饱和砂土液化判别方法中问题浅析
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PRELIMINARY ANALYSIS OF THE METHODS FOR DISCRIMINATION OF SNADY SOIL LI(UEFATION
LIU Jin-tao" JIN Xiao-mei"
（! Bei ing Campus，China uniuersity of Mining and Technology，Bei ing 100083） （" China uniuersity of Geosciences，Bei ing 100083）
液化
烈度 amax / g
检验数 / 个 成功率（/ % ）
!"# 0.1 0.2 0.4 41 91 112 36 . 6 69 . 2 75 . 0
非液化
检验数 / 个 成功率（/ % ）
76 61 79 86 . 6 52 . 5 78 . 5
382
Journal of Engineering Geology 工程地质学报 2000 （8 3）
成功率（/ % ）
l6 68 . 75
9 55 . 6
l2 66 . 7
从表 3 中可见，在唐山沿海地区!、"、#三个 烈度分区内应用标准贯入临界击数法判别砂土液化 的成功率，不论在液化还是非液化点均较低，这是由 于该方法对影响砂土液化的一些关键因素未予考虑 所造成的。
刘金韬等：饱和砂土液化判别方法中问题浅析
2 几种现行规范判别方法评述
! 收稿日期：1999-10-22；收到修改稿日期：1999-12-27 .
第一作者简介：刘金韬（1964-），男，博士，从事地质灾害及工程地质问题的研究 .
380
JouLeabharlann Baidunal of Engineering Geology 工程地质学报 2000 （8 3）
2 . l 标准贯入临界击数判别法
Abstract Discussing some representative methods for crimination of sandy soiI Iiguefaction，the paper points out the guestions existing in these methods，and then the main reIevant factors affecting sandy soiI Iiguefaction is anaIyzed . . Key words CriticaI standard penetration hammer，Ratio of shear stress，Ratio of penetration resistance，Periodic shear coefficient .
判别方法是用（l）式计算的 N' 值与实测标准 贯入击数 N 相比较，当 N < N' 时，判为可液化砂 土，反之则不液化。
下面对（l）式进行讨论，利用（l）式对处于不同 深度的饱和砂土进行验算，以设计地震烈度 ! 度为 例，设 d w = 2m，分别以不同的 dS 代入（l）式，计算 结果见表 2［l］。
虽然在工程勘察中按照有关规范所要求的方法
对砂土层进行了液化判别，但其效果如何却很少被 注意，原因是这项工作不容易被验证，只有当一个地 区发生震级足够大的地震之后，这一地区以前有关 砂土液化判别的资料才有可能被验证。从目前已有 的资料来看，地震后的液化实际情况与以往的判别 还是有出 入 的，尤 其 对 强 震，各 种 判 别 方 法 几 乎 都 “失灵”。本文想就现行国内外规范中所列的几种有 代表性的判别方法进行讨论，发表一些自己的看法。
标准贯入阻抗 N1 是将不同深度实测的标准贯 入击数 N 63.5 按下式修正为有效覆盖压力近似等于 0 . 1 Mpa 时的击数。
N 1 = CN · N 63 .5
（2）
CN
=
1
-
1
.
25ig
"* "*
0 1
（3）
式中，"*0 砂土层 有 效 覆 盖 压 力；"*1 近 似 等 于 0 . 1 M pa
这一方法是以实际资料为基础，用统计学的方 法建立起来的经验公式判别法，其存在着下述问题。
第一，不能反映地震强度对液化的确切影响，仅 以烈度概括是不够的，应定量化。
第二，不能反映地震持续时间对砂土层液化的 影响。
第三，不能反映上覆土层特性对砂土层产生液 化与否的作用。
基于上述问题，在实际判别中就难免产生误判， 根据唐山地震砂土液化的实际资料结合砂土层的埋 藏条件，针对不同烈度分区，对此方法进行检验，结 果见表 3。
利用唐山沿海地区砂土液化的资料对 Seed 判 别法进行成功率检验结果（表 5）可以发现，它的判 别成功率也不是很高。其原因有二，一是此方法为 统计得出的经验判别式，必然存在一定或然率而产 生偏差；二是此方法所取样本仅为实验室内对 38 个 样本试验所得之结果，代表性不强。
表 5 Seed 判别法成功率 Tabie 5 Ratio of successfui discrimination using Seed's method
标准贯入临界击数法是我国研究工作者根据地 震调查资料建立的判别砂土液化的一种方法，被《工 业与民用建筑抗震设计规范》（ Tjll-78）所采纳，是 我国目前最常用的方法之一。标准贯入临界击数是 指在一定地震烈度条件下，饱和砂土从发生液化到 不发生液化的临界点所对应的标准贯入击数。在规 范中规定了饱和砂土所处深度为 3m、地下水位为 2 m 时，不同设计烈度情况下的标准贯入临界击数值 见表 l。
表 l 不同烈度条件下的标准贯入临界击数值 TabIe l CriticaI number of standard penetration
hammers N at different seismic intensities
设计地震烈度
!
