地震液化是地震地质的主要灾害之一，会造成地基不均匀沉降、建筑物倾斜、地裂滑坡、道路滑移等破坏。学者们对砂土的液化特性及判别进行了深入的研究并取得了丰富的成果。1975年海城地震和1976年唐山地震后，辽宁盘锦和天津滨海等地区出现了大规模粉土地基液化现象，国内学者将研究液化的土类从单纯的砂土拓展至粉土^[1]。1999年土耳其Kocaeli震后，Sonmez等^[2]研究表明，可液化土涉及砾石土、砂土及粉土等土类。2008年汶川地震的震害调查表明，埋深超过20 m土层的深层液化是客观存在的^[3]。国内现行规范^[4]对液化判别具有重要的现实应用意义，但已无法完全满足工程液化判别的要求，如判别土类仅限于饱和砂土和粉土、不适用于埋深20 m以下的土层、不能反映上覆土层对液化判别层的作用以及没有考虑土体特性对液化的影响等。鉴于此，本文基于汉口某场地典型钻孔剖面，探讨运用土层地震反应分析对地震液化进行判别的具体方法及存在的问题。

1 计算模型 1.1 场地模型

本文的研究对象为汉口城区某场地钻孔剖面，根据岩土工程勘察资料，该场地较为平坦，第四系堆积层呈层状分布，岩土结构均匀，场地土层剖面见图 1，详细土层资料见表 1。

1.2 试样土动力参数

在不同剪应变γ条件下的场地土层动剪切模量比G_d/G_{d max}和阻尼比λ是场地土层地震反应分析中的必要资料。本文振动三轴液化试验在武汉地震工程研究院土动力实验室的SDT-10微机控制电液伺服动态土工三轴测试系统上进行，采用重塑成型的方法制样，液化强度试验按照土工试验规程^[5]进行，试验波形为正弦波，激振频率为1 Hz。液化判定采取双幅应变ε_d=5%作为初始液化标准。

对于第2层粉质粘土层，当双幅应变达到5%时循环振次超过400次且孔隙水压力始终达不到有效固结围压，故对该层初始液化判别为不液化；第3~7层的初始液化判别结果均为液化。剖面各典型土类的非线性土动力参数见表 2。土层地震反应分析计算中，素填土、卵砾石及砂岩的土动力参数参照《工程场地地震安全性评价规范》。

1.3 基岩输入地震动

地震动特性受震级、记录场地的震中距和岩土条件的影响，在选择强震地面运动记录时需要考虑以上因素。作为基岩输入地震动应选择合适的基岩场地上记录的强震。考虑汉口地区的地震环境并依据地震危险性概率分析结果，场地在50 a 10%、2%及100 a 2%的超越概率水平下基岩PGA分别为53 Gal、106 Gal和132 Gal。表 3为本次挑选的芦山地震余震及集集地震的强震地面运动记录信息。图 2为挑选的强震记录加速度时程及人工合成基岩加速度时程，加速度校正方法见文献[6]。其中，在50 a 10%概率水平下，芦山地震余震CHN00252波与人工波的频谱特征较类似，中、高频成分较为丰富；对于50 a 2%和100 a 2%概率水平，集集地震TWN00122波、TWN00085波的低频成分相当丰富，而人工波的中、高频分量较多。另外，所挑选的50 a 2%、100 a 2%概率水平的天然地震波在平稳段的持续时间明显高于人工地震波。

2 计算方法与结果分析 2.1 土体抗液化剪应力τ_d

按双幅应变达到5%的液化判别标准，动三轴试验得到各试样在不同循环振次下的液化应力比成果见图 3和表 4。经计算，场地在50 a 10%、2%和100 a 2%概率水平下的地表PGA分别为80 Gal、145 Gal和185 Gal，对应地震烈度分别为Ⅵ度、Ⅶ度和Ⅷ度。

自然状态下土体的抗液化剪应力τ_d可由式(1)确定^[7]：

(1)

式中，τ_d为土体抗液化剪应力(kPa)；C_r为应力校正系数，一般取值0.6；σ′_v为地震前上覆土层自重有效应力(kPa)；σ_d/(2σ′₀)为液化应力比。结合表 4得到各土层的抗液化剪应力列于表 5。

2.2 地震作用下平均剪应力τ_e

为兼顾计算的完整性和应用的便捷性，采用一维等效线性化土层反应方法，近似处理土体的非线性问题，该方法在地震动不大、土体不软的情况下计算结果是可靠的^[8]。其基本思想是：在总动力学近似等效的意义上，用一条等效稳态回线代表所有回线的平均关系，用一个等效剪切模量和阻尼比代替不同应变下的对应值，将非线性问题近似地简化为线性问题，在频域中进行分析^[9]。

