土壤地震液化评价方法研究进展

❶ 什么是地基土的液化液化会造成哪些震害影响地基土液化的主要因素有哪些

地基土液化是指饱水的粉细砂或轻亚粘土在地震力的作用下瞬时失掉强度,由固态变成液态的力学过程。砂土液化主要是在静力或动力作用下,砂土中孔隙水压力上升,抗剪强度或剪切刚度降低并趋于消失所引起的。
地震地质灾害类型主要有: 地基土液化、软土震陷、崩塌、滑坡、地裂缝和泥石流。
影响地基液化的因素：
影响地基液化的因素饱和砂土或粉土液化除了地震的振动特性外，还取决于土的自身状态：
1．土饱和，即要有水，且无良好的排水条件；
2．土要足够松散，即砂土或粉土的密实度不好；
3．土承受的静载大小，主要取决于可液化土层的埋深大小，埋深大，土层所受正压力加大，有利于提高抗液化能力。此外，土颗粒大小，土中粘粒含量的大小，级配情况等也影响到土的抗液化能力。
在地震区，一般应避免用未经加固处理的可液化土层作天然地基的持力层。

❷ 土地资源评价及土壤质量研究进展

关于土地的研究评价工作，涉及土地资源评价和土壤质量研究两大方面。国外和国内在这方面的研究互有借鉴，也各具特点。

(一)土地资源评价方法研究进展

1.国外土地评价方法

土地评价的目的就是为合理利用土地、发展经济提供科学依据。根据评价过程和指标的不同，土地评价方法分为三大类。第一类是定性方法，第二类是定量方法，第三类是介于前二者之间的半定量土地评价方法。国际上典型的定性化土地评价方法有以美国为代表的土地潜力评价和联合国粮农组织的土地适宜性评价；定量化土地评价方法主要有模型方法和系统动力学方法；半定量土地评价有参数方法和生态带(区)方法。

1)土地潜力评价方法。1961年美国对土地潜力进行了评价分类。该土地潜力分类系统首先按土地的用途区分为野生、林业、牧用和农用四类，再根据土地潜力影响因子的限定性和障碍性程度将土地分为八级(表2-1、图2-1)。

2)土地适宜性评价方法。1976年，联合国粮农组织(FAO)发布了土地适宜性评价(《A Framework for Land Evaluation》)。FAO土地适宜性评价分类系统将土地分为适宜和不适宜两大类，又按适宜程度和限制性因子分为纲、级、亚级、单元四级(表2-2)。由表2-2可以看出，FAO土地适宜性评价分类系统仅仅是一个评价框架，评价结果的详略程度可以根据地区条件和评价要求的不同而定。

表2-1 美国的土地潜力分类系统Table 2-1 Land potential classification system of the USA

图2-1 美国的土地潜力分类示意图

图中Ⅰ—Ⅷ表示土地分级

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

表2-2 联合国FAO土地适宜性评价分类系统Table 2-2 Classification system of the FAO of the UN for estimating land applicability

3)农业生态区方法(AEZ)。1978年，联合国发布的农业生态区方法(AEZ)是把一个土地区域划分为具有相同性质的很小的土地单元，评价土地适宜性、土地潜力和环境影响的方法。农业生态区是依气候、地形、土壤、土地覆被来定义的土地资源单位，每个区内对土地利用来说具有特定的潜力和限制性范围；农业生态单元(AEC)是由地形、土壤、气候特征组成的最小单元，是农业生态区法的基本单元。其基本工作程序是：第一步，确定土地利用方式及其生态要求，即确定土地利用方式和土地利用方式的生态要求；第二步，从土壤和地形、气候、土地利用或土地覆被现状、行政区等方面开展土地资源调查工作，并结合农业生态区根据土地特性和质量划分农业生态单元；第三步，根据自然产量，划分土地等级。

4)持续土地利用管理评价。1993年，联合国FAO发布了《持续土地利用管理评价纲要(An International Framework for Evaluating Sustainable Land Management)》(FESLM)。该评价方法遵循生产性(proctivity)、稳定性(security)、保护性(protection)、经济可行性(viability)和社会接受性(acceptability)等五个评价准则(pillars)。FESLM指标分为自然方面、生物方面、经济方面、社会方面的指标共四大类。各类指标详尽而复杂，例如《无灌溉农业土地评价指南》中自然方面的指标包括太阳辐射、温度、有效给水状况、根层有效给氧状况(排水)、有效给养状况、养分保持能力、扎根条件、影响发芽与成苗的条件、影响生长的空气湿度、成熟条件、洪水风险、气候风险、盐碱化、有毒物质、病虫害、土壤可使用性、机械化潜力、土地预备与清理要求(植被/杂草)、存储与加工条件、影响生产时间安排的条件、生产单元内的可达性、潜在管理单元大小、区位、侵蚀风险、土壤退化风险等等。

5)模型方法。1990年，根据1989年七国首脑会议的要求，经济合作与发展组织(OECD)启动了生态环境指标研究项目，创立了“压力-状态-响应”(PSR)模型的概念框架。有关指标见表2-3和表2-4。

表2-3 压力-状态-响应模型的部分指标Table 2-3 Part of the indexes of the pressure-condition-reaction model

表2-4 环境性状相关指标(EPI)Table 2-4 Relative environmental properties index

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2.国内土地评价方法

我国古代对土地分类定级的工作开始较早，如禹贡时代将土地分为9等，战国时代将土地分为3等18类共90种，宋朝、明朝、清朝分别将土地分为5等、13等和4等。我国现代土地分类定级工作主要涉及三个部门或单位，即农业部、国土资源部和中国科学院南京土壤研究所。

(1)耕地地力调查与质量评价

农业部开展全国耕地地力调查与质量评价的目的在于查清我国耕地土壤养分状况、土壤污染问题。该工作以县为单位，图件比例尺1：5万；耕地基础地力构成要素包括立地条件、土壤条件和农田基础设施条件。立地条件又包括地貌类型、地形坡度和坡向等、成土母质(残积物、坡积物、洪积物、冲积物、湖积物、海积物、黄土母质等)；土壤条件包括土壤剖面与土体构型、土层状况(耕层厚度、有效土层厚度、土体厚度、障碍层深度和厚度等)、耕层土壤理化性状(质地、容重、pH值、交换量、有机质、矿质养分、含盐量、盐分构成、地下水矿化度、碱化度和石灰含量等)、直接污染源的背景值、土壤侵蚀程度；农田基础设施条件包括农田水利工程、水土保持工程、田园化与植被生态建设、土壤培肥水平等。不同类型区的耕地基础地力评价因素应反映地区性特点(表2-5)。

通过全国耕地地力调查与质量评价，将全国耕地类型区系统划分为东北黑土型耕地类型区(水稻土)、北方平原潮土-砂姜黑土耕地类型区、北方山地丘陵棕壤-褐土型耕地类型区(含黄棕壤、黄褐土)、黄土高原黄土型耕地类型区、内陆灌漠(淤)土耕地类型区、南方稻田类型区、南方山地丘陵红黄壤(含紫色土、石灰岩土)旱耕地类型区等7个类型。1996年颁布了农业部行业标准《全国耕作类型区、耕地地力等级划分》，2002年全国农业技术推广服务中心会同有关单位又制定了《全国耕地地力调查与质量评价技术规程》(试行)。由上可知，该评价体系侧重于分类，在土地等级划分上仍然是以粮食产量为标准，没有将自然条件和人为投入体现出来。

表2-5 我国南方耕地基础地力评价因素Table 2-5 Factors for estimating the soil fertility of the farmland in south China

(2)农用地分等定级估价

国土资源部开展的农用地分等定级估价是“新一轮国土资源大调查——土地资源监测调查工程”的重要组成部分，是继土地详查摸清农用地数量和权属后，对农用地质量和价格的大调查，旨在摸清我国农用地质量等级与价格，建立起农用地的等、级、价体系。《农用地分等规程》、《农用地定级规程》、《农用地估价规程》三个行业标准从2003年8月1日起正式颁布实施。

农用地分等技术思路表明，土地等别揭示了生产能力及其分布，包括光温生产潜力(土地质量差异基准面)、自然质量(土地自然条件差异)、开发利用(生产者平均利用水平差异)和综合因素(平均投入产出水平差异)等，等别层次揭示了开发利用潜力。该农用地评价体系具有以下特点：①与土地详查、土壤普查成果相衔接；②综合运用土地自然评价、土地经济评价和土地利用评价的理论与方法；③在全国范围内可比，通过包括光温生产潜力指数、标准耕作制度、产量比系数、指定作物最大产量、最大“产量-成本”指数等国家级参数体系实现；④综合农用地利用现状评价、潜力评价和适宜性评价，将分等和定级结合起来。其不足之处在于没能够开展土壤样品的采样分析，部分数据陈旧。

