砂土地震液化评价方法的新老规范对比研究

李小雷，李 江，杨玉生2，，刘斌云，宁保辉，彭兆轩

（1.北京工业大学城市建设学部，北京 100124； 2.中国水利水电科学研究院，北京 100048；3.新疆水利水电规划设计管理局，新疆乌鲁木齐 830000；4.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州 450047）

水利水电工程、水运工程、港航工程，以及河流冲积平原上的基础设施（如机场）建设活动常导致工程加载或卸载工况的出现，使得工程建造前后覆盖层所处的应力条件不同［1-3］。 如覆盖层上筑坝等工程建设中，经常遇到高填方引起覆盖层土体工程加载或深挖方引起的覆盖层土体工程卸载情况，对于挡水建筑物来说，工程建造后工程场址附近地下水位会升高［4］。工程建造前后，地面高程和地下水位发生较大改变导致覆盖层相应部位的应力条件发生变化。 同样，河流冲积平原上的机场建设中，常出现挖方和填方等工程加载、卸载工况［5-6］。 因此，在工程场址区地震基本烈度较高，且覆盖层中存在对地震荷载比较敏感的土体情况下，就要求在工程的勘测设计阶段对工程建造后正常运行阶段覆盖层地基的地震液化稳定性进行评价，即工程加载、卸载引起覆盖层地基土体应力条件变化时对其进行地震液化评价。 在采用标贯击数法进行液化评价时需要考虑应力条件变化，采用经校正的标贯击数进行地震液化评价。 采用标贯击数进行挖方和填方影响下的修正，不同学者对校正击数中有关参数的选取有不同观点。 赵连忠等［6］认为在采用标贯试验对场地进行液化指数计算和液化等级判别时，填挖的设计标高不能对液化指数计算公式进行修正，应采取天然的地面标高进行计算。 王世岐等［7］认为液化计算起始标高应选用填土后的地面标高。 王维理等［8］认为在考虑挖方填方影响后直接采用现场数据参照《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010） （2016年版）计算所得场地判别结果与实际情况存在较大差异，在实际工程中应该对标贯击数实测值、临界值进行修正。 郝利君［9］认为《建筑抗震设计规范》 （GB 50011—2010） （2016 年版）并未对挖方和填方过程中上覆应力改变情况下的实测标准贯入击数进行修正，不能准确地反映实际工程情况，在实际工程中应根据具体情况展开定性分析。 结合以上学者的研究可以看出，对实测标准贯入击数的校正是否能真实地反映应力条件对标准贯入击数的影响，直接关系到工程安全。

针对水利水电工程建设中因工程活动导致加载或卸载引起覆盖层地基应力条件改变的情况，《水工建筑物抗震设计规范》（SDJ 10—78）给出了以应力表示的实测标准贯入击数线性化校正的方法，并以校正后的标准贯入击数与工程建成后运用条件下的液化临界标准贯入击数进行对比，判别工程建成后运用条件下原标准贯入试验点的液化可能性，随后演变为《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008）中以埋深表示的线性化校正方法。 2008 年“5·12”汶川大地震之后，水利水电行业抗震规范和勘察规范启动修编论证工作。 杨玉生等［10-11］在建立的砂土地基模型基础上，对国内外地震液化评价方法进行了比较，并重点对水利水电工程建设前后、工程加载、卸载条件下砂土地震液化判别的方法进行了论证，推荐采用非线性化校正方法代替线性化校正方法对测试标贯试验击数进行考虑应力条件的校正，该理论被纳入《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287—2016），也被国标和行标水工抗震规范采纳。 此外，在《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287—2016）中，对液化临界标贯击数的计算，也参考引用了《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）采用对数曲线的形式反映其随深度的变化，并做出了适用于水利水电工程特点的改进。

本文以某砂基上的水库大坝工程为例，基于坝基砂层实测标贯试验资料，进行坝基砂土地震液化评价，对汶川地震前后《水力发电工程地质勘察规范》修编前后的液化评价方法进行对比，主要包括：1）对新老规范的液化临界标贯击数计算方法和考虑应力条件变化的实测标贯击数校正方法进行对比；2）对天然砂基和经挤密砂桩处理的砂基按照新、老规范的方法进行地震液化评价；3）对建坝后工程正常运行条件下砂基按照新、老规范进行地震液化评价；4）对按照新老规范进行地震液化评价的结果进行综合分析，验证新规范中地震液化评价方法的适用性。

