土壤地震液化評價方法研究進展

❶ 什麼是地基土的液化液化會造成哪些震害影響地基土液化的主要因素有哪些

地基土液化是指飽水的粉細砂或輕亞粘土在地震力的作用下瞬時失掉強度,由固態變成液態的力學過程。砂土液化主要是在靜力或動力作用下,砂土中孔隙水壓力上升,抗剪強度或剪切剛度降低並趨於消失所引起的。
地震地質災害類型主要有: 地基土液化、軟土震陷、崩塌、滑坡、地裂縫和泥石流。
影響地基液化的因素：
影響地基液化的因素飽和砂土或粉土液化除了地震的振動特性外，還取決於土的自身狀態：
1．土飽和，即要有水，且無良好的排水條件；
2．土要足夠鬆散，即砂土或粉土的密實度不好；
3．土承受的靜載大小，主要取決於可液化土層的埋深大小，埋深大，土層所受正壓力加大，有利於提高抗液化能力。此外，土顆粒大小，土中粘粒含量的大小，級配情況等也影響到土的抗液化能力。
在地震區，一般應避免用未經加固處理的可液化土層作天然地基的持力層。

❷ 土地資源評價及土壤質量研究進展

關於土地的研究評價工作，涉及土地資源評價和土壤質量研究兩大方面。國外和國內在這方面的研究互有借鑒，也各具特點。

(一)土地資源評價方法研究進展

1.國外土地評價方法

土地評價的目的就是為合理利用土地、發展經濟提供科學依據。根據評價過程和指標的不同，土地評價方法分為三大類。第一類是定性方法，第二類是定量方法，第三類是介於前二者之間的半定量土地評價方法。國際上典型的定性化土地評價方法有以美國為代表的土地潛力評價和聯合國糧農組織的土地適宜性評價；定量化土地評價方法主要有模型方法和系統動力學方法；半定量土地評價有參數方法和生態帶(區)方法。

1)土地潛力評價方法。1961年美國對土地潛力進行了評價分類。該土地潛力分類系統首先按土地的用途區分為野生、林業、牧用和農用四類，再根據土地潛力影響因子的限定性和障礙性程度將土地分為八級(表2-1、圖2-1)。

2)土地適宜性評價方法。1976年，聯合國糧農組織(FAO)發布了土地適宜性評價(《A Framework for Land Evaluation》)。FAO土地適宜性評價分類系統將土地分為適宜和不適宜兩大類，又按適宜程度和限制性因子分為綱、級、亞級、單元四級(表2-2)。由表2-2可以看出，FAO土地適宜性評價分類系統僅僅是一個評價框架，評價結果的詳略程度可以根據地區條件和評價要求的不同而定。

表2-1 美國的土地潛力分類系統Table 2-1 Land potential classification system of the USA

圖2-1 美國的土地潛力分類示意圖

圖中Ⅰ—Ⅷ表示土地分級

Fig.2-1 Land potential classification sketch map of the USA

表2-2 聯合國FAO土地適宜性評價分類系統Table 2-2 Classification system of the FAO of the UN for estimating land applicability

3)農業生態區方法(AEZ)。1978年，聯合國發布的農業生態區方法(AEZ)是把一個土地區域劃分為具有相同性質的很小的土地單元，評價土地適宜性、土地潛力和環境影響的方法。農業生態區是依氣候、地形、土壤、土地覆被來定義的土地資源單位，每個區內對土地利用來說具有特定的潛力和限制性范圍；農業生態單元(AEC)是由地形、土壤、氣候特徵組成的最小單元，是農業生態區法的基本單元。其基本工作程序是：第一步，確定土地利用方式及其生態要求，即確定土地利用方式和土地利用方式的生態要求；第二步，從土壤和地形、氣候、土地利用或土地覆被現狀、行政區等方面開展土地資源調查工作，並結合農業生態區根據土地特性和質量劃分農業生態單元；第三步，根據自然產量，劃分土地等級。

4)持續土地利用管理評價。1993年，聯合國FAO發布了《持續土地利用管理評價綱要(An International Framework for Evaluating Sustainable Land Management)》(FESLM)。該評價方法遵循生產性(proctivity)、穩定性(security)、保護性(protection)、經濟可行性(viability)和社會接受性(acceptability)等五個評價准則(pillars)。FESLM指標分為自然方面、生物方面、經濟方面、社會方面的指標共四大類。各類指標詳盡而復雜，例如《無灌溉農業土地評價指南》中自然方面的指標包括太陽輻射、溫度、有效給水狀況、根層有效給氧狀況(排水)、有效給養狀況、養分保持能力、紮根條件、影響發芽與成苗的條件、影響生長的空氣濕度、成熟條件、洪水風險、氣候風險、鹽鹼化、有毒物質、病蟲害、土壤可使用性、機械化潛力、土地預備與清理要求(植被/雜草)、存儲與加工條件、影響生產時間安排的條件、生產單元內的可達性、潛在管理單元大小、區位、侵蝕風險、土壤退化風險等等。

5)模型方法。1990年，根據1989年七國首腦會議的要求，經濟合作與發展組織(OECD)啟動了生態環境指標研究項目，創立了「壓力-狀態-響應」(PSR)模型的概念框架。有關指標見表2-3和表2-4。

表2-3 壓力-狀態-響應模型的部分指標Table 2-3 Part of the indexes of the pressure-condition-reaction model

表2-4 環境性狀相關指標(EPI)Table 2-4 Relative environmental properties index

續表

2.國內土地評價方法

我國古代對土地分類定級的工作開始較早，如禹貢時代將土地分為9等，戰國時代將土地分為3等18類共90種，宋朝、明朝、清朝分別將土地分為5等、13等和4等。我國現代土地分類定級工作主要涉及三個部門或單位，即農業部、國土資源部和中國科學院南京土壤研究所。

(1)耕地地力調查與質量評價

農業部開展全國耕地地力調查與質量評價的目的在於查清我國耕地土壤養分狀況、土壤污染問題。該工作以縣為單位，圖件比例尺1：5萬；耕地基礎地力構成要素包括立地條件、土壤條件和農田基礎設施條件。立地條件又包括地貌類型、地形坡度和坡向等、成土母質(殘積物、坡積物、洪積物、沖積物、湖積物、海積物、黃土母質等)；土壤條件包括土壤剖面與土體構型、土層狀況(耕層厚度、有效土層厚度、土體厚度、障礙層深度和厚度等)、耕層土壤理化性狀(質地、容重、pH值、交換量、有機質、礦質養分、含鹽量、鹽分構成、地下水礦化度、鹼化度和石灰含量等)、直接污染源的背景值、土壤侵蝕程度；農田基礎設施條件包括農田水利工程、水土保持工程、田園化與植被生態建設、土壤培肥水平等。不同類型區的耕地基礎地力評價因素應反映地區性特點(表2-5)。

通過全國耕地地力調查與質量評價，將全國耕地類型區系統劃分為東北黑土型耕地類型區(水稻土)、北方平原潮土-砂姜黑土耕地類型區、北方山地丘陵棕壤-褐土型耕地類型區(含黃棕壤、黃褐土)、黃土高原黃土型耕地類型區、內陸灌漠(淤)土耕地類型區、南方稻田類型區、南方山地丘陵紅黃壤(含紫色土、石灰岩土)旱耕地類型區等7個類型。1996年頒布了農業部行業標准《全國耕作類型區、耕地地力等級劃分》，2002年全國農業技術推廣服務中心會同有關單位又制定了《全國耕地地力調查與質量評價技術規程》(試行)。由上可知，該評價體系側重於分類，在土地等級劃分上仍然是以糧食產量為標准，沒有將自然條件和人為投入體現出來。

表2-5 我國南方耕地基礎地力評價因素Table 2-5 Factors for estimating the soil fertility of the farmland in south China

(2)農用地分等定級估價

國土資源部開展的農用地分等定級估價是「新一輪國土資源大調查——土地資源監測調查工程」的重要組成部分，是繼土地詳查摸清農用地數量和權屬後，對農用地質量和價格的大調查，旨在摸清我國農用地質量等級與價格，建立起農用地的等、級、價體系。《農用地分等規程》、《農用地定級規程》、《農用地估價規程》三個行業標准從2003年8月1日起正式頒布實施。

農用地分等技術思路表明，土地等別揭示了生產能力及其分布，包括光溫生產潛力(土地質量差異基準面)、自然質量(土地自然條件差異)、開發利用(生產者平均利用水平差異)和綜合因素(平均投入產出水平差異)等，等別層次揭示了開發利用潛力。該農用地評價體系具有以下特點：①與土地詳查、土壤普查成果相銜接；②綜合運用土地自然評價、土地經濟評價和土地利用評價的理論與方法；③在全國范圍內可比，通過包括光溫生產潛力指數、標准耕作制度、產量比系數、指定作物最大產量、最大「產量-成本」指數等國家級參數體系實現；④綜合農用地利用現狀評價、潛力評價和適宜性評價，將分等和定級結合起來。其不足之處在於沒能夠開展土壤樣品的采樣分析，部分數據陳舊。

