0 引言

飽和砂土液化是工程勘察中經(jīng)常遇到的不良地質(zhì)問題之一，國內(nèi)外均由相對成熟的判別方法，液化判別是工程勘察成果中的重要組成部分。通過多年的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及大量的研究工作，目前國內(nèi)外規(guī)范中的液化判別方法中大多是基于SPT和室內(nèi)試驗(yàn)，也有基于靜力觸探試驗(yàn)、剪切波速試驗(yàn)等原位測試試驗(yàn)；高校及研究者們通過建立各種模型進(jìn)行砂土液化預(yù)測，如基于隨機(jī)森林算法、PCA-DDA原理、模糊概率、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、Fisher判別模型等。本文以巴基斯坦某工程項(xiàng)目為例，項(xiàng)目涵蓋公路工程、水運(yùn)工程，基于國內(nèi)交通行業(yè)規(guī)范中的公路工程抗震設(shè)計規(guī)范、水運(yùn)工程抗震設(shè)計規(guī)范及國外NCEER判別方法對其地基進(jìn)行砂土液化判別，分析比較各個判別方法的區(qū)別。

1 判別方法概述

1.1 國內(nèi)交通規(guī)范

公路工程抗震規(guī)范分為初判和復(fù)判兩個步驟。初判通過對地震烈度、地層年代、黏粒含量、上覆非液化土層厚度、地下水位及基礎(chǔ)埋深等綜合判定是否需要進(jìn)一步復(fù)判。

復(fù)判采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測值（N）與錘擊數(shù)臨界值（Ncr）進(jìn)行對比，當(dāng)N＜Ncr時，則判為液化土。臨界錘擊數(shù)按著深度進(jìn)行計算：

地面以下15m范圍內(nèi)，

地面以下15至20m范圍內(nèi)，

式中：Ncr是液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0是液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值；ds是飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度（m）；ρc是黏粒含量百分率（%），當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3。

水運(yùn)工程抗震設(shè)計規(guī)范也分為初判和復(fù)判兩個步驟。初判通過對地震烈度、地層年代、黏粒含量等綜合判定是否需要進(jìn)一步復(fù)判，相對公路工程抗震設(shè)計規(guī)范少了上覆非液化土層厚度、地下水位及基礎(chǔ)埋深的初判。

復(fù)判采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)實(shí)測值（N63.5）與錘擊數(shù)臨界值（Ncr）進(jìn)行對比，當(dāng)N63.5＜Ncr時，則判為液化土。臨界錘擊數(shù)按著深度進(jìn)行計算：

地面以下20m范圍內(nèi)，

式中：Ncr是液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；N0是液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值；β是調(diào)整系數(shù)，按設(shè)計分組取值；ds是飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度（m）；dw是地下水位埋深，當(dāng)?shù)孛嫖挥谒聲r，取0。Mc是黏粒含量百分率（%），當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3。

1.2 NCEER法

NCEER法是在Seed簡化法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，1971年Seed首先提出了砂土液化判別的簡化方法，后來Seed、Idriss等相繼對其進(jìn)行了改進(jìn)，1996年美國國家地震工程研究中心（NCEER）組織專家對之前的液化判別成果以及資料進(jìn)行系統(tǒng)的分析總結(jié)，進(jìn)一步對Seed簡化法進(jìn)行了改進(jìn)和完善。

判別指標(biāo)及抗液化安全系數(shù)（FS），計算如下：

式中：CRR7.5：7.5級地震的地基土的循環(huán)阻力比（抗液化強(qiáng)度比）；CSR：等效循環(huán)應(yīng)力比（地震引起的水平剪應(yīng)力比）。

MSF為震級標(biāo)定系數(shù)，由下式給出：

式中：Mw：為震級。

等效循環(huán)應(yīng)力比（地震引起的水平剪應(yīng)力比）（CSR），計算如下：

式中：amax是地震產(chǎn)生的地面水平加速度峰值；g為重力加速度；σvo和σ′vo分別是總的和有效的垂直覆蓋層應(yīng)力；γd是通過公式估算的應(yīng)力折減系數(shù)：

