呂俊超

(江西理工大學(xué) 土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 前 言

土層液化的預(yù)測(cè)和判別是土動(dòng)力學(xué)理論研究和工程應(yīng)用中非常重要的課題，而地震場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)勘察測(cè)試是發(fā)展液化判別方法最重要的手段[1]。伴隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，剪切波速測(cè)試作為一種簡(jiǎn)單、便捷的原位測(cè)試技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，地震安全性評(píng)價(jià)、小區(qū)劃等工作中采用波速判別飽和砂層地震液化的需求也日益強(qiáng)烈。但就我國(guó)以剪切波速為指標(biāo)的砂土液化判別方法而言，形成現(xiàn)有方法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)尚少，方法是否適用全國(guó)各地也有待檢驗(yàn)[2-6]。

本文以2003年新疆巴楚地震、1986年我國(guó)臺(tái)灣花蓮、1999年集集地震、1976年河北唐山地震場(chǎng)地勘查剪切波速數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究國(guó)內(nèi)外剪切波速液化判別方法的區(qū)域適用性。

1 基于剪切波速的液化判別法

1.1 巖規(guī)法

石兆吉(1993)在《天津市建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TBJ 1—86)的基礎(chǔ)上對(duì)剪切波速液化判別公式進(jìn)行了改進(jìn)，加入了地下水位埋深的影響?！稁r土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)[7]在原有的石兆吉[8]公式上增加了黏粒含量影響系數(shù)，得到判別公式如下：

(1)

式中，Vscri為液化臨界剪切波速，m/s；ds為埋深，m；Vs0為ds=1 m處的液化臨界剪切波速，m/s，與烈度和土類有關(guān)；dw為地下水位埋深，m；ρc為黏粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r應(yīng)取3，由于原始數(shù)據(jù)中并不包含黏粒含量，因而在使用巖規(guī)法計(jì)算時(shí)，ρc統(tǒng)一取3。當(dāng)烈度是Ⅶ，Ⅷ和Ⅸ度時(shí)砂土的剪切波速基準(zhǔn)值VS0分別取65 m/s，90 m/s，130 m/s。

若Vs1>Vscri則判定為不液化，反之為液化。

1.2 Andrus法

Andrus和Stokoe等[9]收集了世界各地的26次地震的液化資料和225例剪切波速數(shù)據(jù)，在Seed簡(jiǎn)化法的基礎(chǔ)上結(jié)合世界范圍內(nèi)眾多專家的研究成果，建議以剪切波速為指標(biāo)的液化判別式，地震剪應(yīng)力比CSR為：

(2)

(3)

抗液化應(yīng)力比CRR為：

(4)

(5)

根據(jù)式(5)，若CRR與CSR的比值小于1，則該場(chǎng)地判別為液化，否則判定為不液化。此判別式在北美地區(qū)以及其他一些國(guó)家的工程中應(yīng)用廣泛。

1.3 雙曲線法

為了使剪切波速場(chǎng)地液化判別法滿足深淺兼顧的客觀要求，孫銳等[10]提出了雙曲線判別公式：

(6)

式中，Vs0取值見(jiàn)表1。若實(shí)測(cè)剪切波速Vs小于Vscr，則該土層判別為液化，否則為不液化。

表1 不同加速度下Vs0取值

1.4 水利勘察法

《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB50487—2008)附錄P第P.0.3 款規(guī)定[11]：當(dāng)土層的剪切波速大于式(6)計(jì)算的上限剪切波速時(shí)，可判為不液化：

(7)

式中，Vscri為土層剪切波速臨界值，m/s；KH為地震動(dòng)峰值加速度系數(shù)，KH=amax/g；ds為土層埋深，m；γd為深度修正系數(shù)。

深度修正系數(shù)γD取值為：

(8)

