地震液化判别及危害性评价_邱亚兵

第36卷第3期2014年9月

地震工程学报

CHINAEAＲTHQUAKEENGINEEＲINGJOUＲNAL

Vol．36No．3

2014Sept．，

地震液化判别及危害性评价

1，2

邱亚兵，朱

①

晟

1，2

（1．河海大学水文水资源与水利水电工程科学国家重点实验室，江苏南京210098；

2．河海大学水电学院，江苏南京210098）

已成为土动力学领域的重要研究课题之一。摘要：饱和砂土地震液化有可能诱发极为严重的破坏，

对液化的判别分为初判和复判。初判指根据已有的勘测资料或简单的测试手段，初步判别土层的

液化可能。对于初判可能发生地震液化的土层，则再进行复判。鉴于土层液化的影响因素较多，我即标准贯入法，静力触探法，剪切波速法。单一判别方法都有局限性和国规范建议采取经验方法，适用范围，宜用各种方法综合判别。液化危害性评价使用危害性指标，分析液化对建筑物的危害程度。评价方法主要有液化指数法，震陷值法，谱强度比法和综合法。以评价指标为依据，划分液化影响的综合等级，全面反映液化危害程度。

关键词：地震液化；初判；复判；液化指数；震陷值；谱强度比；危害性评价中图分类号：P315．9

文献标志码：A

文章编号：1000－0844（2014）03－0555－07

DOI：10．3969/j．issn．1000－0844．2014．03．0555

DeterminationandHazardEvaluationofSeismicLiquefaction

22

QIUYa-bing1，，ZHUSheng1，

（1．StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterＲesourcesandHydraulicEngineering，HohaiUniversity，Nanjing，Jiangsu210098，China；

2．CollegeofHydraulic，HohaiUniversity，Nanjing，Jiangsu210098，China）

Abstract：Earthquakeliquefactionofsaturatedsandysoilsmayinduceseveredamage，andthisissuehasbecomeanimportantresearchtopicinthefieldofsoildynamics．Tojudgethepotentialforearthquakeliq-uefactionandtoevaluateliquefactionhazardscanleadtobettercontrolandpredictionofliquefaction．Liq-uefactiondiscriminationmaybeconsideredfirstbymakingapreliminaryjudgment．Preliminaryjudgment，accordingtoavailablesurveydataorasimpletestingmethod，mayprovideadeterminationoftheinitiallevelofsoilliquefaction．Furtherdiscriminationisnecessaryforsoillayerswhereearthquakeliquefactionmayoccur，asdeterminedbythepreliminaryjudgment．Sincetherearemanyfactorsaffectingsoillique-faction，werecommendanempiricalmethodthatincludesthestandardpenetrationtest，thestaticconepenetration（staticsounding）test，andtheshearwavevelocitymethod．Thesinglediscriminationmethodhaslimitationsinitsscopeofapplication；therefore，acombinationofvariousmethodsismorereliable．Liquefactionhazardevaluationadoptsaharmfulnessindextoanalyzethedegreeofharmcausedtobuild-ingsbyliquefaction．Evaluationmethodsmainlyincludetheliquefactionindexmethod，theseismicsettle-thespectrumintensityratiomethod，andthesyntheticmethod．Basedontheevaluationmentvaluemethod，

index，acomprehensiveliquefactionrankingcanfullyreflectthepotentialandextentoftheliquefactionhazard．

Keywords：seismicliquefaction；preliminaryjudgment；furtherdiscrimination；liquefactionindex；seis-micsettlementvalue；spectrumintensityratio；hazardevaluation

①

08-20收稿日期：2014-基金项目：国家科技部地震行业专项（201408020－03）；中央级公益性研究所基本科研业务费专项（2013B03）mail：yabqiu@163．com作者简介：邱亚兵（1990－），男，硕士生，主要从事岩土工程等方面的科研．E-