7.5 級地震的地基土的循環(huán)阻力比（抗液化強(qiáng)度比），計算如下：

式中：（N1）60是為將上覆有效壓力為100kPa和錘擊能量轉(zhuǎn)換率為60%時的標(biāo)貫擊數(shù)修正值，為考慮細(xì)粒含量的影響，將其修正為等效純凈砂土的（N1）60cs。

式中：α和β根據(jù)以下關(guān)系確定的系數(shù)：α=0，β=1.0，當(dāng)FC≤5%時；α=exp[1.76-（190/FC2）]，β=[0.99+（FC1.5/1000）]，當(dāng)5%＜FC＜35%時；α=5.0，β=1.2，當(dāng)FC≥35%時。

式中：Nm是實(shí)測標(biāo)貫擊數(shù)；CN是上覆有效應(yīng)力系數(shù)；CE是錘的能量修正系數(shù)；CB是孔徑修正系數(shù)；CR是桿長修正系數(shù)；CS是是否裝標(biāo)貫襯管的修正系數(shù)。

2 海外工程實(shí)例

2.1 工程項(xiàng)目概況

巴基斯坦卡西姆PGLT液化天然氣接收站碼頭工程是由巴基斯坦石油部主導(dǎo)建設(shè)的重要能源項(xiàng)目，位于巴基斯坦卡拉奇市東南的卡西姆港。本項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模為一座LNG碼頭，?？恳凰?7萬方FSRU船，并靠一艘27萬方LNG船。項(xiàng)目建成后將為巴基斯坦天然氣管網(wǎng)每日提供7.5億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺的高壓天然氣。碼頭土建投資約5300萬美元。碼頭采用“蝶形”離岸布置，泊位長度402m，中間布置工作平臺1座（30m×30m），工作平臺兩側(cè)分別布置靠船墩2座（22.5m×12m），布置系纜墩三座（首尾墩尺度15m×12m，橫纜系纜墩尺度12m×9m），建筑平臺一座（20m×36m兼有系纜墩作用），各墩（或平臺）之間通過人行鋼便橋聯(lián)系；靠船墩中心距110m，可滿足FSRU（170，150m3）船停靠要求；系纜墩中心距碼頭前沿線35m；碼頭港池設(shè)計泥面高程為-13.5m；工作平臺頂標(biāo)高7.5m，系纜墩頂標(biāo)高7.5m；為保證碼頭正常生產(chǎn)運(yùn)營，在建筑平臺上設(shè)置消控樓一座內(nèi)含控制室、變電所、發(fā)電機(jī)房、消防泵房、設(shè)備間等，建筑平臺頂標(biāo)高為7.5m。為滿足FSRU碼頭通勤要求，在工作平臺后沿設(shè)置小船泊位一座，可供日常維護(hù)補(bǔ)給小船靠泊使用。本項(xiàng)目工作范圍包括碼頭工程，導(dǎo)助航設(shè)施工程，水工結(jié)構(gòu)工程，疏浚工程等。如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目地理位置圖

2.2 液化判別及對比分析

本項(xiàng)目區(qū)域?yàn)闉I岸相沉積地層，上部覆蓋層分布粉質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂、粗砂，下部基巖為礫巖、砂巖及泥巖。項(xiàng)目位于Karachi東南2B地震帶，地面類型a的參考最大地動加速度agr=0.18g，彈性反應(yīng)譜的形狀為1型。

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)存在公路橋梁、水運(yùn)碼頭，分別通過公路抗震設(shè)計規(guī)范、水運(yùn)抗震設(shè)計規(guī)范以及NCEER法對項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的20m以淺的飽和砂土層進(jìn)行液化判別，判別結(jié)果及對比見表1。