2 液化判別法的區(qū)域適應(yīng)性分析

采用上述四種剪切波速液化判別方法，對(duì)新疆巴楚地震、我國(guó)臺(tái)灣花蓮地震與集集地震、河北唐山地震場(chǎng)地進(jìn)行液化判別[12-15]。

從以上的3個(gè)地區(qū)場(chǎng)地判別結(jié)果看出，國(guó)內(nèi)外4種剪切波速液化判別式在巴楚、我國(guó)臺(tái)灣、唐山3個(gè)地區(qū)的適用性有待深入考量的，筆者分別對(duì)巴楚(44組)、我國(guó)臺(tái)灣(42組)、唐山(18組)調(diào)查點(diǎn)判別結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 巴楚判別成功率分析

巴楚地區(qū)的地震液化判別成功率如表2所示。

表2 巴楚地震液化判別成功率 %

從表2的判別結(jié)果可以看出，循環(huán)剪應(yīng)力比法判別巴楚地區(qū)液化場(chǎng)地成功率較高，非液化場(chǎng)地偏保守；巖土工程勘察規(guī)范方法對(duì)于液化、非液化場(chǎng)地判別成功率均低于50%，判別結(jié)果不可靠；水利水電地質(zhì)勘查規(guī)范方法對(duì)巴楚液化場(chǎng)地判別結(jié)果突出，其液化區(qū)判別成功率達(dá)到了95%，但非液化場(chǎng)地卻為0，過(guò)于保守；雙曲線法判別結(jié)果與前三種方法判別結(jié)果存在較大差異，對(duì)液化場(chǎng)地判別成功率僅為5%，而非液化場(chǎng)地則為100%，與另外三種方法不同的是，該方法對(duì)巴楚液化場(chǎng)地的判別過(guò)于危險(xiǎn)。四種判別法中，有兩種方法對(duì)巴楚地區(qū)液化場(chǎng)地做出了較為準(zhǔn)確的判斷，而水利地質(zhì)勘查規(guī)范法則較為突出，但對(duì)非液化場(chǎng)地的預(yù)測(cè)結(jié)果都產(chǎn)生了嚴(yán)重的偏差，雙曲線法反之，總體判別成功率均不超過(guò)60%。初步分析表明，在四種液化判別法中，循環(huán)剪應(yīng)力比法總體上較適宜巴楚地區(qū)的液化判別，巖土工程勘察規(guī)范法不適宜，而水利地質(zhì)勘察規(guī)范法在該地區(qū)的液化場(chǎng)地判別上有優(yōu)勢(shì)，雙曲線法則反之，在非液化場(chǎng)地判別上有優(yōu)勢(shì)。

2.2 我國(guó)臺(tái)灣判別成功率分析

我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的地震液化判別成功率如表3所示。

表3 我國(guó)臺(tái)灣地震液化判別成功率 %

從表3的判別結(jié)果可以看出，循環(huán)剪應(yīng)力比法在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)液化場(chǎng)地成功率更高，高于巴楚地區(qū)，非液化場(chǎng)地判別成功率不超過(guò)50%，同樣偏保守；巖土工程勘察規(guī)范法與水利地質(zhì)勘查規(guī)范法在該地的液化場(chǎng)地判別成功率突出，達(dá)到了100%；雙曲線法在我國(guó)臺(tái)灣液化場(chǎng)地判別成功率為67%，明顯高于巴楚地區(qū)，但在非液化場(chǎng)地判別則偏保守。四種判別法對(duì)我國(guó)臺(tái)灣液化場(chǎng)地均能做出較正確的判斷，而巖土工程勘查規(guī)范法與水利地質(zhì)勘查規(guī)范法則更為突出，但對(duì)非液化場(chǎng)地的預(yù)測(cè)結(jié)果與巴楚地區(qū)同樣過(guò)于保守，總體判別成功率也同樣不超過(guò)60%。初步分析表明，四種方法中，循環(huán)剪應(yīng)力比法在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)總體上更具適用性，巖土工程勘察規(guī)范法在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，相較于巴楚，更適用液化場(chǎng)地，而水利地質(zhì)勘察規(guī)范法在該地區(qū)的液化場(chǎng)地判別上與巴楚地區(qū)同樣具有優(yōu)勢(shì)，雙曲線法在我國(guó)臺(tái)灣液化場(chǎng)地的判別成功率上明顯高于巴楚地區(qū)，但在非液化場(chǎng)地的判別上不具優(yōu)勢(shì)。

