標貫擊數液化判別方法的比較①

標貫擊數液化判別方法的比較①

劉啟旺1，2， 楊玉生1，2， 劉小生1，2， 趙劍明1，2

(1.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048；

2 水利部水工程建設與安全重點實驗室，北京 10048)

摘要：依據標貫擊數進行液化判別的方法，國外以NCEER推薦方法(改進Seed法)為代表，國內以《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)和《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)為代表。NCEER方法與國內規范方法所依據的地震液化現場調查資料不同，采用的液化判據、反映震級影響的方法和考慮黏粒含量影響的方法也不同。將NCEER方法以液化臨界標貫擊數與深度的變化曲線表示，并將其與國內規范方法確定的液化臨界標貫擊數隨深度的變化曲線進行比較。結果表明，在相同烈度下：近震時，國內規范方法偏于安全；遠震時，對于7.5級以下地震，國內規范方法偏于安全；對于7.5～8.5級地震， 在一定加速度(烈度)下，NCEER方法與國內規范方法計算液化臨界標貫擊數接近，某些加速度(烈度)下NCEER方法偏于安全，某些加速度(烈度)下國內規范方法偏于安全。研究成果可為《水工建筑物抗震設計規范》的修訂提供參考。

關鍵詞：砂土液化； 判別方法； 臨界標貫擊數

收稿日期：①2014-08-20

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃暨973 計劃課題(2013CB036404)；國家自然科學基金青年項目(51209234)；中國水科院優秀青年科研專項(GE0145B102014)

作者簡介：劉啟旺(1962-)，男，高工，主要從事土石壩和地基抗震研究工作。E-mail：liuqw@iwhr.com。

中圖分類號:TU433文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0794

Comparison of Standard Penetration Test (SPT) Methods for

Evaluating Seismic Liquefaction Potential

LIU Qi-wang1，2， YANG Yu-sheng1，2， LIU Xiao-sheng1，2， ZHAO Jian-ming1，2

(1.StateKeyLaboratoryofSimulationandRegulationofWaterCycleinRiverBasin，ChinaInstitute

ofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100048，China；

2.KeyLaboratoryonConstructionandSecurityofWaterProjectsofMinistryofWaterResources，Beijing100048，China)

Abstract：For the standard penetration test (SPT) method for evaluating seismic liquefaction potential，the liquefaction potential evaluation method recommended by the National Center for Earthquake Engineering Research (NCEER) is typically applied abroad；however，methods recommended by the code for geological investigation of water resources and hydropower engineering (GB50487-2008) and that for seismic design of buildings (GB50011-2010) are used domestically.These methods different in the following aspects：(1) earthquake liquefaction field investigation data；(2) liquefaction criterion；(3) method for reflecting the influence of earthquake magnitude；and (4) method for considering the influence of fines content.In this paper，the method recommended by NCEER is expressed by the curve of critical liquefaction blow count versus depth；a comparison is made between this curve and that determined by domestic methods.Under the same intensity，domestic methods tend to be safe for near earthquakes and distant earthquake with magnitude less than 7.5.For earthquakes with magnitudes of 7.5～8.5，critical liquefaction blow counts calculated by using the NCEER method are close to that calculated by domestic methods under specific acceleration，which tends to be safe depending on the specific acceleration.For distant earthquakes (design earthquake group 2)，under the magnitude of M=8.0 and seismic intensity of Ⅶ and Ⅸ，the critical liquefaction blow counts calculated by the different methods are very close；under the intensity of Ⅷ，the NCEER method tends to be safe.For distant earthquakes (design earthquake group 3)，the domestic methods tend to be safe with magnitude not more than 8.0.With the magnitude of M=8.5 and acceleration amax =0.3g，the critical liquefaction blow counts calculated by the different methods are close.The NCEER method tends to be safe with acceleration less than 0.3g，whereas the domestic methods tend to be safe with that more than 0.3g.For domestic methods，under distant earthquakes (design earthquake group 2)，the critical liquefaction blow counts calculated by the different methods are close with a difference of less than 2.5 blow counts.The method used in the code for seismic design of buildings (GB50011-2010) tends to be safe with acceleration not less than 0.3g.The above research results can provide a reference for code revision of the aseismic design of hydraulic structures.

