飽和砂土液化判別方法中抗震規(guī)范與NCEER法的對比

張 義 陳曉鋒

（四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

0 前言

飽和砂土液化是地震災(zāi)區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，能引發(fā)建（構(gòu)）筑物傾斜、倒塌、塌陷等，因此對飽和砂土進(jìn)行液化判別是場地巖土工程評價的重要內(nèi)容之一。目前，國內(nèi)常用的判別場地飽和砂土液化情況的方法是根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010，2016 年版）推薦的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法，以下簡稱“抗震規(guī)范法”。抗震規(guī)范法主要是根據(jù)國內(nèi)外大地震的資料和室內(nèi)液化試驗(yàn)的研究成果確定，適用于地面以下20m 范圍內(nèi)的飽和砂土的液化判別[1]。國外使用頻次較高的液化判別方法是SEED 法[2]。SEED 法最早是由Seed等人于1971 年根據(jù)美國和日本地震研究提出的砂土液化判別方法，是一種試驗(yàn)-分析方，后又經(jīng)過多次發(fā)展和完善。其基本概念是先求地震作用下不同深度土處的剪應(yīng)力，再求該處發(fā)生液化所必需的剪應(yīng)力（液化強(qiáng)度）。美國國家地震工程研究中心（NCEER）分別于1996 年、1998 年，組織專家組對之前25 余年的液化判別研究成果和資料進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，進(jìn)一步對SEED 法進(jìn)行了改進(jìn)和完善，此種簡化的方法稱為“NCEER 法”[5]。因此，NCEER 法是以SEED 法為基礎(chǔ)演變的判別方法，目前被歐美、東南亞和非洲在內(nèi)的大多數(shù)國家接受。該文通過工程實(shí)例，分別運(yùn)用抗震規(guī)范法、NCEER法，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法對飽和砂土進(jìn)行液化判別對比分析。

1 砂土液化的機(jī)理

1.1 液化機(jī)理

在地震作用下，飽和砂土的土粒在重新排列的過程中，體積發(fā)生變化，松散的砂土在震動過程中有變得更緊密的趨勢；在短時間內(nèi)孔隙水來不及分散排出，造成孔隙水壓力增大，土體有效應(yīng)力減小。根據(jù)有效應(yīng)力原理，砂土的抗剪強(qiáng)度如下。

式中：τ為土的抗剪強(qiáng)度，σ為土的總應(yīng)力，μ為土的超靜孔隙水壓力，φ′為土的有效內(nèi)摩擦角。

由公式（1）可以看出，當(dāng)孔隙水壓力增加，土的抗剪強(qiáng)度降低。若振動強(qiáng)烈，而孔隙水壓力增長很快而又不能立即消散，當(dāng)發(fā)展至μ=σ時，土的抗剪強(qiáng)度τ=0，此時，土粒完全懸浮于水中，砂層喪失了抗剪強(qiáng)度和承載能力，土體處于流動狀態(tài)，產(chǎn)生砂土液化現(xiàn)象。

1.2 砂土液化的主要因素

根據(jù)上述分析可知，場地的抗液化強(qiáng)度隨土粒的密度增大而增大，隨地下水的飽和度增大而降低，場地的有效應(yīng)力越大，產(chǎn)生的孔隙水壓力消散越快，發(fā)生液化的可能性越小。理論上講，地基土上覆有效壓力越大，即埋藏深度越大，越不容易液化。因此，砂土液化的影響因素主要有以下幾點(diǎn)：1）土性條件；2）土層狀態(tài)；3）地下水條件；4）地震動荷載條件；5）土層應(yīng)力條件等。

2 抗震規(guī)范法

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010，2016 年版）第4.3 節(jié)[1]，首先對地面下存在的飽和砂土，按照地質(zhì)年代、黏粒含量、淺埋天然地基見的上覆非液化土層和地下水位等三個條件，進(jìn)行初步判別。若初判為液化、或考慮液化時，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的實(shí)測值N做進(jìn)一步判別。將標(biāo)貫的實(shí)測值N與計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr進(jìn)行比較。當(dāng)NNcr時，則判定不會液化。在地面下20m深度范圍內(nèi)的液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr，可按式（2）計(jì)算。

式中：Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度；dw為地下水位深度；ρc為黏粒含量百分率，小于3 或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)取3；β為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震為第一組時取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

由公式（2）可以看出，抗震規(guī)范法對砂土液化判別的主要與地震動參數(shù)、黏粒含量、地下水位埋深及深度有關(guān)，標(biāo)貫臨界錘擊數(shù)隨深度呈拋物線式遞增，與地下水位呈反比關(guān)系，與地震動加速度呈正比關(guān)系。

3 NCEER 法

國外常用的NCEER 法是在SEED 簡化法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，其實(shí)質(zhì)是將砂土中由地震動作用產(chǎn)生的剪應(yīng)力與產(chǎn)生液化所需的剪應(yīng)力（即在相應(yīng)動力作用下砂土的抗剪強(qiáng)度）進(jìn)行比較，后H.B.Seed 將上述理論簡化，利用成等效循環(huán)應(yīng)力比CSR（地震引起的水平剪應(yīng)力比）與地基土的循環(huán)阻力比（抗液化強(qiáng)度比）CRR的比較，當(dāng)CSR>CRR時，砂土液化。