(3)土壤質量演變規律與持續利用研究

中國科學院南京土壤研究所主持完成的國家重點基礎研究計劃項目(973項目)「土壤質量演變規律與持續利用」的總體目標是：建立土壤質量指標體系與評價系統，提出土壤質量國家標準的建議方案；評估我國主要類型耕地土壤質量，揭示其演變規律；揭示土壤圈層界面物質交換規律及其對土壤質量的影響機理；創建主要耕地土壤質量的保持與定向培育理論，建立典型耕地土壤質量資料庫與咨詢系統。主要關注的科學問題包括：①土壤質量的演變機理、分異規律及保持與定向培育理論，著重闡明影響我國土壤質量變化的主要過程、機理和調控理論，以提出均衡土壤養分和提高土壤肥力、調控鹽鹼和酸化障礙因子，修復污染土壤，減輕土壤侵蝕，有效提高土壤質量的理論依據，為發展土壤資源的持續利用理論奠定基礎；②土壤圈層界面物質交換對土壤質量與動植物健康的影響機制，著重闡明土壤圈與水、氣、生物及岩石圈層界面的主要物質交換過程、速率、通量及關鍵因子，揭示土壤圈層界面物質交換的規律，及與土壤質量形成和環境演變的關系，提出土壤質量培育的界面調控理論和途徑；③土壤質量指標的表徵理論與方法，運用先進的量化表達理論和方法，對遴選獲得的表徵土壤質量的指標進行賦值、標准化，依據系統研究建立的土壤質量指標體系和評價系統，對土壤質量狀況進行評價。

通過重點研究，初步制定了我國主要土壤類型黑土、潮土、紅壤、水稻土、菜園土的土壤肥力質量評價指標和土壤健康質量基準。

(二)土壤質量研究進展

1.國外土壤質量評價

土壤質量是土壤在一定的生態系統內，提供生命必須養分和生產生物物質的能力，容納、降解、凈化污染物質和維護生態平衡的能力，影響和促進植物、動物和人類生命安全和健康的能力之綜合量度。

土壤質量包括三層內涵和功能：第一，土壤生產力，即土壤提高植物和生物生產力的能力；第二，環境質量，即土壤降低環境污染物和病菌損害的能力；第三，動物健康，即土壤質量影響動植物和人類健康的能力。這三項功能也被稱為土壤肥力質量、土壤環境質量和土壤健康質量，有關指標見表2-6、表2-7和表2-8。

表2-6 土壤質量田間描述性指標Table 2-6 Descriptive index of the soil quality in the field

續表

表2-7 常用土壤質量分析性指標Table 2-7 Common analytic index for soil quality

表2-8 土壤質量和健康狀況參數及其與土壤質量的聯系Table 2-8 Soil quality and health condition parameters and their relationship with soil quality

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2.國內土壤質量評價

國內關於土壤質量的研究主要集中在土壤背景值、土壤環境容量和土壤環境質量標准研究等三個方面。

(1)土壤背景值調查和研究

土壤環境背景值是指土壤在發育形成過程中，未受或很少受到人為活動的影響，特別是未受或很少受到污染、破壞的情況下，土壤本身固有的化學組成和含量。它基本反映土壤環境原有的物質組成、性質和結構特徵。「七五」期間，由國家環境保護局主持、國家教育委員會和中國科學院參與主持的國家科技攻關項目「全國土壤環境背景值研究」，是迄今為止最為系統的土壤重金屬背景值研究成果。與世界土壤相比，我國土壤的砷、鋅、銅含量高於世界均值；汞、錳、鈷在世界范圍值之中；鎘、鉻、鎳低於世界均值；鉛的變異超出世界平均范圍。歷時16年的全國第二次土壤普查工作，重點對土壤中N、P、K、Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo等9 種營養元素進行了系統測試分析，建立了土壤肥力分級標准。

(2)土壤環境容量研究

環境容量這一概念，大約於20世紀70年代引入到環境科學領域。目前關於土壤環境容量的概念尚在探索之中。一種觀點認為，土壤存在一個可承納一定污染物而不致污染作物的量。一般將土壤所允許承納污染物質的最大數量稱為土壤環境容量。另一種觀點認為，土壤環境容量是在不使土壤生態系統的結構和功能受到損害的條件下，土壤中所承納污染物的最大數量。後者強調必須明確污染物對土壤生態系統的結構和功能的影響，以及系統結構和功能方面的要求。不少國家，如前聯邦德國、日本、前蘇聯、澳大利亞等國家確定了某些污染物的土壤環境污染標准。我國對土壤環境容量研究已有一些報道。

土壤臨界容量可用於表徵土壤對各種污染物的容納能力。在獲得土壤對污染物的各種生態效應和環境效應，並獲得各種單一體系的臨界含量後，就可以採用各種效應的綜合臨界指標得出整個土壤生態系統的臨界含量，並作為國家制定環境標準的依據和確定土壤環境容量的依據。表2-9為我國草甸褐土區各單體系的臨界含量。

表2-9 我國草甸褐土區各單體系臨界含量Table 2-9 Critical content of each system in meadow brown soil area of China

註：*地表徑流、地下滲漏水不超標；**3.5mg/kg時，地表徑流、地下滲漏水不超標。(據夏增祿，1986)

用數學模型定量表達土壤環境容量的方法尚在探索之中。目前，常採用的確定土壤環境容量的方法包括土壤靜容量和土壤動容量。土壤靜容量是根據土壤的環境背景值和環境標準的差值來推算容量的一種簡易方法，可由C_s=M(C_i—C_Bi)表示(式中：M為每畝耕層土壤重量(kg)，C_i為i元素的土壤臨界含量(mg/kg)，C_Bi為i元素的土壤背景值(mg/kg))。這時，現存容量C_sp=M(C_i—C_Bi—C_P)，C_P是土壤中人為污染而增加的量。另外，土壤環境容量也可用Q=(C_K-B)×150粗略估計(式中：Q為基本的土壤環境容量(g/畝)，C_K為土壤環境標准值(mg/kg)，B為區域土壤背景值(mg/kg))。

土壤是一個開放的物質體系，污染物可進入土壤，也可以輸出。土壤動容量是根據污染物的殘留來計算土壤的環境容量。假定年輸入量為Q，年輸出量為Q′，若Q大於Q′，則殘留量為Q-Q′。隨著時間的推移，殘留量也不斷地增加，造成積累。累積率(K)為殘留量(Q-Q′)與輸入量Q之比，則n年內土壤污染物累積總量A_T(含當年輸入量)為A_T=Q+QK+QK²+…+QKⁿ，而n年內的污染物殘留總量R_T(不含當年輸入量)則為R_T=QK+QK²+…+QKⁿ。當年限n足夠長時，QKⁿ趨於零，A_T達到最大極限值。因此，污染物在土壤中的年累積量為A_T′=K(B+Q)(式中：A_Tˊ為污染物在土壤中的年累積量(mg/kg)，K 為土壤污染物年殘留率(%)，B 為污染物的區域土壤背景值(mg/kg)，Q為土壤污染物的年輸入量(mg/kg))。假定每年殘留率(K)相同、年輸入量相同，則n年內土壤的總累積量為A_T=BKⁿ+QK

。從式中可以看出，年殘留率K值的大小，對計算結果影響很大。不同地區的土壤，不同的污染物，其K 值也有差異，需通過試驗求得。利用這種計算方法，可預測某污染物累積達到區域的環境標准所需要的年限。

(3)土壤環境質量標准研究

為貫徹《中華人民共和國環境保護法》，防止土壤污染，保護生態環境，保障農林生產，維護人體健康，我國於1995年制定頒布了土壤環境質量標准(GB15618—1995)(表2-10)。該標准按土壤應用功能、保護目標和土壤主要性質，規定了土壤中污染物的最高允許濃度指標值，用於農田、蔬菜地、茶園、果園、牧場、林地、自然保護區等的土壤。該標准根據土壤應用功能和保護目標，將土壤劃分為三類：Ⅰ類主要適用於國家規定的自然保護區(原有背景重金屬含量高的除外)、集中式生活飲用水源地、茶園、牧場和其他保護地區的土壤，土壤質量基本保持自然背景水平；Ⅱ類主要適用於一般農田、蔬菜地、茶園、果園、牧場等土壤，土壤質量基本上對植物和環境不造成危害和污染；Ⅲ類主要適用於林地土壤及污染物容量較大的高背景值土壤和礦產附近等地的農田土壤(蔬菜地除外)，土壤質量基本上對植物和環境不造成危害和污染。

表2-10 土壤環境質量標准值Table 2-10 Environmental quality standard for soils(mg/kg)

註：①重金屬(鉻主要是三價)和砷均按元素量計，適用於陽離子交換量＞5cmol(+)/kg的土壤，若≤5cmol(+)/kg，其標准值為表內數值的半數；②水旱輪作地的土壤環境質量標准，砷採用水田值，鉻採用旱地值。

該標准規定，一級標准為保護區域自然生態、維持自然背景的土壤環境質量的限制值；二級標准為保障農業生產、維護人體健康的土壤限制值；三級標准為保障農林業生產和植物正常生長的土壤臨界值。各類土壤環境質量執行標準的級別規定為：Ⅰ類土壤環境質量執行一級標准；Ⅱ類土壤環境質量執行二級標准；Ⅲ類土壤環境質量執行三級標准。

❸ 地質災害風險評估方法研究進展

一、評估方法的分類及適用性

對基於GIS的滑坡危險性評估方法分類和評述可參見Soeters和Van Westen（1996）、Carrara等（1995，1999）、Guzzetti等（1999），Aleotti和Chowry（1999）和Van Westen（2000）發表的文章。一致認為評估方法可分為4類：

