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第 34 卷 第 3 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.3 2012 年 .3 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Mar. 2012 基于新疆巴楚地震调查的砂土液化判别新公式 李兆焱，袁晓铭，曹振中，孙 锐，董 林，石江华 （中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080） 摘 要以新疆巴楚伽师 Ms6.8 级地震液化现场勘察和测试为基础，获取了 47 个场地的标准贯入试验资料，分析了 现有基于标准贯入的砂土液化判别方法的适用性，提出了新的砂土液化判别公式。分析表明国内外现有基于标准贯入 击数的砂土液化判别公式不适用于新疆地区，中国现有规范对此次巴楚地震非液化点判别成功率 88，但对液化场地 判别成功率仅为 38，会给出明显偏于危险的结果。以新调查数据建立的砂土液化判别模型由地震烈度、实测标准贯 入击数、标准贯入击数基准值、地下水位、砂土埋深等 5 个参数构成，其中标准贯入击数基准值以及地下水位和砂土 埋深的影响系数分别采用归一化方法和本文提出的优化方法给出。与中国现有规范相比，新疆巴楚液化土层有所增加， 推导出的标准贯入击数基准值远小于现有规范，表明巴楚地区抗液化能力显著低于以往形成我国规范时调查的可液化 场地，深层土和低水位砂层液化可能性更大。所建立的砂土液化判别新公式，液化回判成功率为 91，非液化回判成 功率为 85，表明构建的模型合理，计算公式可靠，同时新公式延续了中国现有规范的基本形式，工程使用方便，可 为新疆地区区域性规范制订提供参考。 关键词砂土液化；标准贯入击数；判别式；新疆巴楚地震 中图分类号TU413.5 文献标识码A 文章编号1000–4548201203–0483–07 作者简介李兆焱（1982– ），男，博士研究生，主要从事岩土地震工程研究。E-mail hkjlizhaoyan。 New uation ula for sand liquefaction based on survey of Bachu Earthquake in Xinjiang LI Zhao-yan, YUAN Xiao-ming, CAO Zheng-zhong, SUN Rui, DONG Lin, SHI Jiang-hua Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080, China Abstract The in-situ SPT data at 47 sites have been collected in the liquefaction survey of Bachu Ms 6.8 Earthquake, Xinjiang, China. The feasibility of the existing sand liquefaction uation s is analyzed, and a new uation ula is proposed. The analysis shows that the current assessment ulae using SPT for sand liquefaction are not applicable in Xinjiang area, which will present obvious risky results. Based on new investigation data, five parameters including seismic intensity, measured SPT values, datum SPT values, water tables and depths of sandy soils are included in the new liquefaction uation model. The datum SPT values, the influencing coefficients of water tables and sand depths