4.4 可液化场地

4.4.1 当抗震设防地震动分档为0.05g时，对标准设防类城市轨道交通结构物可不进行场地地震液化判别和处理；对特殊设防类、重点设防类城市轨道交通结构物可按抗震设防地震动分档为0.10g的要求进行场地地震液化判别和处理。当抗震设防地震动分档为0.10g及以上时，重点设防类、标准设防类城市轨道交通结构物可按本地区的抗震设防地震动分档的要求或采用经主管部门批准的工程场地地震安全性评价的结果进行场地地震液化判别；特殊设防类轨道交通结构物应进行专门的场地液化和处理措施研究。对特殊设防类、重点设防类轨道交通结构物，宜对遭遇E3地震作用时的场地液化效应进行评价。
4.4.2 对砾粒含量较高的饱和砂土、饱和粉土、饱和粉细砂与粉质黏土互层土、饱和混砂土，其液化可能性宜做专门研究。
4.4.3 液化判别宜采用有成熟经验的多种方法，综合判定液化可能性和液化程度。
4.4.4 可液化土(不含黄土)的场地地震液化初步判别应符合下列规定：
    1 当地质年代为第四纪晚更新世(Q3)及其以前，且抗震设防地震动分档为0.10(0.15)g、0.20(0.30)g时，可判别为不液化。
    2 当粒径小于0.005mm的粉土的黏粒含量百分率对应抗震设防地震动分档为0.10(0.15)g、0.20(0.30)g、0.40g分别不小于10、13和16时，可判为不液化土。
    3 对浅埋天然地基的结构物，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响：

d_u＞d₀＋d_b-2 （4.4.4-1）
d_w＞d₀＋d_b-3 （4.4.4-2）
d_u＋d_w＞1.5d₀＋2d_b-4.5 （4.4.4-3）

式中：d_u——上覆盖非液化土层厚度(m)，计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除；
          d_b——基础埋置深度(m)，不超过2m时应采用2m；
          d_w——地下水位深度(m)；
          d₀——液化土特征深度(m)，可按表4.4.4采用。

表4.4.4 液化土特征深度(m)

注：表中的0.10(0.15)g等表不抗震设防地震动分档。
4.4.5 场地地震液化的进一步判别可采用标准贯入试验判别法，并应符合下列规定：
1 液化判别的土层深度应达到地面以下20m。当饱和土标准贯入锤击数(未经杆长修正)小于或等于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判为可液化土。
2 在地面下20m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算：

    式中：N_cr——判别标准贯入液化锤击数临界值；
          N₀——液化判别标准贯入锤击数基准值；
          d_s——饱和土标准贯入点深度(m)；
          d_w——地下水位深度(m)；
          ρ_c——黏粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3；
          η_m——与设防地震动加速度反应谱特征周期分区相关的调整系数。
    3 液化判别标准贯入锤击数基准值N₀应按表4.4.5-1采用。

表4.4.5-1 液化判别标准贯入锤击数基准值N₀

4 与设防地震动加速度反应谱特征周期分区相关的调整系数η_m应按表4.4.5-2选用。

表4.4.5-2 调整系数η_m

4.4.6 对判定为发生液化的土层，应根据土层的液化程度对地基的变形模量、地基的基床系数、地基承载力和桩周边土的承载力等土层设计参数进行修正。
4.4.7 可液化土层的设计参数宜采用该土层在不发生液化时的土层设计参数乘以该土层的液化影响折减系数c_e进行修正。土层液化影响折减系数可按表4.4.7取值。折减系数为0的土层不应计该土层的抗力作用。

表4.4.7 土层液化影响折减系数c_e

4.4.8 当采用标准贯入锤击数表征土的液化抗力时，土层的液化抵抗率可按下式计算：

    式中：F_L——土层的液化抵抗率；
          N₁——场地土标准贯入锤击数实测值；
          N_cr——液化判别标准贯入锤击数临界值。
4.4.9 地基液化等级应按下列方法判别：
    1 对存在可液化土层的地基，应探明各可液化土层的深度和厚度，按下式计算每个钻孔的液化指数，且应按表4.4.9-1综合划分：

    式中：I_IE——液化指数；
          n——在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数；
          N_i——i点标准贯入锤击数实测值；
          N_cri——i点液化判别标准贯入锤击数临界值，当实测值大于临界值时应取临界值的数值；
          d_i——i点所代表的土层厚度(m)，可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标准贯入试验点深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度；
          W_i——i土层单位土层厚度的层位影响权函数值(m^-1)。

