中美标准贯入试验砂土液化判别方法差异性研究

孟永旭，丁晓庆，李 路，范胜华

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

0 引 言

砂类土地震效应表现为地震液化，属地震直接灾害。地震液化宏观表现为地面喷砂冒水、地面开裂沉陷、建筑物及构筑物倾倒或侧向滑移(基础失效)。建于深厚覆盖层的水电工程大坝，坝基砂土液化导致地基强度降低有发生坝体变形和失稳的风险，在勘察过程中应十分重视砂土液化问题，需对是否存在地震液化问题作出判别。国内外大坝工程地质勘察技术标准对砂土液化的判别均有明确的规定，我国规范砂土液化评价为强制性条文。

砂土液化评价主要根据原位试验成果评估液化的可能性，其中采用标准贯入试验(SPT)进行地震液化判别是常用的方法。众多学者和机构通过研究提出不同的标准贯入试验地震液化判别标准。GB 50287—2016《水力发电工程地质勘察规范》SPT法和美国内政部垦务局DS—13(13)—8《土石坝抗震分析和设计》SPT法，是海外水电工程地震液化评价主要方法。由于文化背景的差异，中国标准很难得到业主工程师或监理工程师的认同，有时采用Seed & Idriss“简化判别法”，与我国水电SPT法的结果完全不同[1]。在海外项目勘察中采用哪种方法进行评价地震液化，是困扰工程技术人员的主要问题之一。

针对中外地震液化评价方法的对比分析，国内学者作了大量的研究工作，但其研究成果差异较大。曾凡振等[2]对中美抗震规范地基土液化判别方法进行了比较研究，认为两国规范都采用以标准贯入试验(SPT)为主的经验判别方法，但美国规范考虑的液化影响因素较为全面，对于烈度Ⅷ度和Ⅸ度场地，我国规范的液化判别方法偏于不安全，而对地面以下15～20 m深度则偏于保守。佘跃心等[3]对比了我国GB 50011—2001规范液化判别公式与Seed简化法的差异，Ⅶ度时N0=6时Seed法偏保守，而N0=10、16时我国规范公式偏保守。符滨等[4]研究认为，我国规范法相较Idriss法与NCEER法保守，NCEER法较Idriss法保守。袁晓铭等[5]对巴楚地震液化场地实测数据分析认为，理论上我国规范对巴楚地震液化场地的判别结果更偏于安全，但事实与之恰恰相反，现有的液化判别方法对巴楚地震给出的结果明显偏于危险，抗震设防目标根据概率水准提出，地震动也具有概率的意义，但液化分析时采用的是确定法，明显不相匹配。

中美地震液化评价标准评判的结果存在差异性已得到了较为一致的认识，但对采用哪个标准更为合理，当前的认识并不统一。中美标准差异性研究中很少深入探讨中美标准贯入试验的差异，这与其结论相左可能有较大的关系。吴晓东[6]对中外标准对标准贯入试验规定进行了对比，SPT设备规格及试验技术要求是基本相同的，但美标强调需进行设备能量比ERi的测定。实际上，标准贯入试验的差异还有一项重要的差异，即中美标准贯入试验对触探杆直径的要求不同，而触探杆直径对贯入击数具有较大的影响是现实存在的。

本文对中美标准贯入试验差异性进行分析，确定我国标准贯入试验的能量比ERi为75%，常用φ42钻杆相对于美标液化评价SPT标准钻杆AW的杆径系数为0.75左右。分别采用我国水电SPT法和美国垦务局SPT法，对海外实际工程砂土液化进行判别对比，结合历史地震液化情况判别评价方法的合理性。

