定差異，地下水位以上差異較小、地下水位以下差異較大。

圖2 自由場地條件下（標貫試驗時）鉆孔實測標貫擊數隨深度的變化

圖3為工程運行時，因地下水位升高，標貫試驗點（鉆孔位置A）上覆有效應力減小而發生工程卸載時，新老規范對實測標貫擊數校正結果對比。 由表2、圖3可知，工程卸載條件下，對實測標貫擊數的校正結果，依據新規范按照式（4）的校正值比依據老規范按照式（2）的校正值多1.9～3.8 擊。 圖4 為工程運行時，標貫試驗點（鉆孔位置B）處在上部壩體影響范圍內時，新老規范對實測標貫擊數校正結果對比。 由表3、圖4可知，工程加載時，當深度在5 m 以內時，實測標貫擊數的新規范校正值大于老規范校正值；當深度為5 ～13 m時，新規范校正值比老規范校正值少1.9擊。

圖3 工程卸載條件下新老規范對實測標貫擊數校正結果對比

圖4 工程加載條件下新老規范對實測標貫擊數校正結果對比

由上可知，新老規范對土體標貫擊數的校正，在工程加載時與工程卸載時效果不同。 當發生工程卸載時，校正后的標貫擊數比原試驗標貫擊數小，新規范校正值比老規范校正值大，說明工程卸載條件下老規范對應力減小帶來的土體標貫擊數的校正幅度更大。 工程加載條件下，校正后的標貫擊數多于原試驗標貫擊數，當標準貫入點在5 m 以下時，新規范校正值比老規范校正值小，說明工程加載條件下，老規范對應力增大帶來的土體標貫擊數的校正幅度更大。 因此，無論是工程加載還是工程卸載，當標準貫入點在5 m 以下時，新規范對應力影響的校正幅度小于老規范。

2.2 液化臨界標貫擊數

由表2、表3 和圖5～圖7 對新老規范液化標貫擊數進行比較可知：1）標貫試驗時，新規范計算不同深度處液化臨界標貫擊數，與老規范按照遠震計算液化臨界標貫擊數較接近，在8 m 以內新規范比老規范遠震計算液化臨界標貫擊數多0.1～0.2 擊，在8～13 m 時新規范比老規范遠震計算液化臨界標貫擊數少0.1～1.2擊。 2）工程卸載時，在8 m 以內和8～13 m 時，新規范比老規范遠震計算液化臨界標貫擊數分別少0.6 ～0.7擊和0.8～2.0 擊。 3）工程加載時，新規范液化臨界標貫擊數與老規范近震液化臨界標貫擊數接近，比老規范遠震臨界值少4.3～9.0 擊；在5 ～8 m 以內時新規范校正值比老規范近震校正值多0 ～1.2 擊，在8 ～13 m時新規范校正值比老規范近震校正值多0～1.7 擊。

圖5 自由場地條件下（標貫試驗時）新老規范液化臨界標貫擊數及液化判別結果對比

2.3 新老規范地震液化判別結果對比分析

對表2、表3 和圖5 ～圖7 進行分析，對自由場地條件、地下水位升高導致工程卸載條件、上部壩體導致工程加載條件等水利水電工程建設中經常遇到的幾種情況進行新老規范地震液化評價，結果匯總見圖8。

2.3.1自由場地條件（標貫試驗時）

由表2 和圖5 可知，自由場地條件下（標貫試驗時），采用老規范進行地震液化評價時，無論是近震還是遠震，鉆孔①～③不同深度處的砂層均不發生液化；采用新規范時，鉆孔①～③不同深度處的砂層也不發生液化，新老規范對壩基砂層液化評價的結果一致。

2.3.2地下水位升高導致工程卸載的自由場地條件

由表2 和圖6、圖8 可知，工程運行時地下水位升高導致工程卸載的自由場地條件下，無論采用新規范還是老規范（近震、遠震），鉆孔①均發生液化。 對于鉆孔②，采用新規范，8 m 以內發生液化，8 ～12 m 不發生液化；采用老規范，近震工況時8 m 以內發生液化、8～12 m 不發生液化，遠震工況時僅11 m 處未發生液化，其余部位均發生液化，因此新規范地震液化評價結果與老規范近震時液化評價結果一致。 對于鉆孔③，采用新規范，4～8 m 和10 m 處發生液化，與采用老規范近震工況時判別結果一致；采用老規范，遠震工況時僅9 m 處未發生液化，其余部位均液化。

圖6 地下水位升高導致工程卸載時新老規范液化臨界標貫擊數及液化判別結果對比

2.3.3上部壩體影響導致工程加載

由表3 和圖7、圖8 可知，工程運行時上部壩體影響導致工程加載條件下：對于鉆孔①，采用新規范，8 m以內發生液化；采用老規范，近震、遠震工況下液化部位分別為6 ～8、5 ～10 m。 對于鉆孔②，采用新規范，6 m處發生液化、其余部位均不液化，與采用老規范近震工況評價結果一致；采用老規范，遠震工況下5～6 m發生液化。 對于鉆孔③，采用新規范，5 ～8 m 發生液化，與采用老規范近震工況評價結果一致；采用老規范，遠震工況下4～9 m 和10 m 處發生液化。

