公路与铁路规范饱和砂土地震液化判别准则对比分析

陈伟，李伟元

(1.中铁二院成都地勘岩土工程有限责任公司，四川成都610031;2.云南省交通规划设计研究院，云南昆明650011)

公路与铁路规范饱和砂土地震液化判别准则对比分析

陈伟1，李伟元2

(1.中铁二院成都地勘岩土工程有限责任公司，四川成都610031;2.云南省交通规划设计研究院，云南昆明650011)

自饱和砂土地震液化初判与详判中的试验点深度、地下水埋深、地震动峰值加速度、黏粒含量几方面入手，对比和分析《公路工程地质勘察规范》(JTG C20—2011)与《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006，2009版)中砂土液化判别准则的差异，总结其中存在的问题。分析结果表明初判时两者差异不大，采用标准贯入试验详判时，根据公路规范判定临界锤击数普遍大于或等于铁路规范的计算值，公路规范的判定方法较铁路保守。

地震 砂土液化 标准贯入 临界锤击数

地震时饱和松砂(含粉土)发生液化现象，使房屋倾斜、倒塌，地坪隆起、开裂，路基滑移纵裂，岸坡滑动。因此，地震液化的判定成为公路与铁路地质勘察工作的重要内容。通过对新中国成立后几次大地震如邢台、通海、海城、唐山地震震区可液化土层的统计分析，同时借鉴国内外相关研究成果和经验，公路和铁路两个行业形成各自独立的液化砂土判别方法，液化判别均采用初判和详判两个步骤。

现行公路砂土液化判别相关技术规范有《公路工程抗震规范》(JTG B02—3013)、《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01—2008)与《公路工程地质勘察规范》(JTG C20—2011)。铁路相关技术规范有《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006，2009版)。其中《公路桥梁抗震设计细则》、《公路工程抗震规范》判别方法参考了《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2001，已作废)，在此不进行讨论。本文重点对比分析《公路工程地质勘察规范》与《铁路工程抗震设计规范》中饱和砂土(含粉土)地震液化判别准则的差异。

1 初判准则对比

1)公路规范

饱和砂土液化初判准则第7.11.6～7.11.7条如下。

判别深度20 m，满足以下三个条件之一可初判为不液化或不考虑液化影响:

①地质年代为第四纪晚更新世(Q3)及其以前时，可判为不液化;

②当抗震设防烈度为7，8，9度，粉土的黏粒(粒径＜0.005 mm的颗粒)含量百分率分别不小于10%，13%和16%时，可判为不液化;

③基础埋置深度不超过2 m的天然地基，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响。

式中:du为上覆非液化土层厚度，m;dw为地下水位埋置深度，m;db为基础埋置深度，不超过2 m时，采用2 m;d0为液化土特征深度，在地震设防烈度为7，8，9度时粉土分别取6，7，8 m，砂土取7，8，9 m。

2)铁路规范

初判准则第4.0.2～4.0.3条如下。

7度地震时判别深度为地面以下15 m，8度或9度时为地面以下20 m。满足以下三个条件之一时，可不考虑液化影响，并不再进行液化判定:

①地质年代属于上更新统及其以前年代的饱和砂土、粉土;

②土中黏粒含量百分比在抗震设防烈度为7度时＞10%，8度时＞13%，9度时＞16%;

③基础埋置深度不超过2 m的天然地基，应符合液化初判图(图1)要求。

对比公路和铁路规范可以看出公路与铁路液化初判时均不考虑上更新统(Q3)及其以前砂土液化的可能。公路规范初判准则第2条对土的类别进行了限制，仅为粉土中黏粒含量达到要求时可判定为不液化，砂土无论黏粒含量多高均需要进行液化判定。初判第3条件看似差别较大，实则两者对基础埋深＜2 m的浅基础判定大体相同，仅du+dw在液化初判图中斜线边界附近时，相较于判定公式(3)安全。但液化初判图在使用中存在精度不高、使用不方便的问题。此时式(1)～式(3)中db=2，上述三式改写为

图1 液化初判

同时，也可以看到公路规范7.11.7条第3款中的db“不超过2 m时，应采用2 m”与前提“基础埋深不超过2 m的天然基础”表述的不合理之处。前提应改为“基础浅埋的天然地基，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响”。