556

地震工程学报

［15］

2014年

0前言

我国处于两大地震带的中间，是一个多地震的

［1］

国家。因地基土层液化而引起的大规模地面塌

［1］

陷、滑坡、地裂和喷水冒砂等各种危害，给人们的财产带来极为严重的损失。20世纪70年代相继在邢台、海城和唐山发生地震后，地震液化问题引起一

，因为只要依据已有的工程地质资料或做少量

的工作，即可把不考虑液化问题的场地划分出来。用

饱和的砂土或粉土（不含黄土），当符合下列条件之一时，可初步判别为不液化或可不考虑液化影响

［14］

：

些研究者的重视，并逐渐成国际岩土界广泛关注的

［3-5］

。迄今为止围绕土的动力特性、课题液化机理、判别预测等方面已做了一些研究，但还存在不少有

［5-6］

。特别是2008年5月我争议且亟待解决的问题

引发山区国汶川8．0级地震中砂砾石层普遍液化，

崩塌和泥石流等地质灾害，死亡和失大量山体滑坡、

踪人数接近9万人，直接经济损失8000多亿

［7-8］

。如何对具体工程地震液化问题准确判别、元进以采取有效措施确保工程设施基础行危害性评价，安全稳定，是水利、岩土工程共同关注的热点问题之一

［9］

（1）地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及其以

前时，Ⅶ、Ⅷ度时可判为不液化。（2）粉土的黏粒（粒径小于0．005mm的颗粒）

13和含量百分率，Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度分别不小于10、16时，可判为不液化土。

（3）浅埋天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响：

du＞d0+db－2dw＞d0+db－3du+dw＞1．5d0+2db－4．5

（1）（2）（3）

。

1地震液化判别

式中：dw为地下水位深度（m），宜按设计基准期内年平均最高水位采用，也可按近期内年最高水位采计算时宜将用；du为上覆盖非液化土层厚度（m），

淤泥和淤泥质土层扣除；db为基础埋置深度（m），不超过2m时应采用2m；d0为液化土特征深度（m），可按表1使用。

表1

Table1

粉土砂土饱和土类别

地震液化作用是指由地震使饱和松散砂土或未

［10］

固结岩层发生液化的作用。地基土液化的原因在于饱和砂土或粉土受振动后趋于密实，导致土体中孔隙水压力骤然上升，相应地减小了土粒间的有效应力，从而降低了土体的抗剪强度，使土粒处于悬

［11-12］

。浮状态，致使地基失效影响地基土液化的因素主要有：（1）区域

地震荷载条件（波形、振幅、频率、持续时间、振动方密度向）；（2）场地条件；（3）土性条件（粒度特征、特征、结构特征）；（4）初始应力条件（初始有效覆盖压力、初始固结应力比、起始剪应力比）；（5）排水条件（土层的透水程度、排渗途径、排渗边界条件）。理论上讲，地基土上覆有效压力越大，即埋藏深度越大，其越不易液化。宏观液化势的综合判定之一的“上覆非液化土层厚度大于8m不考虑液化”及规

“Ⅶ度时最大液化深度约为18～19m，范中Ⅷ度时最大液化深度约为24～25m”中，都证明了这一观［11］点。

液化判别分为初判和复判两个阶段

［14］

［13］

液化土特征深度（m）

Ⅶ度

67

Ⅷ度78

Ⅸ度89

Characteristicdepthofliquefiedsoil（m）

注：当区域的地下水位处于变动状态时，应按不利的情况

考虑。

1．2液化复判

当初步判别认为有液化可能时，再作进一步判别。为了评判土液化可能性，应该考虑到历史的（有液化史的水土条件，未引起液化的震中距与地震烈度）、地质的（沉积条件、水文环境、地质年代）、组成的（土的粒径、形状、大小分布）和状态的（应力

［16］

状态、湿密状态）等各种判据。

目前砂土液化的判别方法概括起来可分为两大类：一类是模拟液化机理而建立起来的砂土液化判别的分析方法，如非线性有效应力法、等效线性法和弹塑性法等；另一类是基于以往的砂土地震液化实测资料的总结而建立起来的经验法，已建立了一些以标贯值、触探值、剪切波速等为参量的经验公式，可利用该方法对具有相似条件的场地进行液化判［17-18］