are gained by a normalized and by an optimizing , separately. The characteristic depths of sand are larger than those in the existing Chinese seismic design codes, and the datum SPT values are far larger than those in the code, indicating that the possibility of deep sand liquefaction under low water tables is high in Bachu Earthquake. The successful judging rates by the new ula are 86 and 88 for liquefied sites and for non-liquefied sites, respectively. The proposed new ula can be employed for site liquefaction uation and regional code ulation in Xinjiang area. Key words sand liquefaction; SPT; uation ula; Bachu Earthquake of Xinjiang 0 引 言 砂土液化一直是岩土抗震研究中的一个热点问 题，历来受到国内外学者和工程界的高度重视[1-3]。其 中需要解决的首要问题是土层液化的预测和判别，而 实际液化现象调查和现场勘察测试是发展相关方法最 重要的手段[4-5]， 以往关于国内外几次地震中液化问题 的深入调查和研究，对液化认识水平的提高和液化预 测方法的发展起到了重要作用[6]。 标准贯入试验（SPT）是工程上常用的现场测试 手段、技术相对成熟，以此为指标形成的方法至今仍 是很多国家判别液化的主要方法[7]。我国目前工程上 所使用的液化判别方法，其代表为国家标准建筑抗 ─────── 基金项目国家自然科学基金重大研究计划项目（90715017） ；公益性 地震行业科研专项项目（200708001） ；国家科技部国际合作项目项目 （2009DFA71720） 收稿日期2011–07–29 484 岩 土 工 程 学 报 2012 年 震设计规范 （GB500112001） ，主要依据邢台地震 1966、通海地震1970、海城地震1975、唐山地震 1976等地震资料和室内液化试验的研究成果确定 的，其中共使用了 148 个点的现场勘察资料。但是规 范形成后，30 多年来一直没有机会进行检验，而国际 上基于 SPT 液化判别方法在国内也较少被使用。 2003 年 2 月 24 日新疆巴楚伽师地区发生了 Ms6.8 级地震（简称巴楚地震，下同），是新疆自建 国以来人员和财产损失最严重的一次地震。灾区属新 疆喀什地区，位于叶尔羌河流域，场地土主要为全新 世晚更新世晚期厚度较大冲积的粉砂、细砂、粉土 和粉质黏土。而且地下水埋深浅，在烈度为Ⅶ、Ⅷ、 Ⅸ度区产生了大面积的砂土液化、地裂缝、河流陡岸 滑塌等地震地质灾害，因而出现了继唐山、海城地震 后近 30 a 我国最具规模的砂土液化现象。 本文以巴楚地震为背景， 以现场勘查和原位测试 为基础，分析现有方法的适用性，通过对新疆巴楚地 震现场的详细勘察， 获取了 47 个典型场地原位测试资 料，以此基础上，分析现有标准贯入液化判别方法的 适用性，提出液化场地标准贯入击数特征曲线，以用 于该地区工程场地液化预测，同时为我国规范的修订 提供新的基础资料。 1 勘察点选取 巴楚地震后中国地震局组织了多次现场考察，随 后对液化场地进行了详细勘察。液化场地勘察点如图 1 所示，考察点主要位于震中附近的琼库尔恰克乡 色力比亚镇，分布在长约 65 km、宽约 55 km 的范围。 原位测试和资料收集的有效勘察点共 47 个， 含液化点 21 个，非液化点 26 个，其中Ⅶ度区内 12 个点、Ⅷ度 区 23 个点、Ⅸ度区 12 个点，新疆地震局提供了 7 个 非液化场地标准贯入数据。与国内以往获取到的数据 比较，此次高烈度Ⅸ度区内的测试结果有所增多。 