砂土地基液化判別方法標準與比較分析

錢明

(中國石油工程建設(shè)公司華東環(huán)境巖土工程分公司，山東 青島 266071)

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砂土地基液化判別方法標準與比較分析

錢明

(中國石油工程建設(shè)公司華東環(huán)境巖土工程分公司，山東 青島 266071)

[摘要]目前國內(nèi)外已出現(xiàn)有多種液化判別方法，但由于不同方法的判斷依據(jù)不同，各自在不同條件下的計算精度有時也差別較大，采用不同方法判別砂土液化可能性時會得出不同的、甚至是相反的結(jié)果。為了能夠準確判斷砂土的液化勢，介紹了目前常用的幾種砂土液化判別方法，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實例的典型現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，應(yīng)用我國規(guī)范法和抗液化剪應(yīng)力法進行了判定、評述和比較分析，并基于分析結(jié)果提出了合理的砂土液化勢判別方法和標準。

[關(guān)鍵詞]砂土液化；Seed簡化法；抗液化剪應(yīng)力；原位測試

目前國內(nèi)外已有多種砂土地基液化判別方法，但由于不同方法的判斷依據(jù)不同，各自在不同條件下的計算精度有時也差別較大，采用不同方法判別砂土液化可能性時會得出不同的、甚至是相反的結(jié)果?？挂夯魬?yīng)力法是基于1971年提出的Seed簡化分析法，是目前普遍接受的砂土液化判別方法之一[1]。該方法不斷改進，美國國家地震工程研究中心(NCEER)建議的砂土液化判別簡化方法是Seed簡化分析法中最具代表性的[2]。而臨界標準貫入擊數(shù)法和靜力觸探試驗法屬于經(jīng)驗分析法[3,4]，是在分析、統(tǒng)計世界各地廣泛的的地震液化震害調(diào)查基礎(chǔ)之上，建立的經(jīng)驗準則和公式。劉漢龍等[5,6]引入概率法，運用累計疲勞規(guī)律表示剪應(yīng)力循環(huán)的累積效應(yīng)對自由平坦場地的液化勢進行判別。但概率法目前還處于發(fā)展階段，工程應(yīng)用該法進行預(yù)測的實例還不多。室內(nèi)試驗分析法是通過隨機加載的三軸試驗、振動臺試驗、離心機試驗[7]來模擬在地震時土的應(yīng)力狀態(tài)。土層反應(yīng)分析法[8]是砂土液化動力分析方法的液化判別上的應(yīng)用，考慮因素可以很多，計算較嚴密，但關(guān)鍵是材料參數(shù)和荷載參數(shù)要選擇適當、合理，這有一定難度。

目前判別砂土液化可能性的方法主要有2大類：一是經(jīng)驗法，即以地震現(xiàn)場液化調(diào)查資料為依據(jù)，給出判定液化的條件和界限，它不僅直觀，而且可自動考慮一些影響液化的重要因素。我國規(guī)范建議的原位測試法即屬此類別；二是試驗-分析法，即以室內(nèi)液化試驗和土體地震反應(yīng)分析結(jié)果為依據(jù)進行判定，其可靠性取決于室內(nèi)液化試驗和土體地震反應(yīng)分析結(jié)果的可信程度，Seed簡化剪應(yīng)力對比法就是此類的典型代表方法。

試驗-分析法理論基礎(chǔ)完善，可以綜合考慮諸多影響因素，但難點在于水下的飽和砂土很難取出不受擾動試樣，而且取樣代價昂貴，無法選用現(xiàn)場和室內(nèi)均能精確測定的指標，多數(shù)只能采用重塑試樣。對于經(jīng)過加固處理后的砂土人工地基，可以采用重塑試樣進行測定，但對于砂土天然地基，因受結(jié)構(gòu)性影響較大，采用重塑試樣誤差較大。因此，該類方法在工程實踐中應(yīng)用存在諸多困難。但如果能夠采用適當?shù)脑粶y試方法來確定砂土的抗液化剪應(yīng)力比，那無疑可以明顯增加剪應(yīng)力對比法在工程實踐中的應(yīng)用。下面，筆者主要結(jié)合工程現(xiàn)場測試結(jié)果，基于原位標貫試驗和靜探試驗對液化判別方法進行綜合比較分析。

1基于標貫試驗的液化判別方法比較

目前基于標貫試驗的液化判別方法主要有2大類:一是經(jīng)驗方法，典型代表是我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)提出的臨界標準貫入擊數(shù)法；二是經(jīng)驗理論結(jié)合的方法，比較典型的是美國國家地震工程研究中心提出的NCEER法。