Key words： sand liquefaction； evaluation method； critical SPT blow counts

0研究背景

1964年日本新瀉地震和美國阿拉斯加地震發生了大量由于砂土液化而導致的嚴重震害，引起了工程界的普遍重視。此后有關土的動力液化特性，土體地震液化判別方法和地基抗液化處理措施成為學術界和工程界的重要研究課題。在土體地震液化判別方面，經過長期的改進和完善，基于地震液化調查資料建立的液化判別經驗方法已經比較成熟，在工程中得到了廣泛的應用。在國外以Seed簡化法為代表，國內以《水利水工程地質勘察規范》(GB50487-2008)和《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)方法為典型代表。

1971年Seed[1]提出了判別砂土液化的簡化方法，Seed等[2-4]相繼對該法進行了改進和完善；1985年美國國家研究委員會組織召集36位著名專家組成工作小組，提交了一份改進Seed簡化方法的報告[5]，此后該法逐漸成為北美和世界上許多地區進行砂性土液化判別的標準方法；1996年美國國家地震工程研究中心(NCEER)組織專家組對之前10余年的液化判別研究成果和資料進行系統的總結，進一步對Seed簡化法進行了改進和完善[6]。

在我國邢臺地震(1966年)年和通海地震(1970年)砂土震害調查資料基礎上，《工業與民用建筑抗震設計規范》(TJ11-74)首次在國內規范中給出了采用標貫擊數進行砂土液化的判別，后來又進一步根據1975年海城地震和1976年唐山地震砂土和粉土地震液化的調查資料，對判別式進行修改，并將規范更名為《建筑抗震設計規范》(GBJ11-89)。《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)進一步對15～20 m深度的液化判別問題作出了具體的延伸的規定，即15～20 m深度范圍內仍按15 m深度處的液化臨界標貫擊數進行判別?！督ㄖ拐鹪O計規范》(GB50011-2010)又依據我國學者采用概率液化判別的研究成果，并考慮規范的延續性，以對數曲線的形式表達液化臨界標貫擊數隨深度的變化。我國《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)中液化臨界標貫擊數隨深度的變化在5～15 m之間，與《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)相同，當深度小于5 m時采用5 m處的液化臨界標貫擊數。

Seed[3]曾將Seed簡化法與《工業與民用建筑抗震設計規范》(TJ11-74)方法進行過比較，結果顯示7.5級地震時兩者確定的抗液化強度比CRR與標貫擊數關系曲線十分一致?！督ㄖ拐鹪O計規范》(GB50011-2001)中，以Ⅷ度區(峰值加速度為0.2g)為例對Seed簡化法和《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)計算確定的液化臨界擊數隨深度變化進行過比較研究。結果表明：設計地震1組(近震)時，在12 m深度內兩者液化臨界標貫擊數較接近，按照《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)給出的比較圖中的比例量測換算可知，在12～20 m深度范圍內，兩者液化臨界標貫擊數最大相差約3.3擊，《建規》偏于安全；設計地震第2、第3組(遠震)時，在13 m以內標貫擊數最大相差1.8擊，在13～20 m深度范圍內最大相差6.2擊。隨著新的震害資料的補充和新的研究成果的積累，不同的方法都有了新的發展，并進行了相應的改進。如NCEER對Seed簡化法計算中的應力折減系數γd、標貫基數較小時純凈砂的抗液化強度比基準線CRR7.5、上覆有效應力歸一系數CN、震級比例系數MSF等進行了調整，并增加考慮上覆有效應力對抗液化強度比的影響的修正。但已有的研究中沒有全面考慮各方法最新調整的因素，還未對調整后的方法進行過全面的對比分析。因此，有必要對采用調整后的方法判別砂土地震液化的安全性進行比較研究。

2008年汶川“5·12”大地震之后，水利部組織相關科研院所進行《水工建筑物抗震設計規規范》的修訂工作。為了給“場地和地基”的修訂提供參考，結合水利水電規劃設計研究總院主持的《高土石壩抗震性能及抗震安全研究》課題，將NCEER推薦的標貫擊數液化判別方法與國內規范方法進行系統的對比研究。研究中對依據不同方法確定的液化臨界標貫擊數隨深度的變化曲線進行比較，給出不同方法應用于液化判別時的安全性評價。本文僅給出有關純凈砂的研究及結果，考慮細粒(<0.074 mm)含量或黏粒(<0.05 mm)含量影響的比較結果將另文闡述。

1方法概述

1.1NCEER推薦方法[6]

NCEER推薦方法采用下式判別液化

式中，CSR為地震引起的水平剪應力比；CRR為可液化土層的抗液化強度比。

水平剪應力比CSR采用下式計算：

NCEER對計算γd的方法進行了修正，對于一般工程，γd值建議采用：

rd=1.0-0.007 65zforz≤9.15m

抗液化強度比可采用室內原狀樣試驗方法或現場試驗方法確定，工程實踐中主要采用現場原位試驗方法。NCEER推薦采用圖1所示曲線確定抗液化強度比。NCEER對純凈砂在標貫擊數較小時對應的抗液化強度比CRR曲線進行了調整(圖1中坐標原點附近的虛線)。