图 1 勘察点分布图 Fig. 1 Distribution of investigation sites 2 基本数据 2.1 典型剖面及液化层判定 按照以往的经验和方法，综合考虑地下水位、土 层类型与 SPT 的表现， 确定液化层和非液化层的位置 和厚度。典型的液化点SY06如图 2（a）所示，在地 下水位以下，选择标准贯入数据平稳性好，标准贯入 值较小的土层， 为液化层。 典型的非液化点如图 2 （b） 所示，判定数据平稳性好、标准贯入值较大的土层作 为非液化层。 2.2 基本数据 依照上述选取原则， 对 47 个测试点进行分析， 将 所有 47 个场地液化和非液化层判定结果总结于表 1， 以此作为分析的基本数据。 第 3 期 李兆焱，等. 基于新疆巴楚地震调查的砂土液化判别新公式 485 图 2 场地典型剖面及（非）液化层位置 Fig. 2 Typical profiles and position of liquefied and non-liquefied soil layers 3 现有标准贯入液化判别方法及检验 结果 3.1 我国规范法 我国规范采用标准贯入击数作为判别液化的基本 指标。在完成初判后，复判公式为[8] [] cr0swc 0.90.13/NNddρ− s 15 md ≤，1 cr0sc 2.40.1 3/NNdρ− s 1520 md≤。2 式中 cr N为临界标准贯入击数； 0 N为不同烈度下对 应的标准贯入基数； s d为饱和土标准贯入点深度 （m） ； w d为地下水位深度（m） ； c ρ为黏粒含量百分率。 3.2 Rauch法 Rauch法是将砂土中由振动作用产生的剪应力 CSR与产生液化所需的剪应力CRR进行比较[9]， 其中 CSR用Seed简化法给出，CRR则以标准贯入击数等 表示。Seed简化法计算CSR的公式为 avmaxv 7.5d vv CSR0.65MSF a r g τσ σσ ′′ 。 3 式中 CSR7.5为转化在震级 W 7.5M的循环应力比； av τ为地震产生的平均剪应力； v σ′为地震作用下有效 应力； max/ ag为地震作用下地面峰值加速度与重力加 速度比， max a为场地地表加速度峰值； v σ为地震作用 下地面上总应力； d r为应力折减系数；MSF为震级缩 放系数，本文参照美国NCEER（National Center for Earthquake Engineering Research）推荐的范围取值， 具体取值公式如下 3.003.46 WW 2.242.56 WW 10 7.0 MSF 10 7.0 MM MM − − ⎧ ⎪ ⎨ ⎪⎩ ≥ ， 。 4 此次巴楚地震中没有得到加速度记录，因此本文 中场地地表加速度峰值 max a按此次地震客观情况及以 往经验， 对Ⅶ度、 Ⅷ度和Ⅸ度内场地分别取0.1g，0.2g 和0.4g。 Rauch提出的砂土液化循环阻力比估计公式 1 60 7.5 2 1 601 60 1501 CRR 34135[10 45]200 N NN − −⋅ 。 5 式中 7.5 CRR为转化在震级 W 7.5M的循环阻力比； 1 60 N为修正后的等效标准标准贯入击数，当 1 60 N ＞30 时，认为不会发生液化。 3.3 现有两种方法的判别结果 以上两种标准贯入方法对新疆巴楚地震的判别结 果如表 2 所示。从中看出，我国规范对巴楚地震判别 成功率平均值为66， 其中非液化点判别成功率88， 但液化场地的判别成功率仅为 38。Rauch 法判别巴 楚地震液化平均成功率为 64，非液化点成功率 73，但液化点成功率仅为 52。也就是说，我国现 有规范和 Rauch 法对此次地震给出了偏于危险的结 果。 从以往的数据中可知，实际上我国基于标准贯入 液化判别规范的数据来源具有区域性。对我国规范形 成有较大贡献的依次唐山、通海和海城地震，3 次地 震的标准贯入数据占到形成规范资料总数的 85，其 中唐山地震数据更占到了 60，成为我国规范最主要 的依据和来源。因此，实际上我国规范液化判别方法 更适用于唐山地区，从表 2 的对比结果看出，新疆地 区需要新的液化判别方法。 