廣東揭陽某擬建大型石化廠區(qū)[9]場地上部20m范圍內(nèi)主要分布的土層是松散～中密的粉細砂層，該層在地震荷載作用下存在液化的可能性?；趫龅谼2試驗區(qū)夯前的典型標貫試驗結(jié)果，假設(shè)地震震級7.5，地下水位2.1m，分別采用臨界標貫擊數(shù)法和NCEER法對其液化可能性進行了判別，計算結(jié)果見表1和圖1。

表1　基于標貫試驗的液化判別方法比較

圖1　基于標貫試驗的液化可能性安全系數(shù)曲線

表1中規(guī)范法是采用實測標貫擊數(shù)與建筑抗震設(shè)計規(guī)范提供的經(jīng)驗公式計算得出的液化判別臨界擊數(shù)進行比較。NCEER法是抗液化剪應(yīng)力比(CRR)與SEED簡化法表示的周期應(yīng)力比(等效循環(huán)應(yīng)力比CSR)的比值，定義為砂土的抗液化安全系數(shù)。根據(jù)表1和圖1中的結(jié)果可知，規(guī)范法(臨界標貫擊數(shù)法)和NCEER法的液化判別結(jié)果總體規(guī)律基本一致，但規(guī)范法計算的液化可能性安全系數(shù)均大于NCEER法的計算結(jié)果，特別是15m以下的深層土體差別更大，說明相對于美國NCEER法，我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)規(guī)定的臨界標貫擊數(shù)法偏保守。

2基于靜探試驗的液化判別方法比較

我國目前工程上所使用的CPT液化判別方法為《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)條文說明中建議的判別方法，該法是以地震現(xiàn)場實測資料，用判別函數(shù)法統(tǒng)計分析得出了靜力觸探試驗液化判別法。國外主要根據(jù) Seed提出的周期應(yīng)力比 CSR與周期阻力比CRR(抗液化剪應(yīng)力比)的比較來判斷液化場地，這也是最早提出的可判別具有水平地面自由場地液化的方法，其中主要的方法有Robertson法和Olsen 法。

基于場地D2試驗區(qū)夯前的一個典型靜探試驗結(jié)果，假設(shè)地震震級7.5，地下水位2.1m，我們分別采用臨界靜力觸探阻力法和Robertson法對其液化可能性進行了判別，計算結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2中的結(jié)果可知，由于我國《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)建議的方法與基于靜探試驗的Robertson法[10]在計算方法和標準確定依據(jù)上存在一定差異，因此兩者的判別結(jié)果在某些深度存在不一致，甚至出現(xiàn)相反的結(jié)果，Robertson法在大多數(shù)深度位置預(yù)測的液化安全系數(shù)低于或接近我國《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)的預(yù)測值。

3砂土液化判別方法綜合比較分析

圖2　基于靜探試驗的液化可能性安全系數(shù)曲線

根據(jù)上述分析以及前人的有關(guān)研究成果，目前國內(nèi)外常用的幾種液化判別方法均有其局限性，其用于工程實踐的優(yōu)勢和劣勢可以歸納如下：

1)基于室內(nèi)試驗結(jié)果的抗液化剪應(yīng)力法(Seed簡化法)，理論基礎(chǔ)明確，不但可以綜合考慮埋深、地下水位、覆蓋層厚度、震級或烈度等諸多影響因素，而且可以全面靈活地考慮地震動特性。但困難在于水下的飽和砂土很難取出不受擾動試樣，而且取樣代價昂貴，多數(shù)只能采用重塑試樣。對于砂土天然地基，因受結(jié)構(gòu)性影響較大，采用重塑試樣誤差較大。因此，該方法在工程實踐中應(yīng)用存在諸多困難，目前國外均采用基于標貫擊數(shù)的Seed簡化法。

2)我國的規(guī)范和我國有關(guān)單位所研究的方法，絕大多數(shù)都是經(jīng)驗方法，如《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)提出的臨界標準貫入擊數(shù)法和《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)條文說明中建議的臨界靜力初探阻力判別方法等。這些方法是根據(jù)國內(nèi)大量震害現(xiàn)象和地震現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計建立的，可以考慮地震烈度的影響，實用性和針對性較強，且按規(guī)定計算及選取防震抗液化措施較簡單易行，試驗設(shè)備和試驗方法比較簡單。但這類方法大多未能考慮土類的影響，缺乏理論基礎(chǔ)，無法考慮地震動特性和震級等的影響。另外，標準貫入試驗存在設(shè)備和操作方法不規(guī)范、人為干擾明顯、測量數(shù)據(jù)離散性大、可重復(fù)性低等缺陷，且對于深層砂土的液化判斷偏于保守。

