四种剪切波速液化判别法的区域适用性研究

吕俊超

(江西理工大学 土木与测绘工程学院，江西 赣州 341000)

0 前 言

土层液化的预测和判别是土动力学理论研究和工程应用中非常重要的课题，而地震场地现场勘察测试是发展液化判别方法最重要的手段[1]。伴随着现代科技的快速发展，剪切波速测试作为一种简单、便捷的原位测试技术得到了广泛应用，地震安全性评价、小区划等工作中采用波速判别饱和砂层地震液化的需求也日益强烈。但就我国以剪切波速为指标的砂土液化判别方法而言，形成现有方法的基础数据尚少，方法是否适用全国各地也有待检验[2-6]。

本文以2003年新疆巴楚地震、1986年我国台湾花莲、1999年集集地震、1976年河北唐山地震场地勘查剪切波速数据为基础，研究国内外剪切波速液化判别方法的区域适用性。

1 基于剪切波速的液化判别法

1.1 岩规法

石兆吉(1993)在《天津市建筑地基基础设计规范》(TBJ 1—86)的基础上对剪切波速液化判别公式进行了改进，加入了地下水位埋深的影响。《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)[7]在原有的石兆吉[8]公式上增加了黏粒含量影响系数，得到判别公式如下：

(1)

式中，Vscri为液化临界剪切波速，m/s；ds为埋深，m；Vs0为ds=1 m处的液化临界剪切波速，m/s，与烈度和土类有关；dw为地下水位埋深，m；ρc为黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时应取3，由于原始数据中并不包含黏粒含量，因而在使用岩规法计算时，ρc统一取3。当烈度是Ⅶ，Ⅷ和Ⅸ度时砂土的剪切波速基准值VS0分别取65 m/s，90 m/s，130 m/s。

若Vs1>Vscri则判定为不液化，反之为液化。

1.2 Andrus法

Andrus和Stokoe等[9]收集了世界各地的26次地震的液化资料和225例剪切波速数据，在Seed简化法的基础上结合世界范围内众多专家的研究成果，建议以剪切波速为指标的液化判别式，地震剪应力比CSR为：

(2)

(3)

抗液化应力比CRR为：

(4)

(5)

根据式(5)，若CRR与CSR的比值小于1，则该场地判别为液化，否则判定为不液化。此判别式在北美地区以及其他一些国家的工程中应用广泛。

1.3 双曲线法

为了使剪切波速场地液化判别法满足深浅兼顾的客观要求，孙锐等[10]提出了双曲线判别公式：

(6)

式中，Vs0取值见表1。若实测剪切波速Vs小于Vscr，则该土层判别为液化，否则为不液化。

表1 不同加速度下Vs0取值

1.4 水利勘察法

《水利水电工程地质勘查规范》(GB50487—2008)附录P第P.0.3 款规定[11]：当土层的剪切波速大于式(6)计算的上限剪切波速时，可判为不液化：

(7)

式中，Vscri为土层剪切波速临界值，m/s；KH为地震动峰值加速度系数，KH=amax/g；ds为土层埋深，m；γd为深度修正系数。

深度修正系数γD取值为：

(8)

2 液化判别法的区域适应性分析

采用上述四种剪切波速液化判别方法，对新疆巴楚地震、我国台湾花莲地震与集集地震、河北唐山地震场地进行液化判别[12-15]。

从以上的3个地区场地判别结果看出，国内外4种剪切波速液化判别式在巴楚、我国台湾、唐山3个地区的适用性有待深入考量的，笔者分别对巴楚(44组)、我国台湾(42组)、唐山(18组)调查点判别结果进行分析。

2.1 巴楚判别成功率分析

巴楚地区的地震液化判别成功率如表2所示。

表2 巴楚地震液化判别成功率 %

从表2的判别结果可以看出，循环剪应力比法判别巴楚地区液化场地成功率较高，非液化场地偏保守；岩土工程勘察规范方法对于液化、非液化场地判别成功率均低于50%，判别结果不可靠；水利水电地质勘查规范方法对巴楚液化场地判别结果突出，其液化区判别成功率达到了95%，但非液化场地却为0，过于保守；双曲线法判别结果与前三种方法判别结果存在较大差异，对液化场地判别成功率仅为5%，而非液化场地则为100%，与另外三种方法不同的是，该方法对巴楚液化场地的判别过于危险。四种判别法中，有两种方法对巴楚地区液化场地做出了较为准确的判断，而水利地质勘查规范法则较为突出，但对非液化场地的预测结果都产生了严重的偏差，双曲线法反之，总体判别成功率均不超过60%。初步分析表明，在四种液化判别法中，循环剪应力比法总体上较适宜巴楚地区的液化判别，岩土工程勘察规范法不适宜，而水利地质勘察规范法在该地区的液化场地判别上有优势，双曲线法则反之，在非液化场地判别上有优势。

2.2 我国台湾判别成功率分析

我国台湾地区的地震液化判别成功率如表3所示。

表3 我国台湾地震液化判别成功率 %

从表3的判别结果可以看出，循环剪应力比法在我国台湾地区液化场地成功率更高，高于巴楚地区，非液化场地判别成功率不超过50%，同样偏保守；岩土工程勘察规范法与水利地质勘查规范法在该地的液化场地判别成功率突出，达到了100%；双曲线法在我国台湾液化场地判别成功率为67%，明显高于巴楚地区，但在非液化场地判别则偏保守。四种判别法对我国台湾液化场地均能做出较正确的判断，而岩土工程勘查规范法与水利地质勘查规范法则更为突出，但对非液化场地的预测结果与巴楚地区同样过于保守，总体判别成功率也同样不超过60%。初步分析表明，四种方法中，循环剪应力比法在我国台湾地区总体上更具适用性，岩土工程勘察规范法在我国台湾地区，相较于巴楚，更适用液化场地，而水利地质勘察规范法在该地区的液化场地判别上与巴楚地区同样具有优势，双曲线法在我国台湾液化场地的判别成功率上明显高于巴楚地区，但在非液化场地的判别上不具优势。