對于一般工程，為便于編程，圖1中純凈砂對應的抗液化強度比CRR7.5可采用下式表示：

式(4)適用于(N1)60<30的情況，對(N1)60≥30的純凈砂視為不液化土。

圖1　抗液化剪應力比與修正標貫擊數的關系(震級M=7.5) [6] Fig.1　Relationship between the shear stress ratio and corrected blow count (M=7.5)

圖1還給出了考慮細粒(<0.074 mm)含量FC對抗液化剪應力比與修正標貫擊數關系曲線的影響。為便于編程計算，采用式(5)來計算不同細粒含量時，對試驗標貫擊數進行修正后得到等效潔凈砂的標貫擊數，以考慮細粒含量的影響。

式中：α、β的值按細粒含量FC來確定。當FC≤5%時，α=0，β=1.0；當FC≥35%時，α=5.0，β=1.2；當5%

除細粒含量和級配特征影響標貫擊數(N1)60外，標貫測試系統參數和上覆有效應力對(N1)60也有影響，采用下式校正:

式中：Nm為實測標準貫入擊數；CN為上覆有效應力歸一系數；CE為擊錘能量修正系數；CB為鉆孔直徑修正系數；CR為鉆桿長度修正系數；CS為護壁校正系數。

式中：CRR7.5為抗液化強度比，由圖1或式(4)確定；MSF為震級比例系數，當M<7.5時，MSF的下限采用式(11)計算，上限采用式(12)計算，當MW>7.5時，采用式(11)計算MSF；Kσ為上覆應力校正系數；f為與場地條件(包括相對密度、應力歷史、沉積年代和超固結比等)有關的指數，f的取值見表1。

表1　不同相對密度對應的 f值 [6]

1.2國內規范的方法

我國規范采用下式判別液化

式中：N為實測標貫擊數；Ncr為液化臨界標貫擊數。

《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)(下文簡稱《建規》)采用下式計算液化臨界標貫擊數：

傳統游戲很有趣，但是面對快速發展的社會，幼兒更加愿意接受新事物。幼兒教師本來在年齡上與幼兒就有很大的距離，為了近距離和幼兒的心靈接觸，就要在保持一顆童心的基礎上與時俱進，這樣才會更容易被幼兒所接受和信任。教學中我們要根據教學大綱開發具有時代特征的游戲。

式中：Ncr為液化判別標準貫入錘擊數臨界值；N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值；ds為飽和土標準貫入點深度(m)；dw為地下水位(m)；ρc為黏粒含量百分率，當小于3%或為砂土時應采用3%；β為調整系數，設計地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)(下文簡稱《水規》)采用下式計算液化臨界標貫擊數

式中：ρc為土的黏粒含量質量百分率(%)，當ρc<3%時，ρc取3%；N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值；ds為當標準貫入點在地面以下5 m以內的深度時，應采用5 m計算。

式(16)適用于15 m以內，對于15～20 m之間，在實用中通常采用《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)建議的公式：

1.3NCEER方法與國內規范方法的差異

《水規》和《建規》方法與NCEER方法所依據的地震液化現場調查資料不同，包括地震動強度、地表峰值加速度、發生液化的深度和土性條件等均有差異。此外，采用的液化判據、反映震級影響的方法和考慮細粒(黏粒)含量影響的方法也不相同。要對二者進行比較分析，應將液化判據統一到相同的表現形式，并且要確定震級、烈度與地震分組的大致對應關系。

1.3.1液化判別的思路

1.3.2反映震級影響的方法

在地表峰值加速度(烈度)相同的條件下，較大震級、較遠震中距的地震(遠震)的影響與較小震級、較近震中距的地震(近震)的影響相比，盡管地面峰值加速度可能比較接近，但在頻率成分和持續時間上會有較大差異。遠震的低頻率成分豐富，持續時間長，近震高頻成分相對豐富，持續時間短。對于一般的覆蓋層地基，在地震導致液化方面，遠震的作用明顯大于近震。

