海上风电地震液化评价中国内国外两类方法的思考

王 浩

（中国三峡集团上海勘测设计研究院有限公司，上海 200443）

引 言

风机基础的造价是海上风电建设的主要成本之一。为降低基础成本，海上风电建设中重力式、吸力桶等浅基础的应用越来越多。海底震害调查表明，海床浅表层土结构疏松，易于发生液化。海底坡度较缓甚至小于1°的海床也可发生侧移破坏。当海底表层发生液化，在波浪及洋流作用下，液化土体易形成泥流，引起大规模的滑移，造成大规模海床土体突然滑坡。天然地基的浅基础更易因地基液化而发生不均匀沉降，导致基础失稳。在国内外有关规范中，地震液化判别方法有多种，各种方法均是在一定的研究和工程经验下取得的。其中代表性的两类分别为中国国家标准《建筑抗震设计规范》（GB 50011）[1]所代表的标准贯入试验法和以美国National Center for Earthquake Engineering Research（NCEER 1996）[2]为代表推荐的国外静力触探法。我国海域辽阔，海洋环境及海床地质条件复杂。因此，按照我国沿海海上风电场地的特定条件和工程经验，选择合理、可靠和适用的地震液化判别方法就显得尤为关键。

1 国内外海洋工程液化判别方法分析研究

1.1 国内相关规范对地震液化判别的规定

1）基本方法

目前国内海上风电勘察中地震液化分析评价主要执行或参照国内规范和行业标准，对地震液化判别规定见表1。

表1 不同规范对地震液化判别规定

从表1可见，除了《海上平台场址工程地质勘察规范》没有就地震液化判别方法做具体规定外，其余规范均执行《建筑抗震设计规范》。这种方法，在评价程序上是先进行初判，对于初判可能液化的情况，再进一步采用标准贯入试验判别法，相应的判别公式为：

当Nm≤Ncr，则判别为不液化；

当Nm＞Ncr，则判别为液化。

式中：Ncr为液化判别标贯击数临界值；Nm为实测标贯试验锤击数；其他符号的意义参见文献[1]。

应当说明的是，除了文献[1]、文献[3]到文献[6]，国内广泛采用的地震液化标准贯入试验判别法之外，在国标《岩土工程勘察规范》条文说明《铁路工程抗震设计规范》和铁路行业标准《铁路工程地质原位测试规范》及一些地方规范中也提出了采用静力触探成果进行地震液化判别的方法，其判别思路同标准贯入试验判别法是一致的，即实测计算比贯入阻力小于液化比贯入阻力临界值或实测计算锥尖阻力小于液化锥尖阻力临界值时判断为液化，否则判断为不液化。

2）存在问题

国内规范中的标准贯入试验判别法是根据国内外大地震后陆域液化场地和非液化场地进行的对比性试验数据建立起来的判别准则，并且这个标贯击数是实验的实际击数，代入评价公式时不能经过任何修正，也就是说对于影响标贯击数实际效果的各种影响因素是不加考虑的。此外，根据我国相关规范，陆域液化判别的最大深度为工程建成后地坪以下20 m，因此，陆域勘探进行标准贯入试验时，最大钻杆长度一般也不会超过30 m。国内对于采用静力触探成果进行地震液化判别，虽然在铁路国标中作为正式条文提了出来，而更多的是作为行业标准或地方标准提出的，所以这种方法在国内的适用范围，目前还有很大的局限性。而且，在我国的海洋港口工程领域，在相关的规范中尚未见到用静力触探进行地震液化判别的规定。

然而，根据我国海上风电建设的有关资料统计，截止2016年底建设的海上风电场平均水深约28 m，目前在建的海上风电场最大水深接近 50 m。这样一来，海上风电场地勘探中的钻杆至少平均要达到48 m以上，最大长度可能需要达到70 m。如此深的试验深度对标准贯入试验锤击数的影响多大，至今仍没有研究清楚。而且，标准贯入试验锤击数还会受到勘探平台的稳定性、钻杆的稳定性及其直径等因素的影响。因此，需要从这些方面来进一步研究标准贯入试验地震液化判别法在海上风电工程中的适用性。

1.2 国外海洋工程砂土液化判别方法

1）基本方法

国外海洋工程中用于地震液化判别方法的是以T.L. Youd, I. M. Idriss[2]所述的美国National Center for Earthquake Engineering Research（NCEER 1996）推荐方法和英标/欧标British standards BS EN 1998-5:2004/Eurocode 8：Design of structures for earthquake resistance[11]的方法为代表。这两种方法在本质上均是先估算代表地震在可能液化土层作用效应的循环应力比（CSR），后估算代表相应土层地基抗力的周期应力比（CRR），然后比较周期应力比和循环应力比的相对大小，即计算抗液化安全系数FS=CRR/CSR的值。对于周期应力比的估算，二者的均提出采用标贯试验法和静力触探法。

