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
（××××××）
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（D max）与震级（M）有如下关系：
D max =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：N cr—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）；
d w—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≥N cr时，不液化；2>当N63.5<N c r 时，液化。

表1 标准贯入试验锤击数基准值
设计地震分组7度8度9度第一组6（8）10（13）16
第二、三组8（10）12（15）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。

p
s
=K pεp q c=K cεc
f s=K fεf
FR=fs/qc*100% U=K uεu
以上各式中：Kp、Kc、Ku、K f—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
式中, a max为地面的最大水平地震加速度, ds 为某土层的深度, vS 为土层的剪切波速度, c d为深度折减系数, ( G/ G max ) 为剪
应变为时的动剪动模量比。

设土层的门槛剪应变为，当时, 土层不发生液化；时, 土层可能发生液化。

为了便于应用，在上式中, ，可得到液化时的临界剪切波速：
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= 2.
0%, 相应的( G/ G max ) =0. 028 08( 轻亚粘土) 和0. 012 5( 砂土) , 得到相应的液化
判别式为：
式中, 对应于Ⅶ, Ⅷ, Ⅸ度地震区a max/ g 分别取0. 1,，0. 2和0. 4。

三、理论计算判别
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）e r ＞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（（d i+1–d i-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。

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[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
（2011年11月1日）。