"
#
标准贯入临界击数
6
l0
l5
当某一砂土层埋藏的地质条件与上述规定不同 时，标准贯入临界击数值需要用下式进行修正
1引言
地震砂土液化是饱和粉细砂及轻亚粘土所面临 的一个实际工程问题，一旦发生液化就会产生一系 列地面及地下的破坏效应而带来灾害，因此，在工程 勘察中一般对地震烈度#度以上及一定埋深以内的 饱和粉细砂土层都要进行液化判别。就判别方法而 言，目前不少于数十种，比较成熟已被列入国内外各 种规范的也有十几种。
设计烈度
抗震规范 TJ11-78
一般规定 计算采用
《中国地震烈度表 1980》
!"# 0.1 0.2 0.4 0 . 075 0 . 15 0 . 3 0 . 125 0 . 25 0 . 5
图 1 !/"*0 与 N1 的关系 Fig . 1 Reiation between!/"*0 and N1
1004-9665 / 2000 / 08（03）-0379-05 Journal of Engineering Geology 工程地质学报
饱和砂土液化判别方法中问题浅析!
刘金韬! 金晓媚"
（!中国矿业大学北京校区 北京 100083）；（"中国地质大学环境科学系 北京 100083）
摘 要 国内外各种勘察规范中所列判别砂土液化的方法很多，但其效果如何，很难得到验证，笔者利用唐山地震砂土液化 资料对几种目前较为常用、有代表性的方法进行了回判分析，指出了这些方法中存在的问题，并阐述了影响液化的主要因素。 关键词 标准贯入临界击数 剪应力比 比贯入阻力 周期抗剪切系数 中图分类号：P315 . 9 文献标识码：A
下面对上述方法进行分析，首先根据其条件，这 种方法只适用于埋深在 20 m 以上的砂土层，20 m 以下的砂土层不适用。显然，当 iS > 20 m 时，无从 取值，如果延用#i = 1 . 2 - 0 . 03 iS ，则当 iS = 40 m 时，#i = 0，则按 Seed 判别法，无论标准贯入阻 抗 N 1 为何值，只要 N 1 ! 0，砂土层都会发生液化， 显然，这一 结 论 是 错 误 的。 另 外，从（ 3 ）式 看，如 果 "*0 /"*1 = 6 . 3 时，CN " 0，则 N 1 = 0，由"*0 可知， 此时砂土层相应埋深大约在 7 m 左右，按照 Seed 判 别法，不论发生多么微弱的地震（即 amax 不论多么 小），只要!/"*0 ! 0，则砂土层都要液化，这显然也 是错误的。事实上，（3）式将 Seed 判别法限制在埋 深 7 m 以内的砂土层，当埋深超过 7 m 时，其 CN 值 为负，无法判别。
N, l0 . 5
3
2
6
l3
2
l3 . 5
6
2
8 . 25
由表 2 中可见，当地下水位不变时，标准贯入临
界击数值随砂土所处深度的增加而增大，即饱和砂 土上部覆盖层厚度越大，饱和砂土的液化可能性亦 越大。这显然与实际不符，砂土层上部覆盖层较大 时，对液化会产生抑制作用。根据唐山地震砂土液 化资 料，埋 深 35 m 以 下 的 砂 土 层 几 乎 不 产 生 液 化［l］。另外还可以看到，当 dS = l0 m，d w = 0，地震 烈度为!度区时，N 值为 6，利用（l）式可得 N' = ll . 8 击，也 就 是 说，若 该 层 标 贯 实 测 值 大 于 ll . 8 击，砂土层不会液化，从唐山沿海地区多处勘察资料 可知，埋深 8l0 m 的砂土层，平均标贯击数在 2934 击，按照判别法，它不应该液化，但唐山地震时，沿海 地区该层砂土是液化的［2］。再比如，当 dS = 0 时， 即砂土层位于地表，假设 d w = 0，仍以!度区为例， 若按（l）式判别，只要实测标贯击数 N 值小于 3 . 8l 击，砂土层就会液化，这显然是不符合实际情况的， 因为地表砂土层可以近乎自由排水，所以不会发生 液化。由此可见， （l）式的局限性很大，在许多情况 下，它是不适用的。
表 3 《抗震规范》（ Tjll-78）判别成功率 TabIe 3 Ratio of successfuI criminaition using ERS Code（t Tjll-8）
烈度
检验数 / 个 液化
成功率（/ % ）
! l7 58 . 8
" l9 63 . 2
# l9 68 . 4
检验数 / 个 非液化
N' = N［l + 0 . l25（ dS - 3）- 0 . 0（5 d w - 2）］ （l）
