砂土液化判別國內(nèi)外規(guī)范對比研究

陳閣琳，曹華峰，何紅國，楊麗丹（重慶一建建設(shè)集團有限公司，重慶 400053）

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砂土液化判別國內(nèi)外規(guī)范對比研究

陳閣琳，曹華峰，何紅國，楊麗丹
（重慶一建建設(shè)集團有限公司，重慶 400053）

摘要：砂土液化是地基失穩(wěn)主要因素之一，液化判別是減輕震害的有效手段。國外主流液化判別方法與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)存在較大差異，該文從判別方法理論基礎(chǔ)角度出發(fā)闡述異同點。并列舉一應(yīng)用實例，對比分析判別結(jié)論差異性。

關(guān)鍵詞：液化判別；改進(jìn)簡化判別法；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

0　前言

砂土液化是震中或震后產(chǎn)生地基失穩(wěn)的主要因素之一，為減輕震害，場地土的液化預(yù)測和判別是減輕震害最直接和有效的手段。1971年日本新瀉地震發(fā)生后，Seed和Idriss發(fā)表了“簡化判別方法”作為液化判別的理論方法，定義了地震過程中飽和砂土液化激發(fā)機制的衡量參數(shù)—循環(huán)剪應(yīng)力比CSR。從這以后不斷完善這個簡化判別方法，這方面里程碑的學(xué)者有Seed（1979），Seed和Idriss（1982）及Seed（1985）等發(fā)表的三篇論文。1985年Robert V.Whitman在國家研究委員會的資助下召集36位專家和學(xué)者對液化災(zāi)害評估進(jìn)行了徹底的討論。專家組提出一份報告（1985）成為后來對液化災(zāi)害評估廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)和主要參考文獻(xiàn)。

1996年T.L.Youd和I.M.Idriss召集了20多位專家，依據(jù)近10年的科研成果研究發(fā)展液化判別方法。參照美國NCEER推薦值，給出了震級縮放系數(shù)（MSF）。2001年T.L.Youd和I.M.Idriss發(fā)表了總結(jié)報告［1］，總結(jié)了小組在砂土液化評估方面所取得的收獲。

國外在判別砂土液化時還提到一個概念是循環(huán)抗液化應(yīng)力比（CRR），但地震產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力比CSR大于CRR時，判斷為液化場地；反之，判斷為非液化場地。對抗液化應(yīng)力比CRR，可采用各種現(xiàn)場原位測試方法確定，主要是標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗（SPT），靜力觸探試驗（CPT），以及適用于砂粒土地區(qū)的貝克爾方法（BPT）。常用是基于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗SPT來衡量抗液化應(yīng)力比CRR，國內(nèi)規(guī)范也采用現(xiàn)場SPT來衡量砂土的抗液化能力。

中科院工程力學(xué)研究所給出的我國第一個砂土液化判別公式，在此基礎(chǔ)上形成了 《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范》TJ11-74［2］液化判別標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到74規(guī)范在實際工程應(yīng)用中存在的問題，謝君斐、劉穎等人對該判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了一系列的討論，并將74判別標(biāo)準(zhǔn)中的修正系數(shù)α、β分別給定為 “-0.1和0.1”，后此兩參數(shù)為《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2001［3］采用。另外，在此規(guī)范的基礎(chǔ)上，考慮粘粒含量對飽和砂土抗液化能力的影響，01版建筑抗震設(shè)計規(guī)范和 《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001［4］加上了粘粒含量的修正，并加上埋深在15m到20m之間砂土液化的判別標(biāo)準(zhǔn)。

在海外項目實施過程中，依據(jù)現(xiàn)場試驗采用國內(nèi)外判別規(guī)范得到結(jié)論不一致，給項目實施帶來一定影響。為積累經(jīng)驗，本文擬將國內(nèi)外判別規(guī)范進(jìn)行對比，并應(yīng)用在項目實例中，分析國內(nèi)外主流規(guī)范對飽和砂土液化判別的異同。

1　國內(nèi)外砂土液化判別方法

1.1國外判別方法

在地震波的作用下，土中會產(chǎn)生動態(tài)剪應(yīng)力，其大小可由如下等式表達(dá)：

式中，σ0是全部上覆壓力；amax是地表的峰值水平加速度；rd為應(yīng)力折減系數(shù)。

循環(huán)應(yīng)力比是衡量飽和砂層在地震作用下發(fā)生液化的能力，可將上面得到的剪應(yīng)力值對初始有效應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)化得到：