表4.4.9-1 地基液化等级与液化指数的对应关系

2 W_i应按表4.4.9-2取值，但当只需考虑深度在15m以内的液化时，15m(不包括15m)以下的W_i值可视为零。

表4.4.9-2 液化判别的单位土层厚度的层位影响权函数值W_i(1/m)

4.4.10 当可液化土层比较平坦且均匀时，宜按表4.4.10的要求选用地基抗液化措施；尚可计入上部结构重力荷载对液化危害的影响，根据液化震陷量的估计适当调整抗液化措施。不宜将未经处理的可液化土层作为天然地基持力层。

表4.4.10 抗液化措施

4.4.11 全部消除地基液化沉陷的措施应符合下列规定：
    1 采用桩基时，桩端伸入液化深度以下稳定土层中的长度(不包括桩尖部分)，应按计算确定，且对碎石土，砾、粗、中砂，坚硬黏性土和密实粉土尚不应小于0.5m，对其他非岩石土尚不宜小于1.5m。
    2 区间隧道、地下车站结构以及特殊设防类、重点设防类的其他结构物的深基础，其底面应埋入液化深度以下的稳定土层中，其深度不应小于0.5m。
    3 当采用振冲、振动加密、挤密碎石桩或强夯等加密法加固时，应处理至液化深度下界；振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于本规范第4.4.5条规定的液化判别标准贯入锤击数临界值。
    4 采用非液化土替换液化土层。
    5 当采用加密法或换土法处理时，在基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面下处理深度的1/2且不应小于基础宽度的1/5。当区间隧道、地下车站结构处于液化土层中并采用加密法或换土法处理时，其处理宽度不宜小于液化土层厚度。
    6 当采用注浆、旋喷或深层搅拌等方法进行基底土加固时，处理深度应达到可液化土层的下界。当区间隧道、地下车站结构处于液化土层中并采用注浆方法加固时，注浆厚度不宜小于液化土层厚度。
    7 将永久性围护结构嵌入非液化土层。
4.4.12 部分消除地基液化沉陷的措施，应符合下列规定：
    1 处理深度应使处理后的地基液化指数减小，当液化判别深度为15m时，其值不宜大于4；当液化判别深度为20m时，其值不宜大于5。对独立基础和条形基础，尚不应小于基础底面下液化土特征深度和基础宽度的最大值。
    2 采用振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于本规范第4.4.5条规定的液化判别标准贯入锤击数临界值。
    3 基础边缘以外的处理宽度，应符合本规范第4.4.11条第5款的规定。
4.4.13 减轻液化影响的基础和上部结构处理，可综合采用下列各项措施：
    1 选择合适的基础埋置深度；
    2 调整基础底面积，减少基础偏心；
    3 加强基础的整体性和刚度；
    4 减轻荷载，增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式等；
    5 在管道穿过结构物处预留足够尺寸或采用柔性接头等。