(3)土壤质量演变规律与持续利用研究

中国科学院南京土壤研究所主持完成的国家重点基础研究计划项目(973项目)“土壤质量演变规律与持续利用”的总体目标是：建立土壤质量指标体系与评价系统，提出土壤质量国家标准的建议方案；评估我国主要类型耕地土壤质量，揭示其演变规律；揭示土壤圈层界面物质交换规律及其对土壤质量的影响机理；创建主要耕地土壤质量的保持与定向培育理论，建立典型耕地土壤质量数据库与咨询系统。主要关注的科学问题包括：①土壤质量的演变机理、分异规律及保持与定向培育理论，着重阐明影响我国土壤质量变化的主要过程、机理和调控理论，以提出均衡土壤养分和提高土壤肥力、调控盐碱和酸化障碍因子，修复污染土壤，减轻土壤侵蚀，有效提高土壤质量的理论依据，为发展土壤资源的持续利用理论奠定基础；②土壤圈层界面物质交换对土壤质量与动植物健康的影响机制，着重阐明土壤圈与水、气、生物及岩石圈层界面的主要物质交换过程、速率、通量及关键因子，揭示土壤圈层界面物质交换的规律，及与土壤质量形成和环境演变的关系，提出土壤质量培育的界面调控理论和途径；③土壤质量指标的表征理论与方法，运用先进的量化表达理论和方法，对遴选获得的表征土壤质量的指标进行赋值、标准化，依据系统研究建立的土壤质量指标体系和评价系统，对土壤质量状况进行评价。

通过重点研究，初步制定了我国主要土壤类型黑土、潮土、红壤、水稻土、菜园土的土壤肥力质量评价指标和土壤健康质量基准。

(二)土壤质量研究进展

1.国外土壤质量评价

土壤质量是土壤在一定的生态系统内，提供生命必须养分和生产生物物质的能力，容纳、降解、净化污染物质和维护生态平衡的能力，影响和促进植物、动物和人类生命安全和健康的能力之综合量度。

土壤质量包括三层内涵和功能：第一，土壤生产力，即土壤提高植物和生物生产力的能力；第二，环境质量，即土壤降低环境污染物和病菌损害的能力；第三，动物健康，即土壤质量影响动植物和人类健康的能力。这三项功能也被称为土壤肥力质量、土壤环境质量和土壤健康质量，有关指标见表2-6、表2-7和表2-8。

表2-6 土壤质量田间描述性指标Table 2-6 Descriptive index of the soil quality in the field

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表2-7 常用土壤质量分析性指标Table 2-7 Common analytic index for soil quality

表2-8 土壤质量和健康状况参数及其与土壤质量的联系Table 2-8 Soil quality and health condition parameters and their relationship with soil quality

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2.国内土壤质量评价

国内关于土壤质量的研究主要集中在土壤背景值、土壤环境容量和土壤环境质量标准研究等三个方面。

(1)土壤背景值调查和研究

土壤环境背景值是指土壤在发育形成过程中，未受或很少受到人为活动的影响，特别是未受或很少受到污染、破坏的情况下，土壤本身固有的化学组成和含量。它基本反映土壤环境原有的物质组成、性质和结构特征。“七五”期间，由国家环境保护局主持、国家教育委员会和中国科学院参与主持的国家科技攻关项目“全国土壤环境背景值研究”，是迄今为止最为系统的土壤重金属背景值研究成果。与世界土壤相比，我国土壤的砷、锌、铜含量高于世界均值；汞、锰、钴在世界范围值之中；镉、铬、镍低于世界均值；铅的变异超出世界平均范围。历时16年的全国第二次土壤普查工作，重点对土壤中N、P、K、Fe、Mn、Cu、Zn、B、Mo等9 种营养元素进行了系统测试分析，建立了土壤肥力分级标准。

(2)土壤环境容量研究

环境容量这一概念，大约于20世纪70年代引入到环境科学领域。目前关于土壤环境容量的概念尚在探索之中。一种观点认为，土壤存在一个可承纳一定污染物而不致污染作物的量。一般将土壤所允许承纳污染物质的最大数量称为土壤环境容量。另一种观点认为，土壤环境容量是在不使土壤生态系统的结构和功能受到损害的条件下，土壤中所承纳污染物的最大数量。后者强调必须明确污染物对土壤生态系统的结构和功能的影响，以及系统结构和功能方面的要求。不少国家，如前联邦德国、日本、前苏联、澳大利亚等国家确定了某些污染物的土壤环境污染标准。我国对土壤环境容量研究已有一些报道。

土壤临界容量可用于表征土壤对各种污染物的容纳能力。在获得土壤对污染物的各种生态效应和环境效应，并获得各种单一体系的临界含量后，就可以采用各种效应的综合临界指标得出整个土壤生态系统的临界含量，并作为国家制定环境标准的依据和确定土壤环境容量的依据。表2-9为我国草甸褐土区各单体系的临界含量。

表2-9 我国草甸褐土区各单体系临界含量Table 2-9 Critical content of each system in meadow brown soil area of China

注：*地表径流、地下渗漏水不超标；**3.5mg/kg时，地表径流、地下渗漏水不超标。(据夏增禄，1986)

用数学模型定量表达土壤环境容量的方法尚在探索之中。目前，常采用的确定土壤环境容量的方法包括土壤静容量和土壤动容量。土壤静容量是根据土壤的环境背景值和环境标准的差值来推算容量的一种简易方法，可由C_s=M(C_i—C_Bi)表示(式中：M为每亩耕层土壤重量(kg)，C_i为i元素的土壤临界含量(mg/kg)，C_Bi为i元素的土壤背景值(mg/kg))。这时，现存容量C_sp=M(C_i—C_Bi—C_P)，C_P是土壤中人为污染而增加的量。另外，土壤环境容量也可用Q=(C_K-B)×150粗略估计(式中：Q为基本的土壤环境容量(g/亩)，C_K为土壤环境标准值(mg/kg)，B为区域土壤背景值(mg/kg))。

土壤是一个开放的物质体系，污染物可进入土壤，也可以输出。土壤动容量是根据污染物的残留来计算土壤的环境容量。假定年输入量为Q，年输出量为Q′，若Q大于Q′，则残留量为Q-Q′。随着时间的推移，残留量也不断地增加，造成积累。累积率(K)为残留量(Q-Q′)与输入量Q之比，则n年内土壤污染物累积总量A_T(含当年输入量)为A_T=Q+QK+QK²+…+QKⁿ，而n年内的污染物残留总量R_T(不含当年输入量)则为R_T=QK+QK²+…+QKⁿ。当年限n足够长时，QKⁿ趋于零，A_T达到最大极限值。因此，污染物在土壤中的年累积量为A_T′=K(B+Q)(式中：A_Tˊ为污染物在土壤中的年累积量(mg/kg)，K 为土壤污染物年残留率(%)，B 为污染物的区域土壤背景值(mg/kg)，Q为土壤污染物的年输入量(mg/kg))。假定每年残留率(K)相同、年输入量相同，则n年内土壤的总累积量为A_T=BKⁿ+QK

。从式中可以看出，年残留率K值的大小，对计算结果影响很大。不同地区的土壤，不同的污染物，其K 值也有差异，需通过试验求得。利用这种计算方法，可预测某污染物累积达到区域的环境标准所需要的年限。

(3)土壤环境质量标准研究

为贯彻《中华人民共和国环境保护法》，防止土壤污染，保护生态环境，保障农林生产，维护人体健康，我国于1995年制定颁布了土壤环境质量标准(GB15618—1995)(表2-10)。该标准按土壤应用功能、保护目标和土壤主要性质，规定了土壤中污染物的最高允许浓度指标值，用于农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场、林地、自然保护区等的土壤。该标准根据土壤应用功能和保护目标，将土壤划分为三类：Ⅰ类主要适用于国家规定的自然保护区(原有背景重金属含量高的除外)、集中式生活饮用水源地、茶园、牧场和其他保护地区的土壤，土壤质量基本保持自然背景水平；Ⅱ类主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园、果园、牧场等土壤，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染；Ⅲ类主要适用于林地土壤及污染物容量较大的高背景值土壤和矿产附近等地的农田土壤(蔬菜地除外)，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。

表2-10 土壤环境质量标准值Table 2-10 Environmental quality standard for soils(mg/kg)

注：①重金属(铬主要是三价)和砷均按元素量计，适用于阳离子交换量＞5cmol(+)/kg的土壤，若≤5cmol(+)/kg，其标准值为表内数值的半数；②水旱轮作地的土壤环境质量标准，砷采用水田值，铬采用旱地值。

该标准规定，一级标准为保护区域自然生态、维持自然背景的土壤环境质量的限制值；二级标准为保障农业生产、维护人体健康的土壤限制值；三级标准为保障农林业生产和植物正常生长的土壤临界值。各类土壤环境质量执行标准的级别规定为：Ⅰ类土壤环境质量执行一级标准；Ⅱ类土壤环境质量执行二级标准；Ⅲ类土壤环境质量执行三级标准。

❸ 地质灾害风险评估方法研究进展

一、评估方法的分类及适用性

对基于GIS的滑坡危险性评估方法分类和评述可参见Soeters和Van Westen（1996）、Carrara等（1995，1999）、Guzzetti等（1999），Aleotti和Chowry（1999）和Van Westen（2000）发表的文章。一致认为评估方法可分为4类：

