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《工程勘察雜志》2016年第12期

摘要:

粉土和砂土液化是地震和工程震動引起的顯著的地質災害之一，且往往危害巨大。本文首先介紹了液化現象的發生機理及相關抗震規范的變化歷史，依據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)、《公路工程抗震規范》(JTGB02-2013)與《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111-2006)(2009版)中關于粉土和砂土液化的判別步驟，對其進行分析總結，指出三種規范中對液化判別的區別與聯系。繼而通過具體工程實例進行了液化計算的對比分析與標準貫入錘擊數臨界值公式的研究探討，指出公路規范的液化判別經驗公式與實際情況相差較大，鐵路規范無法定量估計粉土和砂土液化的危害程度以及這三個規范均存在低估砂土中黏粒含量作用等問題。最后針對上述問題提出了合理性建議，旨在使工程實際中粉土和砂土的液化判別計算更具科學合理性。

關鍵詞:

粉土和砂土液化;規范對比;標準貫入試驗;實例分析

0引言

粉土和砂土液化是地震和工程震動引起的顯著的地質災害之一。隨著工程的不斷建設，砂土液化的關注度日益提高，尤其是在砂土地基上的高層建筑、高速公路等工程在發生地震災害時，這些工程常會有地基下陷、開裂、不均勻沉降等問題。因此，如何迅速、準確地判斷砂土液化顯得尤為重要。國內有關學者結合1975年海城地震、1976年唐山地震［1］、2008年汶川地震等資料對砂土液化進行了廣泛深入的研究［2］。目前規范對砂性土液化判別和計算最實用的方法是標準貫入試驗法［3］，但不同規范間仍有差異，導致實際工程中存在方法選取的問題和判別結果安全性的差異，進而對工程治理措施的選取產生不合理、不經濟的現象。本文將結合實際工程，針對《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)、《公路工程抗震規范》(JTGB02-2013)和《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111-2006)(2009版)中粉土和砂土液化的判別和計算進行對比分析。通過總結這三個規范中關于砂土液化判別的區別，探討各自的可靠性及其存在的問題，從而幫助工程技術人員能夠根據實際工況更加迅速、全面、準確地判定粉土與砂土液化問題，以便采取經濟、合理且有針對性的工程治理措施。

1粉土和砂土液化機理

液化被定義為任何物質轉化為液體的行為或過程［4］。飽和(粉)砂土是由砂和水組成的復合體系，在地震或工程振動作用下，飽和砂土的液化取決于砂和水的特性。容易液化的土通常是一種沒有或有很少粘性的散體，散體主要靠顆粒間的摩擦力維持本身的穩定和承受外力，這種摩擦力主要取決于粒間的法向壓力，對砂土的骨架來說，粒間壓力是個起穩定作用的因素，而粒間剪力則相反［5］。飽和砂土受到外力作用時，砂和水共同承擔和傳遞外力，按有效應力原理，它的抗剪強度表達式為:τf=σ'tanφ'=(σ－u)tanφ'(1)式中:σ為由外力引起的總應力;σ'為有效應力;u為超靜孔隙水應力;φ'為有效內摩擦角。在地基破壞之前，一般飽和砂層在外力作用下，不存在超孔隙水壓力，水只承擔自身壓力即靜水壓力，砂結構是穩定的，全部外力均由砂骨架承擔［6］。砂土的液化機理參見圖1。在震動作用下，如圖1(a)所示，砂粒產生滑移，穩定砂結構變得疏松。此時排水不暢，砂層體積不變，則把一部分原來由砂骨架承擔的力轉移給孔隙水;隨即如圖1(b)砂粒處于懸浮狀態，此時，超孔隙水壓力承擔全部外部荷載(u=σ)，砂土的有效應力為零(σ'=0)，這時飽和砂土的抗剪強度喪失，產生液化，伴有噴砂冒水現象發生;當震動結束后，超孔隙水壓力慢慢消散，砂顆粒又重新排列組成土骨架承擔上部荷載，如圖1(c)所示震動后的砂土更加密實，但是砂土液化產生的沉降位移嚴重影響建筑物的安全使用。