486 岩 土 工 程 学 报 2012 年 表 1 巴楚地震液化场地标准贯入基本数据 Table 1 Summary results of SPT data of Bachu Earthquake 序号 地名 烈度ds dw N 是否液化 SY06 克孜努尔中学前 9 35 2.9 16 是 SY07 色力布亚镇 18 大队 9 34 2.8 15 是 SY09 N3918′48″,E7739′20″ 9 1.83.6 1.8 16 是 SY12 琼库尔恰克乡 5 大队小学前 9 55.8 2.8 21 是 SY14 色力布亚镇 6 大队 3 小队 9 45 1.9 17 是 ZK30 琼库尔恰克乡 5 大队 6 小队 9 3.34.1 2.6 15 是 SY01 英吾斯塘 15 大队 2 小队 8 2.94.9 2.9 10 是 SY08 去琼库尔恰克乡路旁的桥头（检查站旁） 8 1.63.2 0.95 10 是 SY11 琼库尔恰克乡 19 大队 4 小队 8 5.16.3 2.9 20 是 SY16 英吾斯塘 14 大队 8 2.96 2.9 19 是 SY17 色力布亚镇 13 大队 5 小队 8 0.54.5 0.4 8 是 SY18 大渠旁（新建房屋旁） 8 5.56.8 3.4 15 是 SY21 色力布亚镇 7 大队 8 2.95.3 2.9 7 是 SY25 215 省道（过色力布亚镇与英吾斯塘之间）桥头 8 2.76 2.7 12 是 SY05 卧里托格拉克乡 16 大队 2 小队（伽师县） 7 10.412 3.7 19 是 SY19 沙漠中 7 2.63 2.1 12 是 SY23 215 省道旁（去色力布亚路上） 7 5.25.8 2.3 15 是 SY24 色力布亚镇棉花地旁 7 2.87.4 2.8 12 是 SY26 戈壁滩 7 1.52.5 1.5 8 是 SY27 戈壁滩河滩上 7 4.56 1 15 是 SY29 伽师县卧里托格拉克乡戈壁滩上 7 1.92.8 1.5 9 是 E02 琼库尔恰克乡 26 大队 9 6.88.2 3.8 32.5 否 E04 琼库尔恰克乡 27 大队 2 小队哈里小学前 9 3.34.2 3.1 26.5 否 E05 琼库尔恰克乡 9 大队 1 小队 9 5.47.6 2.4 21 否 ZK33 N3923′06″,E7739′00″ 9 10.411.4 2.4 30 否 ZK38 琼库尔恰克乡扎热特村水塔对面 9 4.27.9 2.5 31 否 ZK39 琼乡乡政府院内 9 3.55.5 2.65 23 否 E03 英吾斯塘乡 10 大队 1 小队 8 5.28 2.3 20 否 E06 215 省道 126km 桩号旁 8 1214.5 3.8 41 否 E09 琼库尔恰克乡 14 大队 5 小队 8 6.88.5 2.9 27.5 否 E10 色力布亚镇 15 大队 3 小队 8 7.810.4 2.2 30.5 否 E11 色力布亚镇 12 大队 1 小队 8 5.77.9 1.2 40 否 ZK13 N3918′30.0″, E 7750′04.6″ 8 6.57.9 3.5 24 否 ZK24 大水渠源头的水闸旁 8 2.95.7 2.9 20 否 ZK25 英吾斯塘乡南 8 5.97.5 1.7 22 否 ZK36 协开尔买里村 8 15.518.8 3.6 28.5 否 E07 215 省道旁（封口处） 7 7.38.9 2.8 24 否 E08 215 省道 82km 桩号处 7 4.25.3 4.2 18 否 E12 卧里托格拉克乡南侧水渠旁 7 4.16.2 2.6 36 否 E13 琼库尔恰克乡棉花收购站 7 5.38.3 2.7 26 否 ZK14 色力布亚镇北 8 7.212 3 43 否 ZK15 色力布亚镇西 8 8.210.7 2.3 31.5 否 ZK16 色力布亚镇南 8 1114 1.6 34 否 ZK17 色力布亚镇糖烟酒公司 8 1015 2.7 34 否 ZK20 阿拉格尔乡政府 7 1014 3.5 45 否 ZK26 色力布亚镇拜什塔木村 8 1115 3.5 21 否 ZK41 霍加木托克拉克村 8 815 2.5 24 否 表 2 我国规范和 Rauch 法对巴楚地震液化判别成功率 Table 2 Comparison of identification ratio between code and Rauch’s for sites of Bachu Earthquake 成功率/ 类别 我国规范 Rauch 法 液化点 38 52 非液化点 88 73 平均 66 64 4 新公式推导 4.1 土层液化特征深度 将本次地震液化及非液化点土层深度与地下水位 关系绘于图 3，若砂层上覆非液化土层厚度和地下水 位深度大于图 3 的数值，可不考虑液化影响。 