劉振紅，張 一，陳艷國

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003)

地震液化判別問題探討

劉振紅，張 一，陳艷國

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003)

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)采用非線性公式計(jì)算臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，對采用地震分組調(diào)整系數(shù)區(qū)分遠(yuǎn)震、近震的影響，液化深度可計(jì)算至20 m，能全面反映地震液化的實(shí)際情況。《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)采用線性公式計(jì)算臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，雖然與建筑規(guī)范差別不大，液化深度若推延至20 m，將出現(xiàn)較大誤差。因此，在計(jì)算時可根據(jù)工程的實(shí)際運(yùn)用工況，按水利規(guī)范對實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)進(jìn)行修正，采用建筑規(guī)范計(jì)算環(huán)境條件改變后的液化指數(shù)，以全面評價環(huán)境條件改變對場地液化等級的影響。

地下水位抬升;液化指數(shù);液化等級

現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2010、《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB 50487—2008、《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等對場地地震液化判別標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)計(jì)算公式不同，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值不同，對近震、遠(yuǎn)震的處理方法不同，液化判別深度也不同。在水利工程實(shí)踐中到底哪個規(guī)范更合理一些，是勘察設(shè)計(jì)人員十分關(guān)心的問題。

工程場地地震液化受多種環(huán)境條件影響，目前常用的液化判別方法多采用工程勘察時場地環(huán)境條件下的標(biāo)貫擊數(shù)來判別場地液化情況或計(jì)算液化指數(shù)，但工程實(shí)際運(yùn)用時，場地環(huán)境條件(如地下水狀況、土層埋藏分布深度等)可能發(fā)生較大變化，而環(huán)境條件改變對場地的地震液化程度將產(chǎn)生一定的影響。陳偉堅(jiān)、林惠長［1］注意到地下水抬升對場地液化影響這一問題，并根據(jù)地下水位變化對液化影響進(jìn)行了初步分析，但沒有考慮地下水位變化對主要評價指標(biāo)——標(biāo)貫擊數(shù)的影響，目前尚未見到有關(guān)“土層埋藏條件變化后液化指數(shù)計(jì)算方法”的研究文獻(xiàn)。因此，如何利用工程勘察時場地環(huán)境條件下的勘察成果，計(jì)算環(huán)境條件改變后的液化指數(shù)，評價環(huán)境條件改變對場地液化等級的影響，是工程勘察實(shí)踐中需要思考和解決的實(shí)際問題。

1 兩種規(guī)范臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)法差異分析

場地地震液化最常用的方法是臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)法，該方法是根據(jù)地震調(diào)查資料建立的經(jīng)驗(yàn)判別方法?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2010(以下簡稱建筑抗震規(guī)范)以H.B.Seed簡化判別為基礎(chǔ)，結(jié)合中國大量地震液化觀測數(shù)據(jù)，建立了以深度的對數(shù)曲線形式表達(dá)的臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)Ncr的計(jì)算公式:

式中:ds為標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(m);dw為地下水位深度(m);ρc為土粘粒含量(%)，ρc＜3%時，取ρc=3;N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值，按設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10 g、0.15 g、0.20 g、0.30 g、0.40 g分別取7、10、12、16、19;β為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第一組取0.80，第二組取0.95，第三組取1.05。

《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)(簡稱水利規(guī)范)［2］，采用深度線性公式計(jì)算臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)Ncr:

式中:N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)基準(zhǔn)值，按設(shè)計(jì)基本地震加速度及近震、遠(yuǎn)震分別取值，近震時設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10 g、0.15 g、0.20 g、0.30 g、0.40 g分別取6、8、10、13、16，遠(yuǎn)震時分別取8、10、12、15、18。

為了便于對比兩種規(guī)范臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)Ncr差異，以地下水位dw=2 m、粘粒含量ρc=3%為例分別計(jì)算0.10 g、0.20 g基本地震加速度下不同深度下的臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)Ncr，并繪制臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)Nc隨深度變化曲線(圖1)。從圖1中可以看出，兩種規(guī)范計(jì)算臨界值有一定的差別，尤其是深度10 m以后差別明顯，水利規(guī)范計(jì)算臨界值大于建筑抗震規(guī)范計(jì)算臨界值。

圖1 臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)Nc隨深度變化曲線(左圖為建筑抗震規(guī)范，有圖為水利規(guī)范)Fig.1 Change curve of critical standard of penetration number Ncwith depth

