地震液化判别方法对比分析

仇道健 汤慧卿 赵朝华

（1、黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州450000 2、中水北方勘测规划设计研究有限责任公司，天津300000）

1 地震液化定义及液化机理

关于地震液化的定义，各种规范及文献资料均大同小异，一般而言，地震液化是指少粘性土在震动作用下丧失承载能力，由固态变为液态的现象。

震动作用不是特指地震，也包括动力荷载或其它能引起震动的外力作用，因此，地震液化叫震动液化可能更加确切。少粘性土一般指砂土和粉土，在水利上包括砂土、砂壤土、轻粉质壤土等黏粒含量较少的多种土类。

地震液化机理，饱和土在震动作用下，土颗粒有移动和变密的趋势，根据Terzaghi 有效应力原理，σ=σ'+μ，有震动作用且土体排水不畅的情况下，超静孔隙水压力增加，土体承担的有效应力减少最终直至为0，此时，总应力均由水压力承担，土颗粒悬浮于水中，而水不能承担剪应力，致使承载力丧失，地基变形，造成危害。

地震液化可使地基软化，建筑物因而倒塌；大量饱和土可从地下如泉水涌出（泉涌），在地面堆积成丘；另一方面则使地下某些部位空虚，地面因而沉陷。主要表现：喷水涌砂；地面沉陷；地基失效；蠕动滑塌等。

2 液化初判常用方法

液化判别时宜首先进行初判，主要目的是事先排除一批不可能液化的工程，在工作量布置阶段减少勘察工作量，避免重复工作，降本增效；另一方面，初判不液化的地层无需再进行复判，减少了技术人员计算工作量。

各规范规定的初判条件大同小异，归纳起来主要有以下几条可以不考虑液化的条件：

①地震强度因素：地震烈度小于7 度的地区，但对沉降敏感的建筑物应按7 度考虑；

②地质因素：形成年代在Q3及以前的地层；

③地下水因素：非饱和土；

④土粒因素：黏粒含量百分比，7 度区大于10%，8 度区大于13%，9 度区大于16%；黏粒含量测定必须采用六偏磷酸钠作为分散剂，采用氨水等其它分散剂时需按规定换算；

⑤覆土因素：采用浅基础时，厚度和地下水位深度符合一定条件时，可不考虑液化影响；

3 液化复判常用方法

我国现行勘察规范中提供了多种地震液化的评价方法，多以原位测试方法进行评价，如建筑抗震设计规范推荐标贯法，岩土勘察规范推荐标贯法、波速法和静探法，油气田行业推荐波速法，公路行业推荐静探法，水利水电行业推荐的标贯法、相对密度法、相对含水率、液限指数法和波速法，水运行业推荐标贯法，铁路行业推荐标贯法和静探法等等。总体而言，标贯法最为常用，其他方法可作为辅助判别。因各种方法有各自的优缺点，因此，建议采用多种方法综合判断，相互印证。

国内外历次大地震震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心和抗扭刚度太弱的结构，在地震中遭受到严重的的破坏。国内一些振动台模型试验结果也表明，过大的扭转效应会导致结构的严重破坏。JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》规定了高层结构的位移比与周期比的限值，目的主要是限制结构的扭转效应。

3.1 标贯法

标贯法是基于国内地震特别是唐山海城等大地震现场实测资料进行统计分析，同时借鉴国外液化评价成果和经验建立起来的，是基于实际地震时液化调查而建立的液化判别方法，缺乏理论基础，但是由于积累了大量的标贯数据，与实际情况较为一致，是一种可靠的判别ρ 方法，这也是目前我国规范多推荐标贯法的原因。

采用标贯法判别深度为20m，在使用过程中，各规范计算公式基本一致，均采用标贯实测击数进行，但水利工程和水运工程中，因建成后和建成前水位变化较大，因此要对标贯击数进行地下水位修正。不同规范其判别公式及修正公式略有差别，实际计算时可按不同工程类别分别采用不同的计算公式。