（1）基於滑坡編目的概率方法；

（2）啟發式方法（直接方法——地貌填圖，或間接方法——定性圖的結合）；

（3）統計方法（雙變數或多變數統計）；

（4）確定性方法（Soeters和Van Westen，1996）。有關滑坡風險評估方面的出版物不多，但最近有一些關於滑坡風險評估的綜述出版物值得稱贊，如Cruden和Fell（1997）、Guzzetti（2000）、Dai等（2002）的文章以及Lee和Jone（2004）出版的教科書。根據澳大利亞岩土力學協會滑坡風險管理分委會提出的分類方法是基於定量化水平分為以下三種：

（1）定性方法（以定性術語表示概率和損失）；

（2）半定量方法（指標性概率和定性術語）；

（3）定量方法（概率和損失的定量化）。

總的來說，滑坡空間分析方法可以分為兩大類：一是定性方法，包括滑坡編目和啟發式方法；二是定量方法，包括統計概率預測和基於過程的數值模擬方法。根據Soeters和van Westen（1996）的研究，將不同尺度的滑坡空間分析所適用的方法加以概括（表2-8）。將滑坡危險性的4種方法與3種風險評估方法進行組合，便可以獲得適用於中比例尺（1∶10000～1∶50000）的多種有用的方法（表2-9）。

表2-8 不同尺度滑坡災害空間分析建議方法

表2-9 中比例尺基於GIS滑坡風險區劃的評估方法和特定組合的有用性

註：0：危險性評估方法不適合風險評估方法；1：有用性中等的組合，危險性評估方法不太適合於風險評估方法；2：有用性高的組合，危險性方法可能是用於風險評估的最好方法，但這取決於數據的可得性（如歷史滑坡記錄）；3：最有用的組合，在可得的輸入數據條件下會得出最好的風險評估結果。

如果在滑坡編目中有滑坡發生的時間和規模方面的信息可以利用的話，就可以估計一定地點特定時間給定規模的滑坡發生概率。滑坡編目的另一用途是對滑坡危險性分析的結果進行驗證和校正。因此，最好將滑坡編目數據分成兩組，一組用於滑坡分析，另一組用於驗證（Chung和Fabbri，1999）。這往往是一個最基本的、但往往被忽視的問題。應投入較大的資源進行高質量的滑坡編目，以保證獲得可靠的空間分析數據。

啟發式方法基於對當地有關滑坡的認識和專家的判斷。這種方法還使用空間信息解釋滑坡的發生。通常這樣的信息包括地形、水文、地質、岩土、地貌、植被以及土地利用等信息。通過野外調查和航片的解譯獲得這些信息。不同專家對於環境因子對滑坡的影響判斷是不同的，主要取決於他（們）對滑坡的認識和經驗。這種判斷的主觀性以及沒有確定的標准使得啟發式方法具有明顯的缺陷。然而，如果專家對其所研究的滑坡機制有深入的了解，並對研究區進行過詳細調查研究，使用這種評估方法得出的結果還是比較准確的和適用的，特別是對滑坡敏感性的首次估計。啟發式方法適用於定性和半定量風險評估，可以用有限經費編制出較大面積的可靠的滑坡圖，當然，這些工作要由專家來做才行。

與定性方法不同的是，定量方法主要基於客觀准則進行評估，從理論上來講，使用大致相同的數據會得出比較一致的結果。定量方法中統計方法應用的最普遍。利用多元回歸或判別分析，將環境因子（如地質、地貌、土壤、地形、水文、植被等）分布圖與滑坡編目圖（發生地點）進行空間統計計算，得到滑坡危險性圖。或者通過概率預測模型（如貝葉斯概率法和模糊邏輯法）也可以計算得出滑坡危險性圖。滑坡危險性圖是靜態的，沒有考慮氣象條件的變化、流域匯水條件的變化和人類對環境條件的影響。統計方法非常適用於空間概率的評估，但在評估時間概率或未來環境變化效應時存在問題。如果與不同觸發事件的滑坡編目圖結合，可能是在較大范圍地區進行定量風險評估的最好方法。

另一類定量方法是基於過程的模型方法。這類模型將地形屬性（如坡度、曲度、坡向、距河道的距離、匯水面積等）與水文特徵（土壤飽和度、滲透性和水力傳導性等）相結合，以獲得有關土壤岩土性質（如凝聚力、內摩擦角、比重），從而進行坡體穩定性分析。主要可利用的模型是無限坡法，如由Montgomery和Dietrich（1994）開發的SHALSTAB模型，該模型在美國許多地區和巴西里約熱內盧得到了廣泛的應用。最近由Günther等（2002）開發的數字電影模擬方法也用於滑坡空間分析上。

對於定量風險評估，基於滑坡編目的概率方法通常是最好的方法（假設條件是過去發生的滑坡事件是未來發生滑坡的指示）。然而，這種方法需要相當完整的歷史滑坡記錄。在因氣候變化導致環境發生巨大變化的地區，滑坡頻率將發生顯著變化，該方法不適用於這類地區。一般來講，滑坡風險定量評估的最好選擇是應用確定性滑坡穩定模型，與山坡水文條件動態模型相結合。這需要覆蓋大面積地區的大量數據，並且要對滑坡類型和滑坡深度進行很大程度的簡化。

二、評估方法的進展

1.滑坡編目方法的進展

世界上只有極少數的地方建立了過去50～100年的完整的歷史滑坡記錄。在一些國家建立國家滑坡編目資料庫，有時可以通過互聯網獲取資料庫中的信息。其中最好的資料庫包括義大利、中國香港、瑞士、法國、加拿大和哥倫比亞。可以利用這些數據進行滑坡危險性概率評估，這是定量風險評估的基礎。根據Crovelli（2000），通常利用歷史滑坡數據進行滑坡危險性評估的適用概率模型有兩類：連續時間模型和離散時間模型。例如Coe等（2004a,b）將西雅圖市（1909～1999）歷史滑坡資料庫有關信息輸入到泊松模型中，據此估計出單體滑坡未來發生概率；還利用雙峰概率模型估計了滑坡群年發生概率。這些成果圖顯示出未來可能發生的滑坡密度、平均重現期和超越概率。

香港是另一個具有相當豐富信息的滑坡資料庫的典範。使用了將概率方法和啟發式調整因素相結合的方法，利用該資料庫的詳細信息，估計了切坡失穩的年概率（Finlay等，1997）。歷史滑坡記錄還被用於計算滑坡觸發事件（如降雨和地震）的概率。紐西蘭是這類分析研究的理想場所，確定了不同降雨強度下降雨臨界值和滑坡概率（Glade，1997；Crozier和Glade，1999）。估計未來滑坡事件的頻率和規模是必不可少的工作，最好在任何重大災難性事件（地震、暴雨和颶風等）發生後，地貌學家應立即開展滑坡現象的編目以及不同承災體損失調查。

2.啟發式方法的進展

許多國家和地區實施的定性風險評估程序採用了啟發式方法。例如美國加州（Blake等，2002）、紐西蘭（Glassey等，2003），澳大利亞（AGSO，2001；Michael—Leiba等，2003）、法國（Flageollet，1989）和瑞士（Lateltin，1997）。在澳大利亞國家地質災害易損性的城市社區項目（或城市項目）是一項有關分析和評估包括滑坡在內的地質災害對城市構成風險的計劃，所使用的方法絕大多數是基於專家或地貌的啟發式方法（AGSO，2001）。大區域的滑坡風險定量評估通常是一項艱巨的任務，因為計算整個地區的滑坡強度和頻率是非常困難的事情，即便是藉助GIS先進手段也是如此。在實踐中，通常使用簡化的定性評估程序，就像瑞士的做法一樣（Lateltin，1997）（圖2-1）。

地質災害風險評估理論與實踐

圖2-1 瑞士水與地質聯邦辦公室採用的滑坡風險評估簡化方案

註：表格中E為動能；V為滑坡速度；M為潛在物源物質的厚度；H為泥石流的高度。在這種方法中，沒有根據滑坡發生的概率對滑坡事件做進一步的劃分。

基於專家經驗的定性方法將評估地區劃分為幾類風險地區：即「非常高」、「高」、「中等」、「低」、「非常低」的不同等級的風險地區。建議要對這些不同等級的風險說明實際應用的含義。例如，在非常高的風險地區，需要物理和非物理治理措施，必須限制更多的基礎設施建設等。澳大利亞岩土力學協會滑坡風險分委會發布了有關財產滑坡風險評估的術語和方法指南，該指南綜合考慮了滑坡發生的可能性及其可能的後果（與圖3-1的方法相似），使用的方法適用於GIS環境的空間分析。

由於GIS技術的普遍應用，越來越多地使用了間接性的敏感性編圖方法，而有關利用GIS的專家啟發式的地貌編圖或指數疊加編圖方法（如Barredo等，2000； Van Westen等，2000）方面的出版物越來越少。 如上所述， 目前有關滑坡的資料庫的不完善和數據標準的不統一，以及滑坡敏感性、危險性和風險性評估中存在的諸多困難，都需要專家的經驗和知識開展滑坡風險評估和區劃研究。特別是將地貌學家的啟發式推理與計算機輔助模擬相結合的專家模型用以滑坡風險評估。美國開發的SMORPH模型便是這類模型的代表。該模型根據地形坡度和曲度將山坡劃分為高、中、低不同的滑坡危險性等級。