3.1 CSR 的計(jì)算

等效循環(huán)應(yīng)力比CSR如公式（3）所示。

陳國興、胡慶興等建議，23

3.2 CRR 的計(jì)算

抗液化強(qiáng)度比可采用室內(nèi)原狀樣試驗(yàn)方法或現(xiàn)場試驗(yàn)方法確定，工程實(shí)踐中主要采用標(biāo)準(zhǔn)貫入實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場原位試驗(yàn)方法。NCEER 推薦采用圖1 所示曲線確定抗液化強(qiáng)度比。

如圖1 所示，CSR和標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)關(guān)系的散點(diǎn)圖是以震級M為7.5 的地震現(xiàn)場考察結(jié)果為依據(jù)得到的。NCEER 建議的CRR 曲線適用于震級M約為7.5 級的地震砂土液化判別。圖1 中細(xì)粒含量含量Fc小于5%的分界線，稱之為純砂土基本曲線，如公式（5）所示。

圖1 抗液化強(qiáng)度比與修正標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系（震級M=7.5）

式中：（N1）60為將上覆有效壓力為100kPa 和錘擊能量轉(zhuǎn)換率為60%時的標(biāo)貫擊數(shù)修正值，為考慮細(xì)粒含量對抗液化強(qiáng)度的影響，將含細(xì)粒的砂土（N1）60修正為等效純凈砂土（N1）60cs，見公式（6）。顯然含細(xì)粒含量越高，土的抗液化強(qiáng)度也越高。

式中：α、β為考慮細(xì)粒含量Fc的修正系數(shù)，當(dāng)Fc≤5%時，α=0，β=1；當(dāng)5%

對震級M≠7.5 時，應(yīng)考慮不同震級對液化判別的影響，采用震級標(biāo)定系數(shù)MSF進(jìn)行CRR的修正。

MSF=102.24/M2.56（7）NCEER 也給出了MSF與震級M的關(guān)系表，見表1。

表1 MSF 與震級M 的關(guān)系表

在國內(nèi)，對一般工程，常用到場地的地震動峰值加速度αmax和地震基本烈度兩個參數(shù)，通過國內(nèi)外學(xué)者的研究，震中烈度I0與震級M之間一般有如下關(guān)系。

3.3 標(biāo)貫擊數(shù)的修正

在圖1 及公式（5）中，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)都是需要進(jìn)行修正的。國外常采用能量因子為60%時對應(yīng)的標(biāo)貫修正值，而影響N60修正的因素影響眾多，主要受鉆孔孔徑、取樣器是否裝襯管、桿長及錘擊能量傳遞效率等。對純凈的砂土，通常認(rèn)為，其標(biāo)貫擊數(shù)受上覆側(cè)應(yīng)力影響較大，而側(cè)應(yīng)力受上覆應(yīng)力的影響，因此對砂土標(biāo)貫修正時，還需考慮上覆側(cè)應(yīng)力對標(biāo)貫擊數(shù)的影響。因此，相應(yīng)能量因子為60%對應(yīng)的上覆應(yīng)力為100kPa 時的標(biāo)貫擊數(shù)（N1）60修正如公式（10）所示。

式中：Nm為實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)；CN為上覆有效應(yīng)力系數(shù)；CE為錘的能量修正系數(shù)；CB為孔徑修正系數(shù)；CR為桿長修正系數(shù)；CS為是否裝標(biāo)貫襯管的修正系數(shù)。

修正系數(shù)CN可按公式（11）計(jì)算。

CE、CB、CR、CS是標(biāo)準(zhǔn)貫入測試系統(tǒng)的校正系數(shù)，對一定的測試系統(tǒng)，其對應(yīng)的值是確定的，其系數(shù)的取值見表2。

表2 SPT 修正系數(shù)表

4 抗震規(guī)范與NCEER 法的比較

4.1 判別原理上不同

我國的抗震規(guī)范法以大量的現(xiàn)場液化與未液化實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并結(jié)合結(jié)構(gòu)可靠度理論，得到了不同地面加速度、不同地下水位和埋深的液化臨界錘擊數(shù)，是根據(jù)以往大量的地震經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出的經(jīng)驗(yàn)方法。雖然缺乏理論基礎(chǔ)，但簡單實(shí)用，便于工程人員掌握[1]。NCEER法在主要是基于室內(nèi)試驗(yàn)、地震經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場測試結(jié)果建立的試驗(yàn)分析法，該方法考慮了砂土的應(yīng)力狀態(tài)、地震影響、細(xì)砂含量等，公式較為復(fù)雜，在實(shí)際使用過程中并不方便，但該方法具有一定的理論基礎(chǔ)，考慮的因素更多。

4.2 地震作用的影響

兩種方法都考慮地震對液化判別的影響。所不同的是，NCEER 法采用震級比例系數(shù)來反映不同震級對液化臨界曲線的影響，震級能反映震源釋放的能量等級，與地面峰值加速度有一定的對應(yīng)關(guān)系。而抗震規(guī)范以地震基本烈度和設(shè)計(jì)地震分組來反映地震對場地和液化臨界標(biāo)貫擊數(shù)的影響。

