美國NCEER簡化判別法在砂土液化判別中的應用

胡龍虎，王新強

（中國石油工程建設公司華東環(huán)境巖土工程分公司，山東青島266071）

美國NCEER簡化判別法在砂土液化判別中的應用

胡龍虎*，王新強

（中國石油工程建設公司華東環(huán)境巖土工程分公司，山東青島266071）

介紹了美國地震工程研究中心改進后的簡化判別法的判別步驟，對國內某工程場區(qū)的飽和砂土地基進行了液化判別，并將判別成果與國內規(guī)范規(guī)定的判別方法的成果進行對比，得出一致的結論。

液化判別；循環(huán)應力比；循環(huán)阻力比；標準貫入試驗

1　概述

土體液化是指飽和狀態(tài)的砂土或粉土在一定強度的動荷載作用下表現(xiàn)出類似液體性質而完全喪失承載力的現(xiàn)象。砂土液化判別是巖土工程實踐中需要解決的一個重要問題。

H.B.Seed和Idriss于1971年提出簡化判別法，用于評價自由場地的液化問題，該方法在全世界內得到廣泛應用。隨著研究的深入，Seed于1979年，Seed和Idriss于1982年，Seed et al.于1985年分別發(fā)表文章對簡化判別法進行修改。1985年，美國研究協(xié)會召開研討會對簡化判別法進行全方面的修訂與更新并發(fā)表成果報告，該成果作為砂土液化判別的標準被廣泛的應用。1996年，美國地震工程研究中心（NCEER）召開研究會，總結砂土液化最新研究成果并對簡化判別法作出了進一步的改進。通過介紹NCEER改進后的簡化判別法（以下稱為NCEER法），用該法對某工程場區(qū)地基飽和砂土進行液化判別，將判別成果與國內規(guī)范規(guī)定的判別方法的成果進行對比，得出了一致的結論。

2　NCEER法介紹

簡化判別法是基于循環(huán)應力比CRS和循環(huán)阻力比CRR的比值建立關系的。NCEER法的液化判別公式為：

式中：CRR7.5——震級為7.5時的循環(huán)阻力比；

CSR——循環(huán)應力比；

MSF——震級比例系數(shù)，NCEER建議按表1取值；

FS——安全系數(shù)，若大于1，則表示該計算點判別結果為不液化，若小于1，則表示液化。

判別步驟如表1所示。

表1　震級比例系數(shù)MSF取值范圍

2.1CSR的計算

按式（2）計算CSR：

式中：τav——地震產(chǎn)生的平均循環(huán)剪應力；

amax——由地震產(chǎn)生的地表水平峰值加速度；

g——重力加速度；

σvo——計算深度處的豎向總應力；

σ′vo——計算深度處的豎向有效應力；

rd——應力折減系數(shù)。

用式（3）估算。

2.2CSR7.5的計算

相比從室內土工試驗測試得到CRR7.5，NCEER認為通過現(xiàn)場原位測試方法獲取CRR7.5數(shù)值更為方便和可靠，包括標準貫入試驗（SPT），靜力觸探試驗（CPT），剪切波速測試（Vs）和貝克貫入試驗（BPT）等。本文中介紹通過SPT計算得到循環(huán)阻力比CRR7.5，由式（4）計算：

式中：（N1）60——將上覆有效壓力調整為100kPa時和將錘擊能量轉換率調整為60%時的標貫擊數(shù)修正值。

砂土抗液化強度隨著細粒含量（粒徑小于0.075mm）的增加有明顯提高的趨勢，為考慮這一影響，NCEER法建議用式（5）對含有細粒的砂土（N1）60值進行修正：

式中：（N1）60cs——經(jīng)過修正后等效純砂土標貫擊數(shù)；

α、β——修正系數(shù)，按下式取值（FC表示細粒含量）：

修正標貫擊數(shù)（N1）60和實測標貫擊數(shù)Nm的換算關系見式（8）：

式中：CN——上覆有效壓力修正系數(shù)；

CE——錘擊能量效率比修正系數(shù)；

CB——鉆孔直徑修正系數(shù)；

CS——取樣方法修正系數(shù)。

各系數(shù)取值方法及范圍見表2。

表2　SPT修正系數(shù)