按照美国 National Center for Earthquake Engineering Research（NCEER 1996）的建议为：

其中：

当FS≥1，则判别为不液化；

当FS＜1，则判别为液化。

式中：CRR7.5为7.5级地震相应的周期应力比；MSF为相对于 7.5级地震的场地抗震设防震级修正比例系数；σv0为土体计算深度处竖向总应力；σv0’为与σv0相同深度处土体竖向有效应力；amax为地震动峰值加速度；g为重力加速度；rd为应力折减系数，其取值按以下方法：

其中：z表示地表以下的深度，以米为单位。

1）采用标贯试验

按照T. L. Youd, I.M. Idriss[2]，National Center for Earthquake Engineering Research（NCEER 1996）的标贯试验法如下：

对于(N1)60cs＜30：

对于(N1)60cs≥30，直接判别为不液化。

式中：α、β为与土中细粒组分含量有关的修正系数；Nm为实测标贯试验锤击数；CN为经过相对于上覆有效土压力为100 kPa的标贯试验锤击数归一化系数；CE为标贯落锤锤击能量与自由落体锤击能量之比为 60 %的修正系数；CB、CR、CS分别为钻孔直径、杆长和贯入器规格等工艺有关的修正系数；(N1)60为经过相对于上覆土压力为100 kPa归一化，标贯试验工艺修正，标贯落锤锤击能量与自由落体锤击能量之比为 60 %的能量修正等综合修正的标准贯入试验锤击数；(N1)60cs为在(N1)60基础上再对标贯进行土质修正后的标准贯入试验锤击数。

2）采用静力触探

采用静力触探CPT的周期阻力比法，需要对描述土质或土类的参数Ic、Ic’先后进行三次循环计算，把粘质土、粉质土和粒质土区分开来，对实测锥尖阻力进行归一化处理，最后修正为等效的净砂土的锥尖阻力来计算土的抗液化周期应力。按照T. L. Youd, I. M.Idriss[2]，并参考刘松玉[12]、Olsen R. S.[13]等，美国National Center for Earthquake Engineering Research（NCEER 1996）对关于静力触探CPT的周期阻力比法评价地震液化计算过程的介绍如下：

式中：qc为实测锥尖阻力；fs为实测侧壁摩阻力。

当Ic＞2.6时，表明土富含粘土或具塑化，不易液化。

当Ic＜2.6时，

式中：σv0′、qc、pa的单位须统一，其中pa=0.1 MPa=100 kPa。

当Ic′＞2.6 时，则qc1N=(qc/pa)×(pa/σv0′)0.7；

当Ic′＜2.6 时，则qc1N=(qc/pa)×(pa/σv0′)0.5；

若Ic′≤1.64 时，则Kc=1.0；若 1.64＜Ic′＜2.4 且F＜0.5 %，则Kc=1.0；

若Ic′＞1.64 时，

若Ic′≥2.6，则判别为不液化。

若 50≤(qc1N)cs＜160，则：

若(qc1N)cs＜50，则：

如果CRR7.5/CSR7.5≥1，则可判别为不液化，如果CRR7.5/CSR7.5＜1，则可判别为液化。

1.3 国内国外两类标贯判别方法的比较

根据有关文献[14]，我国规范所采用的地震液化标准贯入试验临界击数判别法是我国的研究人员根据地震震害调查资料建立发展起来的一种经验公式法，该方法是以实际资料为基础，采用了统计学的方法，自1978年被《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ 11-78）纳入规范时的公式如式（18）所示，在该规范修订为《建筑抗震设计规范》（GBJ 11-1989）时，为了考虑对轻亚粘土判别的需要，增加了粘粒含量修正项，公式修正为式（19）形式。后随着资料的积累和研究的深入，演变为式（1）所示的形式。

分析《建筑抗震设计规范》（GB 50011）[1]，我国的标准贯入试验判别地震液化的方法可以看出，与地震液化临界锤击数Ncr进行比较的Nm为标贯试验的实际击数，代入评价公式时是不能经过任何修正的，也就是说对影响标贯击数实际效果的各种影响因素是不加考虑的。显然，我国的标准贯入试验判别地震液化的方法，有较强的实用性和针对性，也很简单易于操作，但很明显这种方法比较粗略一些。

National Center for Earthquake Engineering Research（NCEER 1996）[2]建议的标贯试验法，是在seed和Iddriss（1971）[17]提出的简化方法的基础上经过多次改进得来的，虽然其最初的依据是实验室内对38个样品试验的结果统计分析。但是，在采用标贯试验成果判断时，要对实测锤击数Nm经过土质修正、标贯试验工艺修正、试验落锤实际锤击能量修正以及有效上覆土压力的归一化处理等修正。因此，同样是采用标贯击数，该方法更为科学。