（1）基于滑坡编目的概率方法；

（2）启发式方法（直接方法——地貌填图，或间接方法——定性图的结合）；

（3）统计方法（双变量或多变量统计）；

（4）确定性方法（Soeters和Van Westen，1996）。有关滑坡风险评估方面的出版物不多，但最近有一些关于滑坡风险评估的综述出版物值得称赞，如Cruden和Fell（1997）、Guzzetti（2000）、Dai等（2002）的文章以及Lee和Jone（2004）出版的教科书。根据澳大利亚岩土力学协会滑坡风险管理分委会提出的分类方法是基于定量化水平分为以下三种：

（1）定性方法（以定性术语表示概率和损失）；

（2）半定量方法（指标性概率和定性术语）；

（3）定量方法（概率和损失的定量化）。

总的来说，滑坡空间分析方法可以分为两大类：一是定性方法，包括滑坡编目和启发式方法；二是定量方法，包括统计概率预测和基于过程的数值模拟方法。根据Soeters和van Westen（1996）的研究，将不同尺度的滑坡空间分析所适用的方法加以概括（表2-8）。将滑坡危险性的4种方法与3种风险评估方法进行组合，便可以获得适用于中比例尺（1∶10000～1∶50000）的多种有用的方法（表2-9）。

表2-8 不同尺度滑坡灾害空间分析建议方法

表2-9 中比例尺基于GIS滑坡风险区划的评估方法和特定组合的有用性

注：0：危险性评估方法不适合风险评估方法；1：有用性中等的组合，危险性评估方法不太适合于风险评估方法；2：有用性高的组合，危险性方法可能是用于风险评估的最好方法，但这取决于数据的可得性（如历史滑坡记录）；3：最有用的组合，在可得的输入数据条件下会得出最好的风险评估结果。

如果在滑坡编目中有滑坡发生的时间和规模方面的信息可以利用的话，就可以估计一定地点特定时间给定规模的滑坡发生概率。滑坡编目的另一用途是对滑坡危险性分析的结果进行验证和校正。因此，最好将滑坡编目数据分成两组，一组用于滑坡分析，另一组用于验证（Chung和Fabbri，1999）。这往往是一个最基本的、但往往被忽视的问题。应投入较大的资源进行高质量的滑坡编目，以保证获得可靠的空间分析数据。

启发式方法基于对当地有关滑坡的认识和专家的判断。这种方法还使用空间信息解释滑坡的发生。通常这样的信息包括地形、水文、地质、岩土、地貌、植被以及土地利用等信息。通过野外调查和航片的解译获得这些信息。不同专家对于环境因子对滑坡的影响判断是不同的，主要取决于他（们）对滑坡的认识和经验。这种判断的主观性以及没有确定的标准使得启发式方法具有明显的缺陷。然而，如果专家对其所研究的滑坡机制有深入的了解，并对研究区进行过详细调查研究，使用这种评估方法得出的结果还是比较准确的和适用的，特别是对滑坡敏感性的首次估计。启发式方法适用于定性和半定量风险评估，可以用有限经费编制出较大面积的可靠的滑坡图，当然，这些工作要由专家来做才行。

与定性方法不同的是，定量方法主要基于客观准则进行评估，从理论上来讲，使用大致相同的数据会得出比较一致的结果。定量方法中统计方法应用的最普遍。利用多元回归或判别分析，将环境因子（如地质、地貌、土壤、地形、水文、植被等）分布图与滑坡编目图（发生地点）进行空间统计计算，得到滑坡危险性图。或者通过概率预测模型（如贝叶斯概率法和模糊逻辑法）也可以计算得出滑坡危险性图。滑坡危险性图是静态的，没有考虑气象条件的变化、流域汇水条件的变化和人类对环境条件的影响。统计方法非常适用于空间概率的评估，但在评估时间概率或未来环境变化效应时存在问题。如果与不同触发事件的滑坡编目图结合，可能是在较大范围地区进行定量风险评估的最好方法。

另一类定量方法是基于过程的模型方法。这类模型将地形属性（如坡度、曲度、坡向、距河道的距离、汇水面积等）与水文特征（土壤饱和度、渗透性和水力传导性等）相结合，以获得有关土壤岩土性质（如凝聚力、内摩擦角、比重），从而进行坡体稳定性分析。主要可利用的模型是无限坡法，如由Montgomery和Dietrich（1994）开发的SHALSTAB模型，该模型在美国许多地区和巴西里约热内卢得到了广泛的应用。最近由Günther等（2002）开发的数字电影模拟方法也用于滑坡空间分析上。

对于定量风险评估，基于滑坡编目的概率方法通常是最好的方法（假设条件是过去发生的滑坡事件是未来发生滑坡的指示）。然而，这种方法需要相当完整的历史滑坡记录。在因气候变化导致环境发生巨大变化的地区，滑坡频率将发生显着变化，该方法不适用于这类地区。一般来讲，滑坡风险定量评估的最好选择是应用确定性滑坡稳定模型，与山坡水文条件动态模型相结合。这需要覆盖大面积地区的大量数据，并且要对滑坡类型和滑坡深度进行很大程度的简化。

二、评估方法的进展

1.滑坡编目方法的进展

世界上只有极少数的地方建立了过去50～100年的完整的历史滑坡记录。在一些国家建立国家滑坡编目数据库，有时可以通过互联网获取数据库中的信息。其中最好的数据库包括意大利、中国香港、瑞士、法国、加拿大和哥伦比亚。可以利用这些数据进行滑坡危险性概率评估，这是定量风险评估的基础。根据Crovelli（2000），通常利用历史滑坡数据进行滑坡危险性评估的适用概率模型有两类：连续时间模型和离散时间模型。例如Coe等（2004a,b）将西雅图市（1909～1999）历史滑坡数据库有关信息输入到泊松模型中，据此估计出单体滑坡未来发生概率；还利用双峰概率模型估计了滑坡群年发生概率。这些成果图显示出未来可能发生的滑坡密度、平均重现期和超越概率。

香港是另一个具有相当丰富信息的滑坡数据库的典范。使用了将概率方法和启发式调整因素相结合的方法，利用该数据库的详细信息，估计了切坡失稳的年概率（Finlay等，1997）。历史滑坡记录还被用于计算滑坡触发事件（如降雨和地震）的概率。新西兰是这类分析研究的理想场所，确定了不同降雨强度下降雨临界值和滑坡概率（Glade，1997；Crozier和Glade，1999）。估计未来滑坡事件的频率和规模是必不可少的工作，最好在任何重大灾难性事件（地震、暴雨和飓风等）发生后，地貌学家应立即开展滑坡现象的编目以及不同承灾体损失调查。

2.启发式方法的进展

许多国家和地区实施的定性风险评估程序采用了启发式方法。例如美国加州（Blake等，2002）、新西兰（Glassey等，2003），澳大利亚（AGSO，2001；Michael—Leiba等，2003）、法国（Flageollet，1989）和瑞士（Lateltin，1997）。在澳大利亚国家地质灾害易损性的城市社区项目（或城市项目）是一项有关分析和评估包括滑坡在内的地质灾害对城市构成风险的计划，所使用的方法绝大多数是基于专家或地貌的启发式方法（AGSO，2001）。大区域的滑坡风险定量评估通常是一项艰巨的任务，因为计算整个地区的滑坡强度和频率是非常困难的事情，即便是借助GIS先进手段也是如此。在实践中，通常使用简化的定性评估程序，就像瑞士的做法一样（Lateltin，1997）（图2-1）。

地质灾害风险评估理论与实践

图2-1 瑞士水与地质联邦办公室采用的滑坡风险评估简化方案

注：表格中E为动能；V为滑坡速度；M为潜在物源物质的厚度；H为泥石流的高度。在这种方法中，没有根据滑坡发生的概率对滑坡事件做进一步的划分。

基于专家经验的定性方法将评估地区划分为几类风险地区：即“非常高”、“高”、“中等”、“低”、“非常低”的不同等级的风险地区。建议要对这些不同等级的风险说明实际应用的含义。例如，在非常高的风险地区，需要物理和非物理治理措施，必须限制更多的基础设施建设等。澳大利亚岩土力学协会滑坡风险分委会发布了有关财产滑坡风险评估的术语和方法指南，该指南综合考虑了滑坡发生的可能性及其可能的后果（与图3-1的方法相似），使用的方法适用于GIS环境的空间分析。

由于GIS技术的普遍应用，越来越多地使用了间接性的敏感性编图方法，而有关利用GIS的专家启发式的地貌编图或指数叠加编图方法（如Barredo等，2000； Van Westen等，2000）方面的出版物越来越少。 如上所述， 目前有关滑坡的数据库的不完善和数据标准的不统一，以及滑坡敏感性、危险性和风险性评估中存在的诸多困难，都需要专家的经验和知识开展滑坡风险评估和区划研究。特别是将地貌学家的启发式推理与计算机辅助模拟相结合的专家模型用以滑坡风险评估。美国开发的SMORPH模型便是这类模型的代表。该模型根据地形坡度和曲度将山坡划分为高、中、低不同的滑坡危险性等级。