風險編圖將會從問題導向方法中受益匪淺，如可以僅選擇那些已知的、造成破壞的滑坡失穩類型來確定風險影響因素。

3.統計方法的進展

地理信息系統（GIS）非常適用於間接的滑坡敏感性編圖。可利用GIS的數據整合技術將使所有可能影響滑坡的地形要素與滑坡編目圖結合起來（Van Westen，1993；Bonham Carte，1996；Chung和Fabbri，1999）。Chung和Fabbri（1999）開發出基於預測模擬的統計程序，將有利函數應用於每個參數上。使用該統計方法，可將地形單元或網格元調整為代表某特定滑坡類型未來發生概率的新數值。

值得注意的是，如何在滑坡敏感性統計評估中確定基礎編圖單元。從DEM中自動生成地形單元分類是主要的挑戰之一。Chuang等（1995）定義了「唯一條件多變形」的概念，以此作為統計分析的基礎單元對參數輸入層進行疊加。M ller等（2001）定義並描述了利用GIS從DEM中生成的「土壤力學響應單元」（SMRU）的概念。以此作為基礎單元，將啟發式方法與土壤力學方法相結合對德國Rheinhessen地區進行了滑坡危險性評估。Juang等（1992）、Davis和Keller（1997）、Binaghi 等（1998）、Ercanoglu和Gokceoglu（2001）以及Gorsevski等（2003）綜合運用了模糊學方法，進行了基於GIS的滑坡危險性評估。

採用實證權重模擬的雙變數統計分析一直被廣泛應用。該方法可以靈活地測試用於滑坡敏感性分析的輸入因素的重要性，並可作為基於專家編圖的輔助工具（Lee等，2002；Suzen和Doyuran，2003；Van Westen等，2003）。多變數統計分析也很重要，也是被廣泛應用的方法（Carrara等，1999；Santacana等，2003）。根據最近的文獻，目前最受歡迎的新的滑坡危險性統計方法是邏輯回歸和人工神經網路（ANN）（如Chung等，1995；Rowbotham和Dudycha，1998；Ohlmacher和Davis，2003；Dai和Lee，2003）。ANN為輸入層和輸出層之間提供了一種轉換機制，需要藉助MATLAB系統完成有關計算。

用於滑坡風險評估的統計方法存在一些缺陷。一是簡化了滑坡影響因素，僅考慮那些容易進行編圖的因素或可以從DEM中生成的參數。二是關繫到使用的統計方法的假設條件——在相似的環境組合條件下發生滑坡的可能性大。實際上環境因素在不斷發生變化。三是不同滑坡類型有著不同的屬性特徵，應單獨進行分析和評估。實踐中因種種困難，難於做到這點。統計模型通常忽視了滑坡的時間方面，不能預測控制條件（如水位波動、土地利用變化和氣候變化）的影響。因此，統計模型不能提供全面的時間概率信息，從而使其應用到定量風險評估變得困難。然而，如果能夠利用特定時間間隔或特定重現期的滑坡編目圖來生成統計關系，就會改進統計方法的評估水平。

近年來有一些關於將統計方法與不同時期滑坡圖相結合的研究成果發表。例如，Zêzere等（2004）提出了用於葡萄牙里斯本北部滑坡危險性評估的區域尺度概率統計分析方法。他們基於「唯一條件多變形」這一基礎單元，利用邏輯回歸方法進行了滑坡危險性分析，得出的預測率曲線被用於滑坡敏感性圖的定量解釋和分類。由於滑坡與特定重現期的觸發降雨事件相關，他們還將時間概率值關聯起來。Dai和Lee（2003）在香港的部分地區也開展了類似的研究。然而，上述兩個案例研究只開展了滑坡危險性評估，沒有開展滑坡的風險評估。目前關於應用統計方法開展滑坡風險評估的研究還很少見。Remonodo等（2004）在西班牙北部進行的風險評估（包括使用過去損失數據進行易損性評估）是為數不多的研究案例之一。

4.確定性和動力模型方法的進展

在確定性分析中，根據斜坡穩定性模型計算的安全系數來確定滑坡危險性。確定性模型提供了滑坡危險性最好的定量信息，可直接用於岩土工程設計或定量風險評估。然而，確定性模型需要大量的輸入數據，這些數據需要通過實驗室試驗和野外測量獲得，因此僅能在小范圍內使用確定模型。Dietrich等（2001）、Gritzner等（2001）、Chen和Lee（2003）、Van Beek和Van Asch（2003）等研究人員，將確定性模型與降雨誘發的潛層滑坡聯系起來，開發出了水文動力模型（模擬孔隙水壓力的時間變化）與斜坡穩定性模型耦合的GIS模型，用以定量分析臨界孔隙水壓力值。由美國森林管理局開發的斜坡穩定性模型也是基於無限斜坡方程。Hammond等（1992）使用了該模型並利用蒙特卡羅模擬器得出斜坡失穩的概率值。Davis和Keller（1997）以及Zhou等（2003）還嘗試將蒙特卡羅與模糊方法相結合來確定斜坡失穩概率。

用於地震誘發的滑坡危險分析的確定型方法通常是基於簡化的Newmark斜坡穩定性模型，Miles 和Ho（1999）、Luzi等（2000）、Randall等（2000）、Jibson等（2000）在GIS的每個計算單元上應用Newmark斜坡穩定性模型，得出滑坡危險性預測值。Refice和Capolongo（2002）還開展了將蒙特卡羅模擬方法與Newmark斜坡穩定性模型相結合的研究。

Anderson和Howes（1985）使用了完全不同的方法。他們開發出將水文斜坡穩定性模型耦合在內的2D模型（目前為CHASM），用於道路邊坡滑坡危險性編圖。Van Asch等（1993）和Moon 和Blackstock（2003）也使用了該方法對奧地利西部的Vorarlberg的小型匯水流域以及紐西蘭惠靈頓市分別開展了滑坡危險性評估。Miller和Sias（1998）使用2維有限元模型模擬非承壓地下水的通量，計算了水位高度和大型滑坡不同剖面（採用簡化的Bishop分隔方法）的安全系數。

GIS被廣泛應用於滑坡活動范圍的模擬。Dymond等（1999）開發了不同暴雨事件和土地利用情景下，淺層滑坡及其向河網輸送沉積物的、基於GIS的計算機模擬模型。高解析度的DEM是模型中的主要部分。De Joode和VanSteijn（2003）建立了一個簡單又完整的過程模型，用以模擬降雨誘發的滑坡初始滑動、沿剖面的徑流、物質傳輸、侵蝕以及在主要溝谷中的泥石流擴展。在模擬滑坡的流動速度和影響范圍時，普遍採用了細胞單元自動生成法（Avolio等2000）。

許多研究人員（如Terlien，1996；Montgomery等，1998；Dietrich等，2001；VanBeek，2002）開展了GIS環境下的確定性動態模擬研究。如果輸入氣象數據，確定型模型就能夠預測斜坡失穩的空間和時間頻率。最近研發出的一些模型可以預測斜坡失穩後物質的運移過程並確定出泥石流的影響帶（Chen和Lee，2003）。這些信息將直接用於滑坡易損性和風險評估。確定性模型與統計模型相比，其優勢是可以預測不同的土地利用情景（目前不存在）下的滑坡危險性變化，還可以預測氣候條件變化情景下的滑坡危險性。

然而，確定型模型的參數化方面的限制，使滑坡發生的時空頻率及其影響范圍的預測的准確性具有許多不確定性。在匯水流域尺度上，僅可對誘發機制較為簡單、水文構型簡單的滑坡能進行模擬預測。由於滑坡發生的時間和空間分布數據有限，難於進行模型的矯正和有效性檢驗。在滑坡活動范圍和沉積帶中物質厚度的分布是重要的模型校正與檢驗參數（Van Asch等，2004）。

❹ 德商高速公路鄄城黃河大橋橋基砂土液化綜合評判

邢永強

（河南省國土資源科學研究院地質環境所，鄭州 450053）

《隧道建設》，文章編號：1672-741X-(2006)-03-0017-04

摘要 德商高速公路鄄城黃河大橋橋位區地震活動頻繁，地基飽水的粉、細砂層發育。通過場地液化勢宏觀和微觀判別，對橋區地基進行了液化綜合評判，計算了橋區地基液化指數，劃分了液化等級；指出砂土液化必須採用多種方法進行綜合判別，以提高液化判別的可靠性。

關鍵詞 砂土液化 場地液化勢 綜合評判

1 引言

地基液化是地震所引起的顯著震害之一，地震引起的砂土液化導致建築物整體失穩等現象越來越受到人們的關注。我國1966～1976年期間先後發生的邢台、海城和唐山3次強地震事件，都伴隨著大范圍的地震液化，致使建築物倒塌，造成了嚴重經濟損失和人員傷亡。地基的抗震問題中最突出的是飽和砂土的液化，若能事先准確判別液化，就可在設計中採取適當措施加以預防；如果漏判、誤判，將會給工程留下安全隱患。在烈度值較高的地區進行工程建設，液化判別是可液化地基需要解決的首要問題。

