近年来，国内外学者从液化现象、发生机理、评价方法、测试与实验技术等方面对砂土液化进行了深入的研究和探讨。陈国兴等^[1]系统回顾和总结了近20 a国内外地震场地液化现象与评价准则适宜性；王维铭等^[2]研究了国内外几次大地震液化场地特征。液化评估从Seed经验法、标准贯入试验法(SPT)、静力触探试验法(CPT)、剪切波速法、振动三轴试验法、总应力法、有效应力法等发展到基于地表峰值加速度(PGA)和峰值速度(PGV)的双参数法^[3]以及以剪切波速与地表峰值加速度为依据的确定性及概率判别法^[4]。在液化分区研究方面，Sonmez^[5]应用改进的液化指数对土耳其Inegol地区液化敏感性进行分区；陈景仁等^{[6, 7]}对高雄都会区、屏东地区进行液化潜能的分区研究；Matsuoka等^[8]在液化评估的基础上对日本的工程地貌进行分区；Heidari等^[9]对美国南加州Charleston附近的海相沉积砂土层液化分区进行研究。

“液化潜能”(liquefaction potential)包含液化可能性和严重性两层含义，是指基于一个设计地震标准和现有建议方法对工程场地土层是否液化进行判断^[6]。“潜能”所表达的意义在于为工程设计与震害防御所用而并非现场真实发生液化现象的物理意义。

武汉市长江、汉江两岸Ⅰ级阶地上广泛覆盖全新世未经固结的沉积盖层，该地段地下水位浅，粉砂、粉土层埋藏较浅且密实度差，具备形成液化场地的必要条件。一旦受到破坏性地震的影响，伴随液化所产生的地表沉陷变形，对于房屋结构、桥梁、浅埋地下结构、地下管线等都可能造成极大损害。

本文利用武汉地震工程研究院有限公司在武汉主城区完成的地震安全性评价钻孔SPT-N资料，配合武汉市地震动参数小区划图，采用规范法进行液化判别，以液化指数作为分区指标，绘制武汉主城区液化潜能分区图。研究成果可作为武汉市地震小区划的有益补充，以期为本地区未来重大项目规划建设和震害防御提供参考。

1 地质环境条件 1.1 地形地貌

武汉市总体地势呈东高西低，南高北低，以丘陵与平原相间的波状起伏地形为主，长江两岸第四系地层较厚，可分为剥蚀丘陵、剥蚀垄岗和平原3个地貌类型。剥蚀丘陵和剥蚀垄岗主要分布在武昌和汉阳，在地貌结构上相当于河谷Ⅲ级阶地，表现为一系列相对为50~100 m走向近东西的剥蚀残丘构成；平原多位于长江和汉江两岸的高漫滩、Ⅰ级阶地、Ⅱ级阶地及Ⅲ级阶地的冲沟地带，地貌形态平坦宽阔。

1.2 地质构造

武汉市涉及3个二级大地构造单元，分别为下扬子台褶带、两湖断陷和桐柏-大别断隆。以北西向襄樊-广济深断裂带为界，南侧属下扬子台褶带和两湖断陷，北东侧属桐柏-大别断隆。新近纪以来，本带以继承性次级边缘断块差异活动或拗陷差异活动为主。市域内主要分布襄樊-广济断裂、青山口-黄陂断裂、乌龙泉断裂和金口-谌家矶断裂，这些断裂在新构造期都有不同程度的活动，沿断裂带有新生代喷出岩零星出露，为本区的主要发震构造。其中，襄樊-广济断裂和金口-谌家矶断裂沿线在历史上曾发生过破坏性地震。

1.3 地层岩性

根据岩土体分布、成因、类型及物理力学性质等，将武汉主城区第四系地层分为淤泥和淤泥质土、一般粘性土和老粘性土，工程地质分区如下。

1) 淤泥和淤泥质土区。

主要分布于河流、湖塘、暗塘(沟)等地，呈饱和、流塑状，分布不稳定，工程性能极差，多为静水环境沉积形成；淤泥质土呈饱和、流塑~软塑状，分布不稳定，偶夹薄层粉土，多为漫水区动水环境沉积形成。

2) 一般粘性土区。

主要分布于长江、汉江两岸、河流Ⅰ级阶地及高漫滩处，形成于第四系全新统(Q₄)，呈饱和、软塑~可塑状，局部含粉土、粉砂薄层，含水量丰富，工程性能一般。

3) 老粘土区。

主要分布在武昌、汉阳的Ⅱ级、Ⅲ级阶地和垄岗地区，形成于第四系下更新统至上更新统(Q_1-3)，呈稍湿、可塑~硬塑~坚硬状，局部夹碎石，工程性能良好。

4) 剥蚀丘陵区。

多分布于武昌，呈条带状分布，基岩出露，岩体力学强度较高，属坚硬~半坚硬岩类。

1.4 水文条件

武汉主城区被长江、汉江分割形成3个相对独立的水文地质区，各区段内发育地层岩性差异相应形成不同的地下水赋存空间，可分为4种地下水类型和9个含水岩组(表 1)。其中，第四系松散岩类孔隙水主要分布于长江、汉江两岸Ⅰ级阶地，赋存于砂性土层中，具有埋深浅、渗透性高、含水量大等特点，与长江、汉江水力联系紧密。此类地下水不仅直接影响工程建设的开挖、支护和防排水设计、施工，还为地震液化发生提供必要条件。