风险编图将会从问题导向方法中受益匪浅，如可以仅选择那些已知的、造成破坏的滑坡失稳类型来确定风险影响因素。

3.统计方法的进展

地理信息系统（GIS）非常适用于间接的滑坡敏感性编图。可利用GIS的数据整合技术将使所有可能影响滑坡的地形要素与滑坡编目图结合起来（Van Westen，1993；Bonham Carte，1996；Chung和Fabbri，1999）。Chung和Fabbri（1999）开发出基于预测模拟的统计程序，将有利函数应用于每个参数上。使用该统计方法，可将地形单元或网格元调整为代表某特定滑坡类型未来发生概率的新数值。

值得注意的是，如何在滑坡敏感性统计评估中确定基础编图单元。从DEM中自动生成地形单元分类是主要的挑战之一。Chuang等（1995）定义了“唯一条件多变形”的概念，以此作为统计分析的基础单元对参数输入层进行叠加。M ller等（2001）定义并描述了利用GIS从DEM中生成的“土壤力学响应单元”（SMRU）的概念。以此作为基础单元，将启发式方法与土壤力学方法相结合对德国Rheinhessen地区进行了滑坡危险性评估。Juang等（1992）、Davis和Keller（1997）、Binaghi 等（1998）、Ercanoglu和Gokceoglu（2001）以及Gorsevski等（2003）综合运用了模糊学方法，进行了基于GIS的滑坡危险性评估。

采用实证权重模拟的双变量统计分析一直被广泛应用。该方法可以灵活地测试用于滑坡敏感性分析的输入因素的重要性，并可作为基于专家编图的辅助工具（Lee等，2002；Suzen和Doyuran，2003；Van Westen等，2003）。多变量统计分析也很重要，也是被广泛应用的方法（Carrara等，1999；Santacana等，2003）。根据最近的文献，目前最受欢迎的新的滑坡危险性统计方法是逻辑回归和人工神经网络（ANN）（如Chung等，1995；Rowbotham和Dudycha，1998；Ohlmacher和Davis，2003；Dai和Lee，2003）。ANN为输入层和输出层之间提供了一种转换机制，需要借助MATLAB系统完成有关计算。

用于滑坡风险评估的统计方法存在一些缺陷。一是简化了滑坡影响因素，仅考虑那些容易进行编图的因素或可以从DEM中生成的参数。二是关系到使用的统计方法的假设条件——在相似的环境组合条件下发生滑坡的可能性大。实际上环境因素在不断发生变化。三是不同滑坡类型有着不同的属性特征，应单独进行分析和评估。实践中因种种困难，难于做到这点。统计模型通常忽视了滑坡的时间方面，不能预测控制条件（如水位波动、土地利用变化和气候变化）的影响。因此，统计模型不能提供全面的时间概率信息，从而使其应用到定量风险评估变得困难。然而，如果能够利用特定时间间隔或特定重现期的滑坡编目图来生成统计关系，就会改进统计方法的评估水平。

近年来有一些关于将统计方法与不同时期滑坡图相结合的研究成果发表。例如，Zêzere等（2004）提出了用于葡萄牙里斯本北部滑坡危险性评估的区域尺度概率统计分析方法。他们基于“唯一条件多变形”这一基础单元，利用逻辑回归方法进行了滑坡危险性分析，得出的预测率曲线被用于滑坡敏感性图的定量解释和分类。由于滑坡与特定重现期的触发降雨事件相关，他们还将时间概率值关联起来。Dai和Lee（2003）在香港的部分地区也开展了类似的研究。然而，上述两个案例研究只开展了滑坡危险性评估，没有开展滑坡的风险评估。目前关于应用统计方法开展滑坡风险评估的研究还很少见。Remonodo等（2004）在西班牙北部进行的风险评估（包括使用过去损失数据进行易损性评估）是为数不多的研究案例之一。

4.确定性和动力模型方法的进展

在确定性分析中，根据斜坡稳定性模型计算的安全系数来确定滑坡危险性。确定性模型提供了滑坡危险性最好的定量信息，可直接用于岩土工程设计或定量风险评估。然而，确定性模型需要大量的输入数据，这些数据需要通过实验室试验和野外测量获得，因此仅能在小范围内使用确定模型。Dietrich等（2001）、Gritzner等（2001）、Chen和Lee（2003）、Van Beek和Van Asch（2003）等研究人员，将确定性模型与降雨诱发的潜层滑坡联系起来，开发出了水文动力模型（模拟孔隙水压力的时间变化）与斜坡稳定性模型耦合的GIS模型，用以定量分析临界孔隙水压力值。由美国森林管理局开发的斜坡稳定性模型也是基于无限斜坡方程。Hammond等（1992）使用了该模型并利用蒙特卡罗模拟器得出斜坡失稳的概率值。Davis和Keller（1997）以及Zhou等（2003）还尝试将蒙特卡罗与模糊方法相结合来确定斜坡失稳概率。

用于地震诱发的滑坡危险分析的确定型方法通常是基于简化的Newmark斜坡稳定性模型，Miles 和Ho（1999）、Luzi等（2000）、Randall等（2000）、Jibson等（2000）在GIS的每个计算单元上应用Newmark斜坡稳定性模型，得出滑坡危险性预测值。Refice和Capolongo（2002）还开展了将蒙特卡罗模拟方法与Newmark斜坡稳定性模型相结合的研究。

Anderson和Howes（1985）使用了完全不同的方法。他们开发出将水文斜坡稳定性模型耦合在内的2D模型（目前为CHASM），用于道路边坡滑坡危险性编图。Van Asch等（1993）和Moon 和Blackstock（2003）也使用了该方法对奥地利西部的Vorarlberg的小型汇水流域以及新西兰惠灵顿市分别开展了滑坡危险性评估。Miller和Sias（1998）使用2维有限元模型模拟非承压地下水的通量，计算了水位高度和大型滑坡不同剖面（采用简化的Bishop分隔方法）的安全系数。

GIS被广泛应用于滑坡活动范围的模拟。Dymond等（1999）开发了不同暴雨事件和土地利用情景下，浅层滑坡及其向河网输送沉积物的、基于GIS的计算机模拟模型。高分辨率的DEM是模型中的主要部分。De Joode和VanSteijn（2003）建立了一个简单又完整的过程模型，用以模拟降雨诱发的滑坡初始滑动、沿剖面的径流、物质传输、侵蚀以及在主要沟谷中的泥石流扩展。在模拟滑坡的流动速度和影响范围时，普遍采用了细胞单元自动生成法（Avolio等2000）。

许多研究人员（如Terlien，1996；Montgomery等，1998；Dietrich等，2001；VanBeek，2002）开展了GIS环境下的确定性动态模拟研究。如果输入气象数据，确定型模型就能够预测斜坡失稳的空间和时间频率。最近研发出的一些模型可以预测斜坡失稳后物质的运移过程并确定出泥石流的影响带（Chen和Lee，2003）。这些信息将直接用于滑坡易损性和风险评估。确定性模型与统计模型相比，其优势是可以预测不同的土地利用情景（目前不存在）下的滑坡危险性变化，还可以预测气候条件变化情景下的滑坡危险性。

然而，确定型模型的参数化方面的限制，使滑坡发生的时空频率及其影响范围的预测的准确性具有许多不确定性。在汇水流域尺度上，仅可对诱发机制较为简单、水文构型简单的滑坡能进行模拟预测。由于滑坡发生的时间和空间分布数据有限，难于进行模型的矫正和有效性检验。在滑坡活动范围和沉积带中物质厚度的分布是重要的模型校正与检验参数（Van Asch等，2004）。

❹ 德商高速公路鄄城黄河大桥桥基砂土液化综合评判

邢永强

（河南省国土资源科学研究院地质环境所，郑州 450053）

《隧道建设》，文章编号：1672-741X-(2006)-03-0017-04

摘要 德商高速公路鄄城黄河大桥桥位区地震活动频繁，地基饱水的粉、细砂层发育。通过场地液化势宏观和微观判别，对桥区地基进行了液化综合评判，计算了桥区地基液化指数，划分了液化等级；指出砂土液化必须采用多种方法进行综合判别，以提高液化判别的可靠性。

关键词 砂土液化 场地液化势 综合评判

1 引言

地基液化是地震所引起的显着震害之一，地震引起的砂土液化导致建筑物整体失稳等现象越来越受到人们的关注。我国1966～1976年期间先后发生的邢台、海城和唐山3次强地震事件，都伴随着大范围的地震液化，致使建筑物倒塌，造成了严重经济损失和人员伤亡。地基的抗震问题中最突出的是饱和砂土的液化，若能事先准确判别液化，就可在设计中采取适当措施加以预防；如果漏判、误判，将会给工程留下安全隐患。在烈度值较高的地区进行工程建设，液化判别是可液化地基需要解决的首要问题。