4.3 上覆土壓力的影響

一般地，上覆土層的有效應(yīng)力σv′越大，則土體越不易發(fā)生液化。我國規(guī)范在計(jì)算Ncr時考慮了上覆土的厚度，相當(dāng)于間接考慮了上覆土有效應(yīng)力σv′對飽和砂土的影響；NCEER法在計(jì)算時則是直接考慮了上覆土有效應(yīng)力σv′的影響。

4.4 細(xì)砂含量的影響

我國抗震規(guī)范法認(rèn)為對液化起阻抗作用的細(xì)粒主要為黏粒，在粉土中需要測定黏粒含量，而在砂土中則不考慮黏粒的影響，因此高細(xì)粒含量土的抗液化強(qiáng)度被低估。NCEER法考慮了細(xì)粒土含量的影響，當(dāng)Fc<5%時視為純凈砂，在Fc>35%時則按 35%考慮，因此對高細(xì)粒含量的土體，其抗液化強(qiáng)度也在一定程度上被低估。

4.5 標(biāo)貫擊數(shù)的影響

我國抗震規(guī)范法和國外的NCEER 法均采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為評價抗液化強(qiáng)度的指標(biāo)；不同的是，抗震規(guī)范法則直接采用未經(jīng)修正的標(biāo)貫實(shí)測數(shù)據(jù)，有關(guān)地下水位、試驗(yàn)點(diǎn)埋深的影響則體現(xiàn)在臨界錘擊數(shù)中，而NCEER 法須對實(shí)測標(biāo)貫數(shù)據(jù)進(jìn)行錘擊能量、桿長、上覆有效應(yīng)力等方面的修正。

5 工程實(shí)例

某場地位于河流沖積階地上，區(qū)域地貌為侵蝕堆積地形之河漫灘及Ⅰ級階地、冰水堆積扇狀平原，地勢總體為南低北高。

場地地震動峰值加速度αmax為0.2g，基本烈度為VIII 度，地震分組為第三組，震級M為7 級。場地地下水為松散巖類孔隙水，地下水位5m，埋深淺，水量豐富。

場地地層較簡單，主要為第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al ），從上至下可分為：①粉質(zhì)黏土，稍濕～濕，可塑，含較多砂粒，夾薄層粉砂、粉土，平均厚度約5m；②粉砂，濕～飽和，松散～中密，平均厚度約7m；③細(xì)砂，飽和，中密～密實(shí)，平均厚度約10m。地層條件見表3。

表3 場地地層基本條件

采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法，根據(jù)抗震規(guī)范法及NCEER 法分別對鉆孔內(nèi)的標(biāo)貫測試進(jìn)行液化判別，其比較結(jié)果見表4。

表4 兩種液化判別方法結(jié)果比較

由表4。可以看出，基于標(biāo)貫擊數(shù)的抗震規(guī)范法與NCEER法對場地砂土液化判別的結(jié)果基本一致，但明顯NCEER 法的場地液化安全系數(shù)要大于抗震規(guī)范法，表明抗震規(guī)范法在判別結(jié)果上偏保守。

6 結(jié)論

飽和砂土液化是地震災(zāi)區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，能引發(fā)建（構(gòu)）筑物傾斜、倒塌、塌陷等，造成巨大的損失。因此，對飽和砂土進(jìn)行液化判別是場地巖土工程評價的重要內(nèi)容之一。目前，國內(nèi)外對地震液化的判別方法不盡相同，該文主要針對國內(nèi)的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和國外的NCEER法關(guān)于砂土液化判別方法的說明和比較，并用實(shí)例進(jìn)行了對比驗(yàn)算。結(jié)論如下：1）抗震規(guī)范法屬于經(jīng)驗(yàn)法，主要是以國內(nèi)外大地震的資料和室內(nèi)液化試驗(yàn)的研究成果為依據(jù)，給出判定液化的條件和界限，適用于地面以下20m 范圍內(nèi)的飽和砂土的液化判別。2）NCEER 法屬于簡化試驗(yàn)-分析法，理論基礎(chǔ)完善，是由美國國家地震工程研究中心在SEED 簡化法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，對SEED 法進(jìn)行了進(jìn)一步完善。3）抗震規(guī)范和NCEER 法比較而言，判別原理上不同，在地震作用的影響、細(xì)砂含量的影響、上覆土壓力的影響等方面也有一定差異，標(biāo)貫擊數(shù)的考慮也不相同。4）根據(jù)工程實(shí)例表明，基于標(biāo)貫擊數(shù)的抗震規(guī)范法與NCEER 法對場地砂土液化判別的結(jié)果基本一致，但NCEER 法的場地液化安全系數(shù)明顯要大于抗震規(guī)范法，表明抗震規(guī)范法在判別結(jié)果上偏于保守。鑒于工程案例和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不足，建議后期不斷豐富數(shù)據(jù)，進(jìn)一步補(bǔ)充分析。