2.3 唐山判別成功率分析

唐山地區(qū)的地震液化判別成功率如表4所示。

表4 唐山地震液化判別成功率 %

從表4的判別結(jié)果結(jié)果可以看出，循環(huán)剪應(yīng)力比法在唐山地區(qū)液化場(chǎng)地成功率達(dá)到了90%，高于巴楚、我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，非液化場(chǎng)地判別成功率則為0%，過(guò)于保守；巖土工程勘察規(guī)范法在唐山液化地區(qū)的判別成功率同樣高到90%，非液化場(chǎng)地判別成功率為50%；水利地質(zhì)勘查規(guī)范法在唐山對(duì)液化場(chǎng)地的判別成功率與我國(guó)臺(tái)灣一樣，同樣達(dá)到了100%，但在非液化場(chǎng)地的判別成功率為0%，判別結(jié)果不可靠；雙曲線法在液化場(chǎng)地、非液化場(chǎng)地的判別率均高于60%，總體判別結(jié)果較為可靠。如表4所示，四種剪切波速液化判別法對(duì)唐山地區(qū)液化場(chǎng)地的判別結(jié)果均較為可靠，水利水電地質(zhì)勘查規(guī)范法較為顯著，但對(duì)于非液化場(chǎng)地的判別，其與循環(huán)剪應(yīng)力比法則均不可靠，總體判別成功率二者也均不超過(guò)60%，但巖土工程勘查規(guī)范法與雙曲線法在該地區(qū)的總液化判別成功率超過(guò)60%，較為可靠。分析現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，循環(huán)剪應(yīng)力比法與水利地質(zhì)勘查規(guī)范法在唐山的液化場(chǎng)地上更具適用性，但在非液化場(chǎng)地，相較于巴楚、我國(guó)臺(tái)灣的判別結(jié)果，這兩種方法在唐山地區(qū)明顯不具有適用性，而巖土工程勘察規(guī)范法在唐山地區(qū)總體上更具適用性，其次是雙曲線法，相較于巴楚與我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，這兩種液化判別法的適用性較為顯著。

由表2～4的液化場(chǎng)地與非液化場(chǎng)地對(duì)不同判別法在各地區(qū)的平均判別成功率進(jìn)行分析，得到不同地區(qū)的平均判別成功率如表5所示。

表5 不同地區(qū)的平均判別成功率 %

從表5可以看出，不同判別法對(duì)不同地區(qū)的判別結(jié)果為：巴楚地區(qū)不同判別法的平均判別成功率分別為55%、44%、53%和48%，判別結(jié)果較均衡；我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)不同判別法的平均判別成功率分別為65%、67%、50%和62%，判別結(jié)果較好；唐山地區(qū)不同判別法的平均判別成功率分別為70%、45%、68%和50%，判別結(jié)果偏保守。唐山地區(qū)偏保守的原因在于所搜集數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，僅搜集了18個(gè)數(shù)據(jù)。

將四種判別法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖1～3所示。從圖1可以看出，巖規(guī)法與Andrus法在巴楚地區(qū)均表現(xiàn)較為均衡，而雙曲線法與水利勘察法則均表現(xiàn)嚴(yán)重保守；從圖2可以看出，Andrus法與雙曲線法在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)均表現(xiàn)較為均衡，而巖規(guī)法與水利勘察法則表現(xiàn)較為保守；從圖3可以看出，巖規(guī)法與雙曲線法在唐山地區(qū)表現(xiàn)較為均衡，而Andrus法與水利勘察法則表現(xiàn)嚴(yán)重保守。