条文说明

4.4.1 本条规定主要依据液化场地的震害调查结果。多数资料表明抗震设防地震动分档0.05g区的液化对一般城市轨道交通结构物所造成的震害是比较轻的。所以规定抗震设防地震动分档0.05g时，一般情况下可不进行液化判别和处理。但对液化沉陷敏感的城市轨道交通结构物可按抗震设防地震动分档0.10(0.15)g的要求进行判别和处理。
4.4.2 饱和松砂和饱和粉土属于可液化土层，这已经被历次地震的震害调查结果所证实。汶川地震砂土液化现场考察发现10余处液化地点有砂砾石喷出，最大直径为3cm～10cm，并通过勘察验证了砂砾层液化现象的存在；分析现场考察资料发现，液化砂砾土的平均粒径0.4mm～10mm，不均匀系数3～20，曲率系数0.3～1.2；汶川地震液化喷水持续时间明显比唐山地震短，说明地下液化层不同于以往的纯砂层，地震时的超孔隙水压力消散较快，使砂砾层液化的可能性较大。较早的震害调查也发现砂砾料发生液化破坏的实例，如：1975年海城7.3级地震时辽宁省营口市石门岭水库心墙土石坝上游砂砾料坝壳水下部分发生液化、滑坡；1976年唐山7.8级地震时北京密云水库白河主坝黏土斜墙上游保护层砂砾料发生液化、滑坡。
    含砾粒砂土、粉质黏土与粉砂互层土、混砂土可以发生液化，但目前对其液化性能的研究尚不充分，对其液化问题作为砂土或粉土处理，也是不合适的，应进行专门的研究。
4.4.3 现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011中给出的判别方法是根据实际液化与非液化资料的统计分析给出的。它主要以地表是否已喷水冒砂和液化引起的滑移等宏观震害现象而确定的。另外这种情况所定义的液化不完全等同于由取土样并进行三轴试验而确定的“初始液化”、“完全液化”、“固态转变为液态”等液化的概念。本规范强调以震害调查为基础的宏观判别和以原位测试及室内试验为主要依据的进一步判别相结合的方法。先从宏观判别入手，经宏观判别认为有液化可能性时，再做进一步判别；而宏观判别认为没有液化可能性时，则不再做进一步判别。
    地震液化是由多种复杂的内因和外因综合作用的结果。而“液化”或“不液化”这两种复杂的现象绝非一个简单的定值标准所能概括。工程设计中的“液化”概念，只能是一个概念性的、潜在的趋势。因此，强调进一步判别时宜结合国内外有代表性的研究成果，采用多种方法进行分析、比较和判断，不宜采用单一方法做出判定。当多种方法判别有矛盾时，应根据地震地质条件以及具体工程情况，做出科学、合理的综合判定。
4.4.4 液化初步判别方法取自现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011。此方法是根据对新中国成立以来历次大地震的地震区可能液化的土层液化情况进行统计分析得出的，同时也借鉴了国外的研究成果和经验。
    根据对唐山地震区砂土液化的宏观调查表明，震中区为滦河二级阶地，地层年代为晚更新世(Q₃)地层，地下水位为3m～4m，表层为3.0m左右的黏性土，其下为饱和砂层，在地震烈度10度情况下没有发生液化；而在一级阶地及高河漫滩等地分布的地质年代较新的地层，地震烈度虽然只有7度和8度却发生了大面积的液化；其他震区的河流冲积地层在地质年代较老的地层中也没有发现液化实例。国外学者Youd和Perkins的研究结果表明，饱和松散的水力冲填土差不多总会液化，全新世的无黏性土对液化也是敏感的，更新世发生液化的情况很罕见，前更新世发生液化的情况更加罕见。这些结论虽然是根据1975年以前世界范围的地震液化资料给出的，但在后来的1978年日本的两次地震和1977年罗马尼亚地震已经获得了证实。
    室内试验说明：土的液化强度是随着黏粒含量的增加而提高的。海城、唐山地震现场勘察资料也表明，当黏粒含量达到一定的数值后，就很少发生液化。因此规定，对地震动峰值加速度分区0.10(0.15)g、0.20(0.30)g和0.40g的地区的粉土的黏粒(粒径小于0.005mm的颗粒)含量百分率分别不小于10、13和16时，可判为不液化土。需要注意的是：黏粒含量必须严格遵守操作规程，采用六偏磷酸钠作为分散剂测定，如果采用其他分散剂或者其他颗粒分析方法，则应按有关规定换算。
    关于利用上覆非液化土层厚度和地下水位深度进行液化初判的界限值，是根据唐山、海城和日本新潟地震地震区的调查结果，并考虑一定的安全系数确定的。对以往的震害调查表明，地下水位较高的情况产生液化的例子较多，对地下水位较低的情况或当地表有较厚的非液化覆盖层时，即使下覆可能液化的土层发生液化，由于上覆有效压力比较大，可以抑制液化的土喷冒出地面，因此地基也不会产生大量的下沉和不均匀沉降。
4.4.5 本条文主要给出了场地地震液化的进一步判别方法。
    1 液化判别的深度。汶川地震砂土液化现场考察发现4个不同地区的村庄均出现了液化喷水高度达10m以上的情况，勘察确认了20m以内深处土层液化的真实性。过去的多次大地震中也发现，地面以下15m～20m的粉细砂层可能发生液化。另外，考虑到城市轨道交通高架区间结构、高架车站结构的基础埋深很大，多采用桩基础；且区间隧道结构、地下车站结构是城市轨道交通结构的主要组成部分，地下车站结构为浅覆深埋结构，二层～三层的地下车站结构的底面埋深达15m～20m，甚至超过20m；单层区间隧道底面埋深可能达10m～15m，双层或交叉区间隧道下层底面埋深可能达到甚至超过25m。因此，地面以下15m～20m范围内土层的液化，可能引起地下车站结构和区间隧道的严重破坏或上浮，对地面以下20m土层进行液化判别是非常必要的。所以本条文关于液化判别的深度采用现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011中的规定，即对地面以下20m深度范围的饱和砂土、粉土应采用标准贯入试验法判别。
    对超过20m深度土层的深层土液化问题，目前的研究还不够深入，当地下车站结构和区间隧道的底面埋深超过20m时，对深层土层的液化问题，有必要进行专门的研究。
    2 进一步判别时宜采用多种方法进行分析、比较和判断。当有成熟经验时，尚可采用其他液化判别方法。有代表性的方法：
        (1)NCEER法：即经Youd等修改后的Seed简化方法，是国外目前普遍接受的液化判别方法；
        (2)砂土液化概率判别法：陈国兴等(2005)选取国内外25次大地震中344个场地的实测资料，提出以地面峰值加速度为指标并具有概率意义的液化判别方法；
        (3)静力触探试验判别法：此方法已纳入现行国家标准《铁路工程抗震设计规范》GB 50111；
        (4)剪切波速判别法；
        (5)动三轴试验判别法。
4.4.6 土工试验测得的土层设计参数是在一定的荷载条件下得到的，不一定完全符合结构物真实的荷载条件。例如，饱和松散的砂土地基会因为地震时的液化而丧失承载力。因此，本条规定判定为发生液化的土层，相应于其液化程度应对土层设计参数进行修正。
4.4.7 确定土层液化影响的折减系数也可以采用其他成熟的方法。
4.4.8 本条文制定参考了现行国家标准《铁路工程抗震设计规范》GB 50111的相关规定。
4.4.9 液化等级的划分为液化危害的估计提供了一个简单的方法，可以根据液化等级对场地的喷水冒砂程度、对地下结构物和地面结构物基础的可能损坏做粗略地预估。液化的等级为轻微、中等和严重三级；根据我国百余个液化震害资料，各级液化等级(判别深度15m)下，地面喷水冒砂情况以及对地面结构物的危害程度，见表1。