饱和砂土的地震液化是基于多种因素共同作用的一个复杂过程，其内因在于砂土质条件，如相对密度、颗粒级配、平均粒径、不均匀系数、渗透系数、塑性指数、粘粒含量、土体结构及超固结比等，即地基土质条件；外因在于动荷条件，如震级大小、幅值、频率、历时及方向等，主要指区域地震条件；媒因即催化因素，埋藏条件（包括上覆地层的排水条件、有效压力及应力历史等）、场地地形地貌、地下水作用、地基与建筑物的相互作用等，主要指场地条件。对于地震液化的评价，实质上就是对上述各种因素在给定条件下可能产生的作用进行全面的估计。本文通过场地液化势宏观判别与微观判别相结合的方法对桥位区的砂土液化进行了比较详细的综合评判，并以此为例，探讨评判中值得研究的问题和方法，以便今后能尽量合理地评价在地震作用下的饱和砂土的液化问题。

2 工程概况

拟建鄄城黄河公路大桥是一座横跨黄河的特大桥梁，地处山东省西南部鄄城县以北，位于山东、河南两省交界处，地理位置在东经115°15′～115°35′，北纬35°35′～36°00′之间，是规划建设的德（州）至商（丘）高速公路的一个重要控制工程，起点桩号K199+150，终点桩号K206+870，全长7.720km，工程投资估算总金额为9.12亿元。鄄城黄河公路大桥的建设，将成为解决拟建的德州至商丘高速公路运输的关键；对改善我国公路交通网，晋煤东运、中原油田的开发等均具有重要意义。

3 桥基场地岩土工程条件

拟建大桥桥位区（以下称评估区）位于黄河中下游，地处黄河冲积平原，属华北平原的一部分；黄河两岸为广阔的河漫滩地，地形平坦开阔，地层地貌总体变化不大，为河漫滩相二元结构。地基土主要以第四系全新统冲积低液限亚砂土为主，夹薄层低液限亚粘土和粉细砂，黄色、黄褐色、灰黄色，粘粒平均含量小于7%，软塑或流塑状，容许承载力80～110kPa。由于地下水位埋藏较浅（0.00～3.00m），上部砂性土、黏性土常处于地下水位以下，土层松散饱和、力学强度较低，工程地质条件较差，压缩性高，结构疏松不均匀，层位、层次变化大，常以互层状、薄层状及透镜体状出现；标贯击数为3～13击，底板埋深25～30m（河南省国土资源科学研究院，2005）。

4 评估区地质构造

评估区位于中国三级阶梯的中后部，区域大地构造上属中朝准地台，地处新华夏系第二沉降带东濮凹陷与鲁西隆起区菏泽断凸的交汇地带，区域地质构造较复杂。评估区处于鲁西隆起的西部边缘，处于断裂强烈活动带，较大断裂主要有：西侧为呈南北向分布的聊兰大断裂，南侧呈东西向分布的郓城断裂，东部呈南北向分布的曹县断裂，范县与鄄城交界处呈东西向分布的范梁断裂，范梁断裂沿鄄城北部伸入范县境与聊兰断裂交会，桥位北岸接该断裂呈现垂直交叉态势。其中，聊兰大断裂为本区的主要控震断裂，该断裂为新华夏系构造体系，生成时间晚、规模大，新生代乃至全新世仍有强烈活动迹象；该断裂使东西两侧菏泽断凸与东濮凹陷落差最大达7 000余m，成为东濮凹陷与鲁西隆起的主要分界断层。西部凹陷区的持续下降，沉积了巨厚的新生代地层，凹陷区与东部相对稳定的鲁西隆起之间产生强大的剪切能，在交界断层上逐渐集聚，促使断层深部撕裂和浅部滑动，成为强震源泉，形成了范县、鄄城、菏泽地震构造带。国家地震局将该地区列为地震重点监视区，对各类工程建设有较大影响。

5 地震活动概况

评估区位于华北平原地震带南端，历史上鄄城、范县及附近地区发生2.0级以上地震部分记录见表1。国家地震局通过分析华北地区历史上发生的地震，得出地震活动具有周期性的规律，活跃期之间为稳定期，其中活跃期如下：

第一活跃期：1022～1068年共46年，后接平静期140年；

第二活跃期：1209～1368年共159年，后接平静期115年；

第三活跃期：1484～1730年共246年，后接平静期84年；

第四活跃期：1815～现在（未结束）。

评估区区域新构造运动强烈，构造上处在华北第二沉降带和第三隆起带过渡带，是华北第4个地震活动期内强震的空白地段。3级以上地震发生频率为23年/次，大部分的强震都集中在断裂带交会的部位。根据本区新构造运动非常活跃的特点，推测本区地震今后仍会频繁发生。

根据国家质量技术监督局发布的GB18306—2001《中国地震动参数区划图》，评估区内地震动峰值加速度为0.20 g，评估区内地震基本烈度为Ⅷ度。

表1 鄄城、范县及附近地震部分记录一览表Table1 The partial earthquake records in Juancheng，Fan county and nearby regions

6 场地液化势宏观判别

场地液化势宏观判别主要考虑下列3个因素：地基土质条件、区域地震条件和场地条件。

6.1 地基土质条件

（1）砂土类型：从唐山和海城地震地表喷砂的粒度分析，七度区液化砂土主要为粉、细砂及部分亚粘土，其平均粒径D₅₀介于0.021～0.170mm之间，不均匀系数U_c介于1.9～3.4之间，而粒径D₅₀小于0.005mm的粘粒含量不大于10%。评估区内粉土的粘粒（粒径小于0.005mm的颗粒）含量百分率小于7%，不均匀系数U_c介于2.0～3.6之间，具备砂土液化形成条件。

（2）砂土密实度：地震时，松散、饱水的砂土比密实状态下的砂土更易液化。因为饱和砂土受震动作用时产生的孔隙水压力与土的密度有密切的关系，土的密度越小，自由水越多，孔隙水压力就越大。因此，砂土的相对密度是判别是否产生地震液化的定性指标之一。从海城、唐山地震经验来看，砂的相对密度如大于0.55，七度区可不发生液化；由于标贯值N_63.5值越小，表示土越松，其沉降液化量也越大，所以实际工程中，砂土的相对密度一般可根据所得实际土层的标准贯入锤击数N_63.5查得相对密度。评估区内标贯击数为3～13击，砂土的相对密度在0.28～0.58之间。

6.2 区域地震条件

地震强度和历时是产生液化的一个必要条件。研究表明，在一定条件下，地震强度越大，震动历时越长，砂土越容易液化。据宏观经验，液体一般出现在地震烈度大于Ⅵ度地区；按海城、唐山和国外一些震例调查结果，一般可液化区的烈度为Ⅶ度。评估区区域新构造运动强烈，处于范县、鄄城、菏泽地震构造带内，国家地震局将该地区列为地震重点监视区；评估区内地震基本烈度为Ⅷ度，正处于可液化区的烈度值之内。

6.3 场地条件

（1）地质地貌特征：砂土液化的发生与一定的地质地貌特征有着内在联系。据唐山地震时76个液化点和15个非液化点的工程地质资料统计：砂土液化分布较多的地貌单元分别为冲积平原区，Ⅰ级阶地、河漫滩，地层时代为Q_4-新两种。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。评估区为全新统，位于黄河中下游，地处黄河冲积平原，由现代河床、Ⅰ级阶地及河漫滩地貌单元组成，具备容易液化的地质地貌特点。

（2）埋基深度及地下水位情况：砂土埋藏深度多数在地表30m范围内，少数大于30m，地下水埋深极浅（0.00～3.00m），根据海城、唐山地震的统计资料表明，地下水位深度3m以内地区易发生液化，因而当地下水位高于液化层层顶或较为接近时，孔隙水动水压力容易产生作用，形成足够的水压，使砂土颗粒处于悬浮状态达到完全液化。

综上所述砂土液化判别结果：评估区区域新构造运动强烈，处于地震构造带内，地震基本烈度为Ⅷ度；区内为全新统，地处黄河冲积平原，由现代河床、Ⅰ级阶地及河漫滩地貌单元组成；粘粒（粒径小于0.005mm的颗粒）含量百分率小于7%，不均匀系数U_c介于2.0～3.6之间，相对密度在0.28～0.58之间，地下水埋深极浅（0.00～3.00m），具备砂土液化形成的区域地震条件、地基土质条件以及场地条件。

7 场地液化势微观判别

有关液化判别的微观方法很多，笔者主要采用标准贯入试验法、剪切波速法和静力触探法对场地的液化势进行判别。

7.1 标准贯入试验法评判

当饱和土标准贯入锤击数（未经杆长修正）小于液化判别标准贯入锤击数临界值时，则判为液化，否则不液化。在地面以下15m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值按下式（建筑抗震设计规范GB50011—2001，2001）计算：

N_cr=N₀［0.9+0.1（d_s-d_w）］（3/ρ_c）^1/2

在地面以下15～20m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值按下式（建筑抗震设计规范GB50011—2001，2001）计算：

