我国规范液化分析方法的发展设想

第32卷增刊2岩土力学Vol.32Supp.22011年8月RockandSoilMechanicsAug.2011收稿日期：2011-04-12基金项目：中央级公益性研究所基本科研业务费专项（No.2010B01）；国家科技部国际合作项目（No.2009DFA71720）；公益性地震行业科研专项（No.200708001）；973计划（No.2007CB714201）；国家自然科学基金重大研究计划（No.90715017）。第一作者简介：袁晓铭，男，1963年生，博士，研究员，主要从事岩土地震工程方面的研究工作。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598(2011)增刊2－0351－08我国规范液化分析方法的发展设想袁晓铭，孙锐（中国地震局工程力学研究所，哈尔滨150080）摘要：通过分析我国地震形势、液化震害潜在威胁以及震害防御工作现状，阐明了我国发展液化分析方法的客观需求，简要评述了我国规范中现有液化判别方法，总结了我国近来两次大地震液化考察经验，提出了与规范修订相关的研究设想。通过我国地震安全性评价工作的发展现状以及我国大陆地震重点监视区与第四纪沉积分布性态分析，说明了我国发展液化分析方法的必要性和紧迫性。根据2003年新疆巴楚地震和2008年汶川大地震中液化震害考察结果，比较我国规范现状，提出了与未来规范的完善和发展相关的10个研究课题，包括：液化对设计谱的影响、特殊土类液化判定标准、区域性的液化判别标准、场地液化概率评价、基于液化土层PGD的结构物损害估计、液化引起地裂缝的生成条件、基于剪切波速的液化判别方法、VI度区内场地液化及危害性判定、深层土液化判定以及场地液化的现场判定和识别技术。关键词：液化；抗震规范；地震考察中图分类号：TU413.5文献标志码：AProposalsofliquefactionanalyticalmethodsinChineseseismicdesignprovisionsYUANXiao-ming,SUNRui（InstituteofEngineeringMechanics,ChinaEarthquakeAdministration,Harbin150080,China）Abstract:ThroughanalyzingChineseseismicitysituation,potentialliquefactionriskandseismicmitigationtechniques,theobjectivedemandforliquefactionanalyticalmethodsiselucidated.Meanwhile,theexistingliquefactionevaluatingmethodsinChineseseismicdesigncodesaresuccinctlyreviewed.LiquefactioninvestigationexperienceintherecentdisastrouseventsisoutlinedandresearchideasformodifyingtheprovisionsconcerningonliquefactioninChineseseismicdesigncodesareproposed.BymeansofreviewingtheseismichazardassessmentmethodsinChinaandanalyzingkeyseismicobservationareasandQuaternarydepositdistribution,thenecessityandurgencyfordevelopingliquefactionanalyticalmethodsaredemonstrated.Accordingtoliquefactioninvestigationof2003BachuearthquakeinXinjiangand2008greatWenchuanearthquakeandcomparingtheliquefactionprovisionsinChineseseismicdesigncodes,tenresearchtopicsonimprovingandmodifyingthefutureliquefactionprovisionsinChineseseismicdesigncodesareproposed,includinginfluenceofliquefactiononthedesignresponsespectra;liquefactionevaluationmethodsofspecialsoilcategories;regionalliquefactionevaluationnorms;possibilityevaluationtechniquesofsiteliquefaction;structuraldamageassessmentbasedonPGDonliquefiedsites;generatingconditionsforliquefaction-inducedgroundfissures;shear-wave-velocitybasedliquefactionevaluationmethods;siteliquefactionandriskassessmentinseismicintensityVI;deepsoilliquefactionevaluationmethodsandsiteliquefactionin-situevaluationanddetectingtechniques.Keywords:liquefaction;seismiccode;earthquakeinvestigation1引言场地的液化预测工作是工程抗震设计的基础，而规范中给出的相关条文是工程界进行液化分析首先选择的方法。