四種剪切波速液化判別法的區域適用性研究

呂俊超

(江西理工大學 土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000)

0 前 言

土層液化的預測和判別是土動力學理論研究和工程應用中非常重要的課題，而地震場地現場勘察測試是發展液化判別方法最重要的手段[1]。伴隨著現代科技的快速發展，剪切波速測試作為一種簡單、便捷的原位測試技術得到了廣泛應用，地震安全性評價、小區劃等工作中采用波速判別飽和砂層地震液化的需求也日益強烈。但就我國以剪切波速為指標的砂土液化判別方法而言，形成現有方法的基礎數據尚少，方法是否適用全國各地也有待檢驗[2-6]。

本文以2003年新疆巴楚地震、1986年我國臺灣花蓮、1999年集集地震、1976年河北唐山地震場地勘查剪切波速數據為基礎，研究國內外剪切波速液化判別方法的區域適用性。

1 基于剪切波速的液化判別法

1.1 巖規法

石兆吉(1993)在《天津市建筑地基基礎設計規范》(TBJ 1—86)的基礎上對剪切波速液化判別公式進行了改進，加入了地下水位埋深的影響。《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)[7]在原有的石兆吉[8]公式上增加了黏粒含量影響系數，得到判別公式如下：

(1)

式中，Vscri為液化臨界剪切波速，m/s；ds為埋深，m；Vs0為ds=1 m處的液化臨界剪切波速，m/s，與烈度和土類有關；dw為地下水位埋深，m；ρc為黏粒含量百分率，當小于3或為砂土時應取3，由于原始數據中并不包含黏粒含量，因而在使用巖規法計算時，ρc統一取3。當烈度是Ⅶ，Ⅷ和Ⅸ度時砂土的剪切波速基準值VS0分別取65 m/s，90 m/s，130 m/s。

若Vs1>Vscri則判定為不液化，反之為液化。

1.2 Andrus法

Andrus和Stokoe等[9]收集了世界各地的26次地震的液化資料和225例剪切波速數據，在Seed簡化法的基礎上結合世界范圍內眾多專家的研究成果，建議以剪切波速為指標的液化判別式，地震剪應力比CSR為：

(2)

(3)

抗液化應力比CRR為：

(4)

(5)

根據式(5)，若CRR與CSR的比值小于1，則該場地判別為液化，否則判定為不液化。此判別式在北美地區以及其他一些國家的工程中應用廣泛。

1.3 雙曲線法

為了使剪切波速場地液化判別法滿足深淺兼顧的客觀要求，孫銳等[10]提出了雙曲線判別公式：

(6)

式中，Vs0取值見表1。若實測剪切波速Vs小于Vscr，則該土層判別為液化，否則為不液化。

表1 不同加速度下Vs0取值

1.4 水利勘察法

《水利水電工程地質勘查規范》(GB50487—2008)附錄P第P.0.3 款規定[11]：當土層的剪切波速大于式(6)計算的上限剪切波速時，可判為不液化：

(7)

式中，Vscri為土層剪切波速臨界值，m/s；KH為地震動峰值加速度系數，KH=amax/g；ds為土層埋深，m；γd為深度修正系數。

深度修正系數γD取值為：

(8)

2 液化判別法的區域適應性分析

采用上述四種剪切波速液化判別方法，對新疆巴楚地震、我國臺灣花蓮地震與集集地震、河北唐山地震場地進行液化判別[12-15]。

從以上的3個地區場地判別結果看出，國內外4種剪切波速液化判別式在巴楚、我國臺灣、唐山3個地區的適用性有待深入考量的，筆者分別對巴楚(44組)、我國臺灣(42組)、唐山(18組)調查點判別結果進行分析。