N_cr=N₀（2.4-0.1d_w）（3/ρ_c）^1/2

将计算结果按

计算液化等级，式中符号意义见文献：建筑抗震设计规范GB50011—2001，2001。

应用该法对场地内6个孔共28个计算点进行液化判别（表2，式中原始数据见文献：河南省交通规划勘察设计院，2005），除埋深在18～20m的4个试验点不液化外，其余各点均液化。该工程液化指数平均值为23.83，判别结果为严重液化。

表2 鄄城黄河大桥饱和砂土液化计算结果（建筑抗震设计规范法）Table2 The result of saturated sand liquefaction at Yellow River Bridge of Juancheng（Regulations on Seismic Design of Building）

7.2 剪切波速法评判

波速法评判即依据土层剪切波速的观测数值，按下列公式（岩土工程勘察规范GB50021—2001，2002）进行计算判别：

当实测剪切波速V_s大于按下式计算的临界剪切波速时，可判别为不液化。

环境·生态·水文·岩土：理论探讨与应用实践

将计算结果按

计算液化等级，式中符号意义见文献：岩土工程勘察规范GB50021—2001，2002。

此方法仅适用于判别地下15m范围内饱和砂土和粉土的地震液化。根据现有的宏观震害调查资料，地震液化主要发生在浅层，深度超过15m的实例极少，故本方法仍有其积极的现实意义。

本次对评估区内进行剪切波速值测试的钻孔共计3个，结果见表3，液化指数平均值为31.83，判别结果为严重液化。

表3 鄄城黄河大桥剪切波速孔饱和砂土液化计算结果Table3 The result of saturated sand liquefaction of shear wave velocity hole at Yellow River Bridge of Juancheng

7.3 静力触探法评判

静力触探法评判是当实测计算比贯入阻力P_s或实测计算锥尖阻力q_c小于液化比贯入阻力临界值P_scr或液化锥尖阻力临界值q_ccr时，应判别为液化土。参数值按下式（岩土工程勘察规范GB50021—2001，2002）确定：

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）

将计算结果按

计算液化等级，式中符号意义见文献：岩土工程勘察规范GB50021—2001，2002。

应用该法对场地内4个孔共19个计算点进行液化判别，除埋深在17～20m的两个试验点不液化外，其余各点均液化。该工程液化指数平均值为29.76，判别结果为严重液化。

8 综合评价

通过上述评判，显然可以看出，由于不同规范的要求和评判方法的不同，得出的结果存在一定的差异，但判别结果宏观相近。综合上述宏观和微观判定，评估区可产生砂土液化现象是客观的趋势，其主要液化特点：

（1）该场地在Ⅷ度地震烈度时具有液化趋势，液化程度为严重。

（2）可液化层以埋深较浅的亚砂土、细砂和粉砂夹层为主，埋深为2.0～17.0m，主要分布于现代河床和两岸上部砂类土层。

9 几点认识

（1）上述经验法都是结合地震液化的影响因素建立的公式，但考虑的范围和侧重点各不相同，对不同场地的适用程度也不同，且各种方法均有误判，因而有必要采用多种方法进行综合判别，以提高判别结果的可靠性。

（2）上覆非液化土层厚度是影响液化的主要因素，覆盖层越薄越易液化（杨健等，2003），评估区内粉土覆盖层较薄，标准贯入法仅考虑埋深，未考虑上覆地层的岩性和厚度，静力触探则很好地考虑了这一点。

（3）对土质的考虑，标贯法与波速法均是以粒度成分（粘粒含量）考虑粘粒对场地液化影响的，静力触探法则是以反映土的固有特性的I_p对场地液化影响的。因为对土体性质起决定作用的是粘土矿物颗粒含量，液塑限主要反映粘土矿物的成分和含量，而粘粒（＜0.005mm）含量仅反映土中细颗粒的含量（尹兴科等，2004）。从这一点上来说，静力触探法比标准贯入法和波速法更适用于粉土场地液化的判别。

（4）采用标准贯入试验虽然是一个比较简单且适用的现场原位测试方法，但在工程地质勘探中受到多种因素的控制：如钻进方法、标准贯入设备、操作的熟练程度和准确性等；而静探试验人为因素少，试验精度高，结果稳定。为此建议在粉土液化判别时，以静力触探方法为主，综合考虑宏观判别和标贯等方法的判别结果，将液化级别适当调整后，作为粉土液化判别的最终结果。

参考文献

中华人民共和国建设部.2001.GB50011—2001，建筑抗震设计规范.北京：中国建筑工业出版社.

中华人民共和国建设部.2002.GB50021—2001，岩土工程勘察规范.北京：中国建筑工业出版社.

河南省国土资源科学研究院.2005.鄄城黄河公路特大桥工程建设场地地质灾害危险性评估报告.郑州：河南省国土资源科学研究院.

河南省交通规划勘察设计院.2005.鄄城黄河公路大桥初步设计.郑州：河南省交通规划勘察设计院.

刘艳华，尹兴科，席满惠.2004.粘粒和粘土矿物对砂土液化影响的探讨.勘察科学技术，（3）：6～8，26.

杨健，路学忠，陈庆寿.2003.砂土液化影响因素及其判别方法.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 什么叫地震液化

1 地震液化的成因
少粘性土受地震力作用后，使使土体积体积缩小、孔隙压力猛增，从而使有效压力减小，使土迅速减小或完全丧失抗剪强度，使土提如液体一样流动或喷出地面，成为地基液化。

2 地震液化产生的条件
内因：有的说砂土，实践证明叫“少粘性土”更好一些，有的粉土轻壤土也可能液化。
外因：饱和+地震动
如果是常年干燥状态，不会液化，如果地震烈度是小于6度，也认为不发生液化。

3 液化土内因分析与判断
（a）土的粒径与级配：与中值粒径和不均匀系数有关
（b）土的密实度：越密实越不易液化
（c）土的上覆压力和侧向压力：[地应力]越大越不容易液化

4 哪些场地需要进行地震液化评价
显然，某些地区是相对稳定版块，地震烈度极小，一般建筑物不进行地震液化评价。岩土工程勘察规范2001指出

“在抗震设防烈度等于或大于6度的地区进行勘察时，应划分场地类别，划分对抗震有利、不利或危险的地段”。“抗震设防烈度6度时，可不考虑液化的影响，但对沉陷敏感的乙类建筑，可按7度进行液化判别。甲类建筑应进行专门的液化勘察。”

5 地震液化判定方法
岩土勘查规范和水利水电工程地质勘查规范都要求(a) 初判 (b) 复判
水利水电勘察规范上讲的也比较清楚，我凭记忆给你个步骤。
准备工作，先查场区地震烈度，7度以上进行地震液化判断。
（1）初判
首先，根据地基土的基本特性，特别是土的颗分分类，一般产生地震液化的是“少粘性土”，哈哈！粘粒含量大于17%，则初判无地震液化可能，否则，需要根据（2）复判。
（2）复判
复判方法很多，常用的是综合指标法和标贯判定：
（a）综合指标判断
烈度 7 8 9
加速度g 0.1 0.2 0.4
颗分d50(mm) 0.05-0.15 0.03-0.25 0.15-0.50
相对密度 <0.6 <0.7 <0.8
**相对密度，一般作试验比较麻烦，实践中很少采用。
（b）根据标准贯入试验判断
该方法是最常用和可靠的，好多国外也用中国的经验[我在合适的时候上载老外对地震液化的研究]，因为是原位测试结果，而且可以反应场地地应力状态等。一般判断15米以内地基，太深标贯修正钻杆、孔斜、孔壁摩擦等问题突出。还有15米以下即使是少粘性土，一般也很密实，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进行杆长和地下水修正后的表贯击数。
H - 砂土层的埋深(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
+++++++++++++++++++++++++++++++
判断：N63.5 > Nc 不液化，否则液化
另外，有的还进一步进行液化程度计算，一般需要大量的标贯或静力触探数据，否则没法进行。我从来没有计算过，搞到复判就可以啦。
说明：以上方法大多可水电规范或抗震设计规范中找到，但一般没有条理，给出很多方法，大家都基本不用，因此给新手增加了好多麻烦 - 让人感到“不知道哪个更好、哪个更准确”。

6 液化判定深度问题
岩土勘察规范规定:“地震液化的进一步判定应该在地面以下15米范围进行，对于桩基或基础埋深大于5米的,加深至20米。勘探点不少于3个，勘探深度大于液化深度。 "

7 液化土的治理措施
由于外因，饱水和地震我们无法改变，因此，只能从土的内因找解决办法，有两个思路，一个是土的颗粒为“少粘性土”，其次是密实度差，多处于“松散”状态。因此，治理无外呼于此.
（1）浅基础或基础面积、埋深不大，可以采用换填，用性状更好的颗粒更粗的土置换“松散的少粘性土”。这种做法很少，因为置换也涉及碾压过程，因此，都直接选（2）。
（2）压密可液化土层
方法很多，经常采用的有：
(a) 强夯法：
压密，城市附近不允许，噪音和地震动太大，适合于郊区，处理深度也不超过8米。当然也取决于土的类别。
(b) 碎石桩：置换+挤密
处理深度大，采用螺旋钻就可以。
(c) 震动夯
边震动边捣密，处理深度很大，世界记录是56米，广泛用于工民建和水利工程行业，更多精彩祥见：
(d)化学处理
根据土与水中离子生成稳定的化合物，使土变密实。