因该场地较平坦且土层呈层状分布，假设该场地土层在地震时仅承受水平剪切运动，并假定一初始剪切模量G₀和阻尼比λ₀，通过迭代法得到各层土的剪应变幅值。再找出相对应的误差范围内(本次取5%)的剪切模量G′和阻尼比λ′，此时可认为土体的应力应变关系得到满足，可进一步分别求得各层土在地震作用下的剪应力时程和平均剪应力τ_e。

根据场地模型(表 1、图 1)及土动力参数(表 2)，利用LSSRLI软件分别输入各超越概率水平天然地震波和人工波，通过土层反应计算，得到各层土在不同地震作用下的平均剪应力τ_e(表 6)。

2.3 液化判别结果及分析

利用土体在不同地震作用下的抗液化剪应力τ_d与地震平均剪应力τ_e的比值表征液化可能性指数f，可判别各层土液化的可能性。若f≥1，可能液化；若f＜1，不液化(表 7)。

从表 7可知，对于同一层土，随着地震动强度的提高，f值相应增大，代表土层液化的可能性增大；对于同一类土性的土(如第5~7层细砂层)，在相同强度的地震动作用下，随着埋深的增加，f值对应减小，表明液化的可能性随埋深增大而减小。输入天然地震波和人工波得到的计算结果较为类似，但也略有差异：Ⅵ度时，场地内各层土均不发生液化；Ⅶ度时，第4~5层粉细砂层、细砂层可能液化，另外天然地震波计算结果显示，埋深超过20 m的第6层细砂层可能液化；Ⅷ度时，第4~6层粉细砂层、细砂层均可能液化，天然地震动结果中埋深达36 m的第7层仍可能液化。

上述结果表明，土层反应液化判别的差异可能受输入地震动的频谱特性影响。在相同概率水平的地震作用下，如50 a 2%和100 a 2%概率水平，输入低频成分发育的天然地震动所得到的液化可能性指数f值越大，且液化判别深度更深。

此外，输入地震波持时的长短对液化与否的影响较大，即地震动有效持时越长，场地发生液化的可能性越大。事实上，2010年智利地震中记录到地震动持时达到120 s的Ⅴ~Ⅵ度区甚至出现了液化场地^[10]。本文所挑选的天然地震动平稳段持续时间明显大于人工地震动，这可能是导致在天然地震动作用下液化深度更大的原因。

2.4 原位测试比较分析

目前液化判别的原位测试方法主要有标准贯入法、静力触探贯入阻力法、剪切波速法等，其基本原理是将实测值与经验公式计算得到的可液化临界值进行对比。其中最常用的是《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)^[4]规定的标准贯入液化判别方法，该方法是基于国内几次大震数据统计建立的，即计算不同地震作用下底面埋深20 m深度范围内液化判别标准贯入锤击数临界值N_cr，并与实测标准贯入值N比较，若N_cr≥N，判别为液化，否则判为不液化。表 8为标准贯入法的液化判别结果。

对比表 7和表 8的液化判别结果发现，两种判别方法对第4~5层粉细砂、细砂层等的判别结果是一致的，表明对于该区粉细砂层、细砂层的液化判别，应用土层地震反应方法是合适的。对于埋深超过20 m的土层，规范中并没有确定的判别方法，本文的土层反应法可供参考。然而对第3层粉土层，两种方法判别结果并不吻合，因本区缺少震害现场液化数据及液化回判机制，无法判断哪种方法更可靠。然而研究表明^[11]，武汉地区埋深超过10 m的粉土在Ⅶ度和Ⅷ度时可判为不液化，这与本文的结果一致。

受取样扰动、重塑制样等因素影响，饱和粉土、砂土的液化强度取值可能有一定的偏差，土层反应得到的液化应力不一定就是地震作用时的真实状态。输入地震动的不同会造成液化判别结果的差异，故挑选合适的强地面震动记录至关重要。另外，本文在计算土体抗液化强度时，只考虑了土层本身的有效重力，忽略了上覆建筑物的重力对计算结果的影响。

3 结语

本文以汉口地区典型钻孔剖面为例，结合动三轴试验，证明了土层反应法判别地震液化是可行的，并得到初步结论：1)汉口地区埋深超过20 m的砂土层在Ⅶ度、Ⅷ度地震作用下有液化的可能性；2)土层液化的可能性随着埋深的增大而减小；3)输入地震动的频谱特性及平稳段持续时间等因素可影响液化判别结果，其详细的作用机制及影响程度还需进一步研究。

由于深层土液化现象客观存在且目前规范尚无关于深层土液化判定的统一方法，本文土层反应法可为埋深超过20 m的深层液化判别提供参考。