地震液化不同判别方法的比较

地震液化不同判别方法的比较摘要：本文通过通过某工程采用三种不同规范得出的液化判别的结果进行了对比分析，总结出三种抗震规范在进行液化判别式的差异，同时对目前不同的液化判别方法的优缺点进行了论述。

关键字：地震；液化；孔隙水压力；总应力；有效应力；标准贯入试验；抗震设防烈度；概率1砂土液化的概念液化是指饱和砂土或粉土，在周期地震荷载作用下，由于排水通道不畅，形成的孔隙水压力或超孔隙水压力不能及时消散，当土体内的孔隙水压力达到土中上覆总压力时，有效压力趋于零，土颗粒处于悬浮状态，土体会完全丧失抗剪强度和承载能力，变成象液体一样的状态，这种现象成为液化现象。

砂土液化表示在静应力或周期应力作用下产生并保持很高的孔隙水压力，是有效应力降低到一个很小的数值，导致土体在很低的，不变的残余抗剪强度或没有残余抗剪强度的情况下发生连续的变形。

砂土液化液化可用有效应力原理解释，即下式的表达方式：σ＝σ′＋μ式中：σ—土中总应力；σ′—土中的有效应力；μ—土中的孔隙水压力一般情况下，土体中的总应力是不变的，当在周期性振动荷载（一般为地震荷载）的作用下，孔隙水压力增大，有效应力减少，而土体中的抗剪强度τ＝（σ－μ）tgφ(无粘性土)；当（σ－μ）趋于零即土体中的总应力等于孔隙水压力时，抗剪强度亦趋于零，即发生饱和土体液化现象。

就液化机制而言，饱和砂土液化可分为两种类型。

一种是渗透液化，即向上渗透的水流当其水力梯度大于土的浮重度时，使土处于悬浮状态。

发生渗透液化的必要条件是由向上的水流流动。

另一种是剪切液化，即在剪切力作用下砂土体积发生压缩，使其孔隙水压力升高到静有效应力，抗剪强度丧失，象液体那样不再能抵抗剪切作用。

这里所说的剪切作用可以是静剪力作用，也可以是动剪力作用。

一般说，象地震、爆炸等应起的剪切作用历时都很短。

例如，地震的历时也就是几十秒。

在这样短的时间内，排水作用是很小的。

因此，地震时饱和砂土液化常被认为是在不排水条件下发生的。

室内试验研究表明，只有松散和中密状态的饱和砂土才具有典型的液化现象。

即孔隙水压力升高到静有效压力后发生流动变形。

密实状态的饱和砂土当孔隙水压力升高到静有效应力后只产生有限的剪切变形，不会发生流动变形。

人们把密实砂的这种特性叫作循环流动性。

这表明，密度状态不同的饱和砂土在动剪作用下孔隙水压力达到静有效应力后，他们的变形性能是不同的。

除了比较纯净的饱和砂土液化外，饱和粉土及饱和砂砾石在一定条件下也可能发生液化的现象。

但由于粉土中粘土颗粒的胶结作用，当饱和粉土液化时一般不发生典型的流滑现象。

2目前砂土液化判别的几种方法从工程而言，液化研究包括两个基本问题：液化区的判别和液化区对工程的危害性评价。

液化区的判别可分为两种基本情况：水平场地下砂层的液化判别和大型建筑物地基或土工构筑物中砂土体的液化判别。

现有液化判别方法可分为两种类型。

第一种类型实际与地震现场液化调查资料建立起来的经验的液化判别方式。

此方法要求有数量足够的调查资料，其中包括关于砂层的埋藏条件，地震动水平河砂的抗液化能力的定量描述。

第二种类型是基于液化试验和地震反应分析的液化判别方法。

这种判别方法主要用于大型建筑物地基和土工结构中砂土的液化判别。

目前，我国在抗震设计中水平场地砂土和粉土的液化判别主要有以下几种方法：2.1Seed简化判别法这是最早提出的一个判别水平场地下砂层液化的方法。

现在，这个方法被各国广泛引用，按这一方法，如果水平地面下砂土单元所受的等价水平剪应力幅值τxz、eq大于引起液化所需要的等价水平应力幅值［τxz、eq］，则该单元将发生液化。

水平地面下砂土单元所承受的等价水平剪应力幅值按下式计算：式中为地面运动最大水平加速度，当设防烈度为6、7、8、9度时分别为0.04g、0.08g、0.16g、0.32g；g为重力加速度，、分别为所考虑的砂土液化单元之上的第I层的重度和层厚，（地下水之上取天然重度，地下水之下取饱和重度）；为考虑土是变形体而引进的修正系数，由下图确定，上式适用于深度小于40ft（即12.19m）。

使水平地面下砂土单元液化所需的等价水平剪力幅值按下式确定：式中CV为转换系数可按下表采用相对密度Dr1％30 40 50 60 70 80 85转化系数Cv 0.55 0.55 0.58 0.61 0.65 0.68 0.70为砂土单元所受的竖向静正应力；为砂的相对密实度Dr等于50％时指定的等价作用次数相应的液化应力比，可按下表确定，如果有条件可由动三轴试验直接测定与实际相对密实度Dr和等价作用次数N相应的液化应力比。