第 3 期 李兆焱，等. 基于新疆巴楚地震调查的砂土液化判别新公式 487 图 3 巴楚地震液化以及非液化点土层深度与地下水位关系 Fig. 3 Relation between water level and depth of liquefied and ..non-liquefied soils of Bachu Earthquake 表 3 巴楚地震土层液化特征深度 Table 3 Characteristic depths of soil layers of Bachu Earthquake m 烈度 7 8 9 特征深度 6 7 8 得到巴楚地震土层液化特征深度如表 3。我国规 范形成时对Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度内场地砂土液化土层特 征深度分别为 6，7，8 m。 4.2 基本模型 我国抗震规范砂土液化判别式建立时的模型为 cr0wwss [123]NNddαα−− 。 6 式中 cr N为临界标准贯入击数， 0 N液化判别标准贯 入击数基准值， w d为地下水深度， s d为砂层埋深， w α 为地下水位影响系数， s α为砂层埋深影响系数。这一 公式是我国专家学者多年研究的成果，代表了细粒土 液化判别的基本模式，已在工程上得到广泛应用。 为与以往很好衔接， 本文借鉴式 （6） 的基本思路， 对巴楚地震液化数据采用的基本模型为 63.50 63.5wwss [123] cr NNddαα −− ⋅−−，7 式中， 63.5cr N − 为针对巴楚地震的临界标准贯入基数， 0 63.5 N − 为针对巴楚地震标准贯入击数基准值。 4.3 标准贯入击数基准值 我国现有抗震规范在确定砂土标准贯入基准值 时，所用的液化资料中地下水位变化都不大（2 m 左 右） ，砂层埋深也基本上在同一深度（3 m 左右） ，因 此可直接建立标准贯入击数与烈度关系，直观地给出 液化与非液化分界线，从而很容易地得到砂土标准贯 入基准值。 从表 1 中数据可知，新疆巴楚地震液化砂层埋深 及地下水位变化都较大，不方便直接建立标准贯入击 数与烈度关系。为此，借鉴 Seed 和 Idriss1982 提出的 修正方式[10] 0 63.5 N − 63.5a [2.2/1.247/]NP⋅ ， 8 式中， 0 63.5 N − 为修正标准贯入击数， 63.5 N为实测标准 贯入击数。 以式 （8） 建立的修正标准贯入击数与烈度关系如 图 4，进一步得到的液化点与非液化点临界线，即相 应的标准贯入击数基准值如表 4。同时，图 4 中三角 连线表示了规范中标准贯入与烈度关系曲线，由此可 见，规范临界标准贯入值与实际标准贯入临界值二者 差异显著。 图 4 巴楚地震标准贯入击数临界值 Fig. 4 Critical SPT values of Bachu Earthquake 表 4 巴楚地震标准贯入击数基准值 Table 4 Reference values of SPT of Bachu Earthquake 烈度 7 8 9 0 63.5 N − 13 15 19 我国规范基准值 6 10 16 由表 4 可见巴楚地震液化场地标准贯入基准值明 显大于我国规范标准贯入基准值， 即与唐山地区相比， 该地区砂土抗液化能力显著低。 从现场勘察及他人以往工程实践看，巴楚地区土 层标准贯入击数普遍偏大，土层偏“硬”，巴楚地区地 下水位深度均值为 2.3 m，大于唐山地震液化场地的 地下水位均值 1.5 m。巴楚地区液化土层深度与唐山 地震情况相近， 较比海城地震要浅， 比通海地震要深。 巴楚地震液化土层标准贯入击数均值为 14 击左右， 明 显大于唐山地区液化场地 8 击的均值，可以初步解释 巴楚地震场地抗砂土抗液化能力低的原因。 4.4 土层深度和地下水位影响系数 与以往相比，此次地震液化场地测得土层深度和 地下水位均有较大变化，以此直接推导出的地下水位 影响系数和土层深度影响系数存在不确定性，为此本 文采用优化方法进行求解最佳值。