1 中美标准贯入试验(SPT)的差别

1.1 试验设备及方法

中美标准贯入试验(SPT)进行砂土液化判别时，我国水电工程采用的标准为NB/T 35102—2017《水电工程钻孔土工原位测试规程》；美国标准贯入试验采用的是美国材料与试验协会标准ASTM，主要有ASTM D1586—11《标准贯入试验方法》和ASTM D6066—11《判断砂土液化的标准贯入试验实施规程》。中美标准贯入试验在贯入器、锤击系统和标准贯入击数值方面基本相当。主要差异有2个方面：一是，美标要求进行能量比测试，而我国对此未规定；二是，试验的钻杆要求不同。

1.2 锤击能量比

通常认为，我国标准贯入测试设备的能量比为60%。符滨等[4]对采用φ42钻杆的我国标准贯入试验设备进行了125个点的能量比测试，平均能量比ERi=85%。王建军等[7]进行了5组280个点的能量比测试，平均能量比ERi=75%。研究表明，我国φ42钻杆SPT能量比在75%～85%之间。

1.3 钻杆型号

我国标准触探杆的直径NB/T 35102—2017规定为42 mm或50 mm。ASTM D1586—11规定钻探设备符合ASTM D6169规定，其钻杆规格符合ASTM D2113—14的规定。ASTM D6066—11明确规定钻杆尺寸应限制在ASTM D1586—11允许范围内，大多数液化数据是采用小钻杆收集的，齐平接头钢AW或AWJ DCDMA钻杆是数据库中使用的典型钻杆，对于超过50 ft(15 m)的深度，最好使用更大的杆件，如BW至NW尺寸[8]。从中美标准钻杆型号与参数对比(见表1)可知，我国φ42钻杆无论是其外径还是单位长度质量均小于AW的参数，相对而言，φ50钻杆与AW参数更为接近。

表1 中美标准钻杆型号与参数对比

美国内政部垦务局DS—13(13)—8《土石坝抗震分析和设计》要求，地震液化评价的SPT必须按照ASTM D1586—11(一般用于SPT)和ASTM D6066—11(特定用于液化评估的SPT)规定进行，偏离测试标准会产生误导性的结果。垦务局通常采用NW钻杆，相对于AW或AWJ钻杆，其分析结果可能差异很小[9]。

实际工作发现，φ42和φ50钻杆的标准贯入试验成果存在较大差异。龙燕明[10]指出，砂土和风化岩φ42和φ50钻杆的标准贯入击数比值(杆径影响系数)为0.75～0.80。为研究钻杆直径对标贯击数影响，上海勘测设计研究院有限公司在华能灌云300 MW海上风电场项目中进行不同钻杆直径标贯对比试验，采用钻杆直径42 mm进行标贯试验共566次，采用钻杆直径50 mm进行标贯试验共147次，在没有考虑锤击能量比差异的影响下，杆径影响系数在0.29～0.80之间，均值为0.60左右。可见，杆径对击数的影响是客观存在的。

2 中美标准贯入试验SPT砂土液化判别方法对比

2.1 我国水电SPT法

GB 50287—2016《水力发电工程地质勘察规范》[11]地震液化评价分为初判和复判，复判采用我国GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》(2016年版)[12]推荐的SPT法，水电工程地震液化评价考虑远震影响，地震影响系数β(远震和近震影响)取1.0。

水电SPT法采用对每个标准贯入试验点进行逐点判别的方法。液化判别时采用水工建筑物抗震设防烈度对应的地震动峰值加速度值。通过对比计算得出的各标准贯入试验点锤击数临界值Ncr与实测锤击数N，判别地震液化的可能性，N

(1)

式中，N0为液化判别标准贯入锤击数基准值，在设计地震动加速度为0.10g、0.15g、0.20g、0.30g、0.40g时分别取7、10、12、16、19；ds为标准贯入试验贯入点深度；dw为地下水埋深；ρc为土的黏粒含量百分率，小于3或为砂土时，取3。

工程正常运行时，标准贯入试验贯入点深度和地下水位深度与进行标准贯入试验时的贯入点深度和地下水位深度不同，需对标准贯入试验实测锤击数N进行校正，并按校正后的标准贯入试验锤击数N′进行判别，即