在相同地表峰值加速度(烈度)下，《水規》以近震和遠震來反映震級和震中距對液化臨界標貫擊數的影響，《建規》以設計地震分組來反映震級和震中距對液化臨界標貫擊數的影響，NCEER方法則采用震級比例系數來反映不同震級對液化臨界曲線的影響?！督ㄒ帯分械摹霸O計地震1組”對應于《水規》中的“近震”，《建規》中的“設計地震2組”大致與《水規》中的“遠震”對應。因此，要將NCEER方法和國內規范方法進行對比，需要確定震級、烈度與地震分組的大致對應關系。

2以深度與液化臨界標貫擊數關系表示NCEER方法的步驟

(1) 給定地表峰值加速度amax，通過式(2)計算不同深度處的地震循環剪應力比CSR；

(2) 由于要計算液化臨界標貫擊數，則需要使土體抗力與地震剪應力相等，即可令CRR7.5=CSR；

(3) 依據圖1或式(4)計算(N1)60，所獲得的(N1)60即為上覆有效應力為100 kPa時的液化臨界標貫擊數Ncr；

(4) 采用下式將液化臨界標貫擊校正到相應深度，獲得相應深度下的液化臨界標貫擊數Ncr。

再按照步驟(3)和(4)確定相應深度處的液化臨界標貫擊數Ncr。

3標貫擊數液化判別方法的比較研究

3.1震級、烈度與地震分組的對應關系

根據地震資料統計分析，我國1980年烈度表采用表2所示的經驗關系。對于中淺源地震，震中烈度與震級的大致對應關系見表3[7-8]。根據表2及表3的經驗關系，可得地面峰值加速度、地震烈度與震級(近震或遠震)的大致對應關系(表4)。

表 2　地面峰值加速度 a max與烈度 I的經驗關系 [7-8]

表 3　震中烈度 I 0與震級 M對照表 [7-8]

表4地震烈度I、地面峰值加速度amax與震級M的對應關系

Table 4Rrelationship between intensityI，peak ground accelerationamaxand magnitudeM

αmax/g0.10.150.200.30.4烈度I6.67.27.68.28.6對應震級近震5.0～5.55.5～6.06.06.0～6.56.5～7.0遠震>6.0～6.5>6.5～7.0>7.0>7.0～7.5>7.5～8.0

3.2標貫擊數液化判別方法的比較研究

為對Seed簡化法與國內規范方法進行對比，以均質砂層為例進行研究。假定地下水埋深以上砂層天然容重為18 kN/m3，地下水埋深以下砂層飽和容重為19 kN/m3。

3.2.1相對密度對液化臨界標貫擊數的影響

表 5　不同相對密度下NCEER方法計算液化臨界標貫擊數的比較( a max=0.4 g)

圖2　相對密度對液化臨界標貫擊數的影響(a max=0.4g) Fig.2　 The impact of relative density on critical SPT blow counts (a max=0.4g)

級、不同相對密度計算液化臨界標貫擊數的對比情況：

(1) 在相同震級下，相對密度越大，計算液化臨界標貫擊數越大；

(2) 震級在6.5～8.5之間，Dr≤40%時，計算液化臨界標貫擊數比Dr≈60%時小0～1.6擊，當Dr≥80%時，計算液化臨界標貫擊數比Dr≈60%時大0～1.6擊。

當地面峰值加速度為其他值時，計算液化臨界標貫擊數對比情況與0.4g時相似，最大相差基本在1.6～1.7擊以內，限于篇幅，本文不再給出相關圖表。

因此，進行上覆有效應力對抗液化強度的校正時，相對密度對NCEER方法計算液化臨界標貫擊數的影響相對來說比較小。實際工程中，易液化砂土通常處于松散或中密狀態，緊密狀態的砂層通常不易液化。本文在依據NCEER方法計算液化臨界標貫擊數隨深度的變化關系曲線時，取相對密度Dr≈60%。

3.2.2標貫擊數液化判別方法的比較

(1) 《水規》與《建規》的比較

表6為采用《水規》與《建規》計算液化臨界標貫擊數的差異情況。由圖3和表6可知：

表 6《水規》與《建規》的比較(5～20 m)

Table 6Comparison ofNcrusing “water code” and “building code”(5～20 m)

amax/g(Ncr)水近-(Ncr)建1(Ncr)水遠-(Ncr)建20.1-0.3～1.20.9～3.30.15-1.6～0.4-0.8～1.60.2-1.1～1.3-1.0～1.90.3-2.2～1.1-3.5～0.30.4-1.3～2.5-3.8～0.8

