砂土地基液化判别方法标准与比较分析

钱明

(中国石油工程建设公司华东环境岩土工程分公司，山东 青岛 266071)



砂土地基液化判别方法标准与比较分析

钱明

(中国石油工程建设公司华东环境岩土工程分公司，山东 青岛 266071)

[摘要]目前国内外已出现有多种液化判别方法，但由于不同方法的判断依据不同，各自在不同条件下的计算精度有时也差别较大，采用不同方法判别砂土液化可能性时会得出不同的、甚至是相反的结果。为了能够准确判断砂土的液化势，介绍了目前常用的几种砂土液化判别方法，在此基础上，结合工程实例的典型现场实测数据，应用我国规范法和抗液化剪应力法进行了判定、评述和比较分析，并基于分析结果提出了合理的砂土液化势判别方法和标准。

[关键词]砂土液化；Seed简化法；抗液化剪应力；原位测试

目前国内外已有多种砂土地基液化判别方法，但由于不同方法的判断依据不同，各自在不同条件下的计算精度有时也差别较大，采用不同方法判别砂土液化可能性时会得出不同的、甚至是相反的结果。抗液化剪应力法是基于1971年提出的Seed简化分析法，是目前普遍接受的砂土液化判别方法之一[1]。该方法不断改进，美国国家地震工程研究中心(NCEER)建议的砂土液化判别简化方法是Seed简化分析法中最具代表性的[2]。而临界标准贯入击数法和静力触探试验法属于经验分析法[3,4]，是在分析、统计世界各地广泛的的地震液化震害调查基础之上，建立的经验准则和公式。刘汉龙等[5,6]引入概率法，运用累计疲劳规律表示剪应力循环的累积效应对自由平坦场地的液化势进行判别。但概率法目前还处于发展阶段，工程应用该法进行预测的实例还不多。室内试验分析法是通过随机加载的三轴试验、振动台试验、离心机试验[7]来模拟在地震时土的应力状态。土层反应分析法[8]是砂土液化动力分析方法的液化判别上的应用，考虑因素可以很多，计算较严密，但关键是材料参数和荷载参数要选择适当、合理，这有一定难度。

目前判别砂土液化可能性的方法主要有2大类：一是经验法，即以地震现场液化调查资料为依据，给出判定液化的条件和界限，它不仅直观，而且可自动考虑一些影响液化的重要因素。我国规范建议的原位测试法即属此类别；二是试验-分析法，即以室内液化试验和土体地震反应分析结果为依据进行判定，其可靠性取决于室内液化试验和土体地震反应分析结果的可信程度，Seed简化剪应力对比法就是此类的典型代表方法。

试验-分析法理论基础完善，可以综合考虑诸多影响因素，但难点在于水下的饱和砂土很难取出不受扰动试样，而且取样代价昂贵，无法选用现场和室内均能精确测定的指标，多数只能采用重塑试样。对于经过加固处理后的砂土人工地基，可以采用重塑试样进行测定，但对于砂土天然地基，因受结构性影响较大，采用重塑试样误差较大。因此，该类方法在工程实践中应用存在诸多困难。但如果能够采用适当的原位测试方法来确定砂土的抗液化剪应力比，那无疑可以明显增加剪应力对比法在工程实践中的应用。下面，笔者主要结合工程现场测试结果，基于原位标贯试验和静探试验对液化判别方法进行综合比较分析。

1基于标贯试验的液化判别方法比较

目前基于标贯试验的液化判别方法主要有2大类:一是经验方法，典型代表是我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)提出的临界标准贯入击数法；二是经验理论结合的方法，比较典型的是美国国家地震工程研究中心提出的NCEER法。

广东揭阳某拟建大型石化厂区[9]场地上部20m范围内主要分布的土层是松散～中密的粉细砂层，该层在地震荷载作用下存在液化的可能性。基于场地D2试验区夯前的典型标贯试验结果，假设地震震级7.5，地下水位2.1m，分别采用临界标贯击数法和NCEER法对其液化可能性进行了判别，计算结果见表1和图1。

表1　基于标贯试验的液化判别方法比较

图1　基于标贯试验的液化可能性安全系数曲线

表1中规范法是采用实测标贯击数与建筑抗震设计规范提供的经验公式计算得出的液化判别临界击数进行比较。NCEER法是抗液化剪应力比(CRR)与SEED简化法表示的周期应力比(等效循环应力比CSR)的比值，定义为砂土的抗液化安全系数。根据表1和图1中的结果可知，规范法(临界标贯击数法)和NCEER法的液化判别结果总体规律基本一致，但规范法计算的液化可能性安全系数均大于NCEER法的计算结果，特别是15m以下的深层土体差别更大，说明相对于美国NCEER法，我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定的临界标贯击数法偏保守。

2基于静探试验的液化判别方法比较

我国目前工程上所使用的CPT液化判别方法为《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)条文说明中建议的判别方法，该法是以地震现场实测资料，用判别函数法统计分析得出了静力触探试验液化判别法。国外主要根据 Seed提出的周期应力比 CSR与周期阻力比CRR(抗液化剪应力比)的比较来判断液化场地，这也是最早提出的可判别具有水平地面自由场地液化的方法，其中主要的方法有Robertson法和Olsen 法。

基于场地D2试验区夯前的一个典型静探试验结果，假设地震震级7.5，地下水位2.1m，我们分别采用临界静力触探阻力法和Robertson法对其液化可能性进行了判别，计算结果如图2所示。