(2)

2.2 美国垦务局SPT法

Youd等在美国国家基金委(National Science Foundation)和国家地震工程研究中心(National Center for Earthquake Engineering Research)的资助下，提出了改进的Seed简化方法。Idriss等[9]应用最大似然法(Maximum likelihood)原理，提出了以Idriss液化临界曲线为依据的液化判别概率方法。美国内务部垦务局DS—13(13)—8《土石坝抗震分析和设计》采用了Idriss和Boulanger(2010)液化评价程序[13]。

SPT(或其他测试方法)本质上并不精确，包括有大量的不确定性，在液化判别时还需结合其他方法作出判定。液化评价中地震动参数采用工程抗震设计相同的概率水平，液化分析时需将每个标准贯入试验实测锤击数N修正至等效净砂当量值(N1)60cs，并计算标准循环抗液化阻力比CRR7.5，σ=1，α=0和标准循环应力比CSR7.5，σ=1，α=0。每个标准贯入试验区间的(N1)60cs确定之后，需选择评价土层的代表性(N1)60cs值作评价参数，一般取平均值，概率风险可取2个或更多个有代表性的(N1)60cs值。

2.2.1 计算标准循环抗液化阻力比CRR7.5，σ=1，α=0

影响标准贯入试验实测锤击数N值的因素很多，落锤系统(包括落锤、锤垫、落锤释放装置)、钻孔直径、钻杆类型、钻杆长度、贯入器有无内衬等，均可能对N值产生影响。因此，液化分析时需将每个标准贯入试验实测锤击数N进行修正。考虑不同设备和现场步骤，修正后60%能量比的标准贯入试验锤击数N60为

N60=CECBCRCSN

(3)

式中，CE为钻杆能量比修正系数，CE=ERi/60；CB为钻孔直径调整系数，一般取1.0；CR为钻杆长度调整系数，钻杆长度L为5～33 ft时，CR=0.009L+0.7，钻杆长度L为33～100 ft时，CR=1.0，钻杆长度L大于100 ft时，CR=1.0-0.001(L-100)；CS为贯入器无衬垫调整系数，不带衬垫的(N1)60≤10时，CS取1.1，(N1)60≥30时，CS取1.3，10<(N1)60<30时，在其之间时取其线性插值，有衬垫，CS取1.0。考虑上覆压力修正后的标准贯入试验锤击数(N1)60为

(N1)60=CNN60

(4)

(5)

(6)

式中，FC为细粒土含量，小于5%时取5，大于35%时取35。标准循环抗液化阻力比CRR7.5，σ=1，α=0计算公式为

(7)

2.2.2 计算标准循环应力比CSR7.5，σ=1，α=0

为了便于将不同震级、不同深度的土层进行比较，将液化或不液化土层的循环应力比CSR标准化为

CSR7.5，σ=1，α=0=CSR/(KαKσMSF)

(8)

式中，Kα为非水平地面CSR调整系数，Idriss和Boulanger也提出了非水平地面CSR调整系数Kα的经验公式，方程十分复杂，准确确定Kα值需要采用有限元分析，计算地震前的渗流和水库荷载条件下的表面静态剪应力，工作量巨大。由于假定Kα=1，对精度损失很小，通常简要分析时Kα取1.0；Kσ为有效上覆应力CSR调整系数；MSF为地震震级(用来确定荷载循环次数)的CSR调整系数。循环应力比CSR计算公式如下

(9)

(10)

式中，Cσ为系数。地震震级(用来确定荷载循环次数)的CSR调整系数MSF计算公式如下

MSF=6.9exp(-Mw/4)-0.058

(11)

2.2.3 液化判别

液化判别采用确定法和概率法。确定法公式为

FS=CRR7.5，σ=1，α=0/CSR7.5，σ=1，α=0

(12)

