砂土液化判别方法研究的若干进展

张 塬，李 平，辜俊儒，周春澍

(防灾科技学院，河北 三河 065201)

0 引言

砂土液化是一种破坏性极强且具有一定区域性的地震地质灾害。大规模的砂土液化会破坏农田、道路、桥梁、工业设施、民用建筑、水利工程和堤防，并导致地基失效造成灾难性的震害[1]，因此，砂土液化是岩土工程界和地震工程界研究的热点问题之一。近年来国内外学者对砂土液化的形成条件、影响因素及液化机理进行不断探索，就砂土液化判别方法进行了一系列的研究工作，并取得了相应的成果[2-4]。在实际勘察工程中，准确判别砂土液化情况是亟待需要解决的问题。

目前国内常用的砂土液化判别方法有两类[5]：第一类是以地震现场砂土液化灾害调查资料为基础建立的经验分析法，这一判别方法是根据地震中砂土液化震害调查资料建立的判别公式，如标准贯入法、统计法、临界孔隙比法和能量判别法等；第二类是基于现场或室内试验建立的试验分析方法，该方法以现场或室内试验的方法确定土体量化指标，进而建立了液化判别公式，如Seed简化法、剪切波速法、静力触探法、动单剪试验、大型振动台试验和动三轴试验法等。本文概述了目前应用的国内外砂土液化判别方法的研究进展，针对现有各判别方法进行简要评述和详细分析，并指出现有液化判别方法存在的问题。

1 经验分析法

1.1 标准贯入法

我国的标准贯入法是根据1970年通海地震、1975年海城地震、1976年唐山地震等大地震的现场砂土液化调查资料和现场原位测试试验——标准贯入试验的数据资料建立的经验判别公式。

标准贯入法被我国抗震设计规范和勘察规范广泛使用，并且随着震害资料的积累和地震工程研究深入，该方法得到了不断的改进，成果在我国历次修订的抗震设计规范中充分体现。《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ11—78)[6]中首次给出砂土液化判别公式，判别公式中给出上覆非液化土层厚度、地下水位深度两个因素对液化的影响，此公式仅考虑了地震烈度对液化的影响，此规范出版极大地推动了岩土工程地震工程界对砂土与粉土液化的研究。根据大量地震资料数据的积累，对《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ11—78)进行修改，同时出版《建筑抗震设计规范》(GBJ11—89)[7]，此规范在考虑地震烈度对液化的影响下，增加了近震、远震对其标准贯入锤击数基准值的影响，考虑了粘粒含量对液化判别的影响，并提出用液化指数来衡量液化等级。《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)[8]采用设计地震分组来确定标准贯入锤击数基准值，并首次将判别深度延伸至20m，增加了地面下15～20m范围内砂土液化的判别公式。《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)[9]对设计地震动分组进行改进，在规范中标准贯入锤击数基准值是根据设计地震基本加速度来确定，并依此直接判定地面下20m范围内的土体液化情况。《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)[10]提出利用标准贯入锤击数和剪切波速(下文详细赘述)判断砂土液化情况，利用标准贯入试验得到标准贯入锤击数判断砂土液化时，将地震液化判定分为初判和复判两个阶段，对实测标准贯入锤击数进行校正，首次提出利用相对密度、相对含水率和液性指数对饱和少黏性土进行液化初判。《水运工程抗震设计规范》(JTS146—2012)[11]将地震液化判定分为初判和复判两个阶段，在初判阶段考虑了4个指标：地质年代、粘粒含量、土的粒径、上覆非液化土层厚度，并给出液化土层的桩侧摩阻力指标的折减系数。

国外规范对判别深度以及判别方法也有明确规定，《欧洲抗震设计规范8》[12]中规定，对于埋深较浅的基础，当饱和砂层的埋深不在15m埋深范围内时，可以不对砂土进行液化判别。当饱和土标准贯入锤击数(未经杆长修正)大于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判为非液化土。《日本港口设施技术标准》[13]利用颗粒级配试验和标准贯入锤击试验对砂土液化情况进行判断，当2个试验无法判定地基是否液化时，基于室内试验—动三轴振动试验结果进行进一步判断。