建筑抗震規(guī)范以H.B.Seed簡化判別為基礎(chǔ)，結(jié)合中國大量地震液化觀測數(shù)據(jù)，建立了以深度的對數(shù)曲線形式表達(dá)的臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)Ncr的計(jì)算公式;水利規(guī)范表達(dá)為線型深度計(jì)算公式，計(jì)算偏于保守，沒有采用地震分組的抗震設(shè)計(jì)概念，因此應(yīng)按建筑抗震規(guī)范進(jìn)行修訂。

2 環(huán)境條件改變后場地地震液化指數(shù)計(jì)算方法

建筑抗震規(guī)范可能考慮到對于一般建筑工程，工程運(yùn)用和工程勘察時相比環(huán)境條件變化不大，因此該規(guī)范在計(jì)算液化指數(shù)時，沒有考慮工程運(yùn)用環(huán)境條件改變時如何對勘察成果進(jìn)行修正，因此只能計(jì)算工程勘察條件下的液化指數(shù)，不能計(jì)算場地環(huán)境條件發(fā)生改變后的液化指數(shù)。

而水利工程運(yùn)用時場地環(huán)境條件(特別是地下水條件)往往發(fā)生較大改變，水利規(guī)范中考慮到這一現(xiàn)實(shí)問題，提出可根據(jù)工程運(yùn)用時地下水位、測試點(diǎn)深度的變化對工程勘察時獲得的標(biāo)貫擊數(shù)實(shí)測值進(jìn)行修正，然后根據(jù)修正后的標(biāo)貫擊數(shù)判別工程運(yùn)用時不同深度處的液化可能性，但水利規(guī)范沒有提出液化指數(shù)的概念，因此不能對整個場地的總體液化程度作出評價。

考慮到兩種規(guī)范各自的局限性和優(yōu)點(diǎn)，筆者建議把二者結(jié)合起來，提出環(huán)境條件改變后(如地下水位抬升、場地回填加高等)場地的標(biāo)貫擊數(shù)可采用水利規(guī)范進(jìn)行修正，然后采用建筑規(guī)范計(jì)算環(huán)境條件改變后的液化指數(shù)，以全面評價環(huán)境條件對場地液化等級的影響。

(1)環(huán)境條件改變時標(biāo)貫擊數(shù)的修正方法。由于水利規(guī)范、建筑抗震規(guī)范對液化問題側(cè)重點(diǎn)不同，建筑抗震規(guī)范沒有考慮環(huán)境條件改變后實(shí)測擊數(shù)的修正問題，而水利規(guī)范充分考慮了工程運(yùn)用時，工程勘察時的地下水位(dw')及標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(ds')可能發(fā)生較大變化，因而明確提出了需對實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)(N'63.5)根據(jù)工程運(yùn)用時的實(shí)際地下水位(dw)和實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度(ds)的變化進(jìn)行修正，修正公式為式(3)。

(2)建筑規(guī)范中，場地液化程度用液化指數(shù)進(jìn)行評價，液化指數(shù)計(jì)算公式為式(4)［3］。

式中:Ile為液化指數(shù);Ni為第i點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)實(shí)測值，當(dāng)實(shí)測值大于臨界值時取臨界值;Ncri為第i點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)臨界值;di為第i點(diǎn)所代表的土層厚度(m); Wi為第i土層單位厚度的層位影響權(quán)函數(shù)值(m-1)。

3 環(huán)境條件改變對場地液化等級的影響分析

以黃河海勃灣水庫環(huán)境地質(zhì)影響研究為例，說明工程運(yùn)用時環(huán)境條件改變對場地液化等級的影響。該項(xiàng)目研究任務(wù)為評價水庫蓄水對烏海濱庫規(guī)劃區(qū)的影響及可利用性。該處濱庫地帶場地上部為全新統(tǒng)砂壤土、砂層，存在地震液化的可能性，要根據(jù)環(huán)境條件的變化評價不同工況條件下場地的液化程度。第一種工況為工程勘察環(huán)境條件，簡稱現(xiàn)狀工況;第二種工況為場地蓄水環(huán)境條件，簡稱水工況;第三種工況為場地“回填+蓄水”環(huán)境條件(水庫正常蓄水位運(yùn)行，場地回填厚度約10 m)，簡稱“回填+蓄水”工況。