1 地震液化评价方法

我国规范标贯击数法采用式（1）进行标贯试验时或工程运行时土体地震液化评价，当试验时或运行时标贯击数小于相应条件下的液化临界标贯击数时土体发生液化，反之土体不发生液化。

式中：N为试验时或运行时标贯试验点的标贯击数，Ncr为液化判别标贯击数临界值。

1.1 老规范液化判据指标的计算方法

对于运行时工程加载、卸载导致应力条件相比标贯试验时发生改变的情况，老规范规定采用式（2）对试验标贯击数进行考虑应力条件变化的校正。

式中：N'为工程建造前标准贯入试验点的标贯击数；分别为工程建成后运行、标准贯入试验时标准贯入点在当时地面以下的深度；分别为工程建成后运行、标准贯入试验时地下水位在当时地面以下的深度，当地面淹没于水面以下时取值为0。

对于液化临界标贯击数，老规范规定采用式（3）计算：

式中：ρc为土的黏粒含量，当ρc＜3%时，ρc取3%；N0为液化判别标准贯入击数基准值，依据表1（表中0.10g、0.15g、0.20g、0.30g、0.40g为对应烈度的地震动峰值加速度）进行取值。 当标准贯入点在地面以下5 m以内的深度时，ds应采用5 m 计算。

表1 液化判别标贯击数基准值

1.2 新规范液化判据指标的计算方法

新规范规定采用式（4）对试验标贯击数进行考虑应力条件变化的校正。

式中：σv为工程正常运行时标准贯入点有效上覆垂直应力，为进行标准贯入试验时标准贯入点有效上覆垂直应力。 当小于35 kPa 时，取35 kPa。在地面以下20 m 深度范围内，液化判别标准贯入击数临界值Ncr按式（5）计算：

式中：N0为液化判别标准贯入击数基准值，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。

2 地震液化评价方法对比分析

某水库大坝为土质心墙砂壳坝，为I 等大（1）型工程，抗震设防烈度为7 度，设计地震动峰值加速度为0.10g。 工程地质勘测表明，左岸Ⅰ级阶地下部为砂层，河槽中的中粗砂为第四系全新统饱和少黏性土，两者经初判均可能发生液化，需要进行液化复判，因此对覆盖层开展了标准贯入试验。 本文以场区Ⅰ级阶地下部全新统砂层3 个钻孔的标贯试验为例进行研究。 进行标贯试验时，钻孔①、钻孔②、钻孔③试验点深度分别为5～10、5～12、4～13 m，地下水位埋深d'w分别为8.1、7.9、7.9 m，工程运行时，标贯试验点在原地面线深度不变，地下水位埋深均为0 m。

本研究基于3 种工况进行新老规范地震液化评价的对比：1）标贯试验时；2）工程运行时，原试验区处在上部坝体应力影响范围之外，原标贯试验点因地下水位上升发生工程卸载，以图1 钻孔位置A 为例；3）工程运行时，原试验区处在上部坝体应力影响范围之内，原标贯试验点因上部坝体的影响发生工程加载，以图1 中钻孔位置B 为例。

图1 建坝后钻孔位置与大坝位置关系示意

表2、表3 分别为按照GB 50487—2008、 GB 50287—2016 对左岸Ⅰ级阶地砂层在工程卸载和工程加载条件下的液化判据指标计算结果汇总。

表2 工程卸载条件下钻孔①～③新老规范液化判据指标对比

表3 工程加载条件下钻孔①～③新老规范液化判据指标对比

2.1 土体标贯击数

图2为钻孔①～③试验实测的标贯击数随深度的变化。 由图2 可知，试验标贯击数随着深度的增加而增大，同一深度不同钻孔标贯击数有一定差异，地下水位以上差异较小、地下水位以下差异较大。

图2 自由场地条件下（标贯试验时）钻孔实测标贯击数随深度的变化

图3为工程运行时，因地下水位升高，标贯试验点（钻孔位置A）上覆有效应力减小而发生工程卸载时，新老规范对实测标贯击数校正结果对比。 由表2、图3可知，工程卸载条件下，对实测标贯击数的校正结果，依据新规范按照式（4）的校正值比依据老规范按照式（2）的校正值多1.9～3.8 击。 图4 为工程运行时，标贯试验点（钻孔位置B）处在上部坝体影响范围内时，新老规范对实测标贯击数校正结果对比。 由表3、图4可知，工程加载时，当深度在5 m 以内时，实测标贯击数的新规范校正值大于老规范校正值；当深度为5 ～13 m时，新规范校正值比老规范校正值少1.9击。

