幾種地震液化判別方法的對比

郝 兵 任志善 李從昀

(1.北京電力經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京 100107；2.國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京 100209)

0 引言

砂土液化是典型的不良地質(zhì)作用和地震地質(zhì)災(zāi)害，能直接導(dǎo)致地基失效，造成各類建筑和市政設(shè)施的破壞。歷次地震都有大面積地震液化導(dǎo)致的工程事故[1]。因此，作為基礎(chǔ)的工程勘察中，地震液化判別尤其重要，直接關(guān)系到工程的抗震安全性及工程造價水平。

我國目前的液化判別方法應(yīng)用最廣泛的是以《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》為代表的標(biāo)貫法，大部分建(構(gòu))筑抗震規(guī)范、市政類抗震規(guī)范的方法思路上基本一致，只是表達(dá)形式和參數(shù)略有不同。其判別方法經(jīng)過了78規(guī)范[2]、89規(guī)范[3]、2001規(guī)范[4]以及2010規(guī)范[5]的不斷改進，其中2010版的判別方法中采用人工網(wǎng)絡(luò)模型、可靠度理論等新思路和方法建立判別依據(jù)，并保證了規(guī)范應(yīng)用的延續(xù)性[6]。《巖土工程勘察規(guī)范》[7]和《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》[8]中提出用靜力觸探進行液化判別；《巖土工程勘察規(guī)范》也有用波速進行液化判別的，但實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，這種方法判別的結(jié)果經(jīng)常偏差較大[9]；國外比較通用的是美國NCEER法[10-12]，即修正的Seed法。陳國興2005年提出的概率判別方法[13]，另外還有動三軸方法等。

鑒于砂土液化判別結(jié)論對工程的抗震安全性及造價影響較大，用單一的液化判別方法得到的結(jié)論往往顯得依據(jù)不夠充分，因此，多種手段的綜合液化判別在工程勘察中有重要的意義。

1 主要判別方法

液化判別方法的建立是在理論的基礎(chǔ)上進行推導(dǎo)，或根據(jù)歷次地震災(zāi)害調(diào)查和勘察數(shù)據(jù)建立散點圖，分析回歸后建立相應(yīng)的判別準(zhǔn)則。由于地層土質(zhì)的非均質(zhì)特征，無論采用哪種指標(biāo)都會具有一定的離散性，這就導(dǎo)致任何判別方法都不可能有百分百的成功率。規(guī)范為了方便使用，提出在評價液化等級時應(yīng)逐點判別，按孔計算，綜合評價的基本順序方法，很大程度上方便了勘察人員對數(shù)據(jù)的分析判斷。但是，近年來有許多勘察技術(shù)人員據(jù)此思路提出了所謂“液化點”的概念，認(rèn)為單個樣本小于臨界值，即判斷為該點處為可液化土層。并以此為基礎(chǔ)對整個場地進行判別，得出了只要有個別點液化，整個場地就是液化，液化深度也取最大“液化點”深度，否則認(rèn)為評價結(jié)論不安全。還有一些人認(rèn)為只有20 m深鉆孔中的標(biāo)貫樣本才能進行液化判別，其他鉆孔中的標(biāo)貫樣本不能參與判別。對此，范士凱大師指出：地震砂土液化判別中所謂“液化點”是錯誤的概念，正確方法應(yīng)按散點圖或標(biāo)貫的統(tǒng)計值進行判別。

1.1 標(biāo)貫法

該方法最初是我國學(xué)者在Seed等人的確定性方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合邢臺(1960)、河源(1962)、通海(1970)、海城(1975)和唐山(1976)地震液化區(qū)的調(diào)查數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析建立起來的。規(guī)范中對液化判別分為初判和細(xì)判兩階段，初判液化的情況才進行細(xì)判。初判主要考慮年代、黏粒含量、平均粒徑和上覆非液化土層厚度等因素。細(xì)判采用臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)作為判別標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)實測的標(biāo)貫擊數(shù)小于臨界標(biāo)貫錘擊數(shù)時，就可以判定為液化土。

式中：Ncr——臨界標(biāo)準(zhǔn)錘擊數(shù)；

N0——標(biāo)準(zhǔn)貫入基準(zhǔn)錘擊數(shù)；

ds——標(biāo)準(zhǔn)貫入點深度，m；

dw——地下水位深度，m；

ρc——黏粒百分比含量，當(dāng)含量小于3或為砂土?xí)r，取值為3。

該方法考慮了地震動要素、初始應(yīng)力和土質(zhì)特征的影響因素，是目前《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》推薦的液化判別方法。該方法歷經(jīng)多次修訂，能反映出我國抗震科研的最新成果和工程實踐經(jīng)驗，及時跟蹤并吸取國外的研究成果，因此在我國應(yīng)用最為廣泛。