特别是，与美国等国家为推荐性标准不同，以建筑抗震设计规范为代表的我国国家规范为工程抗震设计中强制性规定，因而其中的液化判别方法对实际工程的安全性和造价影响更大。实际地震液化调查是建立液化判别和预测方法最重要基础[1–4]，在国内外规范的制订和修订过程中均起到举足轻重的作用。我国以往河源地震、邢台地震、通海地震、海城地震和唐山地震中，都出352岩土力学2011年现了显著液化现象并对工程结构造成了很大破坏，我国的专家学者通过深入调查和系统研究，提出了具有中国特色的砂土液化判别方法，对我国乃至世界的工程抗震研究发展作出了重要贡献。同时，自1998年我国国家《防震减灾法》颁布实施以来，工程界对发展包括液化分析在内的工程场地地震安全性评价中的核心技术需求日趋强烈。但总体上说，从唐山地震后30年来，我国抗震规范中液化判别方法基本没有实质性的变化，这主要是由于对唐山地震以后发生的地震现场液化现象未再进行系统和深人的研究[5]。继1976年唐山大地震后，我国发生了几次大的破坏性地震。就液化问题而言，有两次地震较为显著。其一是2003年2月24日新疆喀什地区发生的巴楚—伽师6.8级地震（简称巴楚地震）；另一次是2008年四川发生的8.0级汶川大地震。两次地震中，均有大面积的液化发生，并造成了房屋建筑和基础设施严重破坏，但两次地震的液化特点明显不同。对这两次地震液化问题，中国地震局成立了调查组并设立了研究专项，进行了较为详细的现场勘察，获取了第一手资料。本文通过分析我国地震形势、液化震害潜在威胁以及震害防御工作现状，论述发展液化分析方法的客观需求，评述我国规范中现有液化判别方法，总结我国近来两次大地震液化场地的考察经验，提出与规范修订相关的研究设想，目标是为我国规范的完善和发展提供依据和思路。2我国震害防御工作的需求2.1严峻的地震形势中国是世界上地震活动最强烈和地震灾害最严重的国家之一。我国陆地仅占全球陆地面积7％，但20世纪全球大陆35％的7级以上地震发生我国。我国大陆大部分地区位于地震烈度Ⅵ度以上区域，其中50％的国土面积位于Ⅶ度以上的地震高烈度区域，包括了23个省会城市和2/3的百万人口以上的大城市。以往的研究认为，2006―2020年，我国大陆可能发生10次左右7.0级以上地震，甚至有发生8.0级以上特大地震的危险。事实上，2008年我国汶川发生了8.0级特大地震以及2010年青海发生的7.1级地震证明了上述推测，证实了以往中长期预测结果的可靠性。对于未来，全国27个地震危险区覆盖22个省、自治区、直辖市，加上东部地区可能发生5.0至6.0级中强地震的地区，我国绝大多数省、自治区、直辖市都面临着严重的潜在震灾威胁。2.2复杂的工程地质条件就我国大陆而言，第四纪沉积物分布极广，其中，中强地震下可出现液化及震陷破坏的软弱土分布广泛。到2020年，我国将全面建成小康社会。城市群和大城市是全面建设小康社会的关键，突出标志是京津环渤海、长江三角洲和珠江三角洲三大城市群的形成。到2020年，三大城市群将以3%的国土面积，承载近50%的人口，创造65%的GDP和90%的进出口值，成为中国经济发展的引擎，国家发展的战略平台和要地。由于地域特点，三大城市群很多城市特别是一些重要的大城市，位于各河流三角洲、沿海平原、冲洪积平原、洪积平原等地域，饱和粉土、粉砂和细砂广泛分布。在1975年海城地震和1976年唐山大地震中，京津环渤海城市群一些地区就出现了大量液化破坏现象，液化导致大量农田淹没，造成地基和土层附加沉降、结构和基础的倾覆、倾斜、开裂、滑动等，导致各类基础设施和建筑不能正常运行，功能部分甚至完全丧失，危害极大，举世闻名。建国以来长江三角洲和珠江三角洲没有经过中强以上地震的考验，但比较京津环渤海城市群，长江三角洲和珠江三角洲城市群土质条件更为复杂，由粉土、细砂、淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土和粉砂等组成的土层或互层土分布更为广泛，因此未来液化引起的潜在地震震害可能更大，已经引起了很多学者和工程技术人员的担忧。2.3迫切的客观需求图1为我国大陆地震重点监视区与与第四纪沉积分布迭加示意图。由图可见，我国大陆的地震重点监视区大部分位于软弱土地区，未来岩土地震破坏潜在危险很大。按照国家防震减灾规划，到2020年，我国基本具备综合抗御6级左右、相当于各地区地震基本烈度的地震的能力，大中城市和经济发达地区的防震减灾能力达到中等发达国家水平。为实现这一目标，提高城市和工程的地震灾害防御能力、做好震害预防是首要的工作。目前我国已经完成了一百多个城市地震小区划，几十个城市震害预测工作。2006―2009年期间，我国完成地震安全评价工作近万项，年均3000余项，但仍然距离实际需求相差甚远。同时，我国土木、水利工程的建设规模和发展速度已经成为全球之首，要达到位于Ⅵ度及以上地区的新建工程全部实现抗震设防的目标，未来还有增刊2袁晓铭等：我国规范液化分析方法的发展设想353大量工作。场地液化判别和预测是重大工程的地震安全性评价、地震小区划和震害预测工作中的核心技术之一[6]，方法本身的可靠性和先进性对各类工程在地震中的安全性和造价影响颇大。从目前工程实践看，很多工程技术人员反映，目前的方法对工程和设计的需求考虑不够，手段不够完善，总体上停留在30年前的水平。图1我国大陆地震重点监视区与第四纪沉积分布示意图Fig.1SketchofkeyobservationareasandQuaternarydepositdistributioninChinamainland3我国规范液化分析方法现状目前我国工程上最常用的砂土液化判别方法是建筑抗震规范中基于标准贯入试验（SPT）的计算方法，国内其他规范的液化判别方法大多是以此液化判别方法的基本思想发展起来的。这一公式建立时的基本模型为cr0wwss[1(2)(3)]NNddββ=+−+−（1）式中：crN为临界标贯击数；0N为标准贯入击数基准值；sd砂层埋深；wd为地下水深度；wβ、sβ分别为地下水位和砂层埋深影响系数。这一公式是我国专家学者多年研究的成果，