飽和砂土的地震液化是基於多種因素共同作用的一個復雜過程，其內因在於砂土質條件，如相對密度、顆粒級配、平均粒徑、不均勻系數、滲透系數、塑性指數、粘粒含量、土體結構及超固結比等，即地基土質條件；外因在於動荷條件，如震級大小、幅值、頻率、歷時及方向等，主要指區域地震條件；媒因即催化因素，埋藏條件（包括上覆地層的排水條件、有效壓力及應力歷史等）、場地地形地貌、地下水作用、地基與建築物的相互作用等，主要指場地條件。對於地震液化的評價，實質上就是對上述各種因素在給定條件下可能產生的作用進行全面的估計。本文通過場地液化勢宏觀判別與微觀判別相結合的方法對橋位區的砂土液化進行了比較詳細的綜合評判，並以此為例，探討評判中值得研究的問題和方法，以便今後能盡量合理地評價在地震作用下的飽和砂土的液化問題。

2 工程概況

擬建鄄城黃河公路大橋是一座橫跨黃河的特大橋梁，地處山東省西南部鄄城縣以北，位於山東、河南兩省交界處，地理位置在東經115°15′～115°35′，北緯35°35′～36°00′之間，是規劃建設的德（州）至商（丘）高速公路的一個重要控制工程，起點樁號K199+150，終點樁號K206+870，全長7.720km，工程投資估算總金額為9.12億元。鄄城黃河公路大橋的建設，將成為解決擬建的德州至商丘高速公路運輸的關鍵；對改善我國公路交通網，晉煤東運、中原油田的開發等均具有重要意義。

3 橋基場地岩土工程條件

擬建大橋橋位區（以下稱評估區）位於黃河中下游，地處黃河沖積平原，屬華北平原的一部分；黃河兩岸為廣闊的河漫灘地，地形平坦開闊，地層地貌總體變化不大，為河漫灘相二元結構。地基土主要以第四系全新統沖積低液限亞砂土為主，夾薄層低液限亞粘土和粉細砂，黃色、黃褐色、灰黃色，粘粒平均含量小於7%，軟塑或流塑狀，容許承載力80～110kPa。由於地下水位埋藏較淺（0.00～3.00m），上部砂性土、黏性土常處於地下水位以下，土層鬆散飽和、力學強度較低，工程地質條件較差，壓縮性高，結構疏鬆不均勻，層位、層次變化大，常以互層狀、薄層狀及透鏡體狀出現；標貫擊數為3～13擊，底板埋深25～30m（河南省國土資源科學研究院，2005）。

4 評估區地質構造

評估區位於中國三級階梯的中後部，區域大地構造上屬中朝准地台，地處新華夏系第二沉降帶東濮凹陷與魯西隆起區菏澤斷凸的交匯地帶，區域地質構造較復雜。評估區處於魯西隆起的西部邊緣，處於斷裂強烈活動帶，較大斷裂主要有：西側為呈南北向分布的聊蘭大斷裂，南側呈東西向分布的鄆城斷裂，東部呈南北向分布的曹縣斷裂，范縣與鄄城交界處呈東西向分布的范梁斷裂，范梁斷裂沿鄄城北部伸入范縣境與聊蘭斷裂交會，橋位北岸接該斷裂呈現垂直交叉態勢。其中，聊蘭大斷裂為本區的主要控震斷裂，該斷裂為新華夏系構造體系，生成時間晚、規模大，新生代乃至全新世仍有強烈活動跡象；該斷裂使東西兩側菏澤斷凸與東濮凹陷落差最大達7 000餘m，成為東濮凹陷與魯西隆起的主要分界斷層。西部凹陷區的持續下降，沉積了巨厚的新生代地層，凹陷區與東部相對穩定的魯西隆起之間產生強大的剪切能，在交界斷層上逐漸集聚，促使斷層深部撕裂和淺部滑動，成為強震源泉，形成了范縣、鄄城、菏澤地震構造帶。國家地震局將該地區列為地震重點監視區，對各類工程建設有較大影響。

5 地震活動概況

評估區位於華北平原地震帶南端，歷史上鄄城、范縣及附近地區發生2.0級以上地震部分記錄見表1。國家地震局通過分析華北地區歷史上發生的地震，得出地震活動具有周期性的規律，活躍期之間為穩定期，其中活躍期如下：

第一活躍期：1022～1068年共46年，後接平靜期140年；

第二活躍期：1209～1368年共159年，後接平靜期115年；

第三活躍期：1484～1730年共246年，後接平靜期84年；

第四活躍期：1815～現在（未結束）。

評估區區域新構造運動強烈，構造上處在華北第二沉降帶和第三隆起帶過渡帶，是華北第4個地震活動期內強震的空白地段。3級以上地震發生頻率為23年/次，大部分的強震都集中在斷裂帶交會的部位。根據本區新構造運動非常活躍的特點，推測本區地震今後仍會頻繁發生。

根據國家質量技術監督局發布的GB18306—2001《中國地震動參數區劃圖》，評估區內地震動峰值加速度為0.20 g，評估區內地震基本烈度為Ⅷ度。

表1 鄄城、范縣及附近地震部分記錄一覽表Table1 The partial earthquake records in Juancheng，Fan county and nearby regions

6 場地液化勢宏觀判別

場地液化勢宏觀判別主要考慮下列3個因素：地基土質條件、區域地震條件和場地條件。

6.1 地基土質條件

（1）砂土類型：從唐山和海城地震地表噴砂的粒度分析，七度區液化砂土主要為粉、細砂及部分亞粘土，其平均粒徑D₅₀介於0.021～0.170mm之間，不均勻系數U_c介於1.9～3.4之間，而粒徑D₅₀小於0.005mm的粘粒含量不大於10%。評估區內粉土的粘粒（粒徑小於0.005mm的顆粒）含量百分率小於7%，不均勻系數U_c介於2.0～3.6之間，具備砂土液化形成條件。

（2）砂土密實度：地震時，鬆散、飽水的砂土比密實狀態下的砂土更易液化。因為飽和砂土受震動作用時產生的孔隙水壓力與土的密度有密切的關系，土的密度越小，自由水越多，孔隙水壓力就越大。因此，砂土的相對密度是判別是否產生地震液化的定性指標之一。從海城、唐山地震經驗來看，砂的相對密度如大於0.55，七度區可不發生液化；由於標貫值N_63.5值越小，表示土越松，其沉降液化量也越大，所以實際工程中，砂土的相對密度一般可根據所得實際土層的標准貫入錘擊數N_63.5查得相對密度。評估區內標貫擊數為3～13擊，砂土的相對密度在0.28～0.58之間。

6.2 區域地震條件

地震強度和歷時是產生液化的一個必要條件。研究表明，在一定條件下，地震強度越大，震動歷時越長，砂土越容易液化。據宏觀經驗，液體一般出現在地震烈度大於Ⅵ度地區；按海城、唐山和國外一些震例調查結果，一般可液化區的烈度為Ⅶ度。評估區區域新構造運動強烈，處於范縣、鄄城、菏澤地震構造帶內，國家地震局將該地區列為地震重點監視區；評估區內地震基本烈度為Ⅷ度，正處於可液化區的烈度值之內。

6.3 場地條件

（1）地質地貌特徵：砂土液化的發生與一定的地質地貌特徵有著內在聯系。據唐山地震時76個液化點和15個非液化點的工程地質資料統計：砂土液化分布較多的地貌單元分別為沖積平原區，Ⅰ級階地、河漫灘，地層時代為Q_4-新兩種。國外學者Youd和Perkins的研究結果表明：飽和鬆散的水力沖填土差不多總會液化。評估區為全新統，位於黃河中下游，地處黃河沖積平原，由現代河床、Ⅰ級階地及河漫灘地貌單元組成，具備容易液化的地質地貌特點。

（2）埋基深度及地下水位情況：砂土埋藏深度多數在地表30m范圍內，少數大於30m，地下水埋深極淺（0.00～3.00m），根據海城、唐山地震的統計資料表明，地下水位深度3m以內地區易發生液化，因而當地下水位高於液化層層頂或較為接近時，孔隙水動水壓力容易產生作用，形成足夠的水壓，使砂土顆粒處於懸浮狀態達到完全液化。

綜上所述砂土液化判別結果：評估區區域新構造運動強烈，處於地震構造帶內，地震基本烈度為Ⅷ度；區內為全新統，地處黃河沖積平原，由現代河床、Ⅰ級階地及河漫灘地貌單元組成；粘粒（粒徑小於0.005mm的顆粒）含量百分率小於7%，不均勻系數U_c介於2.0～3.6之間，相對密度在0.28～0.58之間，地下水埋深極淺（0.00～3.00m），具備砂土液化形成的區域地震條件、地基土質條件以及場地條件。

7 場地液化勢微觀判別

有關液化判別的微觀方法很多，筆者主要採用標准貫入試驗法、剪切波速法和靜力觸探法對場地的液化勢進行判別。

7.1 標准貫入試驗法評判

當飽和土標准貫入錘擊數（未經桿長修正）小於液化判別標准貫入錘擊數臨界值時，則判為液化，否則不液化。在地面以下15m深度范圍內，液化判別標准貫入錘擊數臨界值按下式（建築抗震設計規范GB50011—2001，2001）計算：

N_cr=N₀［0.9+0.1（d_s-d_w）］（3/ρ_c）^1/2

在地面以下15～20m深度范圍內，液化判別標准貫入錘擊數臨界值按下式（建築抗震設計規范GB50011—2001，2001）計算：

N_cr=N₀（2.4-0.1d_w）（3/ρ_c）^1/2

將計算結果按

計算液化等級，式中符號意義見文獻：建築抗震設計規范GB50011—2001，2001。

應用該法對場地內6個孔共28個計算點進行液化判別（表2，式中原始數據見文獻：河南省交通規劃勘察設計院，2005），除埋深在18～20m的4個試驗點不液化外，其餘各點均液化。該工程液化指數平均值為23.83，判別結果為嚴重液化。