1.2 NCEER法

1996年，美國國家地震工程研究中心(NCEER)對Seed簡化法進行了修訂，形成了基于循環(huán)應(yīng)力比和循環(huán)阻力比的簡化判別法(“NCEER”法)。NCEER法是美國規(guī)范推薦的砂土液化判別方法，該方法的判別公式為：

式中：FS——安全系數(shù)，若FS＞1，表示該計算點不液化，若FS≤1，則表示該計算點液化；

CRR7.5——震級為7.5時的循環(huán)阻力比；

CSR——循環(huán)應(yīng)力比；

MSF——震級比例系數(shù)，NCEER建議按表1取值。

表1 震級比例系數(shù)MSF取值

式中：αmax——由地震產(chǎn)生的地表水平峰值加速度；

g——重力加速度；

σv0——計算深度的豎向總應(yīng)力；

γd——應(yīng)力折減系數(shù)，可按式(4)計算；

CRR7.5有多種計方法，本文采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(SPT)法，公式(5)適用于(N1)60＜30擊的砂土。

(N1)60CS——經(jīng)過修正后等效純砂土標(biāo)貫擊數(shù)，按公式(6)計算；

α、β——修正系數(shù)，按公式(7)取值，(FC表示細(xì)粒含量)：

(N1)60——將上覆有效壓力調(diào)整為100 kPa時和將錘擊能量轉(zhuǎn)換率調(diào)整為60%時的標(biāo)貫擊數(shù)修正值，按公式(8)計算：

式中：CN——上覆有效壓力修正系數(shù)，按公式(10)取值；

式中：CE——錘擊能量效率比修正系數(shù)；

CB——鉆孔直徑修正系數(shù)；

CS——取樣方法修正系數(shù)。

各系數(shù)取值方法及范圍見表2。

表2 (N1)60修正系數(shù)取值

1.3 靜力觸探法

《巖土工程勘察規(guī)范》根據(jù)唐山地震不同烈度區(qū)的靜力觸探試驗資料，用判別函數(shù)法分析得出判別公式，并已納入《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》(TB 10041—2003)。其中雙橋靜力觸探具體判別公式如下：

式中：qccr——是指靜力觸探錐尖阻力臨界值；

qc0——指地下水位埋深在2 m、上覆非液化土層厚度在2 m時，雙橋錐尖阻力的基準(zhǔn)值，按表3確定；

表3 雙橋靜力觸探錐尖阻力基準(zhǔn)值

αw——地下水位埋深修正系數(shù)，按公式(12)計算，地面常年有水且與地下水有水力聯(lián)系時，取1.13；

dw——地下水位埋深，m；

αu——上覆非液化土層厚度修正系數(shù)，按公式(13)計算，對深基礎(chǔ)，取1.0；

式中：du——上覆非液化土層厚度，m，計算式扣除淤泥和淤泥質(zhì)土層厚度；

αp——與靜力觸探摩阻比有關(guān)的土性修正系數(shù)，按表4取值。

表4 土的修正系數(shù)αp值

當(dāng)實測的錐尖阻力小于公式(11)計算的臨界值時，就可判定為液化土層。但該方法是基于區(qū)域試驗資料得出，區(qū)域的適用性有待進一步驗證。實際應(yīng)用中應(yīng)注意判別鉆孔應(yīng)與鉆探相結(jié)合，否則僅僅根據(jù)觸探數(shù)據(jù)推斷地層巖性，容易出現(xiàn)誤判。

1.4 剪切波速法

石兆吉根據(jù)Dobry剛度法原理和我國現(xiàn)場資料提出用剪切波速進行液化判別，該方法曾被《天津市建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(TBJ 1—88)采用，用來判別地面下15 m以內(nèi)的砂土和粉土地震液化可能。

式中：vscr——飽和砂土或飽和粉土液化剪切波速臨界值，m/s；

vs0——與烈度、土類有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)，按表5確定；

ds——剪切波速測試點深度，m；

dw——深度，m。

表5 與烈度、土類有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)υs0值

該方法通過對比土層的剪切波速與液化臨界剪切波速來判定飽和砂土和粉土的液化可能，當(dāng)實測的波速小于波速的臨界值時，即刻判定該層土為可液化土層。

1.5 其他方法

除上述列舉的方法之外，還有許多判別方法，例如動三軸法、臨界孔隙比法、概率判別方法等。近年來，隨著科研的不斷深入，出現(xiàn)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合評價法等方法，本文不再贅述。

2 地震液化的綜合判別

地震液化判別，首先應(yīng)在進行充分歷史地震液化情況調(diào)查和場地工程地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上，明確可液化地層，然后采用一種或多種方法進行判別，再通過綜合分析得出結(jié)論。