式中，FS为液化安全系数，FS<1.0为液化土；如果CSR与CRR相同，液化或循环破坏的概率约为15%。液化概率法采用IB模型，对于给定的(N1)60cs和CSR7.5，σ=1，α=0，其标准循环应力比CSR7.5，σ=1，α=0超过标准循环抗液化阻力比CRR7.5，σ=1，α=0的概率PL(N1)60csCSR7.5，σ=1，α=0为

(13)

式中，Φ[x]为x的标准正态累积分布函数；σln(R)为(N1)60cs给定值的CRR标准偏差，假设(N1)60cs的所有值为常数，等于0.13。

2.3 地震液化判别方法差异性分析

中美SPT砂土液化判别方法均是根据地震液化资料建立的经验性方法。对比两国的评价标准，主要差异表现在以下几个方面：

(1)液化判别公式的理论依据。美国地震液化评价方法理论依据为Ishihara(1977)100%孔隙率的周期应力率公式，判别公式各项指标的物理含义较为清晰。我国SPT法是在基本模型Ncr=N0[1+βw(dw-2)+βs(ds-3)]基础上发展起来的[2]，评价方法主要考虑地震加速度、上覆土压力及砂土黏粒含量的影响，基本模型是基于地下水埋深和砂土埋深与基准击数的线性关系，物理含义并不清晰，在海外水电工程中难以向业主工程师或监理工程师进行合理的解释。

(2)地震影响参数的选择。美国地震液化评价方法考虑了震级及地面加速度的影响，地震动参数采用工程抗震设计相同的概率水平。我国SPT砂土液化评价中采用水工建筑物抗震设防烈度对应的地震动峰值加速度值，未考虑震级大小的影响，根据地震设防烈度进行评价时，设防烈度为Ⅵ度时一般不进行地震液化评价，由于没有充分考虑地震震级的大小，对烈度区(特别近场区有发生中强震的)偏于不安全。据汶川8.0级地震液化震害调查结果，Ⅵ度区不仅有液化现象，而且有明显的液化震害[14]，对Ⅵ度区时不进行液化判别不合理。我国地震烈度的划分中，其动参数取值为其分区值的下限，采用的地震动参数值为偏低值，可能小于该区可能遭受的地震影响，按设防烈度确定地震动参数进行评价的方法不合理。

(3)标准贯入试验击数选取。我国液化数据中的河源、邢台、通海、唐山、海城地震，唐山、通海和海城3次地震数据占总数的85%，唐山地震数据占60%[4]。除唐山地震、海城地震数据中的标贯击数是通过现场标贯试验给出外，其他几次地震中液化数据的标贯击数是采用轻便针钎技术得到的钎探击数换算而来的。美国地震液化数据库的数据资料大部分来自于美国和日本的地震液化实例。陈国兴等[15]依据美国和我国液化数据库，按Idriss-Boulanger液化临界曲线的基本形式，分别确定了2个数据库的液化临界曲线，我国的曲线位于美国曲线的内侧，减小了液化区，单从曲线分析，美国标准偏于安全。我国标准贯入试验未进行锤击能量比修正，且采用的φ42钻杆直径明显小于美标的规定，修正后的标准贯入击数，我国液化临界曲线位于美国曲线的外侧，即增大液化区。在地面下15～20 m深度范围内，我国建筑抗震设计规范地震液化评价方式比Seed法标贯击数大3.0～9.9击，我国规范评价标准偏于安全[2]。

(4)评价方法。我国规范采用SPT进行复判和逐点判别的方法，由于测试成果受多种因素的影响，本质上不精确，采用不精确的试验值评价结果必然存在不确定性，在工程应用经常出现一个钻孔各测试点的判别不一致和同一场地不同孔的判别结果不一致的情况。美国标准采用同一土层的代表性值作为评价依据，相对更能较好地反应土层的性质，采用确定法和概率法进行判别，且确定法结果也给出可能概率，符合水电工程抗震设防基于概率水准的要求。