表2 鄄城黃河大橋飽和砂土液化計算結果（建築抗震設計規范法）Table2 The result of saturated sand liquefaction at Yellow River Bridge of Juancheng（Regulations on Seismic Design of Building）

7.2 剪切波速法評判

波速法評判即依據土層剪切波速的觀測數值，按下列公式（岩土工程勘察規范GB50021—2001，2002）進行計算判別：

當實測剪切波速V_s大於按下式計算的臨界剪切波速時，可判別為不液化。

環境·生態·水文·岩土：理論探討與應用實踐

將計算結果按

計算液化等級，式中符號意義見文獻：岩土工程勘察規范GB50021—2001，2002。

此方法僅適用於判別地下15m范圍內飽和砂土和粉土的地震液化。根據現有的宏觀震害調查資料，地震液化主要發生在淺層，深度超過15m的實例極少，故本方法仍有其積極的現實意義。

本次對評估區內進行剪切波速值測試的鑽孔共計3個，結果見表3，液化指數平均值為31.83，判別結果為嚴重液化。

表3 鄄城黃河大橋剪切波速孔飽和砂土液化計算結果Table3 The result of saturated sand liquefaction of shear wave velocity hole at Yellow River Bridge of Juancheng

7.3 靜力觸探法評判

靜力觸探法評判是當實測計算比貫入阻力P_s或實測計算錐尖阻力q_c小於液化比貫入阻力臨界值P_scr或液化錐尖阻力臨界值q_ccr時，應判別為液化土。參數值按下式（岩土工程勘察規范GB50021—2001，2002）確定：

P_scr=P_s0·α_w··α_u·α_p

q_ccr=q_c0·α_w·α_u·α_p

α_w=1-0.065（d_w-2）

α_u=1-0.05（d_u-2）

將計算結果按

計算液化等級，式中符號意義見文獻：岩土工程勘察規范GB50021—2001，2002。

應用該法對場地內4個孔共19個計算點進行液化判別，除埋深在17～20m的兩個試驗點不液化外，其餘各點均液化。該工程液化指數平均值為29.76，判別結果為嚴重液化。

8 綜合評價

通過上述評判，顯然可以看出，由於不同規范的要求和評判方法的不同，得出的結果存在一定的差異，但判別結果宏觀相近。綜合上述宏觀和微觀判定，評估區可產生砂土液化現象是客觀的趨勢，其主要液化特點：

（1）該場地在Ⅷ度地震烈度時具有液化趨勢，液化程度為嚴重。

（2）可液化層以埋深較淺的亞砂土、細砂和粉砂夾層為主，埋深為2.0～17.0m，主要分布於現代河床和兩岸上部砂類土層。

9 幾點認識

（1）上述經驗法都是結合地震液化的影響因素建立的公式，但考慮的范圍和側重點各不相同，對不同場地的適用程度也不同，且各種方法均有誤判，因而有必要採用多種方法進行綜合判別，以提高判別結果的可靠性。

（2）上覆非液化土層厚度是影響液化的主要因素，覆蓋層越薄越易液化（楊健等，2003），評估區內粉土覆蓋層較薄，標准貫入法僅考慮埋深，未考慮上覆地層的岩性和厚度，靜力觸探則很好地考慮了這一點。

（3）對土質的考慮，標貫法與波速法均是以粒度成分（粘粒含量）考慮粘粒對場地液化影響的，靜力觸探法則是以反映土的固有特性的I_p對場地液化影響的。因為對土體性質起決定作用的是粘土礦物顆粒含量，液塑限主要反映粘土礦物的成分和含量，而粘粒（＜0.005mm）含量僅反映土中細顆粒的含量（尹興科等，2004）。從這一點上來說，靜力觸探法比標准貫入法和波速法更適用於粉土場地液化的判別。

（4）採用標准貫入試驗雖然是一個比較簡單且適用的現場原位測試方法，但在工程地質勘探中受到多種因素的控制：如鑽進方法、標准貫入設備、操作的熟練程度和准確性等；而靜探試驗人為因素少，試驗精度高，結果穩定。為此建議在粉土液化判別時，以靜力觸探方法為主，綜合考慮宏觀判別和標貫等方法的判別結果，將液化級別適當調整後，作為粉土液化判別的最終結果。

參考文獻

中華人民共和國建設部.2001.GB50011—2001，建築抗震設計規范.北京：中國建築工業出版社.

中華人民共和國建設部.2002.GB50021—2001，岩土工程勘察規范.北京：中國建築工業出版社.

河南省國土資源科學研究院.2005.鄄城黃河公路特大橋工程建設場地地質災害危險性評估報告.鄭州：河南省國土資源科學研究院.

河南省交通規劃勘察設計院.2005.鄄城黃河公路大橋初步設計.鄭州：河南省交通規劃勘察設計院.

劉艷華，尹興科，席滿惠.2004.粘粒和粘土礦物對砂土液化影響的探討.勘察科學技術，（3）：6～8，26.

楊健，路學忠，陳慶壽.2003.砂土液化影響因素及其判別方法.岩土工程界，6（9）：51～53.

Estimation of Sand Liquefaction about the Foundation of the Yellow River-Bridge in the Project of De-Shang Expressway in Juan County

Xing Yong-qiang

（Scientific Academy of Land and Resources of Henan，Zhengzhou 450053）

Abstract：The research region of yellow river-bridge in the project of De-Shang expressway in Juan county lies in Yellow River flooded area，where earthquakes are active frequently，and the ground developed with saturated silt and fine sand beds.Through the macro and microcosmic discriminating method，we analyses the synthetic discrimination of the foundation，and give the index and level of sand liquefaction.We also suggest that sand liquefaction must be synthetic evaluation by using many methods to improve the dependability of evaluation of liquefaction potential.

Key words：sand liquefaction；liquefaction tendency of site；synthetic discrimination

❺ 什麼叫地震液化

1 地震液化的成因
少粘性土受地震力作用後，使使土體積體積縮小、孔隙壓力猛增，從而使有效壓力減小，使土迅速減小或完全喪失抗剪強度，使土提如液體一樣流動或噴出地面，成為地基液化。

2 地震液化產生的條件
內因：有的說砂土，實踐證明叫「少粘性土」更好一些，有的粉土輕壤土也可能液化。
外因：飽和+地震動
如果是常年乾燥狀態，不會液化，如果地震烈度是小於6度，也認為不發生液化。

3 液化土內因分析與判斷
（a）土的粒徑與級配：與中值粒徑和不均勻系數有關
（b）土的密實度：越密實越不易液化
（c）土的上覆壓力和側向壓力：[地應力]越大越不容易液化

4 哪些場地需要進行地震液化評價
顯然，某些地區是相對穩定版塊，地震烈度極小，一般建築物不進行地震液化評價。岩土工程勘察規范2001指出

「在抗震設防烈度等於或大於6度的地區進行勘察時，應劃分場地類別，劃分對抗震有利、不利或危險的地段」。「抗震設防烈度6度時，可不考慮液化的影響，但對沉陷敏感的乙類建築，可按7度進行液化判別。甲類建築應進行專門的液化勘察。」

5 地震液化判定方法
岩土勘查規范和水利水電工程地質勘查規范都要求(a) 初判 (b) 復判
水利水電勘察規范上講的也比較清楚，我憑記憶給你個步驟。
准備工作，先查場區地震烈度，7度以上進行地震液化判斷。
（1）初判
首先，根據地基土的基本特性，特別是土的顆分分類，一般產生地震液化的是「少粘性土」，哈哈！粘粒含量大於17%，則初判無地震液化可能，否則，需要根據（2）復判。
（2）復判
復判方法很多，常用的是綜合指標法和標貫判定：
（a）綜合指標判斷
烈度 7 8 9
加速度g 0.1 0.2 0.4
顆分d50(mm) 0.05-0.15 0.03-0.25 0.15-0.50
相對密度 <0.6 <0.7 <0.8
**相對密度，一般作試驗比較麻煩，實踐中很少採用。
（b）根據標准貫入試驗判斷
該方法是最常用和可靠的，好多國外也用中國的經驗[我在合適的時候上載老外對地震液化的研究]，因為是原位測試結果，而且可以反應場地地應力狀態等。一般判斷15米以內地基，太深標貫修正鑽桿、孔斜、孔壁摩擦等問題突出。還有15米以下即使是少粘性土，一般也很密實，很少有地震液化的可能。
***********************************************
Nc=N[1+0.125(H-3)-0.05(h-2)]
***********************************************
N是N63.5進行桿長和地下水修正後的表貫擊數。
H - 砂土層的埋深(米)
h - 地下水位埋深(米)
H=3m,h=2m,按下面取N
+++++++++++++++++++++++++++++++
烈度 7 8 9
N 6 10 16
+++++++++++++++++++++++++++++++
判斷：N63.5 > Nc 不液化，否則液化
另外，有的還進一步進行液化程度計算，一般需要大量的標貫或靜力觸探數據，否則沒法進行。我從來沒有計算過，搞到復判就可以啦。
說明：以上方法大多可水電規范或抗震設計規范中找到，但一般沒有條理，給出很多方法，大家都基本不用，因此給新手增加了好多麻煩 - 讓人感到「不知道哪個更好、哪個更准確」。

