CN111705774B - 一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法，包括以下步骤：建立与饱和砂土埋深、地下水位深度、细粒含量、震级和地震峰值加速度有关的饱和砂土液化检测模型，得到临界标贯击数；利用临界标贯击数和修正的实测标贯击数进行饱和砂土液化判别。与现有技术相比，弥补了建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)中液化判别公式在饱和砂土浅层偏于冒险、深层偏于保守的缺陷，使检测结果更加精确；在各种烈度下可满足多种埋深和细粒含量的土体液化判别，具有广泛的适用性；判别公式形式简单、考虑全面，适合实际工程中使用；基于国外液化数据库，地震场地较多且数据量大，具有较好的代表性，易于推广。

Description

一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法

技术领域

本发明涉及地震场地饱和砂土液化判别领域，尤其是涉及一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法。

背景技术

饱和砂土液化一直是地震灾害后引起建筑物地基及上部结构破坏的主要原因之一，造成了巨大的生命安全财产损失，其可能导致地震场地出现流砂、地基沉陷、土体侧移等现象。鉴于我国复杂的工程地质及水文地质条件以及潜在地震发生的危险性，研究饱和砂土液化发生机理、发展液化判别方法和相应地震设防技术得到学术界和工程界的一致重视，因此对地震多发区场地进行液化判别，针对性地进行地震设防具有重大意义。在工程实践中，利用基于标准贯入试验(SPT)、剪切波速试验(V_s)或静力触探试验(CPT)等原位试验的经验判别方法进行场地饱和砂土液化判别已成为一种行之有效的方法。其中标准贯入试验由于其操作简便、使用经验丰富等优势，已成为液化判别应用最为广泛的方法。

在我国，《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010，2016年版)规定了一种基于标准贯入试验(SPT)和饱和砂土埋深、地下水位、未修正的实测标贯击数、粘粒含量等土层常规参数的对数形式液化经验判别方法(以下称2010建规法)。其基本形式如下：

式中，N_cr2010为2010建规法的临界标贯击数，N₀为临界标贯击数基准值，d_s为饱和砂土埋深(m)，d_w为地下水位深度(m)，ρ_c为黏粒含量百分率，β为调整系数，设计地震第一组取0.80，第二组取0.95，第三组取1.05。当某一场地的临界标贯击数N_cr2010＞N₁时，判别为液化，N₁为未修正实测标贯击数。

该方法本质上是以《建筑抗震设计规范》(GB 50011-1989)为基础，经过30年不断改进，考虑延续性的又一次修正。但近年来，国内许多建设难度高、工程量大的重大工程逐步建设，对建筑场地的地震设防提出了更高的要求，上述规范方法在一定程度上已不能满足工程建设的需要，尤其是2010建规法存在饱和砂土浅层判别偏于冒险、砂土深层偏于保守的缺陷。

在国外，自Seed首次提出基于标准贯入试验的饱和砂土液化判别简化方法以来，经过了许多学者的修正完善，其中Youd和Idriss召集NCEER(美国国家地震研究中心)专家组，改进和完善了Seed方法，于2001年发表了该研究的总结报告。此方法也被收录入美国规范(ASCE/SEI 7-05)，作为推荐的液化判别方法(下称Seed法)。其基本形式如下：

FS＝(CRR_7.5/CSR)·MSF

式中，CSR为循环应力比(Cyclic Stress Ratio)，CRR为循环抗力比(CyclicResistance Ratio)，MSF为震级修正系数，FS为安全系数，若FS＞1即判别为非液化，反之，则判别为液化，其基于修正的实测标贯击数的标贯击数(N₁)₆₀，该判别方法与国内规范方法有较大差别。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述规范液化判别公式存在的缺陷而提供一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1：建立与饱和砂土埋深、地下水位深度、细粒含量、震级和地震峰值加速度有关的饱和砂土液化检测模型，得到临界标贯击数；

步骤S2：利用临界标贯击数和修正的实测标贯击数进行饱和砂土液化检测。

所述的饱和砂土液化检测模型的表达式为倒指数形式。

所述的临界标贯击数与细粒含量呈反比例相关。

所述的临界标贯击数与地下水位深度呈负相关。

所述的临界标贯击数与震级呈正相关。

所述的临界标贯击数与地震峰值加速度呈正相关。

所述的饱和砂土液化检测模型为：

其中，N_cr为饱和砂土液化检测模型的临界标贯击数，k₁为深层对临界标贯击数基准值的影响参数，-20≤k₁＜0，k₂为浅层对临界标贯击数基准值的影响参数，0＜k₂＜1，k₃为地下水位深度对临界标贯击数基准值的影响参数，-1＜k₃＜0，k₄为细粒含量对临界标贯击数基准值的影响参数，0＜k₄＜1，k₅为震级对临界标贯击数基准值的影响参数，d_s为饱和砂土埋深，d_w为地下水位深度，FC为细粒含量，M_w为矩震级，N₀为临界标贯击数基准值，N₀表示为：