❻ 土壤液化的地震液化

地震液化是城市地震危害的主要来源。震荡致使孔隙水的压力增加，土壤的剪力强度降低，从而使沙粒的表面张力减小。如果地表刚好有一层干薄的地面，水压会有可能带着沙土喷出地面，这就是所谓的“喷沙”。

❼ 如何进行地基土的液化判别

地基土的液化已严重影响工程建设,在工程勘察过程中,只有采用多种判别方法才能准确判定液化土的存在与分布。标准贯入试验作为目前阶段液化判别主要手段之一,初步满足了液化土层的评价。
地基土层的液化判别形式是非常复杂的,目前国内外都在进行研究。通过对以往大量工程试验结果的对比分析,并结合我国现行《抗震规范》,只有通过“二阶段”判别方案,即初步判别和标准贯入试验判别相结合的方式进行才是真实可行的。才能更好的解决地基的液化判别问题。
1 判别原则 根据对多年的工程经验实践资料进行对比分析,发现液化与土层的地质年代、地貌单元、粘粒含量、地下水位深度以及上覆非液化层厚度等有密切关系。不同的成因类型,往往产生不同的液化现象,利用这些关系可对土层液化进行判别,即初步判别。初步判别的目的是排除一大批不会液化的工程,避免重复工作,达到省时、省钱的目的。凡经初步判别为不液化的就不需要进行第二阶段判别,以节省勘察工作量。其液化判别总体思路如下:
2 初步判别 由于6度地震区的震害比较轻,《抗震规范》规定,6度时一般不考虑对饱和土的液化判别。

❽ 饱和砂土地震液化怎样计算

饱和砂土地震液化研究方法概述

时间：2006-12-13

【摘 要】国内外研究人员在砂土液化机理、影响因素和判别方法等方面进行了深入的研究，取得了一定的成果。本文概述了广泛使用的砂土液化判别方法，评述了其优缺点，重点介绍了判别砂土液化新方法的研究动态。

【关键词】饱和砂土液化；动力分析方法；可视化评价模型；人工神经网络；BP算法

1 研究砂土地震液化的意义

1960年以来，世界范围内地震活动频繁，特别是1964年日本新泻地震、美国阿拉斯加地震引起的饱和砂土液化和地基失效，造成结构大规模破坏。地震引起的砂土液化，使地基部分丧失承载力和产生不均匀沉降，导致房屋开裂或倾斜，甚至使地基和边坡滑移、房屋倾倒，给人类带来巨大灾难。因此，进一步深入研究砂土液化机理、影响因素以及准确判别土基地液化及危害程度预测显得特别重要。

2 砂土液化的概念

“液化”一词的定义比较多，也略有不同，但不存在原则上的分歧。例如：1978年美国土木工程师协会岩土工程分会土动力学委员会对“液化”一词的定义就是“液化—将任何物质转变为液态的作用或过程”；美国的Seed H.B.对土液化的概念性解释为“峰值循环孔隙水压力比（峰值循环孔隙水压力与初始有效约束压力之比）到达100%的初始液化”；汪闻韶给无粘性土液化的定义是“物质从固体状态转化为液体状态的行为和过程”，称为“液化”。宏观上表现为土体出现类似液体的状态。土体液化主要在饱和无粘性土或稍具粘性的土中发生。在不排水条件下，在重复或单方向的荷载作用下，其超孔隙水压力增加，有效应力减小，抗剪强度降低甚至消失，由固体状态转变为液体状态。

3 砂土液化的研究现状

3.1 震动液化的机理

地基液化的震害现象早己为人熟知，强烈液化的宏观标志是“喷水冒砂”和建筑物严重沉降、失稳。但对液化机理的认识，却有两种明显不同的观点。

一种观点从液化的应力状态出发，液化条件为土的法向有效应力σ´＝0，土不具有任何抵抗剪切的能力。这种观点以Seed为代表。当土在动荷作用下的任何一个瞬间开始出现这种应力状态时，即认为土达到了初始液化状态。此后，在往返荷载的持续作用下，轮番出现初始液化状态，表现出土的往返活动性，使土的动变形逐渐积累，最后出现土的整体强度破坏或超过实际容许值的变形失稳。这种过程均需有初始液化状态的出现，否则将不会有液化破坏。从这一观点出发，液化的研究将着重于确定饱和砂土达到初始液化的可能性及其范围，同时视初始液化的点或范围内的土具有零强度值，来分析土体的应力、应变以及稳定性。

另一种观点从土体位移，变形的角度出发，不必达到初始液化的应力条件。土体由于结构破坏和孔压上升而引起的强弱化，出现具有液化状态的流动破坏，就认为土体已经液化。这种观点以Castro,Robertson等人为代表。在这种观点中，应用了Casagrande提出的临界孔隙比ecr(ecr是指剪切过程中既无剪缩又无剪胀的孔隙比)的概念，将土分为剪缩性土和剪胀性土，并提出了稳态变形和稳态强度的概念。所谓稳态变形是指土在一定常法向有效应力和一定常剪应力作用下产生的常体积和常速度连续变形的状态(即流动变形)，此时的剪应力即稳态强度。Casagrande在固结不排水三轴试验中采用定荷加载(dead-load increments)方式，在实验室内观察到了“流动结构”的现象，由于具体的条件不同，这种流动破坏具有不同的形态。

3.2 砂土液化的影响因素

土在振动作用下是否液化，主要与土的性质、地震前的应力状况、震动的特性等因素有关。归纳起来可以简单地分为内因和外因两种。胡定和张利明将前人的研究成果列为下图，较为全面地总结了土体液化的已知因素。土质条件、排水条件、静力条件为内因，动力条件则为外因。

图1 液化影响因素（引自胡定和张立明 1991）

由图1可知，地基液化影响因素众多，且研究表明众因素对地基液化的影响呈高度的非线性。现在还很难用统计、简化的模型、单一弹性体理论或塑性理论，甚至包括弹塑性理论来进行准确判别地基液化和危害程度评估。

3.3 无粘性土液化判别及危害程度评价方法

液化判别是指地基是否发生液化，液化危害程度是指地基液化程度。传统液化判别和危害程度评价方法多是在宏观地震灾害现象资料、现场试验和室内试验基础上总结、分析、统计得出的规律。目前液化危害程度评价的量化公式较少，常用方法有液化指数法、概率分析方法以及用震陷值或结合谱烈度比方法来综合评价液化等级[20]。国内外用于砂土液化的判别方法种类繁多。但由于影响砂土液化问题的复杂性，每种方法都有一定的运用范围和局限性。

传统土液化判别方法大致可归纳为现场实验、室内实验、经验对比[3]、动力分析四大类。

（1）现场试验方法

其判别法基本原理是：在宏观地震液化和非液化区域，依据现场试验测得判别指标的数据，通过分析、统计和总结，建立与宏观地震灾害资料之间的关系，得出经验公式或液化分界线来判别液化与否。主要包括标准贯入临界击数判别法（SPT）、静力触探法（CPT）、剪切波速法、瑞利波速法、能量判别法。

此类方法比较直观且可以考虑多个影响饱和砂土液化的因素，许多建筑物抗震设计规范都是采用此类方法；避免了室内试验中土样扰动等问题，具有较强的实用性和可靠性。但也存在一些不足：

一是需要大量的地震现场统计样本，已经累计的各类土体液化现场试验数据还比较少。例如尽管剪切波速法具有物理意义明确、波速值离散性小、预测可靠性高、可重复、经济性好、快速等优点，但过去的一些地震现场资料中，没有剪切波速的记录。

二是地基液化调查资料多是在自由场地取得的，一般说此类方法适用于自由场地的液化判别。

三是此类方法建立在地震现场的液化实例基础上，具有地区区域性，通用性不够理想，应用于某些地区的不同土层或不同烈度时精度不高。

（2）室内试验方法

这类方法根据室内试验模拟现场条件确定土体的抗液化强度，同时用设计地震资料计算地震动应力指标，比较两者大小判别液化与否。研究人员采用的主要室内试验有：各种类型的循环三轴压缩试验、共振柱试验、循环剪切、循环扭剪、振动台、离心机模型试验。这类方法以Seed和Idriss提出的抗液化剪应力法为代表，还有以后改进的一系列方法以及基于其基本思想提出的其它判别法。

此类方法主要用于判别在大型建筑物地基中和土工结构物中的饱和砂土体的液化。它可根据建筑物的具体形状、场地边界、排水条件等在实验室中进行模拟，并根据实际经验对结果给予修正。此类方法存在取样困难、应力释放和试样应力状态与土基差异较大等缺陷。因此，试验参数确定以及如何更好地模拟土体的现场情况是提高室内试验方法判别可靠度的关键。