(5)细粒土的影响。我国标准中考虑了黏粒含量对液化的影响，但为砂土时应取3，将公式黏粒含量的影响仅限制在粉土的范围内，实际上砂类土并不考虑细粒土的影响。细粒含量FC对砂土液化的影响尚存在不同的观点，自然界中基本不存在纯净的砂土，或多或少含有少量细粒土，考虑细粒含量FC对砂土液化的影响是必要的。

3 中美SPT砂土液化判别方法在海外工程中的应用

尼泊尔塔马柯西3水电站位于尼泊尔中部的第三省松柯溪河左岸一级支流塔马柯西河上，为蓄水式电站，总机容量186 MW。大坝为混合坝型，两岸挡水坝段为粘土心墙堆石坝，最大坝高46.5 m，泄水坝段为混凝土闸坝，最大坝高30m。根据《工程场地安全性评价报告》坝址区50年超越概率10%、5%和2%的地面场地震液化评价动参数PGA分别为0.30g、0.46g和0.65g。地震危险性主要来自距工程区30 km的8.2级潜在震源区的影响。按我国标准工程抗震设计标准采用50年超越概率10%的地震动参数(0.30g)，而《尼泊尔水电项目研究指南》(2003)工程采用最大设计地震(MDE)的地震动参数，相当于50年超越概率2%的地震动参数(0.65g)。

坝址河床覆盖层厚37.0～60.3 m，由全新统冲洪积层和更新统冰积层组成。ZK25孔以灰～深灰色中细砂为主，夹有少量漂卵，局部混杂粘土团块，细粒土含量小5%。标准贯入试验采用我国设备φ42钻杆，锤击能量比取75%，杆径影响系数取0.75，采用我国水电SPT法和美国垦务局SPT法对其液化进行判别。场地地震液化评价动参数PGA取0.30g，地震震级MW为8.2。地震液化评价结果见表2、3。

表2 我国水电SPT法地震液化评价结果

从表2、3可知，工程场地遭遇50年超越概率10%地震，我国水电SPT法判别该层存在液化问题，美国垦务局SPT确定法判别为不液化，概率法的液化概率为0.13；50年超越概率2%地震美国垦务局SPT法判别该层为液化土，概率法的液化概率为1.0。

表3 美国垦务局SPT法地震液化评价结果

根据我国抗震设计标准和尼泊尔标准，该层为液化土。由于两国的抗震设计标准不同，且我国抗震设计标准低于尼泊尔，难以得到业主工程师的认可。

2015年4月25日14时11分，尼泊尔博克拉以东67 km(28.231°N 84.731°E)发生7.8级地震，震源深度8.2 km。根据USGS资料，塔马柯西3水电站坝址地震动峰值加速度达0.50g。根据我国国家地震局对其影响烈度的分析，工程区地震影响烈度为Ⅷ度，现场调查并没有发现工程场区及附近的区域有地震液化现象。从历史地震宏观灾害分析，50年超越概率10%的地震动参数为0.30g时工程场地不存在砂土地震液化问题，说明我国水电SPT法相对较为保守，而美国垦务局SPT法评判结果更加符合工程实际。

4 结 语

中美SPT砂土液化判别方法均是基于地震液化资料建立的经验性法，采用SPT法进行液化判别存在一定的不确定性。我国SPT砂土液化判别方法总体上偏于保守，且存在理论依据不充分、对标准贯入试验未进行修正、地震震级的影响考虑不充分等方面的问题，不利于在海外水电工程中应用。通过在海外水电工程的实际应用，美国垦务局SPT法评价结果较我国水电SPT法更符合实际情况，海外水电工程地震液化宜采用美国垦务局SPT法进行判别。

美国垦务局SPT法涉及因素分析较多，在海外水电工程的勘察中应注重这些因素和评价参数的选取。条件许可时，应按ASTM D6066—11的相关规定，选择符合标准的试验设备进行标准贯入试验。