图3 工程卸载条件下新老规范对实测标贯击数校正结果对比

图4 工程加载条件下新老规范对实测标贯击数校正结果对比

由上可知，新老规范对土体标贯击数的校正，在工程加载时与工程卸载时效果不同。 当发生工程卸载时，校正后的标贯击数比原试验标贯击数小，新规范校正值比老规范校正值大，说明工程卸载条件下老规范对应力减小带来的土体标贯击数的校正幅度更大。 工程加载条件下，校正后的标贯击数多于原试验标贯击数，当标准贯入点在5 m 以下时，新规范校正值比老规范校正值小，说明工程加载条件下，老规范对应力增大带来的土体标贯击数的校正幅度更大。 因此，无论是工程加载还是工程卸载，当标准贯入点在5 m 以下时，新规范对应力影响的校正幅度小于老规范。

2.2 液化临界标贯击数

由表2、表3 和图5～图7 对新老规范液化标贯击数进行比较可知：1）标贯试验时，新规范计算不同深度处液化临界标贯击数，与老规范按照远震计算液化临界标贯击数较接近，在8 m 以内新规范比老规范远震计算液化临界标贯击数多0.1～0.2 击，在8～13 m 时新规范比老规范远震计算液化临界标贯击数少0.1～1.2击。 2）工程卸载时，在8 m 以内和8～13 m 时，新规范比老规范远震计算液化临界标贯击数分别少0.6 ～0.7击和0.8～2.0 击。 3）工程加载时，新规范液化临界标贯击数与老规范近震液化临界标贯击数接近，比老规范远震临界值少4.3～9.0 击；在5 ～8 m 以内时新规范校正值比老规范近震校正值多0 ～1.2 击，在8 ～13 m时新规范校正值比老规范近震校正值多0～1.7 击。

图5 自由场地条件下（标贯试验时）新老规范液化临界标贯击数及液化判别结果对比

2.3 新老规范地震液化判别结果对比分析

对表2、表3 和图5 ～图7 进行分析，对自由场地条件、地下水位升高导致工程卸载条件、上部坝体导致工程加载条件等水利水电工程建设中经常遇到的几种情况进行新老规范地震液化评价，结果汇总见图8。

2.3.1自由场地条件（标贯试验时）

由表2 和图5 可知，自由场地条件下（标贯试验时），采用老规范进行地震液化评价时，无论是近震还是远震，钻孔①～③不同深度处的砂层均不发生液化；采用新规范时，钻孔①～③不同深度处的砂层也不发生液化，新老规范对坝基砂层液化评价的结果一致。

2.3.2地下水位升高导致工程卸载的自由场地条件

由表2 和图6、图8 可知，工程运行时地下水位升高导致工程卸载的自由场地条件下，无论采用新规范还是老规范（近震、远震），钻孔①均发生液化。 对于钻孔②，采用新规范，8 m 以内发生液化，8 ～12 m 不发生液化；采用老规范，近震工况时8 m 以内发生液化、8～12 m 不发生液化，远震工况时仅11 m 处未发生液化，其余部位均发生液化，因此新规范地震液化评价结果与老规范近震时液化评价结果一致。 对于钻孔③，采用新规范，4～8 m 和10 m 处发生液化，与采用老规范近震工况时判别结果一致；采用老规范，远震工况时仅9 m 处未发生液化，其余部位均液化。

图6 地下水位升高导致工程卸载时新老规范液化临界标贯击数及液化判别结果对比

2.3.3上部坝体影响导致工程加载

由表3 和图7、图8 可知，工程运行时上部坝体影响导致工程加载条件下：对于钻孔①，采用新规范，8 m以内发生液化；采用老规范，近震、远震工况下液化部位分别为6 ～8、5 ～10 m。 对于钻孔②，采用新规范，6 m处发生液化、其余部位均不液化，与采用老规范近震工况评价结果一致；采用老规范，远震工况下5～6 m发生液化。 对于钻孔③，采用新规范，5 ～8 m 发生液化，与采用老规范近震工况评价结果一致；采用老规范，远震工况下4～9 m 和10 m 处发生液化。