在常規(guī)實際工程應(yīng)用中，應(yīng)力折減系數(shù)rd可采用Liao和Whitman（1986b）提出的方法來計算：

rd=1.0-0.00765z，z≤9.15m

rd=1.174-0.0267z，9.15m≤z≤23m

上式中z表示砂層埋深，單位為m。為方便計算，T.F.Blake采用上兩式中直線夾角的平分線來作為最終的應(yīng)力折減系數(shù)如下：

z表示砂層地面以下的埋深，單位為m。

對純凈砂（粘粒含量小于5%）而言，A.F.Rauch給出了對應(yīng)7.5級地震時飽和砂土循環(huán)抗液化比CRR近似曲線如下：

CRRM=7.5=1/［34-（N1）60］+（N1）60/135+50/［10x（N1）60+45］2-1/200（3）

其中，（N1）60是與現(xiàn)場試驗各種條件一致而對應(yīng)純凈飽和砂土的標(biāo)貫擊數(shù)，上式對（N1）60≤30有效，若（N1）60＞30純凈砂土很密實不會液化，劃分為非液化砂土。

考慮粘粒含量對砂土抗液化能力的影響，I.M.Idriss在R.B. Seed的協(xié)助下對標(biāo)貫擊數(shù)進(jìn)行如下修正：

其中，α，β為調(diào)整系數(shù)，分別取值如下：

除考慮粘粒含量和顆粒特征對SPT結(jié)論的影響外，還需考慮SPT在實施過程中上覆土壓力（CN）、錘形式（CE）、鉆孔直徑（CB）、桿長（CR）以及取樣器形式（Cs）對標(biāo)貫擊數(shù)的影響：

各系數(shù)根據(jù)具體形式采用文獻(xiàn)［1］中表2中采用。

考慮到震級不同于7.5的場地，砂土液化安全系數(shù)采用下式計算：

式中MSF為震級比例因子，對不同于7.5級地震場地，諸學(xué)者提出對應(yīng)的比例因子MSF，列于文獻(xiàn)［1］中表3中，Idriss提出的系數(shù)一般為下限；Andrus and Stokoe（1997）提出的系數(shù)一般為上限。

1.2國內(nèi)規(guī)范判別方法

國內(nèi)飽和砂土液化判別分為初判和復(fù)判兩個階段，飽和砂土或粉土，當(dāng)符合下列條件之一時，可初步判別為不液化或可不考慮液化的影響。

（1）地質(zhì)年代為第四紀(jì)晚更新世（Q3）及其以前時，7、8度時可判為不液化。

（2）粉土的黏粒（粒徑小于0.005mm的顆粒）含量百分率ρc，7度、8度和9度分別不小于10、13和16時，可判為不液化土。

（3）淺埋天然地基的建筑，當(dāng)上覆非液化土層厚度和地下水位深度符合下列條件之一時，可不考慮液化影響：

式中dw、d0、du、db分別為地下水位深度、液化土特征深度、扣除淤泥與淤泥質(zhì)土非液化土層厚度、基礎(chǔ)埋置深度。

對復(fù)判從形式上看，國內(nèi)砂土液化判別規(guī)范有兩種形式，即《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011-2010和《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》JTG C20-2011［5］中提到的液化判別公式。建筑抗震規(guī)范是沿用上一版次中的判別形式，公路地質(zhì)勘察規(guī)范采用新的形式，本文以建筑抗震規(guī)范中判別公式為對象，與國外判別方法進(jìn)行對比分析。建筑抗震設(shè)計規(guī)范中臨界標(biāo)貫擊數(shù)按下式計算：

式中，β為調(diào)整系數(shù)，根據(jù)場地地震設(shè)計分組確定。其他符號說明同上，其中的N0為標(biāo)貫基準(zhǔn)值，該規(guī)范按設(shè)計基本地震加速度取值。

一般將標(biāo)貫擊數(shù)與臨界標(biāo)貫擊數(shù)相比較，大于臨界標(biāo)貫擊數(shù)認(rèn)為是不液化，小于臨界標(biāo)貫擊數(shù)則判為液化土層。