N₀＝36.8e^-0.186/α_max

其中，α_max为地震峰值加速度。

所述的饱和砂土液化检测模型的各影响参数取值为：

其中，N_crO为饱和砂土液化检测模型的最优临界标贯击数。

将Cetin液化数据库的案例代入饱和砂土液化检测模型进行回归分析，取效果最优的一组系数作为饱和砂土液化检测模型的各影响参数取值。

所述利用临界标贯击数和修正的实测标贯击数进行饱和砂土液化检测时，前者代表预估的地震荷载，后者代表砂土抵抗液化能力。若临界标贯击数大于修正的实测标贯击数，则饱和砂土液化，若临界标贯击数小于修正的实测标贯击数，则饱和砂土未液化。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)表达式采用新的倒指数形式，弥补了2010建规法在饱和砂土浅层偏于冒险、深层偏于保守的缺陷，使检测结果更加精确。

(2)考虑烈度的影响，在各烈度区下可满足多种埋深和细粒含量的土体液化判别，具有广泛的适用性。

(3)判别公式形式简单、考虑全面，适合实际工程中使用。

(4)基于国外液化数据库，数据地震场地较多且数据量大，具有较好的代表性，易于推广。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2(a)为本发明VII度烈度下2010建规法曲线分析图；

图2(b)为本发明VIII度烈度下2010建规法曲线分析图；

图2(c)为本发明IX度烈度下2010建规法曲线分析图；

图3(a)为本发明实施例方法与Seed法对比图；

图3(b)为本发明实施例方法与2010建规法对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

本实施例提出了一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法，基本流程如图1所示，包括：

步骤S1：建立与饱和砂土埋深、地下水位深度、细粒含量、震级和地震峰值加速度有关的饱和砂土液化检测模型，得到临界标贯击数；

步骤S2：利用临界标贯击数和修正的实测标贯击数进行饱和砂土液化检测。

得到饱和砂土液化检测模型经过以下步骤：

(1)用于建立2010建规法的国内液化案例数据库包括有效液化及非液化数据159例，按照烈度VII度、VIII度、IX度分类，VII度50例，VIII度48例，IX度58例。对国内液化案例数据库校核后发现，烈度VI度和X度的有效数据共有3例，但考虑到数据量过少且VI度场地一般不易发生液化，该数据点没有参与建立2010建规法；

(2)依据烈度、饱和砂土埋深、地震场地等将国内数据库案例进行分类统计并将2010建规法判别曲线可视化，分析判别式的不足。国内液化案例数据库沿埋深分布不均衡，埋深大于10m的数据点仅有3例，这在一定程度上影响了2010建规法的液化判别精确度，尚需证明其对深埋案例的适用性，且数据库构成中以1976年唐山地震的数据为主，占到近6成，其余地震如河源、河间、渤海等液化案例较少。因早期地震液化数据库案例不足，2010建规法的构成主要基于唐山地震液化数据，由于数据对回归参数的影响，2010建规法势必对地震液化判别具有一定倾向性，进而影响精确性。

将2010建规法分烈度可视化如图2所示，地下水位深度d_w定为2m，并偏保守地考虑，将黏粒含量ρ_c定为3％，其中横坐标为未修正的实测标贯击数N₁，纵坐标为饱和砂土埋深d_s，规范规定2010建规法的液化判别深度可达20m，在绘图时将埋深延伸至20m。整体上看，2010建规法曲线的变化趋势符合国内外液化判别曲线的一般规律，但其在逐烈度分析时仍存在较大问题。2010建规法判别曲线在VII和VIII度时饱和砂土埋深d_s＜10m的案例，随d_s趋近于0，N₁也快速趋近于0，导致判别过于冒险，实际上表层土的实测标贯击数不应为一极小值，尚有数击存在，2010建规法在浅埋饱和砂土的判别上趋于冒险；在IX度时仍存在浅埋液化案例判别冒险的情况，且在深埋案例判别时效果较差，曲线的曲率在d_s较大时变化过慢，导致判别过于保守。总结来看，2010建规法存在判别浅埋饱和砂土偏于冒险、深埋饱和砂土偏于保守的问题。未修正的实测标贯击数N₁应在浅埋案例判别时仍有一定数值，而在深埋案例判别时，随d_s的增大N₁应快速趋近于某一临界值，以达到首(浅埋)尾(深埋)兼顾的目的。