2.1 巴楚判別成功率分析

巴楚地區的地震液化判別成功率如表2所示。

表2 巴楚地震液化判別成功率 %

從表2的判別結果可以看出，循環剪應力比法判別巴楚地區液化場地成功率較高，非液化場地偏保守；巖土工程勘察規范方法對于液化、非液化場地判別成功率均低于50%，判別結果不可靠；水利水電地質勘查規范方法對巴楚液化場地判別結果突出，其液化區判別成功率達到了95%，但非液化場地卻為0，過于保守；雙曲線法判別結果與前三種方法判別結果存在較大差異，對液化場地判別成功率僅為5%，而非液化場地則為100%，與另外三種方法不同的是，該方法對巴楚液化場地的判別過于危險。四種判別法中，有兩種方法對巴楚地區液化場地做出了較為準確的判斷，而水利地質勘查規范法則較為突出，但對非液化場地的預測結果都產生了嚴重的偏差，雙曲線法反之，總體判別成功率均不超過60%。初步分析表明，在四種液化判別法中，循環剪應力比法總體上較適宜巴楚地區的液化判別，巖土工程勘察規范法不適宜，而水利地質勘察規范法在該地區的液化場地判別上有優勢，雙曲線法則反之，在非液化場地判別上有優勢。

2.2 我國臺灣判別成功率分析

我國臺灣地區的地震液化判別成功率如表3所示。

表3 我國臺灣地震液化判別成功率 %

從表3的判別結果可以看出，循環剪應力比法在我國臺灣地區液化場地成功率更高，高于巴楚地區，非液化場地判別成功率不超過50%，同樣偏保守；巖土工程勘察規范法與水利地質勘查規范法在該地的液化場地判別成功率突出，達到了100%；雙曲線法在我國臺灣液化場地判別成功率為67%，明顯高于巴楚地區，但在非液化場地判別則偏保守。四種判別法對我國臺灣液化場地均能做出較正確的判斷，而巖土工程勘查規范法與水利地質勘查規范法則更為突出，但對非液化場地的預測結果與巴楚地區同樣過于保守，總體判別成功率也同樣不超過60%。初步分析表明，四種方法中，循環剪應力比法在我國臺灣地區總體上更具適用性，巖土工程勘察規范法在我國臺灣地區，相較于巴楚，更適用液化場地，而水利地質勘察規范法在該地區的液化場地判別上與巴楚地區同樣具有優勢，雙曲線法在我國臺灣液化場地的判別成功率上明顯高于巴楚地區，但在非液化場地的判別上不具優勢。

2.3 唐山判別成功率分析

唐山地區的地震液化判別成功率如表4所示。

表4 唐山地震液化判別成功率 %

從表4的判別結果結果可以看出，循環剪應力比法在唐山地區液化場地成功率達到了90%，高于巴楚、我國臺灣地區，非液化場地判別成功率則為0%，過于保守；巖土工程勘察規范法在唐山液化地區的判別成功率同樣高到90%，非液化場地判別成功率為50%；水利地質勘查規范法在唐山對液化場地的判別成功率與我國臺灣一樣，同樣達到了100%，但在非液化場地的判別成功率為0%，判別結果不可靠；雙曲線法在液化場地、非液化場地的判別率均高于60%，總體判別結果較為可靠。如表4所示，四種剪切波速液化判別法對唐山地區液化場地的判別結果均較為可靠，水利水電地質勘查規范法較為顯著，但對于非液化場地的判別，其與循環剪應力比法則均不可靠，總體判別成功率二者也均不超過60%，但巖土工程勘查規范法與雙曲線法在該地區的總液化判別成功率超過60%，較為可靠。分析現有數據表明，循環剪應力比法與水利地質勘查規范法在唐山的液化場地上更具適用性，但在非液化場地，相較于巴楚、我國臺灣的判別結果，這兩種方法在唐山地區明顯不具有適用性，而巖土工程勘察規范法在唐山地區總體上更具適用性，其次是雙曲線法，相較于巴楚與我國臺灣地區，這兩種液化判別法的適用性較為顯著。