6 液化判定深度問題
岩土勘察規范規定:「地震液化的進一步判定應該在地面以下15米范圍進行，對於樁基或基礎埋深大於5米的,加深至20米。勘探點不少於3個，勘探深度大於液化深度。 "

7 液化土的治理措施
由於外因，飽水和地震我們無法改變，因此，只能從土的內因找解決辦法，有兩個思路，一個是土的顆粒為「少粘性土」，其次是密實度差，多處於「鬆散」狀態。因此，治理無外呼於此.
（1）淺基礎或基礎面積、埋深不大，可以採用換填，用性狀更好的顆粒更粗的土置換「鬆散的少粘性土」。這種做法很少，因為置換也涉及碾壓過程，因此，都直接選（2）。
（2）壓密可液化土層
方法很多，經常採用的有：
(a) 強夯法：
壓密，城市附近不允許，噪音和地震動太大，適合於郊區，處理深度也不超過8米。當然也取決於土的類別。
(b) 碎石樁：置換+擠密
處理深度大，採用螺旋鑽就可以。
(c) 震動夯
邊震動邊搗密，處理深度很大，世界記錄是56米，廣泛用於工民建和水利工程行業，更多精彩祥見：
(d)化學處理
根據土與水中離子生成穩定的化合物，使土變密實。

❻ 土壤液化的地震液化

地震液化是城市地震危害的主要來源。震盪致使孔隙水的壓力增加，土壤的剪力強度降低，從而使沙粒的表面張力減小。如果地表剛好有一層干薄的地面，水壓會有可能帶著沙土噴出地面，這就是所謂的「噴沙」。

❼ 如何進行地基土的液化判別

地基土的液化已嚴重影響工程建設,在工程勘察過程中,只有採用多種判別方法才能准確判定液化土的存在與分布。標准貫入試驗作為目前階段液化判別主要手段之一,初步滿足了液化土層的評價。
地基土層的液化判別形式是非常復雜的,目前國內外都在進行研究。通過對以往大量工程試驗結果的對比分析,並結合我國現行《抗震規范》,只有通過「二階段」判別方案,即初步判別和標准貫入試驗判別相結合的方式進行才是真實可行的。才能更好的解決地基的液化判別問題。
1 判別原則 根據對多年的工程經驗實踐資料進行對比分析,發現液化與土層的地質年代、地貌單元、粘粒含量、地下水位深度以及上覆非液化層厚度等有密切關系。不同的成因類型,往往產生不同的液化現象,利用這些關系可對土層液化進行判別,即初步判別。初步判別的目的是排除一大批不會液化的工程,避免重復工作,達到省時、省錢的目的。凡經初步判別為不液化的就不需要進行第二階段判別,以節省勘察工作量。其液化判別總體思路如下:
2 初步判別 由於6度地震區的震害比較輕,《抗震規范》規定,6度時一般不考慮對飽和土的液化判別。

❽ 飽和砂土地震液化怎樣計算

飽和砂土地震液化研究方法概述

時間：2006-12-13

【摘 要】國內外研究人員在砂土液化機理、影響因素和判別方法等方面進行了深入的研究，取得了一定的成果。本文概述了廣泛使用的砂土液化判別方法，評述了其優缺點，重點介紹了判別砂土液化新方法的研究動態。

【關鍵詞】飽和砂土液化；動力分析方法；可視化評價模型；人工神經網路；BP演算法

1 研究砂土地震液化的意義

1960年以來，世界范圍內地震活動頻繁，特別是1964年日本新瀉地震、美國阿拉斯加地震引起的飽和砂土液化和地基失效，造成結構大規模破壞。地震引起的砂土液化，使地基部分喪失承載力和產生不均勻沉降，導致房屋開裂或傾斜，甚至使地基和邊坡滑移、房屋傾倒，給人類帶來巨大災難。因此，進一步深入研究砂土液化機理、影響因素以及准確判別土基地液化及危害程度預測顯得特別重要。

2 砂土液化的概念

「液化」一詞的定義比較多，也略有不同，但不存在原則上的分歧。例如：1978年美國土木工程師協會岩土工程分會土動力學委員會對「液化」一詞的定義就是「液化—將任何物質轉變為液態的作用或過程」；美國的Seed H.B.對土液化的概念性解釋為「峰值循環孔隙水壓力比（峰值循環孔隙水壓力與初始有效約束壓力之比）到達100%的初始液化」；汪聞韶給無粘性土液化的定義是「物質從固體狀態轉化為液體狀態的行為和過程」，稱為「液化」。宏觀上表現為土體出現類似液體的狀態。土體液化主要在飽和無粘性土或稍具粘性的土中發生。在不排水條件下，在重復或單方向的荷載作用下，其超孔隙水壓力增加，有效應力減小，抗剪強度降低甚至消失，由固體狀態轉變為液體狀態。

3 砂土液化的研究現狀

3.1 震動液化的機理

地基液化的震害現象早己為人熟知，強烈液化的宏觀標志是「噴水冒砂」和建築物嚴重沉降、失穩。但對液化機理的認識，卻有兩種明顯不同的觀點。

一種觀點從液化的應力狀態出發，液化條件為土的法向有效應力σ´＝0，土不具有任何抵抗剪切的能力。這種觀點以Seed為代表。當土在動荷作用下的任何一個瞬間開始出現這種應力狀態時，即認為土達到了初始液化狀態。此後，在往返荷載的持續作用下，輪番出現初始液化狀態，表現出土的往返活動性，使土的動變形逐漸積累，最後出現土的整體強度破壞或超過實際容許值的變形失穩。這種過程均需有初始液化狀態的出現，否則將不會有液化破壞。從這一觀點出發，液化的研究將著重於確定飽和砂土達到初始液化的可能性及其范圍，同時視初始液化的點或范圍內的土具有零強度值，來分析土體的應力、應變以及穩定性。

另一種觀點從土體位移，變形的角度出發，不必達到初始液化的應力條件。土體由於結構破壞和孔壓上升而引起的強弱化，出現具有液化狀態的流動破壞，就認為土體已經液化。這種觀點以Castro,Robertson等人為代表。在這種觀點中，應用了Casagrande提出的臨界孔隙比ecr(ecr是指剪切過程中既無剪縮又無剪脹的孔隙比)的概念，將土分為剪縮性土和剪脹性土，並提出了穩態變形和穩態強度的概念。所謂穩態變形是指土在一定常法向有效應力和一定常剪應力作用下產生的常體積和常速度連續變形的狀態(即流動變形)，此時的剪應力即穩態強度。Casagrande在固結不排水三軸試驗中採用定荷載入(dead-load increments)方式，在實驗室內觀察到了「流動結構」的現象，由於具體的條件不同，這種流動破壞具有不同的形態。

3.2 砂土液化的影響因素

土在振動作用下是否液化，主要與土的性質、地震前的應力狀況、震動的特性等因素有關。歸納起來可以簡單地分為內因和外因兩種。胡定和張利明將前人的研究成果列為下圖，較為全面地總結了土體液化的已知因素。土質條件、排水條件、靜力條件為內因，動力條件則為外因。

圖1 液化影響因素（引自胡定和張立明 1991）

由圖1可知，地基液化影響因素眾多，且研究表明眾因素對地基液化的影響呈高度的非線性。現在還很難用統計、簡化的模型、單一彈性體理論或塑性理論，甚至包括彈塑性理論來進行准確判別地基液化和危害程度評估。

3.3 無粘性土液化判別及危害程度評價方法

液化判別是指地基是否發生液化，液化危害程度是指地基液化程度。傳統液化判別和危害程度評價方法多是在宏觀地震災害現象資料、現場試驗和室內試驗基礎上總結、分析、統計得出的規律。目前液化危害程度評價的量化公式較少，常用方法有液化指數法、概率分析方法以及用震陷值或結合譜烈度比方法來綜合評價液化等級[20]。國內外用於砂土液化的判別方法種類繁多。但由於影響砂土液化問題的復雜性，每種方法都有一定的運用范圍和局限性。

傳統土液化判別方法大致可歸納為現場實驗、室內實驗、經驗對比[3]、動力分析四大類。

（1）現場試驗方法

其判別法基本原理是：在宏觀地震液化和非液化區域，依據現場試驗測得判別指標的數據，通過分析、統計和總結，建立與宏觀地震災害資料之間的關系，得出經驗公式或液化分界線來判別液化與否。主要包括標准貫入臨界擊數判別法（SPT）、靜力觸探法（CPT）、剪切波速法、瑞利波速法、能量判別法。

此類方法比較直觀且可以考慮多個影響飽和砂土液化的因素，許多建築物抗震設計規范都是採用此類方法；避免了室內試驗中土樣擾動等問題，具有較強的實用性和可靠性。但也存在一些不足：

一是需要大量的地震現場統計樣本，已經累計的各類土體液化現場試驗數據還比較少。例如盡管剪切波速法具有物理意義明確、波速值離散性小、預測可靠性高、可重復、經濟性好、快速等優點，但過去的一些地震現場資料中，沒有剪切波速的記錄。