(3)收集国外代表性好、案例准确性高的液化数据库，并对液化数据库进行校核。以Cetin等人收集的液化数据库为例，Cetin等人在2000年收集整理了自20世纪40年代至20世纪末国内外众多地震的液化及非液化案例，又分别在2004和2018年对2000年收集整理的数据库进行了进一步的修正和扩充，将早期数据库中部分案例的上覆有效应力、细粒含量等进行了更正，再次校核后提供了新的液化数据库，下称Cetin液化数据库。Cetin液化数据库共有有效液化、非液化及边缘液化案例210例，其中液化案例饱和砂土埋深大多集中在2-8m，而非液化案例饱和砂土埋深大多集中在2-6m，饱和砂土深埋案例相对较少。该数据库内案例细粒含量多分布在0-5％和5％-35％这两个区间，而FC＞35％的高细粒含量案例较少，细粒含量分布的趋势相近。总结来看，该数据库地震场地较多、时间跨度大、震级分布广且各地震液化案例数相对均衡，案例数最多的一次地震占总案例数也未超过3成，体现较好的代表性和典型性。

(4)基于国外液化数据库，克服2010建规法的不足，建立新的饱和砂土液化检测方法。根据步骤(2)的分析，2010建规法存在判别浅埋饱和砂土偏于冒险、深埋饱和砂土偏于保守的问题，为克服上述问题且满足实际工程的液化判别需要，新模型需满足以下要求：充分考虑国内外数据库的相关土层参数的影响；临界标贯击数在浅层尚有一定击数，在深层快速趋近于一定值，即深浅判别兼顾；判别式中物理参数明确，具有较好的适用性。

选择数种曲线形式进行对比，最终确定了满足上述要求的倒指数曲线，倒指数曲线在浅层时存在反弯点，且临界标贯击数在深层时快速趋近于一条竖向渐近线，可以克服2010建规法的不足。其基本形式如下：

式中，d_s为饱和砂土埋深，N_cr0为只考虑饱和砂土埋深时临界标贯击数，N₀为临界标贯击数基准值，k₁、k₂为待定参数，k₁取负值。当d_s趋近于无穷大时，实际上趋于20m已可认为“无穷大”，此时N_cr0将趋近于N₀·(1+k₂)；而当d_s趋于0时，为满足临界标贯浅层尚有一定击数，N_cr0趋近于N₀·k₂。考虑到d_s一般要求达到20m，而k₁影响其权重，因此取-20≤k₁＜0；k₂影响浅层临界标贯击数的权重，因此取0＜k₂＜1。

在式(1)的基础上考虑地下水位深度d_w的影响，临界标贯击数与d_w呈负相关，则式(1)可进一步写成：

式中，N_cr1为考虑饱和砂土埋深和地下水位深度时临界标贯击数，k₃为地下水位深度对临界标贯击数基准值的影响参数，k₃表征d_w的变化对临界标贯击数的影响程度且应为负值，取-1＜k₃＜0。

在式(2)的基础上考虑细粒含量FC的影响，将FC对临界标贯击数的影响视为反比例相关，则式(2)可修正为：

式中，N_cr2为考虑细粒含量、饱和砂土埋深和地下水位深度时临界标贯击数，k₄为考虑细粒含量影响的待定参数，k₄表征FC对临界标贯击数的影响程度，取0＜k₄＜1。

在上式的基础上考虑矩震级M_w的影响，国外广泛接受Seed和Idriss提出的震级修正方法，仿照其形式，将式(3)修正为：

式中，N_crf为考虑震级、细粒含量、饱和砂土埋深和地下水位深度时临界标贯击数(即饱和砂土液化检测模型的临界标贯击数)，k₅为考虑震级影响的待定参数，参照国外修正方法，取0＜k₅＜1。

(5)将Cetin液化数据库的案例代入式(4)进行回归分析，可得到不同系数组合条件下的倒指数判别式，取回判效果最优的一组系数，得到饱和砂土液化检测模型的各影响参数取值为如下：

式中，N_crO为饱和砂土液化检测模型的最优临界标贯击数，N₀为临界标贯击数基准值，为便于国内使用可按表1取值，其他地震峰值加速度下的N₀可按内插获得，根据大量数据拟合可得N₀与α_max的倒指数经验关系式(6)。若临界标贯击数大于修正的实测标贯击数(N₁)₆₀，则饱和砂土未液化，若临界标贯击数小于修正的实测标贯击数(N₁)₆₀，则饱和砂土液化。

表1临界标贯击数基准值N₀

N₀＝36.8e^-0.186/α_max (6)

为了更直观地分析本实施例饱和砂土液化检测模型的适用性和可靠性，将该模型与2010建规法、美国规范(ASCE/SEI7-05)推荐的Seed法进行比较，利用本实施例饱和砂土液化检测模型与2010建规法、Seed法回判Cetin液化数据库，成功率如表2所示。