①在地表峰值加速度amax=0.1g～0.4g之間，《水規》(近震)與《建規》(設計地震1組)計算液化臨界標貫擊數比較接近，相差在2.5擊以內；

②在地表峰值加速度分別為0.1g、0.15g、0.20g、0.30g和0.40g時，采用《水規》(遠震)與《建規》(設計地震2組)計算液化臨界標貫擊數差值分別不超過3.3、1.6、1.9、3.5和3.8擊，amax=0.3g～0.4g時，《建規》方法偏于安全。

(2) 《水規》與NCEER方法的比較

表7給出了《水規》(遠震)與NCEER法計算液化臨界標貫擊數的差異。由圖3和表7可知，當地表峰值加速度amax=0.1g～0.4g，近震時采用《水規》計算液化臨界標貫擊數明顯大于采用NCEER方法，近震時《水規》偏于安全。相同地表峰值加速度下，《水規》(遠震)與NCEER方法比較分析的匯總結果見表8。

圖3　不同地震峰值加速度時液化臨界標貫擊數隨深度變化的對比 Fig.3　Variation of critical SPT blow counts of liquefaction with depth under different a max

amax/gM=6.0M=6.5M=7.0M=7.5M=8.0M=8.50.108.0～14.66.5～11.95.0～9.33.6～6.71.7～3.8-0.5～1.10.15-5.6～10.43.7～7.21.5～4.0-1.3～0.5-2.4～-4.20.20--2.6～6.10.6～2.5-3.0～-1.2-6.3～-3.90.30--0.6～4.2-1.8～1.0-4.8～-1.6-3.4～-7.10.40----0.8～3.6-2.0～2.1-3.5～1.1

(3) 《建規》與NCEER方法的比較

表9為《建規》(設計地震2、3組)與NCEER方法計算液化臨界標貫擊數的差異情況。由圖3和表9可知，當地表峰值加速度amax=0.1g～0.4g，近震時采用《建規》計算液化臨界標貫擊數明顯大于采用NCEER方法計算液化臨界標貫擊數，近震時《建規》偏于安全。相同地表峰值加速度(烈度)下，《建規》(遠震)與NCEER方法比較分析的匯總結果見表10。

表 8　《水規》與NCEER方法比較分析結果匯總

4結論

對國外液化判別中廣泛采用的NCEER推薦方法(改進Seed法)(以液化臨界標貫擊數與深度的變化曲線表示NCEER方法的液化判別標準)、國內《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)中的標貫擊數法、《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)中的標貫擊數法進行對比。結果表明，在相同烈度下:

表 9　《建規》(遠震)與NCEER比較

表 10　《建規》(遠震)與NCEER方法比較分析結果匯總

(1) 近震時，國內規范方法偏于安全；

(2) 遠震(設計地震2組)且震級M≤7.5時，國內規范方法偏于安全(震級M=7.5、地表峰值加速度amax=0.3g時，國內規范方法與NCEER方法計算結果接近，相差不超過2.1擊)；遠震(設計地震2組)且震級M=8.0、烈度為Ⅶ度或Ⅸ度時國內規范方法與NCEER方法計算結果接近(amax=0.1g時，國內規范方法偏于安全)，烈度為Ⅷ度時NCEER方法偏于安全；遠震(設計地震2組)且震級M=8.5時，NCEER方法偏于安全(amax=0.1g時，《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)與NCEER方法計算結果接近，相差不超過1.1擊)；

(3) 遠震(設計地震3組)且震級M≤8.0時，《建筑抗震設計規范》(GBJ5001-2010)方法明顯比NCEER方法偏于安全(震級M=8.0，amax=0.2g時，兩者計算結果接近，相差不超過1.2擊)；遠震(設計地震3組)且震級M=8.5、amax=0.3g時，《建筑抗震設計規范》(GBJ5001-2010)方法計算結果與NCEER方法計算結果一致，相差不超過1.1擊，amax<0.3g時，NCEER方法偏于安全，amax>0.3g時，《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)方法偏于安全；

(4) 《水規》(近震)與《建規》(設計地震1組)計算液化臨界標貫擊數接近(相差2.5擊以內)。在地表峰值加速度為0.1g、0.15g、0.20g、0.30g和0.40g時，采用《水規》(遠震)與《建規》(設計地震2組)計算液化臨界標貫擊數差值分別不超過3.3擊、1.6擊、1.9擊、3.5擊和3.8擊，amax=0.3g～0.4g時，《建規》方法偏于安全。即小震時《水規》方法與《建規》方法計算液化臨界標貫擊數比較接近，大震時《建規》方法偏于安全。

這些系統的研究成果為《水工建筑物抗震設計規范》的修訂提供了依據，也可以作為實際工程中評價標貫擊數法液化判別結果的參考依據。

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