表1 液化等级和对建筑物相应的危害程度

4.4.10 抗液化措施是对液化地基的综合治理。要注意以下几点：
    (1)判定为发生液化的土层，如果采取抗液化措施，则不必根据其液化程度对土的参数进行修正。因为土已经过抗液化处理，不可能液化；其土性参数也不再是液化时的土性参数。
    (2)本条规定不宜将未经处理的可液化土层作为天然地基持力层。理论分析和振动台试验均已证明液化的主要危害来自基础外侧，液化持力层范围内位于基础正下方的部位其实最难液化，由于最先液化区域对基础正下方未液化部分的影响，使之失去侧边土压力支持。在外侧易液化区的影响得到控制的情况下，轻微液化的土层是可以作为基础的持力层的。并且通过震害调查与有限元分析显示，当基础宽度与液化层厚之比大于3时，则液化震陷不超过液化层厚的1％，不致引起结构严重破坏。所以将轻微和中等液化的土层作为持力层不是绝对不允许，但应经过严密的论证。
    (3)倾斜场地的土层液化往往带来大面积土体滑动，造成严重后果，而水平场地土层液化的后果一般只造成建筑的不均匀下沉和倾斜，本条规定不适用于坡度大于10度的倾斜场地和液化土层严重不均的情况。
    (4)液化等级属于轻微者，除特殊设防类、重点设防类结构物由于其重要性需确保安全外，一般不作特殊处理，因为这类场地可能不发生喷水冒砂，即使发生也不致造成结构物的严重危害。
    (5)对于液化等级属于中等的场地，尽量多考虑采用较易实施的基础与结构物处理的构造措施，不一定要加固处理液化土层。
    (6)在液化层深厚的情况下，消除部分液化沉陷的措施，处理深度不一定达到液化下界，可以残留部分未经处理的液化层。
    (7)强烈地震时软土发生震陷，不仅被科学实验和理论研究证实，而且在宏观震害调查中，也证明存在软土震陷。但研究成果尚不够充分，因此本条只是给出了必要时可以根据液化震陷量的评价结果适当调整抗液化措施的原则规定。
4.4.11～4.4.13 这三条中规定了消除或部分消除液化震陷、减轻液化影响的具体措施，这些措施都是在震害调查和分析判断的基础上提出来的。条文的制定参考了现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011，特别强调了对区间隧道、地下车站结构处于液化土层中的处理要求。

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