表2 Cetin液化数据库各模型回判成功率对比

本实施例饱和砂土液化检测模型的总体回判成功率最高达到86％，其次是Seed法82％，最后是2010建规法75％。本实施例饱和砂土液化检测模型总体上是令人满意的。分烈度来看，VII度时本实施例饱和砂土液化检测模型回判成功率显著地不均衡，偏于冒险，但Seed法也反映了更大的不均衡现象，2010建规法虽较为均衡，成功率却最低；VII度和IX度时，本实施例饱和砂土液化检测模型表现最优，但稍偏于冒险，而2010建规法回判成功率均偏低。经过对比分析，本实施例饱和砂土液化检测模型体现了较好的适用性和可靠性。

为了更直观地对比各判别方法适用性并分析异同，将上述三种方法曲线形式分别进行对比，将d_w定为2m，分烈度绘图如图3所示。本实施例饱和砂土液化检测模型与Seed法对比见图3(a)，Seed法在浅埋部分趋于冒险，随埋深增加，Seed法曲线出现了回弯点，在深埋部分临界标贯击数显著减少，这与一般认知不符，值得引起重视。而本实施例饱和砂土液化检测模型在深层击数快速趋于一个定值，与NCEER提出“饱和砂土在超过某一较大修正的实测标贯击数时因过于密实而被判别为非液化”的提法相符合。

将本实施例饱和砂土液化检测模型和2010建规法曲线作对比，见图3(b)。2010建规法采用未修正的实测标贯击数N₁作为判别依据，与国外的修正的实测标贯击数(N₁)₆₀尚有一定差异，但仅定性分析曲线之间的差异，将N₁近似等于(N₁)₆₀。2010建规法曲线在浅埋部分与Seed法相似，偏于冒险，在深埋部分过于保守，在IX度时甚至实测标贯击数40击也可能被判别为液化。而倒指数曲线相对均衡，首尾兼顾，在IX度时临界标贯击数趋近于32击，与NCEER的提法相符合，体现了工程实践和理论的统一性。曲线形式的对比充分地体现了本实施例饱和砂土液化检测模型的适用性及合理性。

本实施例饱和砂土液化检测模型在一定程度上可进行推广。液化判别倒指数模型基于标准贯入试验构成，只要收集待判别场地的常规土层参数及实测标贯击数即可进行液化判别，而目前实际工程中也有采用基于静力触探试验和剪切波速的液化判别模型，上述建立饱和砂土液化检测模型的方法可推广基于静力触探试验或剪切波速的液化判别模型。

Claims (8)

1.一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1：建立与饱和砂土埋深、地下水位深度、细粒含量、震级和地震峰值加速度有关的饱和砂土液化检测模型，得到临界标贯击数，

步骤S2：利用临界标贯击数和修正的实测标贯击数进行饱和砂土液化检测；

所述的饱和砂土液化检测模型为：

其中，N_cr为饱和砂土液化检测模型的临界标贯击数，k₁为深层对临界标贯击数基准值的影响参数，-20≤k₁<0，k₂为浅层对临界标贯击数基准值的影响参数，0<k₂<1，k₃为地下水位深度对临界标贯击数基准值的影响参数，-1<k₃<0，k₄为细粒含量对临界标贯击数基准值的影响参数，0<k₄<1，k₅为震级对临界标贯击数基准值的影响参数，d_s为饱和砂土埋深，d_w为地下水位深度，FC为细粒含量，M_w为矩震级，N₀为临界标贯击数基准值，N₀表示为：

其中，α_max为地震峰值加速度；

所述利用临界标贯击数和修正的实测标贯击数进行饱和砂土液化检测时，前者代表预估的地震荷载，后者代表砂土抵抗液化能力；若临界标贯击数大于修正的实测标贯击数，则饱和砂土液化，若临界标贯击数小于修正的实测标贯击数，则饱和砂土未液化。

2.根据权利要求1所述的一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法，其特征在于，所述的饱和砂土液化检测模型的表达式为倒指数形式。

3.根据权利要求1所述的一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法，其特征在于，所述的临界标贯击数与细粒含量呈反比例相关。

4.根据权利要求1所述的一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法，其特征在于，所述的临界标贯击数与地下水位深度呈负相关。

5.根据权利要求1所述的一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法，其特征在于，所述的临界标贯击数与震级呈正相关。

6.根据权利要求1所述的一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法，其特征在于，所述的临界标贯击数与地震峰值加速度呈正相关。

7.根据权利要求1所述的一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法，其特征在于，所述的饱和砂土液化检测模型的各影响参数取值为：

其中，N_crO为饱和砂土液化检测模型的最优临界标贯击数。

8.根据权利要求7所述的一种基于标准贯入试验的饱和砂土液化检测方法，其特征在于，将Cetin液化数据库的案例代入饱和砂土液化检测模型进行回归分析，取效果最优的一组系数作为饱和砂土液化检测模型的各影响参数取值。

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