针对标准贯入法对所研究场地砂土液化判别的适用性问题，国内学者进行了大量的相关性研究。李向群等[14]利用标准贯入法(也称为规范法)对珲春图们江下游某场地进行液化判别，以检验标准贯入法对珲春图们江砂土液化的适用性，判别结果得出松散的细砂层在抗震设防烈度为7度时出现局部液化。李涛涛等[15]利用国内通用的规范法和国外采用的Seed简化法针对同一种场地进行对比分析，发现在计算表层地基土时，Seed简化法相对标准贯入法偏于安全，对深层地基土进行判别时，标准贯入法更为保守。

标准贯入法不仅考虑了土层本身条件、土层所处的埋藏条件和地震动荷载条件3个对液化判别的影响，同时还受机器设备以及操作方法等因素的影响，国内外学者对于液化的影响因素进行了全面的考虑与研究，但也存在一定的不足。

(1)目前现行规范的判别深度都在20m范围之内，当判断埋深大于20m土层的液化情况时，其判别结果偏于保守，会导致判别结果的不准确。

(2)标准贯入锤击法的判别公式是依据国内几次大地震的现场震害调查数据资料建立的，该方法区域性强，适应性较差，若应用到其他地震液化场地时，土层的动力学参数可能对判别公式的适用性存在较大差异。

1.2 统计法

多元统计分析方法由日本学者谷本喜一提出。他通过假设液化灵敏度指标Z是影响液化各可能因素所产生影响的线性函数，选取震级、震中距、相对密度、地下水位埋深、上覆土层厚度、地震持续时间等多种参数，以多维空间点向低维空间投影的Fisher判别准则为基础，建立液化判别统计公式，该判别公式是以灵敏度为预测液化指标，并分别给出4个因素和6个因素等不同影响因素的经验统计公式。Christain[16]收集了15次强地震39个场地的地震资料和土性资料，利用多元统计法，确定出相对密度与修正加速度在不同液化程度下的临界分界线。阳吉宝[17]通过对世界各地多组地震资料数据进行回判分析，发现原有液化势计算公式的不适用性，他通过建立新的线性回归模型给出液化势计算新公式，并对判别式中的自变量系数作定性检验。黄海国[18]以谷本喜一统计方法为基础，以Fisher判别思想为准则，收集35组世界各地地震资料，考虑了震级、震中距、地下水位埋深、上覆土层厚度、标准贯入击数、地震最大地面加速度和地震持续时间等影响因素，建立液化势的计算式，并模拟实际情况进行验算。王余庆等[19]以谷本喜一提出的多元统计公式为基础，分析了3组(分别含126个点、166个点和231个点)具有代表性的土层液化资料，提出了包含4个因素和5个因素对液化判别式影响的判别亚粘土的液化判别新公式，经过对不同烈度区典型的实例进行验证，证实所提公式的有效性。薛新华等[20]基于统计学建立了新型液化判别模型，选取了具有代表性的25组实测砂土的数据，对确立的新型模型进行检验，并且确立相对应新型液化判别模型的线性判别函数，用线性回归的方法回检其准确性，并与规范法和Seed法进行对比，结果表明：其新建的液化判别新模型成功率为100%，而标准贯入法和Seed法则出现不同程度的误判。

现有的经验统计式均采用Fisher判别准则建立出以灵敏度为指标的函数公式，其概念明确，并考虑了多个影响因素，能够较好地区分液化和不液化地区，但由于做统计分析的原始资料数量不足、资料范围狭窄或判别公式的使用范围限制等不利因素，对于判别公式需要进一步修正。随着数据资料的积累和科学技术的发展，寻求更加优化的多元统计模型是未来发展的方向。