土层埋深和地下水 位影响系数 s α和 w α在不同取值下对液化点和非液化 点判别成功率的影响分别如图5和图6所示，综合分析 结果示于图7， 取二者交集时的影响系数最佳取值。 由 488 岩 土 工 程 学 报 2012 年 图7可见，二者的交集位于一小区域内，此时 w α可取 为-0.08， s α可取为0.08。 图 5 液化场地 s α和 w α不同取值对判别成功率的影响 Fig. 5 Effects of s α and w α of liquefied sites on identification rate 图 6 非液化场地 s α和 w α不同取值对判别成功率的影响 Fig. 6 Effects of s α and w α of non-liquefied sites on identification rate 图 7 优化方法得到的 s α和 w α最佳取值 Fig. 7 Optimum values of s αand w α 4.5 新的液化判别公式 综合上面分析结果，采用巴楚地震液化资料，以 标准贯入击数为指标的液化判别新公式可写为 cr 63.50 63.5ws [10.0820.083]NNdd −− −−−，9 也可表达为 cr 63.50 63.5ws [0.920.080.08]NNdd −− −，10 按公式（9）或（10） ，若土层实测 63.5 N大于计算出值 63.5cr N − ，则判为非液化，反之判为液化。 4.6 新公式的回判成功率 将新公式（10）带回到表 1 的所有勘察点进行回 判，得到液化点回判成功率为 91，非液化点回判成 功率 85，说明本文勘察和分析结果可靠，采用的液 化判别的基本模型以及确定地下水位影响系数和土层 深度影响系数优化方法是成功的，给出的新公式对新 疆喀什地区应是合理可行的。 5 结 论 （1） 通过对新疆巴楚 Ms6.8 级地震现场勘察， 获 取了 47 个砂土液化场地的标准贯入试验资料， 丰富了 我国现有液化数据库的内容，特别是高烈度 9 度区的 数据对液化研究更为重要。 （2） 现有基于标准贯入击数的砂土液化判别公式 不适用于新疆喀什地区，我国现有规范对此次巴楚地 震非液化点判别成功率 88，但对液化场地判别成功 率仅为 38，明显偏于危险，Rauch 的标准贯入法也 有类似表现。 （3） 本文以新疆巴楚地震调查为基础建立的砂土 液化判别模型由地震烈度、实测标准贯入击数、标准 贯入击数基准值、地下水位、砂土埋深等 5 个参数构 成，其中标准贯入击数基准值以及地下水位和砂土埋 深的影响系数分别采用归一化方法和本文提出的优化 方法给出。 （4） 与我国现有规范相比， 新疆巴楚液化土层特 征深度均有所增加，推导出的标准贯入击数基准值远 小于现有规范，表明巴楚地区抗液化能力显著低于以 往形成我国规范时调查的可液化场地，深层砂土层液 化可能性更大。 （5）本文建立的基于标准贯入的砂土液化判别 式，液化回判成功率为 91，非液化回判成功率为 85，表明构建的模型合理，计算公式可靠，同时新 公式延续了我国现有规范的基本形式， 工程使用方便， 可为新疆地区区域性规范制订提供参考。 参考文献 [1] YOUD T L, IDRISS I M. 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Ground motions and soil liquefaction during earthquakes[M]// Earthquake Engineering Research Institute Monograph, 1982. 第十二届环境岩土工程与全球可持续发展国际研讨会 （第一号通知） 由国际环境岩土工程协会（ISEG）主办的第十二届环境岩 土工程与全球可持续发展国际研讨会将于 2012 年 6 月 27 日～ 29 日在美国洛杉矶举行。 会议面向广大来自学术界、 工业界和 政府部门的研究人员、 工程设计人员以及管理人员， 欢迎参加。 2012 年 2 月 3 日摘要提交截止日期；2012 年 3 月 30 日全 文 提 交 截 止 日 期 。 其 他 详 细 信 息 请 登 录 网 站 http//www.isegnet.org/2012。 （南京大学地球科学与工程学院 施斌 唐朝生 供稿）