2不同規范粉土和砂土液化判別的差異

作者從抗震規范液化判別的歷史發展開始研究，并詳細查閱《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)與《公路工程抗震規范》(JTGB02-2013)發現，其針對粉土和砂土的液化判別均采用“液化初判—液化細判—液化分級”的判別模式。《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111-2006)(2009版)基本也遵循這個思路，但缺少液化等級劃分這一步驟。因此筆者先分析3本規范的歷史演變規律，再從這三個方面對其進行總結。為方便敘述，以上3本規范下文分別簡稱建筑規范、公路規范和鐵路規范。

2.1抗震規范的液化判別歷史變化脈絡

筆者研究這3本規范的歷次版本發現，《建筑抗震設計規范》(TJ11-78、GBJ11-89、GB5001-2001、GB5001-2008、GB5001-2010)對粉土和砂土液化判別從89版確定為“液化初判—液化細判—液化分級”的判別模式，且沿用至今，之后的每次修訂均結合地震資料和工程實踐在此基礎上進行補充完善。2001版則指出，本規范的液化判別不包含黃土，是由于對黃土和礫石液化研究資料還不充分［7］。說明了土層的地質年代為第四紀晚更新世及以前時可判為不液化，適用于抗震設防烈度為7、8度的建筑。為了滿足工程需求，對液化深度的判別擴大至地下20m，并補充了深度15～20m的線性液化判別公式;2008版是因發生了“5.12汶川地震”，進行了局部應急修訂，通過災區現場考察和專題研究證明該規范能達到抗震設防目標，并對災區設防烈度進行了調整;2010版則主要對液化判別公式進行了改進和完善，考慮到砂土液化影響因素眾多且具有顯著的不確定性，采用概率方法進行液化判別仍是一種合理的選擇。依據國內外對砂土液化判別概率方法的研究發展并考慮規范的延續性修訂，選用了對數曲線形式來表示液化臨界錘擊數隨深度的變化，比2001版的折線形式更為合理［8］。《公路工程抗震規范》(JTJ004-89、JTGB02-2013)修訂次數不多，而且對粉土和砂土的液化判別2013版完全采用了建筑規范(GB5001-2001)的條文。《鐵路工程抗震設計規范》(1987版、GB50111-2006、GB50111-2009)，其對粉土和砂土液化判別也和建筑規范的判別依據類似，但液化判別公式完全不一樣，并且至今29年完全沒有改進和變化，也缺少對液化危害程度進行分類的環節。由此可見，建筑規范更像是一部抗震的統領性規范，它修訂的次數最多也最及時，并能反映我國抗震科研的新成果和工程實踐的經驗，并吸取一些國外的先進經驗，相較其他兩個規范更加細致全面。

2.2液化初判

作者分析研究建筑規范、公路規范、鐵路規范，發現這3個規范均采用了對場地進行液化初判的方法，且初判的依據均是考慮地質年代、黏粒含量、地下水位及上覆非液化土層厚度等因素。筆者結合工程實例，針對粉土和砂土的液化初判總結其判別流程一致，詳見圖2。粉土和砂土液化往往具有區域性，采取液化初判的措施可以幫助工程師們先排除一部分非液化區域，減少工程量，產生經濟效益。