式中：N 为当 dS = 3m，d w = 2m 时，砂土液化标准 贯入临界击数。由表 l 中查出；N' 为饱和砂土所处 深度 dS ! 3 m，d w ! 2 m 时的标准贯入临界击数； dS 为饱和砂土所处深度（m）；d w 为地下水位埋深 （m）
引起液化的地震剪应力比!/"*0 按下式确定
! "* 0
=
0 . 65
a
max
g
""*00#i
（4）
式中，amax 地面加速度峰值与重力加速度的比值， g
取值见表 4。"0 为 砂土层总的上覆压力；#i 为地震 剪应力随深度的衰减系数，一般可以简化为两条经
验线性方程
深度 iS < 10 m 时，#i = 1 . 0 - 0 . 01 iS 深度 iS = 1020 m 时，#i = 1 . 2 - 0 . 03 iS 其余符号同前。
表 2 不同埋藏深度条件下砂土层的值 TabIe 2 CriticaI number of standard penetration hammers
N' at sandy soiI in different depth
dS / m 0
dw / m 2
N' 3 . 75
dS / m 9
dW / m 2
2 . 2 美国 Seed 判别式
该方法也是我国现行规范中应用比较广泛的一 种判别砂土液化的标准，是由 Seed 等人 1975 年首 先提出，后经多次修正而成的，其所用的判别式是利 用室内 38 个试验资料进行统计分析建立起来的经 验公式，并根据现场砂土液化剪应力比!/"*0 和标 准贯入阻抗 N 1 的临界线来判别液化的可能性（图 1）。
381
由（2）式及（3）式算出的标准贯入阻抗 N 1 与计 算的地震剪应力比!/"*0 按图 1 进行比较。如果交 点落在图中临界线的左侧，则判为可液化；落在临界 线右侧时判为不液化。
表 4 不同烈度区 amax / g 取值 Tab. 4 amax / g vaiue for different
seismic intensity areas
LIU Jin-tao" JIN Xiao-mei"
（! Bei ing Campus，China uniuersity of Mining and Technology，Bei ing 100083） （" China uniuersity of Geosciences，Bei ing 100083）
液化
烈度 amax / g
检验数 / 个 成功率（/ % ）
!"# 0.1 0.2 0.4 41 91 112 36 . 6 69 . 2 75 . 0
非液化
检验数 / 个 成功率（/ % ）
76 61 79 86 . 6 52 . 5 78 . 5
382
Journal of Engineering Geology 工程地质学报 2000 （8 3）
成功率（/ % ）
l6 68 . 75
9 55 . 6
l2 66 . 7
从表 3 中可见，在唐山沿海地区!、"、#三个 烈度分区内应用标准贯入临界击数法判别砂土液化 的成功率，不论在液化还是非液化点均较低，这是由 于该方法对影响砂土液化的一些关键因素未予考虑 所造成的。
刘金韬等：饱和砂土液化判别方法中问题浅析
2 几种现行规范判别方法评述
! 收稿日期：1999-10-22；收到修改稿日期：1999-12-27 .
第一作者简介：刘金韬（1964-），男，博士，从事地质灾害及工程地质问题的研究 .
380
JouLeabharlann Baidunal of Engineering Geology 工程地质学报 2000 （8 3）
2 . l 标准贯入临界击数判别法
Abstract Discussing some representative methods for crimination of sandy soiI Iiguefaction，the paper points out the guestions existing in these methods，and then the main reIevant factors affecting sandy soiI Iiguefaction is anaIyzed . . Key words CriticaI standard penetration hammer，Ratio of shear stress，Ratio of penetration resistance，Periodic shear coefficient .