这时，使水平地面下砂土液化所需的等价水平剪应力幅值。

液化应力比应力循环次数N 平均粒径d50(mm)0.40 0.30 0.20 0.10 0.0710 0.26 0.25 0.24 0.22 0.2130 0.23 0.22 0.21 0.18 0.18显然，当＞［］的部位就是液化区。

2.2经验公式及概率与统计法经验公式法是在地震灾害调查的基础上，采用统计分析总结出利用原位测试结果判定液化的方法之一，常见的原位测试判断法有标准贯入试验及静力触探试验判别法两种，其中普遍采用的是标准贯入试验判断法，利用静力触探试验判别目前只有在铁路抗震规范中提及。

此外还有土层反应法判断液化，本文不再提及。

3不同抗震规范对液化的判别上述的不同判别法中，由于seed简化判别法需采取地基土样进行动、静三轴试验，在确定液化应力比后才能进行液化判别，由于试验繁琐，周期长，仅在一些大型工业建筑或构筑物的建设中使用；采用原位测试方法进行液化判别，属于实践与地震现场液化调查资料建立起来的经验的液化判别方式，由于其测试手段单一，试验结果易于控制，计算过程简单，但由于各行业对地基土液化的研究程度不同，出发点不同，导致在《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)，《公路工程抗震设计规范》及《铁路工程抗震设计规范》中经验公式各不相同，其判断结果也迥然，下面就三种规范中的判断方法的差异及结果分析如下：首先三种规范对饱和土层液化的初步判别基本上相同，都是从地基土的成因年代，粘粒含量及基础特征与地下水的关系入手，利用勘察结果对场地内地基土进行初步判定。

其次是在初步判别的基础上对于初判时可能液化的地层进行进一步判别，这种判断结果是基于对我国几次大的地震研究得出的。

下面以某工程实例着重讨论三种规范在进一步判别中的不同。

某道路勘察，工程地质条件如下：第一层粉土，黄褐色，稍湿～湿，表一：公路抗震规范判断结果表二：建筑抗震规范判断结果表三：铁路工程抗震设计规范判定结果稍密状态，层厚1.5～3.4m；第二层粉细砂：灰褐色：湿～饱和，稍密状态厚度为4.4～5.3m；其下为中砂，稍密～中密状态。

经初判，在8度抗震设防烈度条件下，第二层粉细砂及中砂为可液化层，分别利用三种规范进行进一步判断，其结果见表一～三，从表中可知，运用三种规范判断的结果各不相同，三种规范的判断液化的不同点主要在于：a公路抗震规范采用了地震剪应力比对标准贯入试验的原始击次进行修正，与标贯临界锤击数的表达公式：进行比较，以确定液化土层，由上式可以看出其临界锤击数呈非线性；铁路抗震规范中判断公式则为标贯击数基准值乘以四个系数，即地下水修正系数α1；标准贯入点深度ds修正系数α2；上覆非液化土层厚度修正系数α3；粘粒含量修正系数α4，作为判断液化的标准贯入试验临界值，与标准贯入试验实测值进行比较，以确定液化土层，其值也呈非线性。

建筑抗震规范中液化判别式临界标贯击次为：计算出的Ncr与标准贯入击次实测值相比，已进行液化判别，但建筑抗震规范中计算临界锤击数呈线性分布，而且在15米以后临界锤击数不再随标贯试验点深度的增加而增加，为一常数。

三种规范的临界锤击数随深度变化见下图1；b三种规范引入的地震参数不同，公路抗震规范中引入的地震参数为水平地震系数Kh，在建筑抗震规范及铁路抗震规范中引入不同烈度时标准贯入试验基准值N0，在建筑抗震规范中N0值在7、8、9度时分别为6、10、16，在铁路抗震规范中N0值在7、8、9度时分别为8、12、16，从N0的取值可以看出，在同等条件下，抗震设防烈度为8度区，铁路抗震规范计算的临界标贯击次要比建筑抗震规范高。

5结语目前，在建筑、铁路、公路、水利水电等行业都有自己的抗震设计规范，对于饱和地基土的液化判别也都有各自的判别公式，这些公式都是基于经验公式及概率与统计的方法基础上建立起来的，由于简便实用宜为广大工程技术人员所接受，应用也较为广泛，但由于其实在总结以往地震液化的基础上的经验总结，对将来发生的地震产生液化的效果不能准确定性，而且这些公式建立时考虑的因素较少，如土的初始应力状态，地震时效性，地震时孔隙水压力上升等，在大型工程中，在运用经验公式法的同时，还应采用室内动、静三轴试验结果，利用有限元分析相应地震烈度下的液化情况及范围，但由于输入的时程曲线是在收集已有资料的基础上整理出来的，这种判断方法也有一定的局限性，但与经验公式法相比较，其判断液化的精度已有较大的提高。

随着科学技术的不断发展，对于一些超越概率较小的大地震的预测也将更加准确，地震发生时的地震数据可以及时记录，并与现行判别方法比较，使之不断的完善，提高到一个新的水平。

参考文献〔1〕GB50011-2001，建筑抗震设计规范〔S〕〔2〕JTJ004－89，公路工程抗震设计规范〔S〕〔3〕铁路工程地质手册〔M〕.北京：中国铁道出版社，2002.〔4〕唐业清.简明地基基础设计施工手册〔M〕.北京：中国建筑工业出版社，2003.注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。