液化判别

max max (10.015)v v a L z g σσ'=- 1500.008820.05(0.6 1.5)0.7

v N R mm D mm σ'=--<≤+150500.350.008820.225lg (0.04 1.5)0.7v N R mm D mm D σ'=-+<≤+7.0082.01+='v N R σ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:

式中:z 为土深度;γ为土重度(水下时为浮重度);a max 为地面峰值加速度。根据地震反应分析求得各类土r d 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:

式中:R l 为液化强度比,即液化强度τd 与竖向有效应力σV ′(kg/cm 2)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。

式中:D 50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r d =1-0.015z 求r d 。定义

1v τσ'=L max (L max 为地震剪应力比)得:

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F L =1max

R L 为抗液化安全系数,F L ≥1时,土不发生液化;F L <1时则发生液化。

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:

d r g za ∙∙=max 65.01γτ

0.66 1.828(0.66)()0.399(0.66)1v v N N σσ'--='-+0

0.65e v S τασ=max 1

0.65v d v a CSR r MSF g σσ-'=

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。

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P I >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N 1(60)>20;3)纯净砂土的N 1(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): 式中:α为A 类场地设计地面加速度a g 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U C =D 60/C 10=3.5为判断标准,其中U C 为均匀系数,D 60为累计重量占60%的粒径,C 10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,B f 和B c 范围之外,判为不液化。

对于粒径级配处于范围A 和B c 内的土层,用下式计算等效N 值(有效覆盖压力为0.66 kgf/cm 2时的N 值):

式中:σv ′为土层的有效覆盖压力(kgf/cm 2)。

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:

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