1.3 能量判别法

1982年，Davis等[21]提出能量判别法，该方法以地震液化调查资料为基础建立考虑了饱和砂土液化机理的判别方法。他基于Nemat-Nasser和Shokooh的孔隙水压力的增减与地震中土的能量耗散有关的假定，利用Cutenberg和Richer计算关系建立能量与震级的联系。根据调查研究、理论推导可绘制土体消耗的能量与修正后标贯击数的关系，确定孔压增量与上覆有效压力的关系比值。何广讷[22]基于大量动力试验结果进行微观分析得到土振动孔隙水压力与振动能量之间的关系，结合大量历史地震液化资料，通过回归分析建立评价地震液化势能量判别式。

能量判别法以现场实际调查数据为基础，采用多个参数对砂土问题进行液化判别分析，确立了孔压增量与地震能量耗散之间的关系，在处理液化调查资料时考虑了液化机理。但是能量法有其局限性，在判别砂土液化时，所需要的样本数量较大；当震中距很小时，孔压增量与地震能量耗散之间的关系可能不合理；而且Davis在推导土中消耗的能量与标准贯入锤击数的关系时，所采用的标准贯入锤击数都小于20，对于实测标准贯入锤击数大于20的情况，需要对依据标准贯入锤击试验数确定的经验公式进一步修正。

2 试验分析法

2.1 Seed-Idriss简化法

Seed-Idriss简化法属于试验-分析判别饱和砂土液化的方法。1971年，Seed等[23]提出了饱和砂土液化判别方法，通过实际地震作用下的水平剪应力与砂土的抗液化剪应力的对比，对砂土是否发生液化进行详细评判，和我国颁布的78抗震设计规范的计算结果比较相近。Seed和Idriss于1982年就Seed简化判别法进行改进修正，增加了平均粒径对砂土液化的影响。1996年，美国地震工程研究中心召开研究会，对砂土液化研究成果进行总结并对Seed简化判别法作进一步的改进，改进的判别方法称为NCEER法。《日本道路桥梁抗震设计规范》[24]依据Seed简化判别法提出了关于液化安全系数新概念，并以安全系数为1.0作为液化判别发生的基准值。

Seed简化法考虑了震级、地表峰值加速度、土的容重、相对密度和埋藏深度等对砂土液化的影响，根据室内试验模拟饱和砂土发生液化需要的水平地震剪应力，从而确定饱和砂土的抗液化强度。但是，由于判别土体的受力状态和几何边界的复杂性，砂土液化判别方法的可靠性分析主要取决两方面，一是液化试验的可靠性，二是土体地震反应分析结果的可信度。

2.2 剪切波速法

剪切波速是表征土的动力特征的重要指标。当实测剪切波速大于土层剪切波速临界值时，则判定该场地在地震作用下不会发生液化。

Dobry等[25]在1980年首次提出了利用剪切波速判别饱和砂土液化的方法，在大量原位测试的基础上，Dorby得出结论其临界剪应变值为10-4左右，与此相应的模量比为7.5。1984年，汪闻韶[26]在我国首先提倡利用现场测试试验测试得到的剪切波速值进行地震液化的判别，其临界剪应变和模量比值取Dobry建议值。同年石兆吉[27]认为Dobry的判别法取值过于保守，他调查大量国内外室内试验和震中现场的实测数据，认为孔隙水压力为1时，取2%的剪应变作为临界液化状态是适宜的，由此建立以剪切波速为指标的预测轻亚粘土液化势的判别式。为满足不同要求和不同条件下的工程问题，1993年石兆吉等[28]根据收集到的砂土和粉土宏观液化资料，利用地震烈度法、地震剪应力法和能量法3种方法提出了适用于不同场合的剪切波速液化势判别式。周燕国等[29]对饱和标准砂开展了不排水循环三轴试验，对70多个液化场地的液化势进行统计，基于砂土抗液化剪切强度与弹性剪切模量具有相关性，提出一种新的简化判别方法，该方法的评价结果与现场震害调查数据相吻合。《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)提出土层的剪切波速计算公式，考虑了地震动峰值加速度和深度对剪切波速的影响，并对两个指标进行系数修正。王德咏等[30]利用面波对场地进行大面积勘探，用剪切波速对两个地震震级的场地进行液化判别，并利用回归分析方法得到剪切波速和标准贯入锤击数的关系曲线。在以往的工程建设中认为液化土体只有粉土和砂土，而忽视了砂砾土的液化可能性，曹振中等[31，32]对汶川8.0级地震液化砂土进行现场调查时发现液化的砂土中含有大量的砂砾土喷出物，从而认识到之前对砂砾土液化的认识存在一定的误区，认为目前所使用的通过砂土液化判别方法间接转换而来的剪切波速判别式对砂砾土不再适用。他通过选取5个指标获取了砂砾土液化场地动力触探锤击数与砂砾土的剪切波速的资料，基于动力触探锤击数与剪切波速的关系建立了液化判别新模型，试验检验结果表明：建立的液化判别新模型具有较高的判别成功率。石江华[33]就现有的以剪切波速为主的判别法对巴楚地震土层液化适用性进行判断，并由此建立适于巴楚地区地震液化的剪切波速新液化判别式，确立修正剪切波速基准值。刘雄等[34]对桂林市某工程场地土进行现场原位剪切波速测试，测得各土层的剪切波速，得出不同地震烈度下土层液化剪切波速临界值与实测值之间的关系，从而判定砂土是否发生液化。

