液化判别

液化判别方法

1.Seed简化判别法

Seed简化判别法是最早(1971年)提出来的自由场地的液化判别法,在国外规范中应用较广,是著名的液化判别法之一。其基本概念是先求地震作用下不同深度土处的剪应力,再求该处发生液化所必需的剪应力(液化强度),如果地震剪应力τl大于液化强度τd,则该处将在地震中发生液化。设土柱为刚体,土中地震剪应力按下式计算:

?zamax?1?0.65??rd

g

式中:z为土深度;γ为土重度(水下时为浮重度);amax为地面峰值加速度。根据地震反应分析求得各类土rd的变化范围如图2所示。式中的系数0.65是将随机振动转换为等效均匀循环振动。而土的液化强度τd则根据动三轴或动直剪实验求出的土液化强度曲线求得。

2.《日本道路桥梁抗震设计规范》的方法

日本道路桥梁抗震设计规范采用岩崎-龙冈方法,此法基本概念来自于Seed的简化判别法,即以地震剪应力与液化强度相比较。但岩崎敏男在Seed简化判别法的基础上,提出了液化安全系数的概念[3]。土的液化强度按下式确定:

NR1?0.082

?v??0.7

式中:Rl为液化强度比,即液化强度τd与竖向有效应力σV′(kg/cm2)之比;N为标准贯入试验锤击数。由于粗粒土与细粒土的性质有异,如果对不同平均粒径的土进行区分,则上式可以更精确一些。

N0.35R1??0.00882?0.225lg(0.04mm?D50?1.5mm)

?v??0.7D50 NR1??0.00882?0.05(0.6mm?D50?1.5mm) ?v??0.7式中:D50为该颗粒层平均粒径。此外,岩崎-龙冈法根据对不同土层剖面进行地震反应分析的结果,建议按rd=1-0.015z求rd。定义

式中:σV=γz为深度z处的竖向总应力;σV′=γ′z为有效应力;γ′为土的天然重度,水位以上γ=γ′,水位以下的γ′=γ-1。定义FL=

?1=Lmax(Lmax为地震剪应力比)得: ?v?amax?vLmax?(1?0.015z)?g?v?R1为抗液化安全系数,FL≥1时,土不发生液化;FL<1时则发生液化。 Lmax

3.美国NCEER建议的简化判别法

随着土液化研究的不断深入,Seed和Idriss的“简化方法”也在不断发展。Youd和Idriss受美国国家地震工程研究中心和国家科学基金委的资助,于2001年10月提出了改进的“简化方法”,称为NCEER法,具体分两步计算。

按式(4)计算地震引起的等效等幅往返应力比CSR:

amax?v CSR?0.65???rdMSF?1g?v?

式中:σV′为竖向有效上覆土压力;σV为竖向总上覆土压力;MSF为震级标定系数,NCEER建议按表1确定震级标定系数值;其它符号同前。

表1 震级标定系数值 MSF

震级Mw 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5

MSF 2.2～2.8 1.76～2.1 1.44～1.6 1.19～1.25 1.0 0.84 0.72

4. 欧洲规范《结构抗震设计》的判别法

欧洲规范EN 1998-5:2000规定,若地下水位下的地基土有延伸的松散砂层或厚的松散砂层(无论有无粉土微粒及黏土微粒),且地下水位接近地表面,应进行液化敏感性评价。试验判别时至少包括现场标准贯入试验(SPT)或圆锥贯入试验(CPT)与室内测定的土颗粒粒径分布曲线。

对于浅基础上的建筑物,如果自地表以下大于15 m的深度内发现有饱和砂土,无需液化判别。当α·S<0.15(α和S的意义见下面的式(8)),并且至少满足下列中的一个条件时,也可无需液化判别,条件为:1)砂中塑性指数PI>10的黏土含量大于20%;2)砂中淤泥含量大于35%,同时用于超应力效应和能量比标准化的标准贯入锤击数N1(60)>20;3)纯净砂土的N1(60)>30。

欧洲规范EN 1998-5附录B给出了水平地基条件下纯砂和粉砂的经验液化曲线。可用下式确定地震剪应力τe(深度<20 m时): ?e?0.65?S?v0式中:α为A类场地设计地面加速度ag与重力加速度g之比;S为土参数,按场地类别取值;σv0为总超应力。

4. 日本港口设施技术标准》的判别法

《日本港口设施技术标准》采用两步判别地震时地基液化,首先利用粒径级配和标准贯入击数进行判断,当无法判定地基是否液化时,再根据不扰动砂的三轴振动试验结果作进一步判断。 1)利用粒径级配和N值进行预测和判定。

如图5,对土按粒径进行分类。以UC=D60/C10=3.5为判断标准,其中UC为均匀系数,D60为累计重量占60%的粒径,C10为有效粒径(占10%的粒径)。当粒径分布曲线跨越两个区域,分类困难且根据分类结果与利用粒径级配和N值判定的结果有明显差异时,则需进行循环三轴试验进行判别。若地基土粒径处于A,Bf和Bc范围之外,判为不液化。

对于粒径级配处于范围A和Bc内的土层,用下式计算等效N值(有效覆盖压力为0.66 kgf/cm2时的N值):

N?1.828(?v??0.66)(N)0.66?