2.3 唐山判别成功率分析

唐山地区的地震液化判别成功率如表4所示。

表4 唐山地震液化判别成功率 %

从表4的判别结果结果可以看出，循环剪应力比法在唐山地区液化场地成功率达到了90%，高于巴楚、我国台湾地区，非液化场地判别成功率则为0%，过于保守；岩土工程勘察规范法在唐山液化地区的判别成功率同样高到90%，非液化场地判别成功率为50%；水利地质勘查规范法在唐山对液化场地的判别成功率与我国台湾一样，同样达到了100%，但在非液化场地的判别成功率为0%，判别结果不可靠；双曲线法在液化场地、非液化场地的判别率均高于60%，总体判别结果较为可靠。如表4所示，四种剪切波速液化判别法对唐山地区液化场地的判别结果均较为可靠，水利水电地质勘查规范法较为显著，但对于非液化场地的判别，其与循环剪应力比法则均不可靠，总体判别成功率二者也均不超过60%，但岩土工程勘查规范法与双曲线法在该地区的总液化判别成功率超过60%，较为可靠。分析现有数据表明，循环剪应力比法与水利地质勘查规范法在唐山的液化场地上更具适用性，但在非液化场地，相较于巴楚、我国台湾的判别结果，这两种方法在唐山地区明显不具有适用性，而岩土工程勘察规范法在唐山地区总体上更具适用性，其次是双曲线法，相较于巴楚与我国台湾地区，这两种液化判别法的适用性较为显著。

由表2～4的液化场地与非液化场地对不同判别法在各地区的平均判别成功率进行分析，得到不同地区的平均判别成功率如表5所示。

表5 不同地区的平均判别成功率 %

从表5可以看出，不同判别法对不同地区的判别结果为：巴楚地区不同判别法的平均判别成功率分别为55%、44%、53%和48%，判别结果较均衡；我国台湾地区不同判别法的平均判别成功率分别为65%、67%、50%和62%，判别结果较好；唐山地区不同判别法的平均判别成功率分别为70%、45%、68%和50%，判别结果偏保守。唐山地区偏保守的原因在于所搜集数据点较少，仅搜集了18个数据。

将四种判别法进行对比，结果如图1～3所示。从图1可以看出，岩规法与Andrus法在巴楚地区均表现较为均衡，而双曲线法与水利勘察法则均表现严重保守；从图2可以看出，Andrus法与双曲线法在我国台湾地区均表现较为均衡，而岩规法与水利勘察法则表现较为保守；从图3可以看出，岩规法与双曲线法在唐山地区表现较为均衡，而Andrus法与水利勘察法则表现严重保守。

图2 我国台湾地区液化判别成功率对比

图3 唐山地区液化判别成功率对比

综上所述，循环剪应力比法在巴楚、我国台湾、唐山地区的总体判别率稳定；岩土规范工程勘查规范法由于其本身是以河北、天津地区的地震为研究对象，所以其在唐山地区无论是液化场地、非液化场地还是总体判别成功率均较高，区域适用性显著；双曲线法同样在唐山地区总体判别成功率较高，区域适用性较为显著；水利地质勘查规范法在三个地区的液化场地判别成功率普遍较高，均在90%以上，但在非液化场地判别率极低，两种场地的判别率呈两极分化。

3 结 论

以2003年新疆巴楚地震、1986年我国台湾花莲、1999年集集地震、1976年河北唐山地震场地勘查剪切波速数据为基础，分析现有国内外四种剪切波速液化判别法的区域适用性，分析结果如下。

1)在新疆巴楚地区，循环剪应力比法总体上较适宜巴楚地区的液化判别，岩土工程勘察规范法不适宜，而水利地质勘察规范法在该地区的液化场地判别上有优势，双曲线法则反之，在非液化场地判别上有优势。

2)在我国台湾花莲、集集地区，循环剪应力比法在我国台湾地区总体上更具适用性，岩土工程勘察规范法在我国台湾地区，相较于巴楚，更适用液化场地，而水利地质勘察规范法在该地区的液化场地判别上与巴楚地区同样具有优势，双曲线法在我国台湾液化场地的判别成功率上明显高于巴楚地区，但在非液化场地的判别上不具优势。

3)在河北唐山地区，循环剪应力比法与水利地质勘查规范法在唐山的液化场地上更具适用性，但在非液化场地，相较于巴楚、我国台湾的判别结果，这两种方法在唐山明显不具有适用性，而岩土工程勘察规范法在唐山地区总体上更具适用性，其次是双曲线法，相较于巴楚与我国台湾地区，这两种液化判别法的适用性较为显著。

综上，循环剪应力比法在巴楚地区、我国台湾地区、唐山地区的总体判别率稳定；岩土规范工程勘查规范法由于其本身是以河北、天津地区的地震为研究对象，所以其在唐山地区无论是液化场地、非液化场地还是总体判别成功率均较高，区域适用性显著；双曲线法同样在唐山地区总体判别成功率较高，区域适用性较为显著；水利地质勘查规范法在三个地区的液化场地判别成功率普遍较高，均在90%以上，但在非液化场地判别率极低，两种场地的判别率呈两极分化，所以还需要更多数据加以佐证。

[ID:012828]