某500 k V變電站位于北京市大興區(qū)，該場地位于永定河沖洪積扇的下部，20 m深度的地層巖性以粉土及砂土交互沉積為主。新近沉積層厚度約9～10 m，根據(jù)區(qū)域地震資料，這類土由于沉積年代短，密實度差，容易發(fā)生地震液化。因此，本工程勘察過程中將液化判別作為工程的重點問題之一，采用多種手段和方法綜合判別。

2.1 歷史地震液化災(zāi)害調(diào)查

根據(jù)歷史記載和儀器記錄，北京及周邊臨近地區(qū)自公元274年以來，共發(fā)生4.75級以上的地震近百次，其中3次造成了北京城區(qū)的地震烈度為8度，歷史地震由于年代久遠(yuǎn)，無法考證當(dāng)時的地震液化情況。1976年唐山地震，雖然北京地區(qū)的烈度為6度，但溫榆河沿岸以及本場區(qū)附近的大興采育地區(qū)，已經(jīng)出現(xiàn)噴水冒砂的地震液化現(xiàn)象①中國地震局工程力地殼應(yīng)力研究所.北京新機場項目工程場地地震安全性評價報告[R].2012.。唐山地震后國家地震局組織科學(xué)家對北京地區(qū)進行震害預(yù)測(見圖1)，本工程場區(qū)屬于可能砂土液化區(qū)。

圖1 唐山地震后北京地區(qū)震害預(yù)測圖

本工程場地典型的地質(zhì)剖面圖見圖2，其中①層為人工填土層，②—④層為新近沉積層，⑤—⑦層為一般第四紀(jì)沉積層。

另外，鉆探發(fā)現(xiàn)土層的顏色暗黃褐色，含有物有大量的螺殼，土質(zhì)結(jié)構(gòu)不均勻，多呈團塊狀結(jié)構(gòu)，具有典型的北京地區(qū)近代土特征，見圖3。另據(jù)文獻[14]，本區(qū)域7.5 m深度樣品地質(zhì)年代測試結(jié)果為1.98 ka，屬于第四紀(jì)新近沉積層，與野外描述的判斷有很好的一致性。

根據(jù)地層條件結(jié)合區(qū)域工程經(jīng)驗分析，20 m深度范圍內(nèi)的砂質(zhì)粉土②、粉砂③、砂質(zhì)粉土④層發(fā)生地震液化的可能性較大，細(xì)砂⑤層有發(fā)生地震液化的可能。(見表6)

圖2 場地典型地層剖面圖

圖3 鉆探巖芯斷面

表6 主要土層測試指標(biāo)成果

工程場區(qū)分布的地下水穩(wěn)定水位標(biāo)高20.46～22.54 m(埋深5.00～7.20 m)，地下水類型為臺地潛水。但根據(jù)北京地區(qū)抗浮設(shè)防水位研究成果[14]，在考慮北京地區(qū)長期的地下水政策之后的預(yù)測遠(yuǎn)期水位會接近自然地面，因此本工程的液化判別水位埋深統(tǒng)一按0 m計算。

2.2 地震液化綜合判別

本工程勘察進行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(SPT)、剪切波速測試(單孔法)、雙橋靜力觸探試驗等，并采取原狀土樣和擾動土樣進行了室內(nèi)試驗。采用多種判別標(biāo)準(zhǔn)進行液化判別，以期對各種方法得出的結(jié)論進行對比，綜合分析后得出合理的結(jié)論。

分析地層的沉積年代和測試數(shù)據(jù)以及地下水位情況，不滿足初判不液化的條件，因此應(yīng)進一步的細(xì)判。

(1)標(biāo)貫法

根據(jù)地層分析情況，現(xiàn)主要對砂質(zhì)粉土②、④砂質(zhì)粉土及粉砂③、細(xì)砂⑤層進行標(biāo)貫測試，并采取標(biāo)貫器樣品進行了室內(nèi)黏粒含量試驗，為了方便對比，圖中粉土Ncr曲線統(tǒng)一取本場地粉土的平均黏粒含量6.5進行計算，N0取12，β=0.95，具體判別情況見圖4。

圖4 標(biāo)貫法液化判別

根據(jù)圖4的散點圖，砂質(zhì)粉土②層樣本總數(shù)37個，可液化樣本31個，占比84%；粉砂③層樣本總數(shù)17個，可液化樣本17個，占比100%；砂質(zhì)粉土④層樣本總數(shù)29個，可液化樣本24個，占比83%；上述土層液化樣本數(shù)均占絕對多數(shù)，因此判別為液化土層。細(xì)砂⑤層樣本總數(shù)18個，全部為不液化樣本，因此判別為非液化土層。對于砂土和粉土，采用標(biāo)貫法判別取得了較好的一致性。需要說明的是，為了與NCEER法相比較，粉砂③層從28個樣本空間中選取(N1)60CS≤34的17個樣本進行統(tǒng)計。計算的液化指數(shù)0.35～5.74，綜合判別場地的液化等級為輕微。