表1 砂土液化判別結(jié)果表

通過判別結(jié)果及對比表分析：

①公路規(guī)范與水運(yùn)規(guī)范液化判別結(jié)果基本一致，其中公路規(guī)范液化點(diǎn)占比48%，水運(yùn)規(guī)范液化點(diǎn)占比40%，液化抵抗指數(shù)（抗液化指數(shù)）即N/NCR公路規(guī)范均小于水運(yùn)規(guī)范；造成此差別的主要原因是因?yàn)閮蓚€規(guī)范對于標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值的選取不同，公路規(guī)范根據(jù)設(shè)計基本地震動峰值加速度以及區(qū)劃圖上的特征周期進(jìn)行取值，而水運(yùn)規(guī)范根據(jù)設(shè)計基本地震加速度進(jìn)行選取后根據(jù)設(shè)計地震分組進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及計算公式分析，設(shè)計地震第一組地區(qū)，公路規(guī)范相對保守；設(shè)計地震第三組地區(qū)，水運(yùn)規(guī)范相對保守；設(shè)計地震第二組地區(qū)，兩種規(guī)范相當(dāng)，但是地面下15m以淺公路規(guī)范相對保守；總體來說兩種規(guī)范判別方法以及判別結(jié)果基本一致。

②NCEER法判別結(jié)果中液化點(diǎn)占比16%，與公路及水運(yùn)規(guī)范的40%及48%相差較大，且液化抵抗指數(shù)（抗液化指數(shù)）即N/NCR大部分均大于國內(nèi)兩種規(guī)范的計算結(jié)果；造成此結(jié)果差異的原因主要是兩種判別方法的差異，國內(nèi)兩種規(guī)范先通過初判，再根據(jù)可能液化地層現(xiàn)場的未經(jīng)修正的標(biāo)貫錘擊數(shù)及其它因素如黏粒含量、地下水位、地震參數(shù)等進(jìn)行復(fù)判；而NCEER法未進(jìn)行初步判別，通過地基土的循環(huán)阻力比及等效循環(huán)應(yīng)力比進(jìn)行判別，考慮因素相對較多，包括了地震參數(shù)、上覆地層應(yīng)力、有效應(yīng)力，同時標(biāo)貫值需經(jīng)過兩次修正，先將實(shí)測值修正為上覆有效壓力為100kPa和錘擊能量轉(zhuǎn)換率為60%時的標(biāo)貫擊數(shù)修正值，再將此值修正為純凈砂的標(biāo)貫值，CN為標(biāo)準(zhǔn)貫入的超荷修正系數(shù)；CE為標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊能量比修正系數(shù)；CB為鉆孔直徑修正系數(shù)；CR為鉆桿長度修正系數(shù)；CS為取樣器類型修正系數(shù)；根據(jù)總體對比結(jié)果看，國內(nèi)公路及水運(yùn)規(guī)范相對NCEER法更為保守，NCEER法更為經(jīng)濟(jì)。

3 結(jié)論

①公路抗震設(shè)計規(guī)范與水運(yùn)抗震設(shè)計規(guī)范液化判別原理一致，判別結(jié)果在不同設(shè)計地震分組區(qū)稍有差別，但是總體判別結(jié)果基本一致。

②NCEER法與國內(nèi)兩種交通規(guī)范判別相比原理有差別；NCEER法未提供初判過程，通過地基土的循環(huán)阻力比及等效循環(huán)應(yīng)力比進(jìn)行判別，考慮因素相對較多，包括了地震參數(shù)、上覆地層應(yīng)力、有效應(yīng)力，同時標(biāo)貫值需經(jīng)過兩次修正；國內(nèi)兩種交通規(guī)范，提供初判過程，未經(jīng)修正的標(biāo)貫錘擊數(shù)以及錘擊數(shù)臨界值進(jìn)行判別，考慮黏粒含量、地下水位、地震參數(shù)等因素；通過對比分析國內(nèi)規(guī)范判別相對保守。

③各種方法判別結(jié)果均由一定的差異性，本文依托巴基斯坦項(xiàng)目揭示判別方法以及結(jié)果上的差異性，各種項(xiàng)目均有各自適用的判別方法，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目需要選取對應(yīng)的方法進(jìn)行判別。