由表2～4的液化場地與非液化場地對不同判別法在各地區的平均判別成功率進行分析，得到不同地區的平均判別成功率如表5所示。

表5 不同地區的平均判別成功率 %

從表5可以看出，不同判別法對不同地區的判別結果為：巴楚地區不同判別法的平均判別成功率分別為55%、44%、53%和48%，判別結果較均衡；我國臺灣地區不同判別法的平均判別成功率分別為65%、67%、50%和62%，判別結果較好；唐山地區不同判別法的平均判別成功率分別為70%、45%、68%和50%，判別結果偏保守。唐山地區偏保守的原因在于所搜集數據點較少，僅搜集了18個數據。

將四種判別法進行對比，結果如圖1～3所示。從圖1可以看出，巖規法與Andrus法在巴楚地區均表現較為均衡，而雙曲線法與水利勘察法則均表現嚴重保守；從圖2可以看出，Andrus法與雙曲線法在我國臺灣地區均表現較為均衡，而巖規法與水利勘察法則表現較為保守；從圖3可以看出，巖規法與雙曲線法在唐山地區表現較為均衡，而Andrus法與水利勘察法則表現嚴重保守。

圖2 我國臺灣地區液化判別成功率對比

圖3 唐山地區液化判別成功率對比

綜上所述，循環剪應力比法在巴楚、我國臺灣、唐山地區的總體判別率穩定；巖土規范工程勘查規范法由于其本身是以河北、天津地區的地震為研究對象，所以其在唐山地區無論是液化場地、非液化場地還是總體判別成功率均較高，區域適用性顯著；雙曲線法同樣在唐山地區總體判別成功率較高，區域適用性較為顯著；水利地質勘查規范法在三個地區的液化場地判別成功率普遍較高，均在90%以上，但在非液化場地判別率極低，兩種場地的判別率呈兩極分化。

3 結 論

以2003年新疆巴楚地震、1986年我國臺灣花蓮、1999年集集地震、1976年河北唐山地震場地勘查剪切波速數據為基礎，分析現有國內外四種剪切波速液化判別法的區域適用性，分析結果如下。

1)在新疆巴楚地區，循環剪應力比法總體上較適宜巴楚地區的液化判別，巖土工程勘察規范法不適宜，而水利地質勘察規范法在該地區的液化場地判別上有優勢，雙曲線法則反之，在非液化場地判別上有優勢。

2)在我國臺灣花蓮、集集地區，循環剪應力比法在我國臺灣地區總體上更具適用性，巖土工程勘察規范法在我國臺灣地區，相較于巴楚，更適用液化場地，而水利地質勘察規范法在該地區的液化場地判別上與巴楚地區同樣具有優勢，雙曲線法在我國臺灣液化場地的判別成功率上明顯高于巴楚地區，但在非液化場地的判別上不具優勢。

3)在河北唐山地區，循環剪應力比法與水利地質勘查規范法在唐山的液化場地上更具適用性，但在非液化場地，相較于巴楚、我國臺灣的判別結果，這兩種方法在唐山明顯不具有適用性，而巖土工程勘察規范法在唐山地區總體上更具適用性，其次是雙曲線法，相較于巴楚與我國臺灣地區，這兩種液化判別法的適用性較為顯著。

綜上，循環剪應力比法在巴楚地區、我國臺灣地區、唐山地區的總體判別率穩定；巖土規范工程勘查規范法由于其本身是以河北、天津地區的地震為研究對象，所以其在唐山地區無論是液化場地、非液化場地還是總體判別成功率均較高，區域適用性顯著；雙曲線法同樣在唐山地區總體判別成功率較高，區域適用性較為顯著；水利地質勘查規范法在三個地區的液化場地判別成功率普遍較高，均在90%以上，但在非液化場地判別率極低，兩種場地的判別率呈兩極分化，所以還需要更多數據加以佐證。

[ID:012828]