。实践表明，别由于砂土液化受众多因素影响，室内实验中用于模拟液化机理的原状砂土不易

。初判

主要是已有的勘察资料或较简单的测试手段对土层

进行初步鉴别，以排除不会发生地震液化的土层。对于初判可能发生地震液化的土层，再进行复判。对于重要工程，则应做更深入的专门研究。1．1

液化初判

初判条件得到了工程技术人员的欢迎和运

第36卷第3期邱亚兵等：地震液化判别及危害性评价

557

获得，所以大多数砂土液化判别都是基于现场的试验参数的经验法。我国最常采用的复判方法有：标准贯入锤击数法、静力触探法、剪切波速法。1．2．1标准贯入法

用标贯击数作主要判据是用得最多的方法，经

因此仍可作为今后主要的判别方法。验也比较丰富，

［14］

《建筑抗震设计规范》规定：当饱和砂土、粉土的初步判别认为需进一步进行液化判别时，应采

qc0分别为地临界值及锥尖阻力临界值（MPa）；ps0，

下水深度dw=2m，上覆非液化土层厚度du=2m时，饱和土液化判别比贯入阻力基准值和液化判别锥尖阻力基准值（MPa），见表3；w为地下水位埋深修正系数，地面常年有水且与地下水有水力联系时，取1．13；u为上覆非液化土层厚度修正系数，对深基础，取1．0；dw为地下水位（m）；du为上覆非液化土层厚度修正系数（m），计算时应将淤泥和淤泥质土层厚度扣除；p为与静力触探摩阻比有关的修正系数，见表4。

表3

Table3

qc0比贯入阻力和锥尖阻力基准值ps0、

Basicvaluesofthepenetrationresistanceandtheconetipresistance

抗震设防烈度/MPa

ps0

qc0

Ⅶ度Ⅷ度Ⅺ度5．0～6．011．5～13．018．0～20．04．6～5．510．5～11．816．4～18．2

用标准贯入试验判别法判别地面下20m范围内土的液化。

在地面下20m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算：

Ncr=N0β[ln（0．6ds+1．5）－0．1dw]ρc

（4）

式中：Ncr为液化判别标准贯入锤击数临界值；N0为液化判别标准贯入锤击数基准值，可按表2采用；ds为饱和土标准贯入点深度（m）；dw为地下水位（m）；ρc为黏粒含量质量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3；β为调整系数，设计地震第一组取0．80，第二组取0．95，第三组取1．05。

表2

Table2

液化判别标准贯入锤击数基准值

Basicvalueofstandardpenetrationtestblowcountforliquefactiondetermination

设计基本地震加速度/g液化判别标准贯入锤击数基准值

0．100．150．200．300．407

10

12

16

19

表4Table4

静力触探摩阻比Ｒf

p

土性修正系数p

砂土

Ｒf≤0．41．00

粉土

0．4＜Ｒf≤0．9Ｒf＞0．9

0．60

0．45

Soilcorrectioncoefficients

1．2．3剪切波速法

该方法是以土在地震作用下的剪应变量作为液化判别的基本量，并利用虎克定律导出其间接判别量—临界剪切波速。由于该判别量稳定性较好，可在土层原位状态下通过测试得到，因而近几年来应用较广泛。该方法通常利用PS测井技术获取场地

［20］

内各土层的剪切波速υS值。

［16］

《岩土工程地质勘察规范》建议用剪切波速判别地面下15m深度范围内饱和砂土和粉土的地

1．2．2静力触探法

静力触探法是目前国内外用于饱和砂土、粉土液化判别的方法之一，具有速度快、数据连续、再现性好、操作省力等优点，是一种方便可靠的原位测试

［19］

方法，代表着液化判别方法的发展趋势。静力触探可根据工程需要采用单桥探头、双桥探头或带孔隙水压力量测的单、双桥探头，可测定比贯入阻力（ps）、锥尖阻力（qc）、侧壁摩阻力（fs）和贯入时的孔

［16］

。隙水压力（u）

［16］

《岩土工程地质勘察规范》规定：当实测计算

震液化，可采用以下方法：

实测剪切波速υS于按下式计算的临界剪切波

可判为不液化：速时，

2υscr=υs0（dS－0．013dS）

0．5

［1．0－0．185×

（9）

（dw/dS）］（3/ρc）

0．5

比贯入阻力pc或实测计算锥尖阻力qc小于液化比

贯入阻力临界值pscr或液化锥尖阻力临界值qccr时，应判别为液化土，并按下列公式计算：

pscr=ps0wup

qscr=qc0wup

w=1－0．065（dw－2）u=1－0．065（du－2）

（5）（6）（7）（8）

式中：υscr为饱和砂土或饱和粉土液化剪切波速弹性界值（m/s）；υs0为与烈度、土类有关的经验系数，按表5取值；dS为剪切波速测点深度（m）；dw为地下水深度；ρc为黏粒含量百分率。1．2．4

