利用剪切波速進行地震液化判別淺析

于 卿

(1.北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068； 2.城市軌道交通全自動運行系統與安全監控北京市重點實驗室，北京 100000)

1 概述

隨著我國城市進程的加快，地下軌道交通已經成為越來越多城市拓展交通運輸能力的首選，在地鐵修建過程中對場地的抗震情況進行準確的評估是必不可少的程序，高烈度地區地震液化對地下結構的危害也尤為明顯，因此在軌道交通建設前對建設場地的地震液化判別顯得尤為重要。本文結合北京地鐵新機場線某工點勘察成果，對該地區地基土剪切波速與地震液化的關系進行了簡要的分析。

2 地震液化判別的主要方法

當前現行規范中，對地基土地震液化判別主要采用標準貫入試驗進行，如現行GB 50909—2014城市軌道交通結構抗震設計規范規定中，液化判別標準貫入錘擊數臨界值可按式(1)進行計算：

(1)

其中，Ncr為判別標準貫入液化錘擊數臨界值；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為粘粒含量百分率，當小于3或為砂土時，取3；ηm為與設防地震動加速度反應譜特征周期分區相關的調整系數。

采用標準貫入試驗成果作為地震液化判別的唯一依據存在很大的缺陷，在實際勘察過程中，僅會對某一層的數個點位進行測試，其試驗成果不夠連續，不能完整的反映出場地的地震液化趨勢；標準貫入試驗的實測擊數基本靠鉆機工人的記錄，人為因素影響過大，其結果的準確、可靠性不易得到保證；因此需要一種可以在一定程度上替代標準貫入試驗的可靠試驗方法，以便對場地的地震液化判別提供準確、可靠的依據。

而在場地類別判定勘察過程中，土層的剪切波速是一個必須的指標，因此可以通過剪切波速作為場地液化判別的依據且采用該指標不增加勘察工作量。目前規范中，對于采用土層剪切波速對場地液化進行判別主要有以下2種計算方法：

1)《水利水電工程地質勘察規范》規定：當土層的剪切波速大于式(2)計算所得上限剪切波速時，可判為不液化。

(2)

其中，Vst為上限剪切波速度，m/s；KH為地震動峰值加速度；Z為土層深度，m；rd為深度折減系數；其計算方法為：

Z=0 m～10 m，rd=1.0-0.01Z；Z=10 m～20 m，

rd=1.1-0.02Z；Z=20 m～30 m，rd=0.9-0.01Z。

2)《巖土工程勘察規范》規定：利用剪切波速對地面下15 m范圍內飽和砂土和粉土的地震液化性狀進行判別時，可采用式(3)進行，當場地實測剪切波速Vs大于計算臨界剪切波速時，可判為不液化。

(3)

其中，Vscr為飽和砂土或飽和粉土液化剪切波速臨界值，m/s；Vs0為與烈度、土類有關的經驗系數；ds為剪切波速測點深度,m；dw為地下水深度,m。

盡管上述規范所得公式是通過大量試驗數據統計所得，有其一定的適用性和可靠性，但由于地層的差異性，各個地區地層性狀區別很大，不加區分的對公式進行套用也存在著較大的問題。因此在單獨工點的應用上還應對其特殊性進行把握，對場地進行實測并建立單獨的統計規律以便提供更加可靠的指導性。

3 剪切波速對地震液化判別的應用

本工程擬建場地位于北京市大興區，場地地形整體平坦，地貌上位于永定沖洪積扇中上部，屬于第四紀沖洪積平原區。根據現場鉆探、原位測試及室內土工試驗成果綜合分析，擬建場地沉積相地層從上至下依次為人工填土層、新近沉積層、第四紀沖洪積層及古近紀基巖。勘察期間鉆探深度范圍內觀測到一層地下水，地下水類型為層間潛水～承壓水，主要含水層為卵石圓礫層及其以下砂土、卵石地層，地下水水位穩定水位埋深為27 m～30 m，水位季節性變幅在2.0 m～3.0 m。根據GB 18306—2015中國地震動參數區劃圖，擬建場地基本地震動峰值加速度為0.20g，基本地震動加速度反應譜特征周期分區值為0.40 s，地震抗震設防烈度值為8度。

表1 水位以下場地土類型、剪切波速值及液化判別結果

在罕遇地震作用條件下，場地抗震設防烈度可增大1度按照9度進行抗震設防考慮，根據GB 50909—2014城市軌道交通結構抗震設計規范相關要求，地下水位按地面下5.0 m進行判別，抗震設防地震動分檔0.40g，設防地震動加速度反應譜特征周期分區為0.40 s區時，采用標準貫入試驗對場地土進行液化判別，判別結果顯示，擬建場地地面下20 m深度范圍內的部分飽和粉土及砂土存在地震液化，液化等級為輕微～中等。液化土層為②層砂質粉土黏質粉土、②3層粉細砂、③層砂質粉土黏質粉土、③3層粉細砂、④2層砂質粉土黏質粉土、④3層粉細砂。水位以下場地土類型、剪切波速值及液化判別結果見表1。

由表1可以看出，場地內粉土、砂土層當剪切波速大于300 m/s時，土層基本不發生液化，因此對于該工點附近場地，可采用剪切波速300 m/s作為液化與否的閾值。但需要注意的是，該值僅可作為該工點附近場地土液化判別使用，是否可推廣至更大場地范圍仍需對更多實測數據進行測試、統計后方可確定。

參考文獻:

[1] GB 50487—2008，水利水電工程地質勘察規范[S].

[2] GB 50909—2014，城市軌道交通結構抗震設計規范[S].

[3] GB 50021—2001，巖土工程勘察規范(2009修訂版)[S].