2.3液化細判

通過液化初判判定為可能發生液化的土層，以上規范均采取了進一步判別的措施。通過標準貫入試驗，分別采用標準貫入錘擊數的計算公式計算出標貫錘擊數臨界值，若實測標貫錘擊數比標貫臨界值小則認為液化，反之不液化。筆者依據建筑規范、公路規范、鐵路規范結合工程實例對液化細判步驟進行總結，流程如圖3所示，其中的Ncr為建筑規范中標準貫入錘擊數臨界值。公路規范和鐵路規范的液化細判與圖3相同，只是將圖3中Ncr計算式替換為各自規范給出的標貫錘擊數臨界值計算公式。公路規范判別地下15m深度時，標準貫入錘擊數臨界值可按式(2)計算:Ncr=［0.9+0.1(ds－dw)］3/ρ槡c(2)當采用樁基或基礎埋深大于5m時，還應判別地下15～20m深度的液化情況，標準貫入錘擊數臨界值可按式(3)計算:Ncr=N0(2.4－0.1dw)3/ρ槡c(3)鐵路規范液化判別標準貫入錘擊數臨界值可按式(4)計算:Ncr=N0α1α2α3α4(4)以上公式中，Ncr為液化判別標準貫入錘擊數臨界值;N0為液化判別標準貫入錘擊數基準值，地震加速度為0.2g時，建筑規范采用12，公路規范和鐵路規范均取10;ds為飽和土標準貫入點深度(m);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，應采用3。圖3中的β為調整系數，設計地震分組為第一組取0.8，第二組取0.95，第三組取1.05［9］。公式(4)中，地下水位修正系數α1=1－0.065(dw－2);標準貫入點深度修正系數α2=0.52+0.175ds－0.005d2s;上覆非液化土層厚度修正系數α3=1－0.05(du－2)(其中du為非液化土層厚度)，對于深基礎取1;黏粒含量百分比修正系數α4=1－0.17ρ槡c。依據現行公路規范對本工程實例的基礎進行液化計算時深度截止于15m，用判別15m深度的公式計算標準貫入錘擊數臨界值，應注意以下幾點:(1)規范規定:當采用樁基或埋深大于5m的深基礎時，尚應判別15～20m范圍內土的液化性。因此不能忽略了此基礎埋深只有3m的前提，盲目而簡單地采用判別20m深度的公式計算Ncr;(2)采用判別15m深度的公式計算12#鉆孔(6、7點位)，6#鉆孔(5點位)，10#鉆孔(4、5點位)時雖位于15～20m，但ds不能按實際標貫深度取值深度，應取ds=15m;(3)根據以上3個規范液化初判條件可知，當設防烈度為Ⅷ度時，黏粒含量大于13%則可直接判為不液化土。因此不能無視這個初判條件而利用標貫錘擊數臨界值計算判別是否液化，否則會造成將原本不液化土層誤判為液化，導致不必要的治理。

2.4液化等級劃分

建筑規范和公路規范均在液化細判之后對判定為液化的粉土和砂土采取了液化指數公式(5)判定該粉土和砂土液化的等級。IlE=∑ni=1［1－NiNcri］diWi(5)式中:IlE為液化指數;n為在判別深度范圍內每一個鉆孔標準貫入試驗點的總數;Ni、Ncri分別為i點標貫錘擊數的實測值和臨界值，當實測值大于臨界值時應取臨界值，當只需要判別15m范圍以內的液化時，15m以下的實測值可按臨界值采用;di為i點所代表的土層厚度(m)，可采用與該標準貫入試驗點相鄰的上、下兩標準貫入試驗點深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度;Wi為i土層單位土層厚度的層位影響權函數值(m－1)，建筑規范中當該層中點深度不大于5m時應采用10，等于20m時應采用零值，5～20m時按線性內插法取值。公路規范中若判別深度為15m，當該層中點深度不大于5m時應采用10，等于15m時應采用零值，5～15m時按線性內插法取值，若判別深度為20m，當該層中點深度不大于5m時應采用10，等于20m時應采用零值，5～20m時按線性內插法取值［10］。而鐵路規范則沒有規定進行液化等級劃分。地基液化等級劃分標準分別見表1和表2。

3工程概況

某擬建構筑物，場地地形平坦，勘察深度范圍內，測得場地潛水穩定水位在地面以下3m，場地地貌單元屬于汾河沖洪積單元。根據野外勘探及室內試驗資料綜合分析，在勘探深度范圍內，場地地基巖土主要由第四系全新統近期人工堆積層(Q2ml4)及第四系全新統沖洪積層(Qal+pl4)構成，自上而下分為8層，即:①層雜填土(Q2ml4)，②-1層粉質粘土(Qal+pl4)，②-2層粉土(Qal+pl4)，③層粉土(Qal+pl4)，④層粉土(Qal+pl4)，⑤層中砂(Qal+pl4)，⑥層粉土(Qal+pl4)，⑦層細中砂(Qal+pl4)，⑧層粉土(Qal+pl4)［11］。依據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)附錄A，該市抗震設防烈度為Ⅷ度，設計基本地震加速度值為0.2g，設計地震分組為第一組。據靜力觸探初判，場地20m范圍內飽和粉土具有液化的可能，因此進一步從場地勘察孔中選取4個孔(6#、8#、10#、12#)進行液化計算統計。通過原位測試和室內試驗分析各土層分布特征及物理力學指標，顯示②-1層為持力層，設計基礎埋深大于3m，黏粒含量ρc、標準貫入點深度ds及每一土層的厚度di、地下水位dw、標貫實測錘擊數N見表3。