目前国内常用标准贯入法判别砂土液化情况，标准贯入法虽然细微，但是不能直接反映土层的整体液化性状，只能通过液化指数对整个钻孔的土体液化情况进行判定。而剪切波速法是通过对土层进行原位测试得到剪切波速值进而间接判别饱和土层液化情况，近几年应用比较广泛。但是该方法的局限性在于其计算公式中未考虑粉土粘粒含量、上覆地层岩性和厚度等对液化的影响，易造成判别偏差和失误。

2.3 静力触探法

静力触探是岩土工程中的一种原位测试手段。1984年，Olsen[35]提出确定循环阻力比CRR的方法，但用贯入阻力和侧壁摩阻力确定循环阻力比CRR方法比较复杂，统一对锥尖贯入阻力进行归一化处理，得到CRR与归一化后两参数的函数关系式。Robertson等[36，37]利用CPT测试结果计算得到CRR，对比分析了静力触探与剪切波速两种测试方法对于判别砂土液化的适用性。周神根[38]选取唐山地震中不同烈度下的3个场地进行100多次静力触探试验，得到贯入阻力与深度的关系曲线，在考虑了5个与液化有关的指标的情况下，通过砂层确定贯入阻力的大小，从而推导出临界贯入阻力计算公式。《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)[39]规定：当实测的比贯入阻力小于液化时的比贯入阻力临界值(锥尖贯入阻力小于锥尖贯入阻力临界值)时，应判定为液化土。《铁路工程地质原位测试规程》(TB10018—2003)[40]采用单、双桥CPT进行液化判别时，对可能存在的液化层位置进行了明确的规定，地震动峰值加速度为0.1g的地区、地面下15m以内可能存在液化底层；地震动峰值加速度为0.2g或0.4g的地区，地面下20m范围以内有可能存在液化地层。李兆焱[41-42]利用巴楚地震现场调查结果检验了国内现有的以静力触探试验结果为指标的液化判别方法的适用性，结果表明：静力触探法判别成功率低，他认为现有的静力触探方法不适合该地区，并针对巴楚地震液化场地对液化判别公式进行改进。蔡国军等[43]对液化判别方法——国内的标准贯入法与国外的Seed简化法进行对比分析，发现利用国内标准贯入法判别砂土液化得到的结果偏于保守，相对而言国外的Robertson方法比Olsen方法判定砂土液化更加准确。

静力触探具有能定性地区分粘性土、粉性土或砂性土的基本量的优点，操作简单，但是无法定量区分土性，需借助土工试验来确定试验土性和粘粒含量。静力触探法能够较大程度的避免试验仪器对原状土的扰动，从而大大降低了人为因素的影响，但静力触探法中判别公式的建立具有较强的局限性，易造成判别结果的失误。