判别方法是用（l）式计算的 N' 值与实测标准 贯入击数 N 相比较，当 N < N' 时，判为可液化砂 土，反之则不液化。
下面对（l）式进行讨论，利用（l）式对处于不同 深度的饱和砂土进行验算，以设计地震烈度 ! 度为 例，设 d w = 2m，分别以不同的 dS 代入（l）式，计算 结果见表 2［l］。
虽然在工程勘察中按照有关规范所要求的方法
对砂土层进行了液化判别，但其效果如何却很少被 注意，原因是这项工作不容易被验证，只有当一个地 区发生震级足够大的地震之后，这一地区以前有关 砂土液化判别的资料才有可能被验证。从目前已有 的资料来看，地震后的液化实际情况与以往的判别 还是有出 入 的，尤 其 对 强 震，各 种 判 别 方 法 几 乎 都 “失灵”。本文想就现行国内外规范中所列的几种有 代表性的判别方法进行讨论，发表一些自己的看法。
标准贯入阻抗 N1 是将不同深度实测的标准贯 入击数 N 63.5 按下式修正为有效覆盖压力近似等于 0 . 1 Mpa 时的击数。
N 1 = CN · N 63 .5
（2）
CN
=
1
-
1
.
25ig
"* "*
0 1
（3）
式中，"*0 砂土层 有 效 覆 盖 压 力；"*1 近 似 等 于 0 . 1 M pa
这一方法是以实际资料为基础，用统计学的方 法建立起来的经验公式判别法，其存在着下述问题。
第一，不能反映地震强度对液化的确切影响，仅 以烈度概括是不够的，应定量化。
第二，不能反映地震持续时间对砂土层液化的 影响。
第三，不能反映上覆土层特性对砂土层产生液 化与否的作用。
基于上述问题，在实际判别中就难免产生误判， 根据唐山地震砂土液化的实际资料结合砂土层的埋 藏条件，针对不同烈度分区，对此方法进行检验，结 果见表 3。
利用唐山沿海地区砂土液化的资料对 Seed 判 别法进行成功率检验结果（表 5）可以发现，它的判 别成功率也不是很高。其原因有二，一是此方法为 统计得出的经验判别式，必然存在一定或然率而产 生偏差；二是此方法所取样本仅为实验室内对 38 个 样本试验所得之结果，代表性不强。
表 5 Seed 判别法成功率 Tabie 5 Ratio of successfui discrimination using Seed's method
标准贯入临界击数法是我国研究工作者根据地 震调查资料建立的判别砂土液化的一种方法，被《工 业与民用建筑抗震设计规范》（ Tjll-78）所采纳，是 我国目前最常用的方法之一。标准贯入临界击数是 指在一定地震烈度条件下，饱和砂土从发生液化到 不发生液化的临界点所对应的标准贯入击数。在规 范中规定了饱和砂土所处深度为 3m、地下水位为 2 m 时，不同设计烈度情况下的标准贯入临界击数值 见表 l。
表 l 不同烈度条件下的标准贯入临界击数值 TabIe l CriticaI number of standard penetration
hammers N at different seismic intensities
设计地震烈度
!
"
#
标准贯入临界击数
6
l0
l5
当某一砂土层埋藏的地质条件与上述规定不同 时，标准贯入临界击数值需要用下式进行修正
1引言
地震砂土液化是饱和粉细砂及轻亚粘土所面临 的一个实际工程问题，一旦发生液化就会产生一系 列地面及地下的破坏效应而带来灾害，因此，在工程 勘察中一般对地震烈度#度以上及一定埋深以内的 饱和粉细砂土层都要进行液化判别。就判别方法而 言，目前不少于数十种，比较成熟已被列入国内外各 种规范的也有十几种。
设计烈度
抗震规范 TJ11-78
一般规定 计算采用
《中国地震烈度表 1980》
!"# 0.1 0.2 0.4 0 . 075 0 . 15 0 . 3 0 . 125 0 . 25 0 . 5
图 1 !/"*0 与 N1 的关系 Fig . 1 Reiation between!/"*0 and N1
1004-9665 / 2000 / 08（03）-0379-05 Journal of Engineering Geology 工程地质学报
饱和砂土液化判别方法中问题浅析!