二是地基液化調查資料多是在自由場地取得的，一般說此類方法適用於自由場地的液化判別。

三是此類方法建立在地震現場的液化實例基礎上，具有地區區域性，通用性不夠理想，應用於某些地區的不同土層或不同烈度時精度不高。

（2）室內試驗方法

這類方法根據室內試驗模擬現場條件確定土體的抗液化強度，同時用設計地震資料計算地震動應力指標，比較兩者大小判別液化與否。研究人員採用的主要室內試驗有：各種類型的循環三軸壓縮試驗、共振柱試驗、循環剪切、循環扭剪、振動台、離心機模型試驗。這類方法以Seed和Idriss提出的抗液化剪應力法為代表，還有以後改進的一系列方法以及基於其基本思想提出的其它判別法。

此類方法主要用於判別在大型建築物地基中和土工結構物中的飽和砂土體的液化。它可根據建築物的具體形狀、場地邊界、排水條件等在實驗室中進行模擬，並根據實際經驗對結果給予修正。此類方法存在取樣困難、應力釋放和試樣應力狀態與土基差異較大等缺陷。因此，試驗參數確定以及如何更好地模擬土體的現場情況是提高室內試驗方法判別可靠度的關鍵。

（3）經驗對比

根據宏觀震害總結的經驗，提出的液化判別標准。例如Seed和水利水電工程地質勘察部門提出的相對密度判別法。

（4）動力分析方法

動力分析方法主要有等效線性總應力動力分析法和有效應力動力分析法[1]兩種。前者不考慮孔隙水壓力的升高對土動力特性的影響，後者則反之。為了考慮土的非線性特性，主要採用有限元法評價土體的液化特性的動力分析方法來處理此類問題。

動力分析方法適用於自由場地，也適用於判別重要建築物地基中和土工結構中飽和土體液化(土體的受力狀態和幾何邊界比較復雜，需要單獨的試驗研究和計算分析)。它綜合考慮了地震動力特性、地形地質條件、荷載作用、邊界條件等多種因素的影響，還可以研究地震過程中及以後液化區的發生、發展過程。

但動力分析方法需要由室內試驗確定土的若干動力特性參數以及復雜的計算分析，因此在實際工程中應用的較少，目前只在一些重大工程中適用[2,15,16]。

4 砂土液化研究新方法的動態

隨著計算技術的發展和數學理論的完善，目前還出現了一些通過嚴謹的數學方法將各指標統一起來進行判別的方法[2 ]。中國科學院工程力學研究所地基研究室採用非線性的判別函數進行分析，建立了多元統計分析方法的液化勢公式;採用模糊層次綜合評判方法進行液化判別，例如模糊聚類分析[5]、模糊概率分析[6,7]。此法需要對各個選取指標賦予不同的權重，權值的選取帶有主觀性和隨意性，導致結果失真；基於地震作用下飽和砂土體系中內部信息部分己知，部分未知的灰色系統，反映液化可能性的指標值是通過一些灰數的原理進行計算分析的。用灰色理論進行預測，當原始數據序列波動較大且信息過於分散時，預測的精度會降低;採用突變理論對地震液化資料進行系統分析，得出的液化判別方法。另外,還有基於GIS的砂土液化可視化評價模型和人工神經網路方法（ANN）評價方法，下文將重點介紹。

4.1 基於GIS的砂土液化可視化評價模型

地理信息系統(Geographic Information Systems 簡稱GIs)是一種具有存儲、管理、分析、顯示與應用地理信息的計算機系統，是分析和處理海量地理數據的通用工具，在最近的幾十年裡取得了驚人的發展[8,9]。其應用領域非常廣泛，目前有人藉助GIs平台對開發砂土液化可視化評價模型進行了一些分析和探討。

其基本思理是：建立空間資料庫，用於儲存、管理調查點處土的各項性質數據、SPT與CPT數據、室內三軸試驗、場地地震設防等級、地形地貌，地質、構造等特徵數據；構建砂土液化評價的分析模型；調用空間資料庫相關數據，通過模型判別液化可能區域、災害評價及防治處理，最終形成可視化。

優點是通過計算機實現砂土液化的可視化分析和分析成果可視化，而且信息豐富、使用方便、交互性好;砂土液化評價的分析模型綜合考慮了影響土體液化的因素和研究成果。

4.2 人工神經網路方法判別飽和砂土液化

隨著人工神經網路(Artificial Neural Network,簡稱ANN)理論的不斷發展和完善, 許多人開始用ANN方法研究評價飽和砂土液化問題。人工神經網路是一種非線性動力學系統，具有良好的自適應性、自組織性及很強的學習、聯想、容錯、抗干擾能力[10]，可以靈活方便地對多成因的復雜未知系數進行高度建模[11]，因此很適合砂土液化問題的研究。

地基土液化判別及等級評價需要建立ANN模型，目前廣泛採用構建三層網路模型，大多數採用B-P演算法，即向後傳播學習演算法(Back Propagation Learning Algorithm)求解。B-P網路是ANN一個典型模型，可以以任意精度逼近任意連續函數，被廣泛應用於非線性建模、函數逼近和模式分類等方面。求解普遍使用梯度下降法，用迭代運算求解權值[12]。

BP模型雖然從各個方面都有其重要意義，但它存在局部極小值及收斂速度慢等問題。針對BP演算法存在的問題，有人進行了一些改進。採用加入動量項[13]和共軛梯度法[14]，克服BP網路模型收斂速度慢和目標函數存在局部極小點的問題。

筆者認為目前採用ANN研究飽和砂土液化在以下方面還有待進一步研究。

（1）輸入層節點數即影響砂土液化的因素數的選擇存在爭議。筆者選取了4個砂土液化B-P網路模型[18,19]，並製成表一和表二。比較兩表，顯然砂土液化評價及危害程度等級評價B-P網路模型的指標選擇還存在一些分歧。因此，4個模型得出的影響砂土液化評價的指標權重分析不會相同，勢必影響砂土液化評價結果。

（2）ANNN研究飽和砂土液化在適用范圍上還存在著局限性。由於絕大多數網路訓練採用一個地震砂土液化地區的學習樣本，訓練好的網路只對該地區的其他樣本進行判別、比對。因此，盡管判別結果有較高的正確率，但只能說明僅適用該地區。

因此建議輸入層指標的選擇需進一步研究、分析，並遵循簡易性和代表性原則。應充分利用現有文獻地震液化資料，選取通過現場試驗、土動力試驗以及經驗公式容易得到的指標。由於影響砂土液化的因素很多，應建立統一的評價模型進行分析，經過運算並比對結果確定影響砂土液化的代表性輸入指標。

表一 砂土液化評價B-P網路模型輸入節點數(指標數)選擇表

節點數
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

指標

名稱
標貫擊數(N63.5)
砂土的平均粒徑（D50）
剪應力比

(τ/σ0´)
粘粒含量

(ρc)
上覆有效壓力(σ0´)
地震烈度(I)
砂層埋深(ds)
不均勻系數(Cu)
震中距

(L)
地下水位(dw)
震級

（M）

模型一
√
√

√
√

√

模型二
√
√
√

√
√
√
√
√

表二 砂土液化危害程度等級評價B-P網路模型輸入節點(指標數)選擇表

節點數
1
2
3
4
5
6

指標名稱
標貫擊數(N63.5)
粘粒含量(ρc)
地下水位(dw)
地震烈度(I)
上覆砂層厚度()
液化層厚度(d)

模型一
√
√
√
√
√

模型二
√
√
√

√
√

參考文獻：

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作者簡介:

任金剛（Ren Jingang） 男 工程師 海河下游管理局 河西區賓館南道19號 300061

王玉芳（Wang Yufang）海河下游管理局河西區賓館南道19號 300061

飽和砂土地震液化研究方法概述

（SUMMARY ON METHODS OF ASSESSING SATURATED SANDS LIQUEFACTION）

飽和砂土液化(saturated sands liquefaction)；動力分析方法（dynamic analyse method）；可視化評價模型（visual evaluation model）；人工神經網路（artificial neural networks）；BP演算法（BP algorithm）

❾ 如何判定土的液化

土體抗剪強度等於零是判定土地液化的標准。

土體液化現象的原因:在地震引起的振動使飽和砂土或粉土趨於密實，導致孔隙水壓力急劇增加。

在地震作用的短暫時間內，這種急劇上升的孔隙水壓力來不及消散，使有效應力減小，當有效應力完全消失時，砂土顆粒局部或全部處於懸浮狀態。

(9)土壤地震液化評價方法研究進展擴展閱讀:

土地液化分為微觀液化、宏觀液化與滲流液化。

(1)微觀液化(micro liquefaction)。通常是指在試驗室利用動三軸、動單剪或動扭剪儀來模擬土體中一個初始狀態已知的單元體在受循環荷載作用後所產生的液化現象。

(2)宏觀液化(macro liquefaction)。通常是指在工程場地發生的宏觀液化破壞現象，如液化引起地基的噴砂冒水、地面下沉、側向位移、建築物傾斜或傾倒、地中構築物上浮、震後土坡的滯後滑動等。

(3)滲流液化(seepage liquefaction)。泛指所有由於滲流作用而引起的土液化現象。發生滲流液化之處水力梯度達到臨界水力梯度，土體的有效應力為零，符合液化的物態轉變條件。

滲流液化有些與地震無關，有些則與地震有關，前者如岸邊、壩下游或基坑開挖過程中可能發生的流砂現象，後者如地震引起的地表噴砂冒水(砂沸)以及土坡的滯後滑動。