方法选用

液化判别宜用多种方法综合判定，主要有以下两个方面的原因：

（1）地震液化是由多种内因（土的颗粒组成、密度、埋藏条件、地下水位、沉积环境和地质历史

qccr分别为饱和静力触探液化比贯入阻力式中：pscr，

558

地震工程学报

2．0

2014年

等）和外因（地震动强度、频谱特征和持续时间等）综合作用的结果；例如，位于河曲凸岸新近沉积的粉细砂特别容易发生液化，历史上曾经发生过液化的

［16］

场地容易再次发生液化等。

表5

Table5

与烈度、土类有关的经验系数υs0

Empiricalcoefficientυs0relatedtotheintensityandsoiltype

土类砂土粉土

υs0Ⅶ

6545

Ⅷ9565

Ⅸ13090

表达式为的。龙岗定义了液化指数，

PL=

∫

（1－FL）W（z）dz（10）

式中：PL为液化指数；W（z）反映液化土层厚度和层

位影响的权函数；z为深度；FL为抗液化系数，等于土层抗液化强度与地震剪应力之比。

刘惠珊等修改了岩琦等建议的液化指数的形式，直接采用了我国常用的标准贯入击数与液化临界标准贯入击数之比求液化指数。

［14］

《建筑抗震设计规范》我国的沿用了刘惠暇规定：对存在液化砂土层、粉土层的地基，应的方法，

探明各液化土层的深度和厚度，按式（11）计算每个并按表6综合划分地基的液化等钻孔的液化指数，［7］级：

ILE=Σ［1－Ni/Ncri］diWi

i=1n

［23］

（2）我国规范的液化判别方法是根据国内数据

统计，结合地震液化的影响因素建立的经验公式，实用性和针对性较强，且具体规定计算及选取防震抗液化措施较简单易行，但缺乏理论基础。并且各种判定方法考虑的范围和侧重点各不相同，对不同场地的适用程度也不同，都有一定的局限性和模糊性，所以在进行饱和土液化评判时不能单纯地用单一判别公式来简单评判，有必要采用多种判别方法以提高评价结果的可靠性进行综合评价，

［20］

（11）

式中：ILE为液化指数；n为在判别深度范围内每一个

Ncri为分别为点标钻孔标准贯入试验点的总数；Ni、

当实测值大于临准贯入锤击数的实测值和临界值，

界值时应取临界值；当只需要判别15m范围以内的15m以下的实测值可按临界值采用；di为i液化时，

点所代表的土层厚度（m），可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标准贯入试验点深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；Wi为i土层单位土层厚度的层位影响权函数值（单

－1

位为m）。当该层中点深度不大于5m时应采用10，5～20m时应按线性等于20m时应采用零值，内插法取值。

。

2液化危害性评价

上述各种判定液化可能性的方法只能给出某饱

但是和土层在某一动荷载下是否会发生液化现象，在具体的地基基础和上部结构情况下，土层的液化

对于建筑物的危害可大可小。某土层被判别为有液化可能，不一定会危害到建筑物的存在和使用；液化的危险程度高也不意味着必须对液化层采取直接的

［5］

处理措施。因此从工程的安全性和经济性来看，

［21］

液化效应对工程更直接，关系更密切，有必要对地基土层进行液化危害性评价，而液化效应方面的

表6

Table6

液化等级与液化指数的对应关系levelandliquefactionindex

［14］

Thecorrespondingrelationsbetweenliquefaction

0＜I1E＜6轻微

6＜I1E≤18中等

I1E＞18严重

研究成果较少，远未达到成熟的程度。

一般来讲，液化危害性评价是指对未经抗震设计和加固处理的已建房屋和地基基础，在地震作用下可能因液化引起的破坏程度作出评价。这种评价工作具有两种作用，一是为制定城市和重大工程防灾规划提供基础性资料或依据。二是为确定某一工程的抗震措施提供依据。很明显这也是本文的研究目的。可以认为，依据服务对象的重要性、规模、经费等条件的不同，可以选用不同的评价方法和相应

［15］

的措施。目前提出以下四种不同水平的评价方法。

2．1液化指数法

岩琦和龙岗

［22］

液化指数ILE液化等级

ILE是表示地基液化程度的一个很好研究表明，

的指标。这种方法最大的缺陷在于液化指数实质上只反映了砂土层的液化程度，并未包含上部建筑物

［24］

故不能完全反映液化危害性。液化指数的作用，

与液化土层上层建筑物的震害现象有时并不相符，它们之间可能只在一定程度上存在着某种定性关

系。液化指数的大小不能定量的反映建筑物的震害程度，有时还可能给出错误的结果。2．2震陷值法

液化震陷是指砂土和粉土地震液化引起的地表

［25］

或建筑物的附加沉陷。谢君斐等曾以计算震陷

最早提出液化危害性分析方法

值作为指标研究液化危害，编制了计算程序，在工程实践中有所应用。该方法考虑了上部建筑物的特点，优于液化指数法。计算震陷值实际上也只反映了地基失效程度，与土层液化对房屋遭到的地震荷载的影响无关。按计算震陷值划分出了轻微中等和严重等三个液化等级。