刘金韬! 金晓媚"
（!中国矿业大学北京校区 北京 100083）；（"中国地质大学环境科学系 北京 100083）
摘 要 国内外各种勘察规范中所列判别砂土液化的方法很多，但其效果如何，很难得到验证，笔者利用唐山地震砂土液化 资料对几种目前较为常用、有代表性的方法进行了回判分析，指出了这些方法中存在的问题，并阐述了影响液化的主要因素。 关键词 标准贯入临界击数 剪应力比 比贯入阻力 周期抗剪切系数 中图分类号：P315 . 9 文献标识码：A
下面对上述方法进行分析，首先根据其条件，这 种方法只适用于埋深在 20 m 以上的砂土层，20 m 以下的砂土层不适用。显然，当 iS > 20 m 时，无从 取值，如果延用#i = 1 . 2 - 0 . 03 iS ，则当 iS = 40 m 时，#i = 0，则按 Seed 判别法，无论标准贯入阻 抗 N 1 为何值，只要 N 1 ! 0，砂土层都会发生液化， 显然，这一 结 论 是 错 误 的。 另 外，从（ 3 ）式 看，如 果 "*0 /"*1 = 6 . 3 时，CN " 0，则 N 1 = 0，由"*0 可知， 此时砂土层相应埋深大约在 7 m 左右，按照 Seed 判 别法，不论发生多么微弱的地震（即 amax 不论多么 小），只要!/"*0 ! 0，则砂土层都要液化，这显然也 是错误的。事实上，（3）式将 Seed 判别法限制在埋 深 7 m 以内的砂土层，当埋深超过 7 m 时，其 CN 值 为负，无法判别。
N, l0 . 5
3
2
6
l3
2
l3 . 5
6
2
8 . 25
由表 2 中可见，当地下水位不变时，标准贯入临
界击数值随砂土所处深度的增加而增大，即饱和砂 土上部覆盖层厚度越大，饱和砂土的液化可能性亦 越大。这显然与实际不符，砂土层上部覆盖层较大 时，对液化会产生抑制作用。根据唐山地震砂土液 化资 料，埋 深 35 m 以 下 的 砂 土 层 几 乎 不 产 生 液 化［l］。另外还可以看到，当 dS = l0 m，d w = 0，地震 烈度为!度区时，N 值为 6，利用（l）式可得 N' = ll . 8 击，也 就 是 说，若 该 层 标 贯 实 测 值 大 于 ll . 8 击，砂土层不会液化，从唐山沿海地区多处勘察资料 可知，埋深 8l0 m 的砂土层，平均标贯击数在 2934 击，按照判别法，它不应该液化，但唐山地震时，沿海 地区该层砂土是液化的［2］。再比如，当 dS = 0 时， 即砂土层位于地表，假设 d w = 0，仍以!度区为例， 若按（l）式判别，只要实测标贯击数 N 值小于 3 . 8l 击，砂土层就会液化，这显然是不符合实际情况的， 因为地表砂土层可以近乎自由排水，所以不会发生 液化。由此可见， （l）式的局限性很大，在许多情况 下，它是不适用的。
表 3 《抗震规范》（ Tjll-78）判别成功率 TabIe 3 Ratio of successfuI criminaition using ERS Code（t Tjll-8）
烈度
检验数 / 个 液化
成功率（/ % ）
! l7 58 . 8
" l9 63 . 2
# l9 68 . 4
检验数 / 个 非液化
N' = N［l + 0 . l25（ dS - 3）- 0 . 0（5 d w - 2）］ （l）
式中：N 为当 dS = 3m，d w = 2m 时，砂土液化标准 贯入临界击数。由表 l 中查出；N' 为饱和砂土所处 深度 dS ! 3 m，d w ! 2 m 时的标准贯入临界击数； dS 为饱和砂土所处深度（m）；d w 为地下水位埋深 （m）
引起液化的地震剪应力比!/"*0 按下式确定
! "* 0
=
0 . 65
a
max
g
""*00#i
（4）
式中，amax 地面加速度峰值与重力加速度的比值， g
取值见表 4。"0 为 砂土层总的上覆压力；#i 为地震 剪应力随深度的衰减系数，一般可以简化为两条经
验线性方程
深度 iS < 10 m 时，#i = 1 . 0 - 0 . 01 iS 深度 iS = 1020 m 时，#i = 1 . 2 - 0 . 03 iS 其余符号同前。
表 2 不同埋藏深度条件下砂土层的值 TabIe 2 CriticaI number of standard penetration hammers
N' at sandy soiI in different depth
dS / m 0
dw / m 2
N' 3 . 75
dS / m 9
dW / m 2
2 . 2 美国 Seed 判别式
该方法也是我国现行规范中应用比较广泛的一 种判别砂土液化的标准，是由 Seed 等人 1975 年首 先提出，后经多次修正而成的，其所用的判别式是利 用室内 38 个试验资料进行统计分析建立起来的经 验公式，并根据现场砂土液化剪应力比!/"*0 和标 准贯入阻抗 N 1 的临界线来判别液化的可能性（图 1）。
381
由（2）式及（3）式算出的标准贯入阻抗 N 1 与计 算的地震剪应力比!/"*0 按图 1 进行比较。如果交 点落在图中临界线的左侧，则判为可液化；落在临界 线右侧时判为不液化。
表 4 不同烈度区 amax / g 取值 Tab. 4 amax / g vaiue for different
seismic intensity areas