2 详判准则对比

经初判可能液化的土层，公路和铁路规范均规定可采用标准贯入试验进行饱和砂土液化判别。

1)公路规范评判准则(第7.11.8条)如下

当N1＜Ncr(即N＜Ncr/Cn)时，为液化土。式(7)与式(8)中:N1为修正标准贯入锤击数;Cn为标贯入锤击数修正系数;N为实测标贯锤击数;Ncr为修正的液化临界标准贯入锤击数;σ0为标贯点处土的总上覆压力，σ0=γudw+γd(ds－dw);σe为标贯处土的有效覆盖压力，σe=γudw+(γd－10)(ds－dw);γu为地下水位以上土的重度，砂土取18.0 kN/m3，粉土取18.5 kN/m3;γd为地下水位以下土的重度，砂土取20.0 kN/m3，粉土取20.5 kN/m3;ds为标准贯入点深度;Kh为水平地震系数;Cv为地震剪应力随深度的折减系数;ξ为黏粒含量修正系数，ξ=1－0.17ρ1c/2，ρc为黏粒含量百分率。

2)铁路规范附录B规定

当N＜Ncr时，为液化土。

式(9)～式(13)中:N0为临界标准贯入锤击数;α1为地下水位埋深修正系数，当地面常年有水且与地下水有水力联系时，dw为0;α2为标准贯入试验点的深度修正系数;α3为上覆非液化土层厚度修正系数，对于深基础α3取1;α4为黏粒重量百分比Pc的修正系数。

上述公式同时受试验点深度、地下水位埋深、地震动参数、黏粒含量、土质类别等因素影响。为方便与标准贯入实测锤击数N对比，以Ncr/Cn表示公路标准贯入临界锤击数，Ncr表示铁路标准贯入临界锤击数。受篇幅所限，在此考虑常见的地震基本烈度Ⅶ度、动峰值加速度0.10g，上覆非液化层厚度为0，饱和砂土黏粒含量为4%的组合，探讨单因素变化对临界锤击数Ncr/Cn与Ncr的影响。当地震基本烈度、动峰值加速度，上覆非液化层厚度与黏粒含量为其他组合时，临界锤击数Ncr/Cn与Ncr的变化趋势相似。

在相同的黏粒含量条件下，公路规范中式(7)、式(8)判定的饱和粉土与砂土的临界锤击数Ncr/Cn之间存在较小的差异，一般在0～0.3击;铁路规范中式(9)～式(13)判定的饱和粉土与砂土的临界锤击数Ncr一致。

2.1 ds对Ncr/Cn和Ncr的影响

为简化计算，选择地下水位1，3，6 m时予以分析，试验点深度对Ncr/Cn与Ncr的影响见图2。图中1，2，3区分别对应设计地震第1，2，3组，即特征周期0.35，0.40，0.45 s。

从图1可以看出，随试验深度ds增加，Ncr/Cn与Ncr总体为增加的趋势，但ds在17 m以下时，铁路Ncr出现减小趋势，相邻深度间差值不超过0.1击。Ncr/Cn与Ncr总体出现增加的趋势不能理解为随深度的增加，深部的砂土比上部更易液化。随埋深增大，砂土中有效应力增加，液化所需的超孔隙水压力增大，液化越困难。随深度增加实测锤击数N增大，N－Ncr和N－Ncr/Cn越大。

由铁路公式计算的Ncr在地震2，3区均较1区大，差值在1～3击。这与建筑物在2，3区受地震危害较1区大的实际情况相符。水位埋深1，3 m时，地表浅部5～7 m公路Ncr/Cn与铁路2，3区Ncr较为接近;5 m以下公路Ncr/Cn普遍较铁路2，3区Ncr大，一般在1～5击，差值随地下水位增加而增大。

2.2 地下水埋深对Ncr/Cn和Ncr的影响

为避免与初判矛盾，选择地下水位在0～6 m内变化，试验点深度分别为6，12，18 m时，地下水埋深dw与Ncr/Cn和Ncr的关系见图3。

地下水位0～6 m时，随水位降低，Ncr/Cn与Ncr均呈现减小趋势，铁路为线性减小，公路为曲线降低。随地下水位降低，水下饱和砂土液化趋势显著降低。

在相同水位时，除试验深度ds=6 m时公路Ncr/Cn与铁路2，3区Ncr较为接近(差值0～0.4击)外，其余公路Ncr/Cn普遍大于铁路2，3区Ncr，一般在1～4.3击，两者之间的差值随试验点深度增加而增加。

2.3 地震动峰值加速度对Ncr/Cn和Ncr的影响

在不同的地震动峰值加速度影响下，砂土的液化能力不同。公路Ncr/Cn与铁路Ncr受地震影响程度分别体现在水平地震系数Kh与临界标准贯入锤击数N0的取值上，见表1。