2　實例分析

南方沿海某項目中，根據(jù) 《中國只震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB 18306-2001（08）及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011-2010，場區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.2g，該場地地震動反應(yīng)譜特征周期按0.35s考慮，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別按Ⅲ類考慮。現(xiàn)場三個鉆孔中代表深度標(biāo)貫結(jié)果如表1所示。

表1　試驗段標(biāo)貫成果圖

采用國內(nèi)規(guī)范 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011-2010對上標(biāo)貫成果進(jìn)行復(fù)判，結(jié)果如表2所示。

表2　《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》液化判別結(jié)果

根據(jù)上述提到的Seed&Idriss“改進(jìn)簡化判別法”對上述標(biāo)貫試驗砂層進(jìn)行液化判別，得到表3所示的結(jié)果。

相比較而言，采用Seed&Idriss“簡化判別法”得到的液化判別結(jié)果與國內(nèi)規(guī)范得到的結(jié)果完全不同。上述判別過程中，采用Seed&Idriss（1982年）提出的MSF系數(shù)0.94。若選擇下限Idriss提出的0.84，所得到的安全系數(shù)將更低，飽和砂土液化可能性更大。

表3　Seed and Idriss抗液化能力分析結(jié)果

3　結(jié)論

本文針對國內(nèi)外飽和砂土液化判別過程進(jìn)行了對比分析，初步得出如下結(jié)論。

（1）對砂土液化抵抗能的衡量上，國內(nèi)規(guī)范采用在基準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上，考慮砂層埋深、含泥量、地下水位深度的影響，來源于地震現(xiàn)場液化調(diào)查經(jīng)驗；國外規(guī)范則根據(jù)修正標(biāo)貫擊數(shù)與CRR之間的關(guān)系得到對應(yīng)含泥量15%循環(huán)抗液化應(yīng)力比的公式，是基于歷史地震、現(xiàn)場調(diào)研得到的數(shù)據(jù)記錄擬合而成。從這點上看，國內(nèi)外判別標(biāo)準(zhǔn)均來源于地震現(xiàn)場砂土液化調(diào)查資料歸納而得。

（2）國內(nèi)規(guī)范對砂土形成地質(zhì)年代，以及不同設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)下飽和砂土含泥量進(jìn)行初判，這一過程在國外規(guī)范中是未考慮；針對淺基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)埋深、地下水位深度及基礎(chǔ)尺寸滿足一定要求時，可初判砂層為非液化土層，這點在國外規(guī)范中也未考慮。

（3）現(xiàn)場得到的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗值，國外規(guī)范對其進(jìn)行了各種修正，再進(jìn)行循環(huán)抗液化應(yīng)力比CRR計算；而國內(nèi)規(guī)范則直接采用現(xiàn)場采集得到的標(biāo)貫擊數(shù)，不考慮現(xiàn)場試驗時諸多因素的影響。

（4）本文通過工程實例重點闡述砂土液化辨別方法的對比研究，針對國內(nèi)與國外規(guī)范判別結(jié)論不一致的情況，建議仍以國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范為準(zhǔn)，國外規(guī)范結(jié)論作為參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］T.L.Youd，I.M.Idriss.Liquefaction Resistance of Soil：Summary Report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSFWirkshops on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils ［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering，2001，127（4）：297-313.

［2］中國建筑科學(xué)研究院.TJ11-74工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1974.

［3］住建部.GB50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［4］建設(shè)部.GB50021-2001巖土工程勘察規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［5］交通運輸部.JTG C20-2011公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2011.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

曹華峰（1979-），男，湖北武漢人，博士，主要從事巖土檢測和原位試驗工作。

中圖分類號：TU441+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）07-0053-03

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.07.053

收稿日期：2016-04-27

作者簡介：陳閣琳（1979-），男，湖南邵陽人，本科，高級工程師，總工程師，主要從事建筑施工技術(shù)。

Comparative Study on Liquefaction Discrimination Methods at Home and Abroad

Abstract：Liquefaction is one of the main causes of foundation instability，and liquefaction discrimination is an effective means to ease earthquake damage.The mainstream approach of liquefaction discrimination is quite different from that of other countries.From the perspective of the theoretical basis of discrimination methods，the similarities and differences of these methods are demonstrated，with one case presented to verify the results.

Keywords：liquefaction estimation；improved simplified discrimination methods；standard penetration test.