4粉土和砂土液化判別的計算分析與討論

經過對建筑規范、公路規范和鐵路規范中粉土和砂土的液化判別對比發現:建筑規范和公路規范均采用了三步法判別粉土和砂土的液化性，即液化初判—液化細判—液化分級，而鐵路規范則沒有進行液化等級劃分這一步。這3個規范最大的區別是液化判別公式不同和液化等級劃分因判別深度不同有所差異，其他方面基本相同。上述實例的液化計算結果見表4，從表4中可知，建筑規范判定6#和12#為中等液化，8#和10#為輕微液化，按不利組合綜合判定，此地基粉土和砂土液化等級可按中等液化考慮，因此不能采用天然地基，需進行抗液化處理;對比建筑規范和公路規范計算出的標貫錘擊數臨界值，雖有差異，但是每個土層的液化判別結果基本一致，6#、10#、12#3個孔的液化等級判別結果也一致，但是8#孔產生了不一樣的結果，相同條件下公路規范判定為中等液化而建筑規范則判定為輕微液化。對輕微液化兩者的判別差距不大，但中等液化指數兩者的差距較大，這可能對液化程度的判定產生分歧，從而對采取相應的治理措施產生困擾;鐵路規范計算結果與其他兩個規范對每層土的液化判別差別較大，從四個鉆孔的判別結果看，基本都只會在淺層發生液化，隨著土層埋深增加而不液化。鐵路規范只能判斷粉土和砂土是否液化，無法確定液化程度，主要是因為鐵路規范不能反映液化土層厚度、埋深、標貫錘擊數實測值和臨界值對液化程度的影響。這不利于鐵路工程采取相應合理的治理措施，因為鐵路工程具有狹長的特點，決定了它不可能對所有的液化地基均采取一樣的抗液化處理措施。從表4中筆者發現，倘若在比較標貫錘擊數實測值與臨界值時，忽略了初判時“黏粒含量大于13%即判為不液化土層”這一條件，直接與計算出的標貫錘擊數臨界值相比較大小來判定該土層是否液化，判別結果見表5。由表5可知，針對黏粒含量大于13%的土層，初判與細判的判別結果產生了矛盾，尤其是8#鉆孔，這三個規范的細判結果與相應初判結果全然相反，這顯然與它們的初判條件相違背，未做到判別結論前后統一。這應證了這三個規范給出的標貫錘擊數的臨界值計算公式不適用于在初判時已經判定為不液化的土層。可見“初判”與“細判”是兩個層次問題，初判判為不液化的土層則不需要再進行液化細判。《公路工程抗震規范》(JTGB02-2013)液化判別實質上是采用了《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)中的液化判別公式，因此它解決了《公路工程抗震設計規范》(JTJ044-89)中未考慮震級的影響、對標貫擊數修正不合理、過高的估計黏粒含量對臨界標貫值的影響及無法判斷液化程度等問題［12］。由表4可以看出，標貫錘擊數臨界值與土層深度呈遞增關系，選取12#鉆孔在保證地下水位dw=3m、黏粒含量ρc=3%、標貫基準值N0=10不變的條件下，通過這三個規范給出的公式來比較土層深度和標貫錘擊數臨界值的關系，見圖4。由圖4可知，三個規范計算的標貫錘擊數臨界值均隨土層深度的增加而增加，但增加幅度不同，這會影響三個規范對同一土層的液化判別結果。公路規范中標貫錘擊數臨界值是隨著砂土的埋深增加呈線性增大的，且在土層埋深大于10m之后標貫錘擊數臨界值與建筑規范和鐵路規范的臨界值相比增速快，偏于保守。公路規范線性增大的趨勢顯然與實際情況不符，因為從砂土液化理論機理來說，上覆土層越厚，則代表自重應力產生的法向應力越大，如果砂土液化的話則需要更大孔隙水壓力來承擔上覆土層的重量。這也是規范液化初判中規定當上覆非液化土層滿足一定厚度關系時可直接判定為不液化的原因;建筑規范對此進行了一些修正［13］，由線性關系變為對數曲線形式，處在其他兩規范中間的位置，既簡便又與其他方法接近;鐵路規范計算的錘擊數臨界值最小，則顯得比較冒進，安全系數偏低。筆者認為，標貫錘擊數臨界值的計算公式有一定的局限性，在表達與砂土埋深關系上是有矛盾的。如果只就工程運用來說并不影響對液化判別的結果，因為標貫實測值也是隨埋深增大而增大的。從表4可以看出，粉土和砂土的黏粒含量對標貫錘擊數臨界值的影響較大。選取12#鉆孔點位1在保證土層深度ds=6.7m、地下水位dw=3m、標貫基準值N0=10不變的條件下，通過這三個規范給出的公式來比較土層黏粒含量和標貫錘擊數臨界值的關系，詳見圖5。由圖5發現，這三個規范計算的標貫錘擊數臨界值均隨著粉土和砂土中的黏粒含量百分比增大而減小，即液化的可能性在減小。當黏粒含量相差10%時，對標貫錘擊數的影響約有10錘的差距，可見黏粒含量對抗液化是有利的，相關文獻已驗證［14］。而這三個規范中對黏粒ρc的取值規定“當ρc小于3或為砂土時，采用3”，筆者認為這是不夠全面的，它忽略了砂土中黏土的影響，也與規范中規定的“在設防烈度為7度、8度和9度時，粉土黏粒含量百分率不小于10、13和16時判為不液化土”的精神相違背。因為粉土和砂土的液化機理是相同的，不能在液化判別時，粉土考慮黏粒含量影響而砂土不考慮。在沿海沖擊平原地區粉土和砂土很難明確地區分，由于沉積環境的原因砂土中也多沉積有泥質成分，黏粒含量一般均大于3%［15］，也有工程師發現標貫擊數最大臨界值可以只與粉土和砂土的粘粒含量有關，并可直接判定是否液化［16］。如果只是按規范取值，則往往會將原本“不液化”的砂土誤判為“液化”，最終造成工程治理的浪費。從圖5還可知，如果考慮砂土中黏粒含量，建筑規范和鐵路規范認為相同黏粒含量能發揮的抗液化能力比公路規范中要強，有1～2錘的差距。公路規范應該是考慮到路基要承受不定的汽車動荷載作用，對黏粒含量的作用考慮得偏保守。