在評價現(xiàn)狀工況時，對標(biāo)貫擊數(shù)實(shí)測值不修正;在評價蓄水工況時，對標(biāo)貫擊數(shù)實(shí)測值僅根據(jù)蓄水后地下水位埋深對標(biāo)貫試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)測擊數(shù)進(jìn)行修正;在評價“蓄水+回填”工況時，對標(biāo)貫擊數(shù)實(shí)測值根據(jù)“地下水位埋深標(biāo)貫和試驗(yàn)點(diǎn)深度”同時進(jìn)行修正。各工況條件濱庫規(guī)劃區(qū)場地地震液化指數(shù)計(jì)算成果見表1。

現(xiàn)狀條件下，地基土層在20 m深度范圍內(nèi)多為可液化土層，液化指數(shù)為0.84～22.72，液化等級以輕微為主，局部為中等—嚴(yán)重?！靶钏惫r條件下，地下水位顯著抬升，場地上部土層均為液化土層，場地液化指數(shù)為13.86～39.97，液化等級多為嚴(yán)重。“蓄水+回填”工況條件下，水庫蓄水后，場地回填到設(shè)計(jì)高程，場地液化指數(shù)為0～14.22，回填后中等液化場地變?yōu)椴灰夯瘓龅?，?yán)重液化場地多變?yōu)橹械然蜉p微液化場地。

表1 濱庫規(guī)劃區(qū)場地地震液化指數(shù)計(jì)算成果表Table 1 Calculation results of earthquake liquefaction index of planing area site

上述計(jì)算成果表明，水庫蓄水會引起地下水位抬升加劇場地的液化程度，加劇程度和抬升幅度有關(guān);回填加高增加上覆土層厚度可有效降低場地的液化等級，降低程度和回填厚度有關(guān)。在液化處理及抗震設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮工程運(yùn)用時環(huán)境條件的變化對場地地震液化的影響，并根據(jù)建筑物抗震設(shè)防類別采取相應(yīng)的處理措施。

4 結(jié)論

(1)在計(jì)算臨界標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)方面，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)采用的非線性公式更能反映實(shí)際情況，對遠(yuǎn)震、近震的影響采用地震分組調(diào)整系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，與目前的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范保持一致。

(2)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)采用線性計(jì)算公式，在15 m深度內(nèi)與建筑規(guī)范差別不大，若計(jì)算15～20 m深度液化，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況可采用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)有關(guān)計(jì)算公式。

(3)在評價場地地震液化時，要充分考慮工程運(yùn)用時環(huán)境條件的變化對場地地震液化的影響。對于地下水位、場地回填等環(huán)境因素的變化，可采用水利規(guī)范對場地標(biāo)貫擊數(shù)進(jìn)行修正，然后采用建筑規(guī)范計(jì)算環(huán)境條件改變后的液化指數(shù)，以全面評價環(huán)境條件改變對液化等級的影響。

(4)工程勘察實(shí)踐表明，地下水位抬升將加劇場地液化程度，加劇程度和抬升幅度有關(guān);場地回填加高可有效降低場地液化等級，降低程度和回填厚度有關(guān)。

［1］ 陳偉堅(jiān)，林惠長.海平面上升對珠江三角洲地區(qū)土層液化的影響研究［J］.廣東土木與建筑，2008，(8):56-57.

［2］ GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］ GB 50487—2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

(責(zé)任編輯:陳文寶)

Discussion on Problems of Seismic Liquefaction Estimation

LIU Zhenhong，ZHANG Yi，CHEN Yantong
(Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd，Zhengzhou，Henan 450003)

In code for Seismic Design of Buildings(GB 50011-2010)，nonlinear formula is used for calculating the value of critical of standard penetration hammering number with different effect coefficient for distant earthquake and local earthquake，and the calculated liquefaction depth can reach to 20m，which can reflect the real condition of earthquake liquefaction.In Code for Engineering Geological Investigation of Water resources and Hydropower(GB50487-2008)，the value of critical of standard penetration hammering number is calculated by using linear formula，there are no great differences between the results of the two calculating methods，however，if the liquefaction depth postpone 20m，it will be a larger error.Therefore，according to the actual use conditions of the project，correct the actual measured Standard Penetration Number.In accordance with Engineering Geological Investigation of Water resources and Hydropower，at the same time，calculate the liquefaction index after the changed environmental conditions，in order to fully evaluate the impact on site liquefaction grade because of the changed environmental conditions.

groundwater level elevating;liquefaction index;liquefaction grade

P315

:A

:1671-1211(2015)05-0706-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201505042

2015-06-20;改回日期:2015-08-29

劉振紅 (1971-)，男，高級工程師，地質(zhì)專業(yè)，從事工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘察工作。E-mail:liuzhh@yrec.cn

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150821.1443.010.html數(shù)字出版日期:2015-08-21 14:43