根据图2中的结果可知，由于我国《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)建议的方法与基于静探试验的Robertson法[10]在计算方法和标准确定依据上存在一定差异，因此两者的判别结果在某些深度存在不一致，甚至出现相反的结果，Robertson法在大多数深度位置预测的液化安全系数低于或接近我国《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)的预测值。

3砂土液化判别方法综合比较分析

图2　基于静探试验的液化可能性安全系数曲线

根据上述分析以及前人的有关研究成果，目前国内外常用的几种液化判别方法均有其局限性，其用于工程实践的优势和劣势可以归纳如下：

1)基于室内试验结果的抗液化剪应力法(Seed简化法)，理论基础明确，不但可以综合考虑埋深、地下水位、覆盖层厚度、震级或烈度等诸多影响因素，而且可以全面灵活地考虑地震动特性。但困难在于水下的饱和砂土很难取出不受扰动试样，而且取样代价昂贵，多数只能采用重塑试样。对于砂土天然地基，因受结构性影响较大，采用重塑试样误差较大。因此，该方法在工程实践中应用存在诸多困难，目前国外均采用基于标贯击数的Seed简化法。

2)我国的规范和我国有关单位所研究的方法，绝大多数都是经验方法，如《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)提出的临界标准贯入击数法和《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)条文说明中建议的临界静力初探阻力判别方法等。这些方法是根据国内大量震害现象和地震现场实测数据统计建立的，可以考虑地震烈度的影响，实用性和针对性较强，且按规定计算及选取防震抗液化措施较简单易行，试验设备和试验方法比较简单。但这类方法大多未能考虑土类的影响，缺乏理论基础，无法考虑地震动特性和震级等的影响。另外，标准贯入试验存在设备和操作方法不规范、人为干扰明显、测量数据离散性大、可重复性低等缺陷，且对于深层砂土的液化判断偏于保守。

3)将剪应力对比法和原位测试技术结合在一起的方法，如基于标贯试验的NCEER剪应力对比法和基于静探试验的Robertson剪应力对比法。这些方法将室内试验以及理论研究的成果与原位测试技术结合起来，理论基础明确，既可以考虑诸多影响因素，又具有明显的实用性和可操作性，易于为工程界接受和采用。但目前该类方法的评价指标和判断标准仍多为人为经验确定，应用时间短，尚缺乏足够的地震现场实测资料和工程实践验证。由于原位测试方法设备简单，操作方便，特别是静探法具有快捷、连续、经济、可重复性高、系统误差和偶然误差相对较小等优点，随着震害现场数据的逐渐积累、完善，该类方法特别是基于静力触探试验结果的抗液化剪应力法，代表着液化判别方法的发展趋势，无疑具有更好的应用前景。

由于以往人们在决定液化强度曲线时，往往带有一定的主观性，所确定的液化强度不一定就是地震时饱和砂土极限状态的真实反映。因此，对某一特定砂层能否液化的判别只能是近似的估计，特别是对接近临界条件的砂层，很可能出现误判。目前现有的各种液化判别方法都具有这种性质，其差别只是误判的原因和概率有所不同。现有的各种液化可能性判断方法，各有其优势及局限性，考虑到当前对地震及其液化机理的认识水平，目前和今后相当长的时期内，经验方法仍是很重要的。对原状砂土进行液化判断时，应结合我国规范规定的经验法，使用基于静探试验的抗液化剪应力对比法进行液化势评价，以提高判定场地砂土液化势的准确性。

4结论

1)我国规范提供的液化判别方法是根据国内现场测试数据统计建立的经验方法，实用性和针对性较强，但缺乏明确的理论基础，仅是按照烈度考虑的，无法考虑震级等因素影响。相应于国外同类判别方法，我国规范液化判别式偏于保守，会使一些工程投资大幅增加，另外标准贯入试验还存在不连续、人为因素干扰大、可重复性差等局限性。

2)近年来提出的基于原位测试的抗液化剪应力对比法(Seed简化法)，因其综合了理论分析法和经验法的优势，随着地震现场实测资料的逐渐积累完善和工程实践的检验，基于原位测试的剪应力对比法，特别是基于静力触探试验的剪应力对比法，无疑代表着液化判别方法的发展趋势，将来具有更好的应用前景。

3)现有的抗液化剪应力对比法、临界标准贯入击数法和静力触探试验法等液化可能性判断方法，各有其优势及局限性。鉴于现有各种测试手段的可靠性和可操作性，考虑到当前对地震及其液化机理的认识水平，对现场砂土进行液化判断时，应结合我国规范规定的经验法，使用基于静探试验的抗液化剪应力对比法进行液化势评价，以提高判定液化势的准确性。

[参考文献]

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[4]GB50021-2001，岩土工程勘察规范(2009年版)[S].

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[9]周迅军，张志豪，钱明，等.大型石化厂区软弱地基土的加固处理研究技术报告[Z].北京:中国石油工程建设公司，2012.

[10]符圣聪，江静贝.关于建立新的液化判别标准的建议[J].工程抗震与加固改造，2005,27(2):61～66.

[编辑]计飞翔

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2016)10-0052-04

[中图分类号]TU398

[作者简介]钱明(1971-)，男，硕士，高级工程师，现主要从事岩土工程技术方面的研究工作；E-mail：qdqianming@126.com。

[基金项目]中国石油工程建设公司科学研究与技术开发项目(CPECC2012KJ02)。

[收稿日期]2015-12-15

[引著格式]钱明.砂土地基液化判别方法标准与比较分析[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(10)：52～55.