进行砂土震动液化判定的原理和思路

进行砂土震动液化判定的原理和思路

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摘要：砂土的震动液化也是一种不良地质条件，假如发生，将会对建于其上的建筑物造成严重的损失。因此，在工程选址设计中，应当首先准确得判别震动液化地点是否存在，然后尽量远离液化地，或者采取必要的设防措施。本文试从以下几个方面，简单介绍判别砂土震动液化的原理和思路。

关键字：砂土 震动液化 标准贯入 静力触探 剪切波速 液化程度

饱和的疏松粉、细砂土体在振动作用下有颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受由砂土骨架转向水，由于粉、细砂土的渗透性不良，孔隙水压力急剧上升。当达到总应力值时，有效正应力下降到0，颗粒悬浮在水中，砂土体即发生振动液化，完全丧失强度和承载能力。

在地质条件、地震强度及持续时间两方面都有可能产生砂土液化的地方，工程地质勘察时就需要判定某一地点、某一深度处沙土层液化的可能性。通常的判别程序是先按地震条件、地质条件、埋藏条件、土质条件的一些限界指标进行初步判别，经初步判别为液化的场地应进一步通过现场测试、剪应力对比或地震反应分析等方法进行定量判别。各种判别指出可能性后，还应进一步判定后果的严重程度，通常是用液化指数划分液化的严重程度，以便为设防措施提供依据。

一、震动液化初判的限界指标 1．地震条件

（1）．液化最大震中距

液化最大震中距（Dmax）与震级（M）有如下关系：

Dmax = 0.82 × 100.862

（M-5）

由此可知，当M = 5，则也hue范围限于震中附近1km之内。

（2）．液化最低地震烈度

震级为5级震中烈度为VI度，故液化最低烈度为VI度。

2．地质条件

发生震动液化处多为全新世乃至近代海相及河湖相沉积平原、河口三角洲，特别是洼地、河流的泛滥地带、河漫滩、古河道、滨海地带及人工填土地带等。

3．埋藏条件 （1）．最大液化深度

一般认为液化判别应在地下15m深度范围内进行。最大液化深度可达20m，但对一般浅基础而言，及时15m一下液化，对建筑物影响也极轻微。

（2）．最大地下水位深度

喷砂冒水严重的地区，地下水埋深一般不超过3m，甚至不足1m，深为3～4m时喷砂冒水现象少见，超过5m没有喷砂冒水实例，为安全起见，《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ11—85）修订稿将液化最大地下水位埋深定为8m。

4．土质条件

液化土的某些特性指标的限界值为： 1）．平均粒径（D50）为0.01～1.0mm； 2）．粘粒（粒径＜0.005）含量不大于10%（不加分散剂）或不大于15%（加六偏磷酸钠分散剂）；

3）．不均匀系数不大于10； 4）．相对密度不大于75%； 5）．级配不连续的土粒径＜1mm的颗粒含量大于40%；

6）．塑性指数不大于10。 二、现场测试法判别

用以上的方法初步判定为可能液化或需考虑液化影响的饱和砂土或粉土，都应进行以现场测试为主的进一步判别。主要方法有标准贯入、静力接触和剪切波速判别。其中标准贯入法最为简单实用。

1．标准贯入实验法

标准贯入试验是最常用的原位测试手段之一。在岩土工程勘察中，判定砂土的密实度、确定其地基承载力、判定饱和砂土的液化时均需采用标准贯入试验。标准贯入试验是常用的原位测试手段之一。抗震设防烈度在7 度及其以上时, 需对饱和砂土进行液化判别。首先进行液化初步判别，当初步判别认为需进一步进行液化判别时， 应采用标准贯入试验判别法判别地面下15m 深度范围内的液化；当采用桩基或埋深大于5m 的深基础时，尚应判别15～20m 范围内的液化。

1>在地面下15m 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：

2>在地面下15～20m 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：

式中：Ncr—液化判别标准贯入锤击数临界值；

N0—液化判别标准贯入锤击数基

准值，可查下表采用；

ds—饱和土标准贯入点深度（m）；dw—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用；

ρc—粘粒含量百分率，砂土取3；

判别标准：1>当N63.5≥Ncr 时，不液化； 2>当N63.5

表1 标准贯入试验锤击数基准值

设计地震分组 第一组 第二、三组

7度 6（8） 8（10）

8度 10（13） 12（15）

9度 16 18

注：N63.5为饱和砂土标准贯入试验锤击数实测值，不经杆长修正。 2．静力触探法

静力触探是指利用压力装置将有触探头的触探杆压入试验土层，通过测量系统测土的贯入阻力，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。静力触探加压方式有机械式、液压式和人力式三种。静力触探在现场进行试验，将静力触探所得比贯入阻力（Ps）与载荷试验、土工试验有关指标进行回归分析，可以得到适用于一定地区或一定土性的经验公式，可以通过静力触探所得的计算指标确定土的天然地基承载力。

（一）、静力触探试验要点

（1）率定探头，求出地层阻力和仪表读数之间的关系，以得到探头率定系数，一般在室内进行。新探头或使用一个月后的探头都应及时进行率定。

（2）现场测试前应先平整场地，放平压入主机，以便使探头与地面垂直；下好地锚，以便固定压入主机。

（3）将电缆线穿入探杆，接通电路，调整好仪器。

（4）边贯入，边测记，贯入速率控制在1~2cm/s。此外，孔压触探还可进行超孔隙水压力消散试验，即在某一土层停止触探，记录触探时所产生的超孔隙水压力随时间变化(减小)情况，以求得土层固结系数等。