3)將剪應(yīng)力對比法和原位測試技術(shù)結(jié)合在一起的方法，如基于標貫試驗的NCEER剪應(yīng)力對比法和基于靜探試驗的Robertson剪應(yīng)力對比法。這些方法將室內(nèi)試驗以及理論研究的成果與原位測試技術(shù)結(jié)合起來，理論基礎(chǔ)明確，既可以考慮諸多影響因素，又具有明顯的實用性和可操作性，易于為工程界接受和采用。但目前該類方法的評價指標和判斷標準仍多為人為經(jīng)驗確定，應(yīng)用時間短，尚缺乏足夠的地震現(xiàn)場實測資料和工程實踐驗證。由于原位測試方法設(shè)備簡單，操作方便，特別是靜探法具有快捷、連續(xù)、經(jīng)濟、可重復(fù)性高、系統(tǒng)誤差和偶然誤差相對較小等優(yōu)點，隨著震害現(xiàn)場數(shù)據(jù)的逐漸積累、完善，該類方法特別是基于靜力觸探試驗結(jié)果的抗液化剪應(yīng)力法，代表著液化判別方法的發(fā)展趨勢，無疑具有更好的應(yīng)用前景。

由于以往人們在決定液化強度曲線時，往往帶有一定的主觀性，所確定的液化強度不一定就是地震時飽和砂土極限狀態(tài)的真實反映。因此，對某一特定砂層能否液化的判別只能是近似的估計，特別是對接近臨界條件的砂層，很可能出現(xiàn)誤判。目前現(xiàn)有的各種液化判別方法都具有這種性質(zhì)，其差別只是誤判的原因和概率有所不同?，F(xiàn)有的各種液化可能性判斷方法，各有其優(yōu)勢及局限性，考慮到當前對地震及其液化機理的認識水平，目前和今后相當長的時期內(nèi)，經(jīng)驗方法仍是很重要的。對原狀砂土進行液化判斷時，應(yīng)結(jié)合我國規(guī)范規(guī)定的經(jīng)驗法，使用基于靜探試驗的抗液化剪應(yīng)力對比法進行液化勢評價，以提高判定場地砂土液化勢的準確性。

4結(jié)論

1)我國規(guī)范提供的液化判別方法是根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計建立的經(jīng)驗方法，實用性和針對性較強，但缺乏明確的理論基礎(chǔ)，僅是按照烈度考慮的，無法考慮震級等因素影響。相應(yīng)于國外同類判別方法，我國規(guī)范液化判別式偏于保守，會使一些工程投資大幅增加，另外標準貫入試驗還存在不連續(xù)、人為因素干擾大、可重復(fù)性差等局限性。

2)近年來提出的基于原位測試的抗液化剪應(yīng)力對比法(Seed簡化法)，因其綜合了理論分析法和經(jīng)驗法的優(yōu)勢，隨著地震現(xiàn)場實測資料的逐漸積累完善和工程實踐的檢驗，基于原位測試的剪應(yīng)力對比法，特別是基于靜力觸探試驗的剪應(yīng)力對比法，無疑代表著液化判別方法的發(fā)展趨勢，將來具有更好的應(yīng)用前景。

3)現(xiàn)有的抗液化剪應(yīng)力對比法、臨界標準貫入擊數(shù)法和靜力觸探試驗法等液化可能性判斷方法，各有其優(yōu)勢及局限性。鑒于現(xiàn)有各種測試手段的可靠性和可操作性，考慮到當前對地震及其液化機理的認識水平，對現(xiàn)場砂土進行液化判斷時，應(yīng)結(jié)合我國規(guī)范規(guī)定的經(jīng)驗法，使用基于靜探試驗的抗液化剪應(yīng)力對比法進行液化勢評價，以提高判定液化勢的準確性。

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[編輯]計飛翔

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2016)10-0052-04

[中圖分類號]TU398

[作者簡介]錢明(1971-)，男，碩士，高級工程師，現(xiàn)主要從事巖土工程技術(shù)方面的研究工作；E-mail：qdqianming@126.com。

[基金項目]中國石油工程建設(shè)公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目(CPECC2012KJ02)。

[收稿日期]2015-12-15

[引著格式]錢明.砂土地基液化判別方法標準與比較分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2016,13(10)：52～55.