圖7 上部壩體導致工程加載時新老規范液化臨界標貫擊數及液化判別結果對比

圖8 工程運行條件下鉆孔①～③地震液化評價結果匯總

綜合3 種工況下新規范判別結果，雖然標貫試驗時，壩基砂層不會發生液化，但當工程建成運行后，由于地下水位升高，發生工程卸載時，壩基8 m 以內的砂層基本上發生液化，液化最大深度達到10 m；即便考慮建壩后上部壩體導致的工程加載，液化深度仍為7～8 m。 因此，在設防烈度條件下，工程運行時壩基砂層可能發生液化，液化深度為7 ～10 m，工程建設時需要提前論證壩基抗震處理措施。

3 新老規范地震液化評價討論

新規范相比于老規范主要做了3 方面的調整：調整了試驗標貫擊數的校正公式，當工程發生加、卸載條件時，新規范采用非線性化的校正公式代替老規范線性化校正公式；依據《建筑抗震設計規范》 （GB 50011—2010），采用對數曲線的形式來代替老規范公式分段線性的折線形式表示液化臨界標貫擊數隨深度的變化；將標準貫入試驗液化判別方法的適用深度由15 m 延伸到20 m。

與《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）不同的是，利用式（5）計算的液化臨界標貫擊數未考慮地震分組的影響，相當于直接取設計地震分組調整系數β為1.0。 這是為了便于勘測設計人員應用，水利水電工程多修建于偏遠山區，對于一般的中小型工程，通常未做地震安全性評價，按照地震區劃圖通常難以確定壩址區設計地震分組或判斷近震、遠震，不便于工程勘測設計人員應用。

由鉆孔①～③地震液化評價結果對比可知，自由場地（標貫試驗時）條件下，新老規范地震液化評價結果基本一致，這說明了新規范與老規范的連續性。 在工程卸載時，新規范地震液化判別結果與老規范近震工況液化判別結果基本一致，而液化范圍小于老規范遠震工況；工程加載時，新規范地震液化判別結果與老規范近震工況液化判別結果基本一致，而液化范圍小于老規范遠震工況。

試驗標貫擊數和液化臨界標貫擊數本質上分別表征了土體抗液化剪應力和地震剪應力，當發生工程卸載時，新規范計算所得標貫擊數校正值比采用老規范的校正值多1.9 ～3.8 擊，采用新規范計算的液化臨界標貫擊數值與采用老規范近震值接近，明顯小于老規范計算的遠震臨界值。 在工程卸載時，與老規范相比，新規范計算的表征土體抗液化剪應力的指標提高，表征土體地震剪應力的指標降低，新規范的計算液化范圍總體上小于老規范的，因此老規范比新規范偏于保守。 當發生工程加載時，采用新規范計算所得標貫擊數校正值總體比老規范的小，采用新規范計算的液化臨界標貫擊數值與采用老規范近震值接近，明顯小于老規范遠震液化臨界標貫擊數值。 工程加載時，與老規范相比，新規范計算的表征土體抗液化剪應力的指標降低，表征土體地震剪應力的指標相當或有較大降低，因此工程加載時，新規范計算液化范圍介于老規范近震工況和遠震工況之間。 上述結果與楊玉生等［1］對填方或挖方，或地下水位發生升降引起工程加載或卸載條件對地震液化評價結果影響的研究結果一致，即工程卸載時老規范低估了土體的抗液化能力，而工程加載時老規范高估了土體的抗液化能力。 總體上看，按照新規范計算的校正標貫擊數值和液化臨界標貫擊數，能夠真實地反映土體實際情況。

4 結論

本文依托某砂土覆蓋層壩基工程實例，基于現場標貫試驗成果，在設計地震動峰值加速度為0.10g條件下，通過對新老規范的砂層地震液化評價結果的對比分析，得到以下結論：

1）工程運行時壩基砂層可能發生液化，液化深度為7～10 m，工程建設時需要提前論證壩基抗震處理措施。

2）對表征土體抗液化能力的實測標貫擊數考慮應力變化的校正，新規范校正標貫擊數在工程加載時的增大幅度和工程卸載時的減小幅度均小于老規范的，老規范在工程加載、卸載時分別高估、低估了土體的抗液化能力。

3）進行標貫試驗時，在工程卸載條件下，新規范液化臨界標貫擊數與老規范按照遠震計算液化臨界標貫擊數較接近；在工程加載條件下，新規范液化臨界標貫擊數與老規范近震液化臨界標貫擊數接近。

4）從該工程案例看，不發生工程加載、卸載條件下，新老規范判別結果一致；而發生工程加載、卸載條件下，新規范液化判別結果與老規范近震判別結果一致。 新規范在工程加載、卸載條件下較老規范能更準確地評估土體的抗液化能力，并真實地反映土體的實際情況。