2 地震动参数

按照地震小区划成果，武汉市主城区根据工程地质等情况划分为7个设计地震参数分区，其中Ⅰ表示剥蚀丘陵区，Ⅱ表示老粘土和隐伏老粘土区，Ⅲ表示一般粘性土和淤泥质土区；A、B、C表示同一区中不同地震动参数分区，以上各区对应的基本地震烈度为Ⅵ度。各分区对应于50 a超越概率63%、10%和2%的地表水平向设计地震动峰值加速度如表 2所示。

将表 2中的地震动峰值加速度按GB18306-2015《中国地震动参数区划图》分区原则进行归档，武汉市主城区50 a超越概率63%和10%地震动峰值加速度分别归于 < 0.05 g和0.05 g两档，地基土可不进行液化判别；超越概率50 a 2%地震动峰值加速度除ⅠB区外，均归档于0.15 g，按GB5011-2010《建筑抗震设计规范》规定，需对20 m范围内的饱和粉土、粉(细)砂进行液化判别。

3 液化评估方法

在地面下20 m范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算：

$ {N_{{\rm{cr}}}} = {N_0}\beta ({\rm{ln}}(0.6{d_s} + 1.5){\rm{ - }}0.1{d_w})\;\sqrt {3/{\rho _c}} $

(1)

式中，N_cr为液化判别标准贯入锤击数临界值；N₀为液化判别标准贯入锤击数基准值，应按表 3采用；d_s为饱和土标准贯入点深度；d_w为地下水位；ρ_c为粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3；β为调整系数，设计地震第1组取0.80，第2组取0.95，第3组取1.05。

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时，应判为液化土。对存在液化土层的地基，应探明各液化土层的深度和厚度，按下式计算每个钻孔的液化指数，并按表 4综合划分液化等级：

$ {I_{{\rm{lE}}}} = \sum\limits_{i = 1}^n {\left( {1 - \frac{{{N_i}}}{{{N_{{\rm{cr}}i}}}}} \right){d_i}{W_i}} $

(2)

式中，I_lE为液化指数，n为在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点总数，N_i、N_cri分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值，d_i为i点所代表的土层厚度，W_i为i土层单位土层厚度的层位影响权函数值。

4 液化潜能分区

对武汉主城区液化潜能的分区工作拟定如下步骤：1)选取代表性工程场地，建立包含场地坐标、可液化土层分布、地下水位埋深、SPT-N值的钻孔数据库；2)按规范法对钻孔土层进行液化判别，判定为液化土的钻孔计算液化指数，取场地内各有效钻孔液化指数的算术平均值作为场地液化指数并确定其液化等级；3)根据计算结果结合场地坐标进行液化潜能分区。

4.1 基础数据

基础数据取自武汉地震工程研究院有限公司在武汉主城区完成且通过湖北省地震安全性评定委员会评审通过的工程场地地震安全性评价项目报告，建设项目类型涵盖超高层民用建筑、大型公共设施、跨江桥梁、隧道、轨道交通工程等，共收集2007~2015年报告358份，筛选出9个行政区中有代表性的133个项目，选取有效钻孔474个(表 5)。在选取钻孔时，综合考虑场地液化可能性，对于无可液化土层分布的场地取较大采样间隔，对于可能液化土层分布的场地须保证有较大密度。液化判别完成后，对于不同液化等级分界的区段进行二次加密，提高分区结果的可靠性和精度。

地下水位埋深对液化分析结果有很大的影响，考虑到历史最高水位或接近地表水位存在过于保守和不符合实际情况，故本文采用的地下水位均为钻孔实测水位。根据钻孔所得的地下水位绘制的武汉主城区地下水位埋深等高线，如图 1所示。可以看出，武汉主城区地形总体较平坦，水位埋深在4.5 m以内，无剧烈变化。水位埋深在平原地貌的临江、临湖段相对较浅，在剥蚀垄岗和剥蚀丘陵地貌段相对较深。

4.2 评估与分区

根据钻孔的SPT-N值，计算得到超越概率50 a 2%地震作用下各工程场地的液化指数和液化等级。结果显示，武汉主城区工程场地液化等级包括严重液化、中等液化、轻微液化和不液化4级(图 2)。将场地液化指数作为液化潜能指标并结合场地坐标形成数据文件，采用Kriging插值法对数据进行网格化处理，绘制武汉主城区液化潜能分区图(图 3)。分区中将严重液化划定为液化潜能高区，中等液化划定为液化潜能中等区，轻微液化和不液化合并为液化潜能低区。需要说明的是，位于主城区北部的洪山区部分区域由于没有采集到相关数据未纳入统计分析，该区域地处长江右岸Ⅰ级阶地，地下水位埋深较浅，存在液化的可能性。