(2)NCEER法

根據(jù)室內(nèi)試驗成果，本場地粉土的FC(小于0.075的粒徑百分比)為84～86，砂土的細(xì)顆粒含量也較高，為31～39，詳見表7。

表7 主要土層Fc成果表

采用NCEER法進行計算，并將每個樣本點的深度和Fs繪制于圖5中。

圖5 NCEER法液化判別

根據(jù)圖5可以看出，砂質(zhì)粉土②層樣本點37個，可液化樣本32個，占比86%；砂質(zhì)粉土④層樣本點29個，可液化樣本21個，占比72%；上述土層判別為液化土層，并且液化樣本數(shù)占比較大，取得了較好的一致性。粉砂③層樣本點17個，可液化樣本5個，占比29%，這與標(biāo)貫法的判斷結(jié)果并不一致，無法判定為液化土層。細(xì)砂⑤層由于標(biāo)貫擊數(shù)＞34，已經(jīng)不適用于判別公式，通過其他方法可直接判定為非液化土層。

(3)靜力觸探法

利用雙橋靜力觸探試驗得出的液化判別成果參見圖6。

圖6 靜力觸探法液化判別

通過圖6可以看出，砂質(zhì)粉土②層，粉砂③層及砂質(zhì)粉土④層均判定為液化土層，與其他方法得到的結(jié)論一致。細(xì)砂⑤層有兩個樣本點液化，其余點不液化，總體判定為不液化土層。

(4)剪切波速法

根據(jù)圖7，砂質(zhì)粉土②層、砂質(zhì)粉土④層不液化，粉砂③層僅有1個點液化，而細(xì)砂⑤層也判定為液化土層，與其他方法形成顯著差異。

(5)將以上幾種方法判別的結(jié)論列于表6。

圖7 剪切波速法液化判別

通過表6可以看出，對于砂質(zhì)粉土②層和砂質(zhì)粉土④層，除波速法外，采用其他方法判別的結(jié)論一致，均為液化土層。對于粉砂③層，采用標(biāo)貫法和靜探法都判別為液化土層，但采用NCEER法和波速法判別為不液化土層。對于細(xì)砂⑤層，除波速法判別為液化土層外，其余方法都判別為非液化土層。分析認(rèn)為波速法存在明顯的缺陷，判別公式中對于深度較為敏感，特別是深部的砂土層，15 m深度的vscr已經(jīng)達(dá)到321 m/s，這顯然已經(jīng)超過此深度密實砂土的波速范圍，不符合實際；對于0～6 m的粉土，vscr為10～100 m/s，又明顯偏小。因此，波速法進行液化判別有待進一步商討。采用NCEER法得出粉砂③不液化的原因主要是由于細(xì)顆粒(＜0.075 mm)含量較高，該方法認(rèn)為細(xì)顆粒含量有助于抵抗液化，而我國研究成果普遍認(rèn)為黏粒(＜0.005 mm)對抵抗液化有較大作用，兩者之間存在一定的差異，因此得出不同的判別結(jié)論。國內(nèi)也有規(guī)范和研究成果表明對于粉砂，需要考慮粘粒含量的影響。通過上述分析，波速法液化判別存在明顯的缺陷，應(yīng)用時應(yīng)慎重。在對待粉砂、細(xì)砂等細(xì)顆粒含量較高的砂土，因NCEER法和其他方法可能存在明顯的差別，有待做進一步的研究。

表8 幾種判別方法結(jié)果對比

3 結(jié)論

(1)建設(shè)場地的液化判別，應(yīng)在歷史地震地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和場地工程地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，采用多種勘察手段，利用不同的準(zhǔn)則進行判別，對各種結(jié)果綜合分析得出結(jié)論。單一的測試手段可能會引起誤判。

(2)剪切波速法液化判別存在明顯的偏差，對于淺層的粉土過于冒進，對于深層的砂土又過于保守，會將密實的砂土層誤判為液化土層，應(yīng)用時應(yīng)慎重，并結(jié)合地區(qū)的工程經(jīng)驗。

(3)NCEER法適用性較強，對于粉土和細(xì)粒含量較低的砂土，與標(biāo)準(zhǔn)貫入法，靜力觸探法判別的結(jié)論基本一致。但對于粉砂、細(xì)砂，由于細(xì)粒含量較高，往往會得到與標(biāo)貫法不同的結(jié)論，有待進一步研究。