5結論

通過對《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)、《公路工程抗震規范》(JTGB02-2013)和《鐵路工程抗震設計規范》(GB50111-2006)(2009版)中粉土和砂土液化判別的對比分析，筆者總結如下結論。

(1)建筑規范和公路規范不僅能夠判斷粉土和砂土是否液化，還能根據液化指數計算對液化的危害程度做定量的估計，而鐵路規范則無法判定液化程度，這點已不適應工程依據液化輕微、中等、嚴重采取相應治理措施的要求。

(2)“液化初判”與“液化細判”是兩個層次的問題，當初判為不液化土時則應注意是不需要再進行液化細判的。否則易導致矛盾結論，需引起工程技術人員的注意。

(3)標貫錘擊數臨界值計算公式采用概率公式是合理的選擇，縱觀相關抗震規范的修訂歷史發現，建筑規范、公路規范的液化判別式隨著地震資料與工程實踐的豐富在不斷的修改完善，采用對數曲線形式比折線形式更合理。而鐵路規范的液化判別公式29年未曾修改調整過，這與我國高速鐵路建設快速發展的實際不符。

(4)現行規范中對于砂土的黏粒含量ρc取值偏于保守，往往會造成本應該判定為“不液化”的砂土誤判為“液化”的砂土。特別是沿海地區，常見含粘性土類的砂土，從而造成工程處理上的浪費。因此建議采用土工試驗中ρc的實測值進行液化計算。

(5)現行公路規范沿用了《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)中的地基液化判別條文，使公路規范和建筑規范對液化土的判別基本趨于一致，這種趨勢既能滿足工程要求又利于技術人員運用。體現了建筑規范的統領性，建議鐵路規范對液化程度給出定量估計，利于選取治理措施。

(6)盡管這些規范在液化判別中有不合理之處，但對實際工程液化判別的影響不大，并仍需要學者和工程人員繼續深入研究粉土和砂土液化的影響因素，明確粉土和砂土液化經驗公式的概念及物理意義，判別結果要符合液化理論和實際的地震液化調查資料。

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作者:林軍 沙鵬 常金源 單位:紹興文理學院土木工程學院