圖2 我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)液化判別成功率對(duì)比

圖3 唐山地區(qū)液化判別成功率對(duì)比

綜上所述，循環(huán)剪應(yīng)力比法在巴楚、我國(guó)臺(tái)灣、唐山地區(qū)的總體判別率穩(wěn)定；巖土規(guī)范工程勘查規(guī)范法由于其本身是以河北、天津地區(qū)的地震為研究對(duì)象，所以其在唐山地區(qū)無(wú)論是液化場(chǎng)地、非液化場(chǎng)地還是總體判別成功率均較高，區(qū)域適用性顯著；雙曲線法同樣在唐山地區(qū)總體判別成功率較高，區(qū)域適用性較為顯著；水利地質(zhì)勘查規(guī)范法在三個(gè)地區(qū)的液化場(chǎng)地判別成功率普遍較高，均在90%以上，但在非液化場(chǎng)地判別率極低，兩種場(chǎng)地的判別率呈兩極分化。

3 結(jié) 論

以2003年新疆巴楚地震、1986年我國(guó)臺(tái)灣花蓮、1999年集集地震、1976年河北唐山地震場(chǎng)地勘查剪切波速數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外四種剪切波速液化判別法的區(qū)域適用性，分析結(jié)果如下。

1)在新疆巴楚地區(qū)，循環(huán)剪應(yīng)力比法總體上較適宜巴楚地區(qū)的液化判別，巖土工程勘察規(guī)范法不適宜，而水利地質(zhì)勘察規(guī)范法在該地區(qū)的液化場(chǎng)地判別上有優(yōu)勢(shì)，雙曲線法則反之，在非液化場(chǎng)地判別上有優(yōu)勢(shì)。

2)在我國(guó)臺(tái)灣花蓮、集集地區(qū)，循環(huán)剪應(yīng)力比法在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)總體上更具適用性，巖土工程勘察規(guī)范法在我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，相較于巴楚，更適用液化場(chǎng)地，而水利地質(zhì)勘察規(guī)范法在該地區(qū)的液化場(chǎng)地判別上與巴楚地區(qū)同樣具有優(yōu)勢(shì)，雙曲線法在我國(guó)臺(tái)灣液化場(chǎng)地的判別成功率上明顯高于巴楚地區(qū)，但在非液化場(chǎng)地的判別上不具優(yōu)勢(shì)。

3)在河北唐山地區(qū)，循環(huán)剪應(yīng)力比法與水利地質(zhì)勘查規(guī)范法在唐山的液化場(chǎng)地上更具適用性，但在非液化場(chǎng)地，相較于巴楚、我國(guó)臺(tái)灣的判別結(jié)果，這兩種方法在唐山明顯不具有適用性，而巖土工程勘察規(guī)范法在唐山地區(qū)總體上更具適用性，其次是雙曲線法，相較于巴楚與我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)，這兩種液化判別法的適用性較為顯著。

綜上，循環(huán)剪應(yīng)力比法在巴楚地區(qū)、我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、唐山地區(qū)的總體判別率穩(wěn)定；巖土規(guī)范工程勘查規(guī)范法由于其本身是以河北、天津地區(qū)的地震為研究對(duì)象，所以其在唐山地區(qū)無(wú)論是液化場(chǎng)地、非液化場(chǎng)地還是總體判別成功率均較高，區(qū)域適用性顯著；雙曲線法同樣在唐山地區(qū)總體判別成功率較高，區(qū)域適用性較為顯著；水利地質(zhì)勘查規(guī)范法在三個(gè)地區(qū)的液化場(chǎng)地判別成功率普遍較高，均在90%以上，但在非液化場(chǎng)地判別率極低，兩種場(chǎng)地的判別率呈兩極分化，所以還需要更多數(shù)據(jù)加以佐證。

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