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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);amax为地面峰值加速度。根据地震反应分析求得各类土rd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:Rl为液化强度比,即液化强度τd与竖向有效应力σV′(kg/cm2)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:D50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rd=1-0.015z求rd。定义=Lmax(Lmax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FL=为抗液化安全系数,FL≥1时,土不发生液化;FL<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:

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。
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

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PI>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N1(60)>20;3)纯净砂土的N1(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ag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UC=D60/C10=3.5为判断标准,其中UC为均匀系数,D60为累计重量占60%的粒径,C10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,Bf和Bc范围之外,判为不液化。
对于粒径级配处于范围A和Bc内的土层,用下式计算等效N值(有效覆盖压力为0.66 kgf/cm2时的N值):

式中:σv′为土层的有效覆盖压力(kgf/cm2)。
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:
1)JTJ 225—1998《水运工程抗震设计规范》规定设计烈度为6度时,可不进行液化判别,但对液化敏感的码头、船闸结构,可按7度考虑;当在地面以下20 m内存在饱和砂土和粉土层时,若满足下列条件:①地质年代为第四纪晚更新世(Q3)及以前时;②黏粒(粒径小于0.005的颗粒)含量的百分率在7度、8度和9度分别不小于10、13和16时;则判定为不液化。
2)GB 50011—2001《建筑抗震设计规范》中,对于饱和砂土或粉土,6度时一般情况下可不对其进行判别和处理,但对液化沉陷敏感的乙类建筑可按7度考虑;而7～9度时乙类建筑可按本地区抗震设防烈度的要求进行判别和处理。存在饱和砂土和饱和粉土(不含黄土)的地基,除6度设防外,均需进行液化判别;存在液化土层的地基,要根据建筑的抗震设防类别、地基的液化等级,结合具体情况采取相应的措施。
3)饱和砂土或粉土(不含黄土)如满足下列条件之一,可判定为不液化:
①地质年代为第四纪晚更新世(Q3)及其以前时,7,8度时可判为不液化;
②粉土的黏粒含量百分率在7度、8度和9度分别不小于10,13和16时;
③当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时,天然地基的建筑可不考虑液化影响:du>d0+db-2
dw>d0+db-3
du+dw>1.5 d0+2 db-4.5
式中;dw为地下水位深度(m);du为上覆盖非液化土层厚度(m);db为基础埋置深度(m),不超过2 m时取2 m;d0为液化土特征深度(m)
4)DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》中,土的地震液化可按下列条件初步判定为不液化:
①地层年代为第四纪晚更新期(Q3)或以前;
②粒径大于5 mm土颗粒的质量百分率大于或等于70%时;大于5 mm颗粒质量的百分率小于
70%时,若无其他整体判别方法时,可按粒径小于5 mm的这部分判定其液化性能;
③对粒径小于5 mm颗粒质量百分率大于30%的土,其中粒径小于0.005 mm的颗粒质量百
分率相应于地震设防烈度7度,8度和9度分别不小于16%,18%和20%;
④工程正常运行后,地下水位以上的非饱和土;
⑤当土层剪切波速大于下式计算的上限剪切波速时:
式中:vst为上限剪切波速度(m/s);KH为地面最大水平地震加速度系数,按地震设防烈度7度、8度和9度分别采用0.1,0.2和0.4;Z为土层深度(m);rd为深度折减系数,按下式采用,Z=1~10 m,rd=1.0-0.01Z;Z=10~20 m,rd=1.1-0.02Z;Z=20~30 m,rd=0.9-0.01Z。
3.2复判条件
1)JTJ 225—1998《水运工程抗震设计规范》对初步判断为可液化的土层,采用标准贯入试验判别法作进一步判别,当符合N63.5>Ncr时,判定为液化土。其中,N63.5为未经杆长修正的饱和土标准贯入锤击数实测值;Ncr为液化判别标准锤击数临界值,按下式计算:

式中:N0为液化判别标准锤击数基准值,7度时为6,8度时为10,9度时为16;ds为饱和土标准贯入点深度(m);dw为地下水位深度(m);Mc为黏粒含量百分点数,当小于3或为砂土时,取为3。
建筑物建成后和建造前的地面高程和地下水位有较大变化时,式中各项采用建成后的相应值,按下式修正标准贯入击数:

式中:N63.5′为建筑物建成后的饱和土标准贯入锤击数修正值;ds′为建筑物建成后的饱和土标准贯入点深度(m);dw′为建筑物建成后的地下水位深度(m)。
2) GB 50011—2001《建筑抗震设计规范》初步判别认为需进一步进行液化判别时,在地面以下20 m深度范围内的可液化土可按下列公式进行判别:

当ds≤15时,

当15≤ds≤20时,

当满足N63.5<Ncr时,判别为液化,否则为不液化。N0按表5采用,表5中括号内数值用于设计基本地震加速度为0.15 g和0.30 g的地区;ρc为黏粒含量百分率,小于3或为砂土时,取3。
3) DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》进行土的地震液化复判时可按标准贯入试验法、相对密度法和相对含水量或液性指数法进行。
①标准贯入锤击数法。
符合N63.5<Ncr判为液化土,其中Ncr=N0[1+0.125(ds-3)-00.05(dw-2)];标准贯入试验贯入点深度和地下水位在试验地面以下的深度不同于工程正常运行时,应按水运工程抗震规范对实测标准贯入锤击数进行校正。
②相对密度复判法。
当饱和无黏性土(包括砂和粒径大于2 mm的砂砾)的相对密度不大于表7中的液化临界相对密度时,可判为可能液化土。
③相对含水量或液性指数复判法。
当饱和少黏性土的相对含水量大于或等于0.9时,或液性指数大于或等于0.75时,可判为
可能液化土。相对含水量按下式计算:

式中:Wu为相对含水量(%);WS为少黏性土的饱和含水量(%);WL为少黏性土的液限含水量(%)。