0.399(?v??0.66)?1

式中:σv′为土层的有效覆盖压力(kgf/cm2)。 2)根据循环三轴试验结果进行判定。

若利用粒径级配和N值无法判定地基是否液化,需进行地基反应计算和不扰动砂样振动三轴试验,将所得地震时地基剪应力与地基液化时的强度进行比较,判定地基是否液化。

6.国内抗震规范的液化判别法

我国《水运工程抗震设计规范》[5]、《建筑抗震设计规范》[6]和《水工建筑物抗震设计规范》[7]进行地震下土体液化判别时均采用初判和复判两个步骤,所用的初判指标大致相似,差不多都采用黏粒含量百分率、地质年代、地下水位深度和上覆非液化土层厚度4个指标,但表述方式不完全一致。而复判时则均采用标准贯入试验法判断砂土的液化。当可能液化的土体满足初判条件之一时,即考虑为不液化,并不再进行液化判定。

初判条件:

1)JTJ 225—1998《水运工程抗震设计规范》规定设计烈度为6度时,可不进行液化判别,但对液化敏感的码头、船闸结构,可按7度考虑;当在地面以下20 m内存在饱和砂土和粉土层时,若满足下列条件:①地质年代为第四纪晚更新世(Q3)及以前时;②黏粒(粒径小于0.005的颗粒)含量的百分率在7度、8度和9度分别不小于10、13和16时;则判定为不液化。

2)GB 50011—2001《建筑抗震设计规范》中,对于饱和砂土或粉土,6度时一般情况下可不对其进行判别和处理,但对液化沉陷敏感的乙类建筑可按7度考虑;而7～9度时乙类建筑可按本地区抗震设防烈度的要求进行判别和处理。存在饱和砂土和饱和粉土(不含黄土)的地基,除6度设防外,均需进行液化判别;存在液化土层的地基,要根据建筑的抗震设防类别、地基的液化等级,结合具体情况采取相应的措施。 3)饱和砂土或粉土(不含黄土)如满足下列条件之一,可判定为不液化: ①地质年代为第四纪晚更新世(Q3)及其以前时,7,8度时可判为不液化; ②粉土的黏粒含量百分率在7度、8度和9度分别不小于10,13和16时;

③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,天然地基的建筑可不考虑液化影响:du>d0+db-2 dw>d0+db-3

du+dw>1.5 d0+2 db-4.5

式中;dw为地下水位深度(m);du为上覆盖非液化土层厚度(m);db为基础埋置深度(m),不超过2 m时取2 m;d0为液化土特征深度(m)

4)DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》中,土的地震液化可按下列条件初步判定为不液化: ①地层年代为第四纪晚更新期(Q3)或以前;

②粒径大于5 mm土颗粒的质量百分率大于或等于70%时;大于5 mm颗粒质量的百分率小于 70%时,若无其他整体判别方法时,可按粒径小于5 mm的这部分判定其液化性能;

③对粒径小于5 mm颗粒质量百分率大于30%的土,其中粒径小于0.005 mm的颗粒质量百 分率相应于地震设防烈度7度,8度和9度分别不小于16%,18%和20%; ④工程正常运行后,地下水位以上的非饱和土;

⑤当土层剪切波速大于下式计算的上限剪切波速时: vst?219KhZrd式中:vst为上限剪切波速度(m/s);KH为地面最大水平地震加速度系数,按地震设防烈度7度、8度和9度分别采用0.1,0.2和0.4;Z为土层深度(m);rd为深度折减系数,按下式采用,Z=1~10 m,rd=1.0-0.01Z;Z=10~20 m,rd=1.1-0.02Z;Z=20~30 m,rd=0.9-0.01Z。 3.2复判条件

1)JTJ 225—1998《水运工程抗震设计规范》对初步判断为可液化的土层,采用标准贯入试验判别法作进一步判别,当符合N63.5>Ncr时,判定为液化土。其中,N63.5为未经杆长修正的饱和土标准贯入锤击数实测值;Ncr为液化判别标准锤击数临界值,按下式计算:

3Ncr?n0[0.9?0.1(ds?dw)]

Mc

式中:N0为液化判别标准锤击数基准值,7度时为6,8度时为10,9度时为16;ds为饱和土标准贯入点深度(m);dw为地下水位深度(m);Mc为黏粒含量百分点数,当小于3或为砂土时,取为3。

建筑物建成后和建造前的地面高程和地下水位有较大变化时,式中各项采用建成后的相应值,按下式修正标准贯入击数:

d??dw??7.8N63.5?N63.5?s

ds?dw?7.8

式中:N63.5′为建筑物建成后的饱和土标准贯入锤击数修正值;ds′为建筑物建成后的饱和土标准贯入点深度(m);dw′为建筑物建成后的地下水位深度(m)。

2) GB 50011—2001《建筑抗震设计规范》初步判别认为需进一步进行液化判别时,在地面以下20 m深度范围内的可液化土可按下列公式进行判别:

Ncr?N0[0.9?0.1(ds?dw)]3?c当ds≤15时,

3Ncr?N0(2.4?0.1ds)当15≤ds≤20时,

?c

当满足N63.5

3) DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》进行土的地震液化复判时可按标准贯入试验法、相对密度法和相对含水量或液性指数法进行。 ①标准贯入锤击数法。

符合N63.5

当饱和无黏性土(包括砂和粒径大于2 mm的砂砾)的相对密度不大于表7中的液化临界相对密度时,可判为可能液化土。

③相对含水量或液性指数复判法。

当饱和少黏性土的相对含水量大于或等于0.9时,或液性指数大于或等于0.75时,可判为 可能液化土。相对含水量按下式计算: WSW?u WL

式中:Wu为相对含水量(%);WS为少黏性土的饱和含水量(%);WL为少黏性土的液限含水量(%)。

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