2.4 动三轴试验法

1961年，黄文熙、汪闻韶在国内首先提出利用动三轴仪器研究砂土液化问题的建议，利用动三轴仪器对饱和可液化土体进行模拟，该方法经过近40年的发展，已被公认为研究土体地震反应和砂土液化的有效手段。王俊等[44]在前人研究的基础上，采用动三轴砂土液化试验，运用Seed简化判别法，利用地震反应分析计算结果与地震剪应力时程相结合的判别方法，将场地砂土液化分成三个液化等级，并且对某工程场地砂土液化进行判别检验，对该场地砂层的液化程度进行等级划分及评价。黄博等[45]利用压电陶瓷弯曲元测试系统，使动三轴在小应变下控制试样的剪切波速，在控制剪切波速的条件下，研究某地区砂土的液化势，得到临界剪应变。柯瀚等[46]利用压电陶瓷弯曲元动测技术，对杭州砂进行动三轴试验，在试验过程中通过控制剪切波速达到试验目的，从而进一步验证砂土抗液化强度与弹性剪切模量之间具有很好的相关性。土体抗液化强度与弹性剪切模量的平方成线性关系。周健等[47-48]对常规动三轴进行可视化改进，用于观测试样细观结构，利用显微镜记录整个试验过程砂土细观结构的变化，为液化的细观数值模拟提供试验基础。与此同时他还利用三轴试验仪对饱和均匀砂土进行固结不排水试验和抗液化强度试验，分析了砂土抗液化强度的影响因素，结果表明：粉粒夹层对层状砂土有很大的影响。

由于取样技术尚不成熟，取到不受扰动或扰动较小的原状砂样比较困难，在进行室内液化试验中，采用的砂样基本为重塑砂样，故而忽略了原状土的结构性，低估了现场土的抗液化能力。在进行模拟土的应力应变试验时，重塑砂样的剪切波速值难以达到现场砂土测试的剪切波速值，从而导致试验结果与场地土的测试结果存在差异。

3 结论与讨论

近年来国内外对砂土液化判别方法的研究工作，已取得了显著的研究成果，并通过了多次地震震害的检验，但是由于砂土液化场地的复杂性，判别方法的研究仍存在一些不足之处。

(1)深层液化问题。深层液化已被多次震害调查所证明，但是目前标准贯入锤击数法只适用于20m以内液化层的判别，现行规范对深层液化问题还没有得出明确的判别方法，开展适用于埋藏深度较深的土体液化的判别方法是急需解决的科学问题。

(2)液化判别方法的适用对象。目前所使用的液化判别方法都基于抗剪强度低、易于液化的松软、饱和粉土、粉砂、粉细砂等土体的研究，而对于中砂、粗砂等物质没有更深研究。最新的研究表明，汶川大地震中部分地区出现含砾粗砂的液化问题。因此，通过震例液化资料的收集与积累，结合现场的实际情况，建立适用于不同研究对象的判别方法十分重要。

(3)液化判别方法的适用性。由于地震液化的不确定性以及工程场地地质条件的复杂性，目前国内的规范判别方法是依据某一地区或某几次大地震的液化震害调查资料建立的，在全国范围内具有一定的局限性，地区间运用判别方法存在一定的误判。因此，通过液化资料的不断积累，数据库的不断扩大，结合现有的液化判别方法以及判别研究成果，建立合适的区域性判别方法十分重要。

地震砂土液化现象是岩土地震工程中前沿研究问题。本文针对砂土液化判别方法及其适用性进行了较为系统的总结和评述，并提出了其存在的问题。由于地震液化的不确定性及工程场地地质条件的复杂性，在工程实践过程中仍存在很多值得进一步深入研究的问题。在此基础上，进一步丰富地震液化数据资料、积累实测数据资料和对目前现有的液化判别公式进行推导验算并分析其可靠性，修订砂土液化的判别方法，以满足工程抗震设计的需求，才能推动我国乃至全世界工程抗震技术的发展。