图2 试验深度与临界锤击数关系

图3 地下水位与临界锤击数关系

表1 水平地震系数Kh与临界标准贯入锤击数N0

在上覆非液化层厚度为0，黏粒含量为4%，地下水位为0，试验点深度为6，12，18 m时，Ncr/Cn，Ncr随地震动峰值加速度的变化关系见图4。

图4 地震动峰值加速度与临界锤击数关系

随地震动峰值加速度增大，不同试验深度的饱和砂土Ncr/Cn，Ncr均出现增加趋势，相同地震动峰值加速度、同一试验深度，铁路2，3区Ncr较1区大，公路Ncr/Cn仍大于铁路2，3区Ncr。Ncr/Cn－Ncr随试验深度的增加而增加，一般在0.4～3.8击。虽然计算公式、取值均不同，但铁路Ncr与公路Ncr/Cn曲线形状大体一致，可见两者受地震动影响程度基本相同。

2.4 黏粒含量对Ncr/Cn和Ncr的影响

饱和砂土、粉土随黏粒含量增多，液化趋势减弱，临界击数减小。公路规范黏粒含量修正系数参考1987年版《铁路工程抗震设计规范》推荐的数值，现行铁路规范与之相同，即铁路临界锤击数Ncr与公路Ncr/Cn受黏粒含量影响程度相同。黏粒含量与修正系数α4和ξ的关系如图5所示。黏粒含量越高，α4，ξ越小，Ncr/Cn，Ncr越小，饱和砂土越不易液化。

图5 黏粒含量Pc与修正系数α4和ξ的关系

3 存在的问题

公路、铁路对饱和砂土、粉土液化的判别均是建立在资料统计分析的基础上，在实际工作中液化判别较准确，但均有不足之处。

1)根据SEED与NCEER液化判别理论，公路规范液化判别公式中采用标准贯入点处土的总上覆压力σ0的大小查表确定标贯锤击数修正系数Cn是错误的，应按标准贯入点处土的有效上覆压力σe的大小，查表确定Cn值。由总上覆压力σ0确定的临界击数Ncr/Cn普遍比相同条件下由铁路规范确定的临界锤击数Ncr大。

2)公路规范中计算标准贯入点处总上覆压力σ0和有效上覆压力σe时，规定地下水位以上土重度砂土取18 kN/m3，粉土取18.5 kN/m3，水下饱和重度分别取20.0 kN/m3与20.5 kN/m3，与场地实际情况常存在较大差异，如覆盖层为大面积深厚软土、碎石土地区。

3)公路规范对地震动峰值加速度为0.15g，0.30g的地区未给出水平地震系数Kh值。

4)计算液化指数时，公路规范采用实测锤击数Ni与临界锤击数Ncri是错误的，应采用修正锤击数N1i与临界锤击数Ncri或实测锤击数Ni与Ncri/Cni(Cni为i点锤击数修正系数)组合。

5)目前普遍认为，在某一深度范围内，标贯锤击数临界值应该随深度的增加而增加。但试验深度ds在17 m以下时，铁路规范求得的临界锤击数Ncr出现减小趋势，有待根据深部实际液化资料进一步验证。

6)工程填挖方造成地下水位埋深、上覆非液化土厚度变化，是否应以工程正常使用后的情况进行复判，两行业规范均未明确。

7)公路和铁路规范对于黄土地区的实用性以及地震基本烈度为9度及以上时第四系上更新统饱和砂土、粉土是否液化的判别，目前缺乏实践资料验证。

4 结论

1)液化土初判时，对于饱和砂土、粉土能否使用黏粒含量来判别，在公路规范中仅限定为粉土，而铁路规范未加限制。使用液化初判图与初判公式对于埋深＜2 m的天然基础判定结果大体相同。

2)采用标准贯入试验详判时，随试验深度ds增加，临界锤击数增大，地表5～7 m以下，公路临界锤击数Ncr/Cn普遍较铁路Ncr大。

3)地下水位0～6 m内，随水位降低，临界锤击数减小。相同水位公路临界锤击数Ncr/Cn均不小于铁路Ncr。

4)随地震动峰值加速度增大，临界锤击数增加。公路临界锤击数Ncr/Cn与铁路Ncr受地震动影响程度基本相同。同一深度，地震动峰值加速度相同时，公路Ncr/Cn仍普遍大于铁路Ncr。

5)饱和砂土、粉土黏粒含量增多，临界锤击数减小。公路临界锤击数Ncr/Cn与铁路Ncr受黏粒含量影响程度相同。

6)公路砂土液化详判准则较铁路保守，两者对饱和砂土、粉土液化的判别结果均存在较高的准确性，但均存在不足之处，有待改进。

［1］中华人民共和国交通运输部.JTG C20—2011公路工程地质勘察规范［S］.北京:人民交通出版社，2011.

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［3］中华人民共和国交通运输部.JTG/T B02-01—2008公路桥梁抗震设计细则［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［4］中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50111—2006铁路工程抗震设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2009.

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(责任审编李付军)

U442.5+5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.28

1003-1995(2015)06-0109-05

2014-07-25;

2015-02-28

陈伟(1981—)，男，四川中江人，工程师，硕士研究生。