（3）经验对比

根据宏观震害总结的经验，提出的液化判别标准。例如Seed和水利水电工程地质勘察部门提出的相对密度判别法。

（4）动力分析方法

动力分析方法主要有等效线性总应力动力分析法和有效应力动力分析法[1]两种。前者不考虑孔隙水压力的升高对土动力特性的影响，后者则反之。为了考虑土的非线性特性，主要采用有限元法评价土体的液化特性的动力分析方法来处理此类问题。

动力分析方法适用于自由场地，也适用于判别重要建筑物地基中和土工结构中饱和土体液化(土体的受力状态和几何边界比较复杂，需要单独的试验研究和计算分析)。它综合考虑了地震动力特性、地形地质条件、荷载作用、边界条件等多种因素的影响，还可以研究地震过程中及以后液化区的发生、发展过程。

但动力分析方法需要由室内试验确定土的若干动力特性参数以及复杂的计算分析，因此在实际工程中应用的较少，目前只在一些重大工程中适用[2,15,16]。

4 砂土液化研究新方法的动态

随着计算技术的发展和数学理论的完善，目前还出现了一些通过严谨的数学方法将各指标统一起来进行判别的方法[2 ]。中国科学院工程力学研究所地基研究室采用非线性的判别函数进行分析，建立了多元统计分析方法的液化势公式;采用模糊层次综合评判方法进行液化判别，例如模糊聚类分析[5]、模糊概率分析[6,7]。此法需要对各个选取指标赋予不同的权重，权值的选取带有主观性和随意性，导致结果失真；基于地震作用下饱和砂土体系中内部信息部分己知，部分未知的灰色系统，反映液化可能性的指标值是通过一些灰数的原理进行计算分析的。用灰色理论进行预测，当原始数据序列波动较大且信息过于分散时，预测的精度会降低;采用突变理论对地震液化资料进行系统分析，得出的液化判别方法。另外,还有基于GIS的砂土液化可视化评价模型和人工神经网络方法（ANN）评价方法，下文将重点介绍。

4.1 基于GIS的砂土液化可视化评价模型

地理信息系统(Geographic Information Systems 简称GIs)是一种具有存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用工具，在最近的几十年里取得了惊人的发展[8,9]。其应用领域非常广泛，目前有人借助GIs平台对开发砂土液化可视化评价模型进行了一些分析和探讨。

其基本思理是：建立空间数据库，用于储存、管理调查点处土的各项性质数据、SPT与CPT数据、室内三轴试验、场地地震设防等级、地形地貌，地质、构造等特征数据；构建砂土液化评价的分析模型；调用空间数据库相关数据，通过模型判别液化可能区域、灾害评价及防治处理，最终形成可视化。

优点是通过计算机实现砂土液化的可视化分析和分析成果可视化，而且信息丰富、使用方便、交互性好;砂土液化评价的分析模型综合考虑了影响土体液化的因素和研究成果。

4.2 人工神经网络方法判别饱和砂土液化

随着人工神经网络(Artificial Neural Network,简称ANN)理论的不断发展和完善, 许多人开始用ANN方法研究评价饱和砂土液化问题。人工神经网络是一种非线性动力学系统，具有良好的自适应性、自组织性及很强的学习、联想、容错、抗干扰能力[10]，可以灵活方便地对多成因的复杂未知系数进行高度建模[11]，因此很适合砂土液化问题的研究。

地基土液化判别及等级评价需要建立ANN模型，目前广泛采用构建三层网络模型，大多数采用B-P算法，即向后传播学习算法(Back Propagation Learning Algorithm)求解。B-P网络是ANN一个典型模型，可以以任意精度逼近任意连续函数，被广泛应用于非线性建模、函数逼近和模式分类等方面。求解普遍使用梯度下降法，用迭代运算求解权值[12]。

BP模型虽然从各个方面都有其重要意义，但它存在局部极小值及收敛速度慢等问题。针对BP算法存在的问题，有人进行了一些改进。采用加入动量项[13]和共轭梯度法[14]，克服BP网络模型收敛速度慢和目标函数存在局部极小点的问题。

笔者认为目前采用ANN研究饱和砂土液化在以下方面还有待进一步研究。

（1）输入层节点数即影响砂土液化的因素数的选择存在争议。笔者选取了4个砂土液化B-P网络模型[18,19]，并制成表一和表二。比较两表，显然砂土液化评价及危害程度等级评价B-P网络模型的指标选择还存在一些分歧。因此，4个模型得出的影响砂土液化评价的指标权重分析不会相同，势必影响砂土液化评价结果。

（2）ANNN研究饱和砂土液化在适用范围上还存在着局限性。由于绝大多数网络训练采用一个地震砂土液化地区的学习样本，训练好的网络只对该地区的其他样本进行判别、比对。因此，尽管判别结果有较高的正确率，但只能说明仅适用该地区。

因此建议输入层指标的选择需进一步研究、分析，并遵循简易性和代表性原则。应充分利用现有文献地震液化资料，选取通过现场试验、土动力试验以及经验公式容易得到的指标。由于影响砂土液化的因素很多，应建立统一的评价模型进行分析，经过运算并比对结果确定影响砂土液化的代表性输入指标。

表一 砂土液化评价B-P网络模型输入节点数(指标数)选择表

节点数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

指标

名称
标贯击数(N63.5)
砂土的平均粒径（D50）
剪应力比

(τ/σ0´)
粘粒含量

(ρc)
上覆有效压力(σ0´)
地震烈度(I)
砂层埋深(ds)
不均匀系数(Cu)
震中距

(L)
地下水位(dw)
震级

（M）

模型一
√
√

√
√

√

模型二
√
√
√

√
√
√
√
√

表二 砂土液化危害程度等级评价B-P网络模型输入节点(指标数)选择表

节点数
1
2
3
4
5
6

指标名称
标贯击数(N63.5)
粘粒含量(ρc)
地下水位(dw)
地震烈度(I)
上覆砂层厚度()
液化层厚度(d)

模型一
√
√
√
√
√

模型二
√
√
√

√
√

参考文献：

[1]钱家欢,殷宗泽主编.土工原理与计算[M].北京：中国水利水电出版社，1996第二版.

[2]阮永芬，侯克鹏.粉土地震液化判别方法研究的现状和实际存在的问题[J].昆明理工大学学报，2000,25(1):64-67.

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[6]张业民，等.地基砂土液化的模糊概率及应用[J].第三届全国结构工程学术会议论文集[C],1994,工程力学增刊:1194-1198.

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[9]胡鹏,华一新.地理信息系统教程[M].武汉:武汉大学出版社，2002.

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[11]张乃尧，阎平凡.神经网络与模糊控制.北京:清华大学出版社，1998

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[18]马骥,《基于MATLAB的BP神经网络在砂土评价中的应用》[学位论文],

[19]任文杰，《人工神经网络在地基土液化判别及等级评价中的应用》[学位论文],河北工业大学

[20]石兆吉，王兰民.土壤动力特性一液化势及危害性评价[M].北京，地震出版社，1999, 58～120.

作者简介:

任金刚（Ren Jingang） 男 工程师 海河下游管理局 河西区宾馆南道19号 300061

王玉芳（Wang Yufang）海河下游管理局河西区宾馆南道19号 300061

饱和砂土地震液化研究方法概述

（SUMMARY ON METHODS OF ASSESSING SATURATED SANDS LIQUEFACTION）

饱和砂土液化(saturated sands liquefaction)；动力分析方法（dynamic analyse method）；可视化评价模型（visual evaluation model）；人工神经网络（artificial neural networks）；BP算法（BP algorithm）

❾ 如何判定土的液化

土体抗剪强度等于零是判定土地液化的标准。

土体液化现象的原因:在地震引起的振动使饱和砂土或粉土趋于密实，导致孔隙水压力急剧增加。

在地震作用的短暂时间内，这种急剧上升的孔隙水压力来不及消散，使有效应力减小，当有效应力完全消失时，砂土颗粒局部或全部处于悬浮状态。

(9)土壤地震液化评价方法研究进展扩展阅读:

土地液化分为微观液化、宏观液化与渗流液化。

(1)微观液化(micro liquefaction)。通常是指在试验室利用动三轴、动单剪或动扭剪仪来模拟土体中一个初始状态已知的单元体在受循环荷载作用后所产生的液化现象。

(2)宏观液化(macro liquefaction)。通常是指在工程场地发生的宏观液化破坏现象，如液化引起地基的喷砂冒水、地面下沉、侧向位移、建筑物倾斜或倾倒、地中构筑物上浮、震后土坡的滞后滑动等。

(3)渗流液化(seepage liquefaction)。泛指所有由于渗流作用而引起的土液化现象。发生渗流液化之处水力梯度达到临界水力梯度，土体的有效应力为零，符合液化的物态转变条件。

渗流液化有些与地震无关，有些则与地震有关，前者如岸边、坝下游或基坑开挖过程中可能发生的流砂现象，后者如地震引起的地表喷砂冒水(砂沸)以及土坡的滞后滑动。