由图 3可以看出，武汉主城区域面积80%以上属液化潜能低区；液化潜能中等区主要分布在长江右岸的洪山区和青山区临江段，长江左岸的汉阳区、江岸区临江段，江岸区武汉大道竹叶山段西侧、江汉区青年路沿线以及汉江以北硚口区局部临江地段；液化潜能高区仅在长江右岸的洪山区白沙洲武金堤段分布。除此之外，无论是分布面积还是液化潜能，长江右岸均大于长江左岸。结合图 4分析，长江右岸的水位埋深总体较左岸更浅应是其主要原因。我国的唐山地震、日本和台湾地区的液化场地调查都表明沿河、沿海地区液化尤其严重和集中^[6]，说明地下水位的埋深浅是发生场地液化的重要条件。

4.3 地下水位埋深

从可能发生液化的地下水位埋深统计分布来看(图 4、图 5)，武汉主城区水位埋深80%以上分布在1.0~2.5 m内，最大水位埋深2.8 m。将上述统计结果与王维铭等^[2]整理的4次历史地震(通海地震、唐山地震、阪神地震、集集地震)地下水位数据进行对比析(图 6)发现，4次历史地震中阪神地震液化场地水位埋深在3.0 m以内的占比约70%，通海地震、唐山地震和集集地震液化场地的水位埋深80%以上分布在3.0 m以内，且主要集中在1.0~2.0 m，这与武汉主城区液化场地统计结果基本一致。

从液化场地地下水位埋深的分布范围来看，4次历史地震与武汉主城区统计结果则差异明显。武汉主城区与通海地震液化场地的水位埋深均在3.0 m以内；唐山地震和阪神地震液化场地水位埋深分别在4.0 m、5.0 m以内；集集地震液化场地水位埋深分布最为广泛，0.0~9.0 m均有分布。

4.4 液化土层埋深

武汉主城区液化土层埋深在2.0~18.0 m均有分布，且6.0~14.0 m范围内相对集中，占比65%以上(图 7、图 8)。通过与4次历史地震液化场地土层埋深的对比发现(图 9)，通海地震液化土层埋深最浅，均在6.0 m以内，70%以上分布在0.0~2.0 m之间；唐山地震液化土层埋深在10.0 m之内，70%以上分布在2.0~6.0 m；阪神地震液化土层埋深在16.0 m之内，70%以上分布在4.0~8.0 m；集集地震液化土层埋深分布范围最大，0.0~20.0 m内均有分布，但主要集中在2.0~8.0 m。总体而言，武汉主城区与集集地震液化场地土层埋深分布更为接近，呈分布范围广、埋藏深度大的特点。另外，从图 7的液化土层埋深分布来看，中等液化点主要集中在2.0~10.0 m，这与唐山、集集地震场地液化资料统计结果一致。

5 结语

1) 液化判别结果显示，武汉主城区可能液化的范围包括长江、汉江两岸沿江段及Ⅰ级阶地部分地段，该区域地下水位埋藏浅，且广泛分布粉土、粉(细)砂层，符合土层液化的先决条件——粒径大小。剥蚀丘陵、垄岗地貌所属区域场地上覆第四系粘性土，水位埋深较大，液化可能性小。

2) 将武汉主城区分为液化潜能高区、液化潜能中等区和液化潜能低区3个区。武汉主城区域面积80%以上属液化潜能低区；液化潜能中等区和高区主要分布在临江段和Ⅰ级阶地部分区域。长江右岸的液化分布面积和液化潜能均大于长江左岸。

3) 武汉主城区可能液化场地的水位埋深在3.0 m以内，80%以上分布在1.0~2.5 m；液化土层埋深在2.0~18.0 m均有分布，6.0~14.0 m范围内相对集中，占比65%以上，液化潜能中等及以上的土层埋深主要集中在2.0~10.0 m。武汉主城区可能液化场地具有地下水位埋深浅、液化土层埋深分布范围广且埋藏深度大等特点。

4) 根据此次液化潜能分区结果，若发生罕遇地震，在沿江和Ⅰ级阶地部分区域可能发生中等至严重液化。采用桩基础的高层建筑，桩长穿越可液化土层，影响相对较小；液化主要影响采用天然地基的结构，对于浅埋地铁地下结构尤其在沿江、跨江段还将引起结构的上浮，在结构交接部位易产生应力集中造成破坏。

5) 液化潜能只反映了地基土液化的可能性和严重性，并不反映地基土-基础-上部结构共同作用的真实作用和震害水平。液化会使地基失效，也对上部结构有减震作用，即液化的“正负效应”。

6) 受搜集到的钻孔资料分布密度差异的影响，密度越大的区域所反映的液化敏感程度和评估可靠性越好；密度小的区域则有可能因样本数不足导致分析结果出现偏差。下一步工作将继续搜集和整理钻孔资料，提高液化潜能分区图的准确性。