①建筑抗震设计规范（GB50011-2010）和岩土工程勘察规范（GB50021-2001（2009 年版）提供的计算公式如下：

④水运工程抗震设计规范（JTS146-2012）提供计算公式如下：

3.2 波速法

采用波速法判别深度为15m，当实测波速小于临界波速时即判为液化，其临界波速值计算公式如下：

3.3 静探法

岩土工程勘察规范条文说明中规定，采用静力触探试验判别液化，当实测计算比贯入阻力ps或实测计算锥尖阻力qc小于液化比贯入阻力临界值pscr或液化锥尖阻力qccr时，应判别为液化土，并按下式计算：

αω、αμ和αρ分别为地下水、上覆非液化土层厚度和土性修正系数。

而铁路工程抗震规范中提出采用，当实测贯入阻力Psca 小于液化临界贯入阻力Ps'时，应判为液化土。其临界贯入阻力计算公式为：

3.4 相对密度法

水利水电规范提供了相对密度判别的方法，饱和无粘性土（包括砂和砂砾）的相对密度小于临界相对密度时判为液化，临界相对密度在0.05g、0.10g、0.20g、0.40g 时分别为65、70、75 和85。相对密度的计算公式为Dr=（emax-e0）/（emax-emin）=[（ρd-ρdmin）ρdmax]/[（ρdmax-ρdmin）ρd]。

3.5 相对含水率法或相对液限法

水利水电规范同时提供了相对含水率法和液限法，规定如下：

①当饱和少黏性土的相对含水率≥0.9 时，或液性指数≥0.75 时，可判为可液化土。

②相对含水率按下式计算：Wu=Ws/WL，Ws 为少黏性土的饱和含水率，WL为少黏性土的液限含水率。

③液性指数按下式计算：IL=（WS-WP）/（WL-WP）。

其它还有简化SEED 法、CSR（等效循环应力比）法、动三轴试验法等。

4 液化等级的判定

当判定为液化的土层需要进行液化指数的计算，依据每个钻孔的液化指数，判定液化等级，遵循“逐点判别、按孔计算、综合判定”的原则。

钻孔的液化指数根据下式计算：

当采用静探法时，应先按静探成果进行地质分层，上式中Ni/Ncri以ps/pscr或者qc/qccr代替，ps、qc及di采用平均值。而wi如何取值各规范均有具体规定。

根据液化指数判定液化等级，建筑抗震和岩土勘察规范中二者对应关系见下表，其它行业规范中规定有不同的界限标准，例如《室外给排水及热力管道抗震设计规范》规定按判别深度不同采取不同的界线标准。根据液化等级，针对不同的建筑物、基础形式、重要性和危害程度等采取不同的液化地基处理方案，一般分为不处理、部分处理和全部处理三个层次，具体处理方法可按相关规范执行，需要指出的是不是所有的液化土层都需要处理，但同时上部荷载较小的工程，比如给排水管道，地震液化时不仅会产生地基沉陷还会产生管道上浮现象，也需要进行地基处理。

5 结论

目前，建筑、铁路、公路、核电、水运、水利水电等都有自己的抗震设计规范，标贯、静探和波速等指标的判别方法较为成熟，跟土的液化特性具有较好的相关性，因此上述规范多以此三种方法作为判别标准，但这些公式都是基于经验公式和概率统计的基础上建立起来的，有其区域性和不确定性，各种方法考虑因素不一，各有其优缺点，因此，为较准确的判定场地液化情况，需采用多种方法综合判断，建议以标贯法为主，以静探法和波速法为辅助判别方法。

随着数学方法和计算机技术的不断发展，对地震液化的研究逐步深入，新的判别方法也在不断地尝试和创新，比如神经网络法、概率判定法等，同时对饱和黄土和砾类土的液化问题也在不断深入研究中。