（二）静力触探测试成果整理 （1）对原始数据进行检查与校正，如深度和零飘校正。

（2）按下列公式分别计算比贯入阻力ps、锥尖阻力qc，侧壁摩擦力fs，摩阻比FR及孔隙水压力U。

ps=Kpεp qc=Kcεc fs=Kfεf

FR=fs/qc*100% U=Kuεu

以上各式中： Kp、Kc、Ku、Kf—分别为单桥探头、双桥探头、孔压探头的锥头的有关传感器及摩擦筒的率定系数；εp、εc、εu、εf—为相对应的应变量(微应变)。

（3）分别绘制qc、fs、ps、FR、U随着深度(纵坐标)的变化曲线。如下图：

图1 静力触探成果曲线及其相应土层剖面图

3．剪切波速法

由于剪切波速值的测定稳定、可靠, 同时, 还存在着相对密度、结构性以及早期应变历史等使抗液化强度减小等因素, 同样可使剪切模量和剪切波速值减小的物理基础，因此，剪切波速法近年来在沙土液化的判别方面应用较多。

水平地面深度ds 处的等效地震动剪应变

可表示为

为了便于应用，在上式中, 得到液化时的临界剪切波速：

，可

生液化；

时, 土层可能发生液化。

以孔压比等于1作为判别标准, 利用剪切

波速预测轻亚粘土和砂土液化势的公式, 采用临界液化状态时的临界剪应变0%, 相应的( G/ Gmax )

= 2.

=0. 028 08( 轻亚

式中, amax 为地面的最大水平地震加速度, ds 为某土层的深度, vS 为土层的剪切波速

粘土) 和0. 012 5( 砂土) , 得到相应的液化

判别式为：

度, cd为深度折减系数, ( G/ Gmax ) 应变为

为剪

式中, 对应于Ⅶ, Ⅷ, Ⅸ度地震区amax/ g 分别取0. 1,，0. 2和0. 4。

三、理论计算判别

时的动剪动模量比。设土层的门

， 当

时, 土层不发

槛剪应变为

引起砂土液化的地震剪应力超过砂土液化所需的剪应力时，即发生液化，也即当地震剪切波在砂土中引起的剪应力超过该砂土的抗剪强度时，即发生液化。根据土的动三轴试验求出的应力比（σd/σa， 即最大动循环剪应力τmax与初其围限压力σa之比）和某一深度土层的实际应力状态（土层有效上覆压力），计算出能引起该砂土层液化的

剪应力（τ），而此剪应力就相当于该砂土层抵抗液化的抗剪强度，如果取得的值小于据地震加速度求得的等效平均剪应力（σa），则可能液化，其表示式为：

（τd）er ＞τ0 四、液化程度判别

液化程度判别只能回答液化可能性，而不能支出液化后果的严重程度，更不能提示应采取何种防护措施。同样是液化其危害程度可能有很大差别，所以需要有一指标来反应液化程度。从历次地震的液化震害得知，在同一地震烈度影响下，液化土层的抗液化程度越低、厚度越大、层位越靠近基础底面，则地基的液化危害程度越大。所以这一指标应能综合反映上述各项因素对液化震陷的影响。

假定埋深ds（m），厚为d，将Ncr – N与该土层厚度之乘积定义为该层的液化势（A），即

A = （Ncr – N）d

用Ncr归一化即可得到该层的相对液化势（a）：

a = （1 -

）d

因为该土层在基础下深度不同液化危害不同，故引入一个深度权函数（W），可得出该层加权相对液化势

aW = （ 1 -

）d·W

如由地表到15m深处有多个液化层，将上述各层的加权相对液化势总和起来就得到液化指数I1e。

I1e = ∑ （

）di·Wi

式中：n为每个钻孔15m深度范围内饱和土层标准贯入点数；Ni和Ncri分别为第i个标准贯入点的标贯击数的实测值和临界值，当Ni＞Ncri时则（

）一项为零；di为第i个标准贯入点所代表的土层厚度（m），一般情况下可采用与该标准贯入点相邻的上、下两个标准贯入点深度差的一半（（di+1 – di-1 ）/ 2），但上界不浅于地下水位深度不大于5m时取10，等于15m时取0，5～15m之间线性内插。

根据百多个建筑场地液化震害调查和液化指数计算，可按液化指数大小划分出如下表所示的液化等级。

表 2 液化地基的液化等级

五、震动液化的工程地质建议 在可能收到强烈地震影响的河口三角洲、冲积平原或古河床上进行建筑活动时，必须采取防地震液化的措施。这些措施可分为选择良好场地、采用人工改良地基或选用合适的基础形式及砌置深度。抗液化措施应根据判定的液化等级及建筑物的类别进行选择。

[4] 李治中．标准贯入试验成果在砂土中的应用．2010年

[5] 朱士德．初析静力触探判别液化对标准贯入试验的优越性．1996年

[6] 周江平，彭雄志，赵善锐．基于标准贯入试验击数与简化西特法的砂层地基地震液化势研究．2004年

[7] 郭培军，李克钏．用静力触探评价饱和砂土的液化势．1989年

[8] 符圣聪，江静贝．基于静力触探的液化势概率估计和判别标准．2005年2月

[9] 楼凯峰，吴信民，黄临平，杨亚新．剪切波速测试技术及场地土液化势判别．2005年9月 [10] 刘万里．浅析不同液化判别的方法．2008年 [11] 陈文化,孙巨平,徐兵．砂土地震液化的研究现状及发展趋势．1999年3月

参考文献：

[1] 杨玉生，刘小生，刘启旺，陈宁．地基砂土液化判别方法探讨．2010年9月

[2] 李顺群，王丽君．对地基土液化判别方法的探讨．2002年

[3] 陈国兴，胡庆兴，刘雪珠．关于砂土液化判别的若干意见．2002年2月

（2011年11月1日）