3　工程實例應用

國內某重油加工工程廠區(qū)及碼頭庫區(qū)項目三標段包括原油罐區(qū)、汽油成品油罐區(qū)、柴油成品油罐區(qū)、污水處理場及輔助設施等內容。場區(qū)為沙丘地貌，在勘探深度15m范圍內所揭露的地層，主要為新近人工填土（Q4ml）、第四系風積層（Q4eol）、第四系沖積層（Q4al）、第四系海陸相交互沉積層（Q4mc）。擬建場地地下水類型主要為孔隙潛水，大氣降水及地表水為其補給來源，以蒸發(fā)及徑流方式排泄，地下水位較高，穩(wěn)定水位埋深平均值為0.4m，場地地下水變化幅度受氣候季節(jié)的影響較大，液化計算時統(tǒng)一取地下水位dw=0.0m。砂土液化判別是該場地巖土工程勘察的主要內容之一。本文中對某輔助設施區(qū)域（16個鉆孔）進行液化判別，該區(qū)域15m范圍內的地層及描述見表3（場區(qū)①層素填土在本次液化判別區(qū)域沒有分布）。

表3　場地地層

場區(qū)位于7度近震區(qū)，震級取Mw=6.5，根據(jù)表1取震級比例系數(shù)MSF=1.5；地表水平峰值加速度取amax= 0.15g。用NCEER法對該場地的②-1層、②-2層、②-3層、②-4層進行液化判別。判別結果顯示16個鉆孔中10個鉆孔無液化可能性，6個鉆孔有液化可能性。6個有液化可能鉆孔的判別成果表如表4所示，由于篇幅所限，其他數(shù)據(jù)略。計算結果表明，上部土層②-1層細砂（2個計算點）和②-2層粉細砂（5個計算點）存在液化可能性，下部土層②-3層粉細砂、②-4層細砂的所有計算點的安全系數(shù)均大于1，不存在液化可能性。

表4　NCEER法液化判別成果表

為了驗證NCEER法判別結果的可靠性，按照國內規(guī)范《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）規(guī)定的液化判別方法（下稱SPT法，具體判別公式詳見該規(guī)范有關內容），對本場地地層進行液化判別，其中標貫擊數(shù)基準值N0按7擊考慮，地下水位dw按0.0m考慮，經(jīng)判別：場地16個鉆孔中，其中5個鉆孔存在輕微液化，液化土層為②-1層細砂（1個計算點）和②-2層粉細砂（6個計算點）。

由判別成果對比可知，對本場地地基飽和砂土的液化判別，NCEER法和SPT法所得到的結論基本一致。

4　結論

在本工程場區(qū)地基飽和砂土液化判別中，NCEER法和SPT法的計算結果基本一致，說明了NCEER法在本工程砂土液化判別中的可靠性。同SPT法一樣，NCEER法也是液化判別經(jīng)驗方法，由于本文中數(shù)據(jù)有限，需要更多的工程實踐去總結與更新。

NCEER法是國際上液化判別廣泛應用的方法之一，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，國際市場的不斷開拓，該法將被更多的工程技術人員應用于海外項目的液化判別。

［1］ National Center for Earthquake Engineering Research.Liquefaction Resistance of Soils：Summery Report from The 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF Workshops on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils.Journey of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2001（10）.

［2］王剛，張建民.地震液化問題研究進展［J］.力學進展，2007，37（4）.

［3］戴洪軍，郭孔中，Damien L’EXCELENT.幾種不同液化計算方法的對比分析［J］.工程勘察，2006（9）.

［4］陳國興.對我國六種抗震設計規(guī)范中液化判別規(guī)定的綜述和建議［J］.南京建筑工程學院學報，1995（2）.

［5］GB50011-2010建筑抗震設計規(guī)范［S］.

TU44

B

1004-5716（2016）07-0015-04

2015-06-27

2015-07-01

胡龍虎（1989-），男（漢族），河北邢臺人，助理工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察方面的工作。