现有多种计算方法预测震陷，主要有以下四种方法：

（1）模量软化法［25］

地震荷载的反复作用使土的刚度或模量减小。根据确定的土性经验参数和选择地震地面运动时程，进行静动力有限元计算，据此分析震害。

（2）有限元法［25］

可考虑液化土层、非液化土层、建筑物特性以及输入地震特点等因素的作用。在某些情况下，用有限元法计算出的震陷值，不仅反映了地基失效的影响，而且考虑了液化层的减震作用，更适用于重要建

［26］

筑物的震害分析。

（3）有效应力分析法：

根据有效应力原理，计

算了孔隙水压力在地震过程中的变化过程，不仅可

丰万玲

和王天颂

用于液化判别，也可估算出土层区液化范围的扩展。

［29］

孙锐改进了有效应力法，通过每个应力循环模拟土的非线性进程以及液化导致的土刚度衰减过程，并引入了新建立的适于非均等固结随机地震荷载作用下的孔压增长模型。

（4）简化法

Tokimatsu和Seed［30］在非排水条件下对不同密

表7

Table7

液化综合影响等级

Ⅰ

［27］

［28］

度的砂土施加不同程度的剪切荷载使其液化，然后

测量排水重新固结以后土样的体积应变，建立起了“相对密度—剪切应力比—体积应变”之间的关系，

［31］

进而估算沉降量。Ishihara和Yoshimine则引入日本抗震规范中的液化安全系数的概念，建立了“相对密度—液化安全系数—体积应变”之间的关系，方便了工程师们在对场地进行液化风险评估后进一步估算其液化沉降量。2．3

谱烈度比法

谱烈度是反应谱上某周期区间内反应谱曲线所围的面积，面积的大小反映了该周期区间地震作用和震害反应的大小。谱烈度比定义为含液化层实际剖面的谱烈度与不含液化层的比较用剖面的谱烈度

0．1～0．3s的短周期谱烈度比记为Sa1，0．8～之比，

1．0s的长周期谱烈度比记为Sa2。

液化对震害的负效应是隔震滤波，可用谱烈度比衡量液化对多层建筑的减震作用。顾宝和将减震

［21］

Sa1＜0．7显著减震；Sa1=0．7～效果分为两级，

0．9轻度减震。

［32］

2．4综合评价方法

液化会使地基失效，也对建筑有减震作用，即同

时存在正负效应。依据液化指数或计算震陷值均可只是它们反映划分反映土层液化危害程度的等级，

［33］

的并不全面。石兆吉等人分别计算出震陷和谱烈度比，划分综合影响等级时，既考虑地基失效，又

［34］

考虑液化土层隔震作用。张荣祥在石兆吉的基础上，还考虑了差异沉陷及地基失稳等问题，重新划分了综合影响等级，见表7。

［33-34］

地震液化综合影响等级

条件

Comprehensiveinfluencelevelofearthquakeliquefaction［33-34］

局部倾斜T1≤0．0045

≤0．0045≤0．0045≤0．0025

整体倾斜T2≤0．006≤0．006≤0．006≤0．004

谱烈度比Sa1

≤0．85＞0．85＜0．8＜0．7

重

任意任意

严重影响程度轻微

计算震陷/hp

≤4484～88～2020～40

ⅡⅢ

中等

20～40

Ⅳ

＞40

不满足Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ条件者＞0．045＞0．006任意

任意

地基失稳、或场地发生地裂滑移

3结论

（1）地震液化的判别分为初判和复判。初判排

对有液化可能的土层需判别。除无液化可能的土层，

（2）我国规范建议的复判方法，主要是根据实

测资料建立的经验方法，都有特定的适用用范围和

侧重点。宜用多种方法综合判别，提高可靠性。（3）液化指数只能反映地基土层液化的程度，未包含上部建筑物的作用；震陷值考虑了建筑物的

特性，并没有反映土层液化对地震荷载的影响；谱烈度比衡量液化对震害的负效应，即对多层建筑物的减震作用。

（4）根据计算出的液化评价指标，划定综合影响等级时，应考虑各方面的因素，包括地震的正负效地基失效、差异沉陷等，才能全面地反映地基液应、

化的危害程度。参考文献（Ｒeferences）

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