图7 上部坝体导致工程加载时新老规范液化临界标贯击数及液化判别结果对比

图8 工程运行条件下钻孔①～③地震液化评价结果汇总

综合3 种工况下新规范判别结果，虽然标贯试验时，坝基砂层不会发生液化，但当工程建成运行后，由于地下水位升高，发生工程卸载时，坝基8 m 以内的砂层基本上发生液化，液化最大深度达到10 m；即便考虑建坝后上部坝体导致的工程加载，液化深度仍为7～8 m。 因此，在设防烈度条件下，工程运行时坝基砂层可能发生液化，液化深度为7 ～10 m，工程建设时需要提前论证坝基抗震处理措施。

3 新老规范地震液化评价讨论

新规范相比于老规范主要做了3 方面的调整：调整了试验标贯击数的校正公式，当工程发生加、卸载条件时，新规范采用非线性化的校正公式代替老规范线性化校正公式；依据《建筑抗震设计规范》 （GB 50011—2010），采用对数曲线的形式来代替老规范公式分段线性的折线形式表示液化临界标贯击数随深度的变化；将标准贯入试验液化判别方法的适用深度由15 m 延伸到20 m。

与《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）不同的是，利用式（5）计算的液化临界标贯击数未考虑地震分组的影响，相当于直接取设计地震分组调整系数β为1.0。 这是为了便于勘测设计人员应用，水利水电工程多修建于偏远山区，对于一般的中小型工程，通常未做地震安全性评价，按照地震区划图通常难以确定坝址区设计地震分组或判断近震、远震，不便于工程勘测设计人员应用。

由钻孔①～③地震液化评价结果对比可知，自由场地（标贯试验时）条件下，新老规范地震液化评价结果基本一致，这说明了新规范与老规范的连续性。 在工程卸载时，新规范地震液化判别结果与老规范近震工况液化判别结果基本一致，而液化范围小于老规范远震工况；工程加载时，新规范地震液化判别结果与老规范近震工况液化判别结果基本一致，而液化范围小于老规范远震工况。

试验标贯击数和液化临界标贯击数本质上分别表征了土体抗液化剪应力和地震剪应力，当发生工程卸载时，新规范计算所得标贯击数校正值比采用老规范的校正值多1.9 ～3.8 击，采用新规范计算的液化临界标贯击数值与采用老规范近震值接近，明显小于老规范计算的远震临界值。 在工程卸载时，与老规范相比，新规范计算的表征土体抗液化剪应力的指标提高，表征土体地震剪应力的指标降低，新规范的计算液化范围总体上小于老规范的，因此老规范比新规范偏于保守。 当发生工程加载时，采用新规范计算所得标贯击数校正值总体比老规范的小，采用新规范计算的液化临界标贯击数值与采用老规范近震值接近，明显小于老规范远震液化临界标贯击数值。 工程加载时，与老规范相比，新规范计算的表征土体抗液化剪应力的指标降低，表征土体地震剪应力的指标相当或有较大降低，因此工程加载时，新规范计算液化范围介于老规范近震工况和远震工况之间。 上述结果与杨玉生等［1］对填方或挖方，或地下水位发生升降引起工程加载或卸载条件对地震液化评价结果影响的研究结果一致，即工程卸载时老规范低估了土体的抗液化能力，而工程加载时老规范高估了土体的抗液化能力。 总体上看，按照新规范计算的校正标贯击数值和液化临界标贯击数，能够真实地反映土体实际情况。

4 结论

本文依托某砂土覆盖层坝基工程实例，基于现场标贯试验成果，在设计地震动峰值加速度为0.10g条件下，通过对新老规范的砂层地震液化评价结果的对比分析，得到以下结论：

1）工程运行时坝基砂层可能发生液化，液化深度为7～10 m，工程建设时需要提前论证坝基抗震处理措施。

2）对表征土体抗液化能力的实测标贯击数考虑应力变化的校正，新规范校正标贯击数在工程加载时的增大幅度和工程卸载时的减小幅度均小于老规范的，老规范在工程加载、卸载时分别高估、低估了土体的抗液化能力。

3）进行标贯试验时，在工程卸载条件下，新规范液化临界标贯击数与老规范按照远震计算液化临界标贯击数较接近；在工程加载条件下，新规范液化临界标贯击数与老规范近震液化临界标贯击数接近。

4）从该工程案例看，不发生工程加载、卸载条件下，新老规范判别结果一致；而发生工程加载、卸载条件下，新规范液化判别结果与老规范近震判别结果一致。 新规范在工程加载、卸载条件下较老规范能更准确地评估土体的抗液化能力，并真实地反映土体的实际情况。