1.4 国内国外两类静力触探方法的比较

从国内对于采用静力触探成果进行地震液化判别方法的规范要求和适用范围来看，主要是作为行业标准或地方标准出现的，国标《建筑抗震设计规范》（GB 50011）[1]没有采纳这种方法，水运工程、海洋平台和海上风电等海洋水运工程有关的抗震设计类规范也没有采纳这种方法。

国外海洋工程勘察中，静力触探得到了广泛应用，到目前海床式CPTU和井下式CPTU的测试水平已经很高，用CPTU等静力触探数据判别砂土液化的研究比较深入，积累了丰富的经验，测试指标锥侧摩阻力、锥端阻力、孔隙水压力等为随深度变化的连续曲线，数据量也比要比标准贯入试验多很多，这样就不会出现漏判的情况。相对于国内的少数规范中静力触探判别地震液化判别中，简单的采用计算实测比贯入阻力或锥尖贯入阻力与临界比贯入阻力或临界锥尖阻力相对大小比较得出液化结论的方法而言，国外的静力触探液化判别法，在使用静力触探数据时，要对数据从土质和上覆土压力等方面进行修正，来尽可能地消除了各种因素对试验成果的影响。

从以上分析比较可以看出，虽然国内的地震液化标准贯入试验法，简单易行，在国内使用效果也很好，但相对来说，国内规范对试验数据的处理比较粗略。另一方面，从评价程序来看，国外的地震液化评价方法，采用了地震作用力和地基土抗液化的抗力以及安全系数的概念，在概念上更加清晰，理论上更加严谨，而且在国外的广大的海洋工程中得到了更广泛的工程实践检验。因此，本文主要就是利用某海上风电的勘察成果为基础，分别采用国内的地震液化标准贯入试验法和国外的地震液化静力触探法，通过工程案例，对两种判别方法结果进行比较分析，以期找出更适宜我国沿海的海上风电工程液化判别方法。

2 某海上风电场的工程地质条件

某海上风电风场区水下地形总体较平坦，水深5～9 m。拟采用单桩基础，每个风机位布置2个勘探孔，其中钻孔和静探孔各1个，二者相距8 m左右。共选择了风场区 14台风机勘察的标贯试验成果和静力触探成果进行分析。对埋深在20 m范围内，分布较稳定的②层粉砂进行液化判别。

场地设计基本地震加速度为0.10g，设计地震第三组。风场区周边150～200 km范围内历史上发生地震的最大震级为8.5。

3 两种方法液化判别成果比较

3.1 准贯入试验判别法

钻探采用以改装船舷侧搭设钻探平台方式，其中10台风机标准贯入试验采用的钻杆直径为42 mm；4台风机标准贯入试验采用的钻杆直径为50 mm。标准贯入试验采用63.5 kg机械式自动下落的穿心锤，自由落距 76 cm，贯入器为对开式，标贯试验时先预击15 cm，然后每打10 cm计数一次，以最后30 cm的贯入度计锤击总击数。

按《建筑抗震设计规范》第4.3条对②层粉砂进行液化判别。液化判别标准贯入锤击数基准值为 7，地下水位dw为0，粘粒含量百分率ρc取3。

3.2 CPTU周期阻力比法

采用多功能CPTU，探头锥角为60°，锥底截面积10 cm2，摩擦套筒面积150 cm2，孔压传感器安装在探头锥头肩部以上5 cm处。根据上述公式和原则，对各风机位的静探孔分别进行判别。

3.3 两种方法判别结果对比分析

两种判别方法成果对比见表5。从表5可见，14台风机中有3台风机判别结果基本一致，约占21 %；有11台风机判断结果不一致，约占79 %。在不一致的11台风机位，有6台风机标准贯入试验判别的结果比CPTU判别结果液化程度严重或液化土层占比大；有 4台风机标准贯入试验判别结果为不液化，CPTU判别成果是液化或部分土液化。

在6台标准贯入试验结果比CPTU严重的，标准贯入试验时均采用 42 mm钻杆，与规范要求是一致的。在4台CPTU判断结果比标准贯入试验判别结果差异严重的中，有2台风机标准贯入试验时采用直径为50 mm的钻杆，说明钻杆直径大造成标准贯入击数偏高，与一些学者进行42 mm钻杆与50 mm钻杆进行标准贯入试验对标准贯入击数影响的研究成果一致。

在判别结果一致的3台风机中，2台标准贯入试验时钻杆直径为42 mm，1台标准贯入试验时钻杆直径为50 mm。

表5 两种方法判别结果对比分析

4 结 语

通过对国内外两类地震液化分析评价方法的理论分析和工程案例比较表明：

1）国内的标准贯入试验判别法，以陆域地震灾害调查的资料为基础，简单易行，但采用的是实测标贯击数，没有考虑锤击效率、杆长和土质等因素影响。而海上风电项目一般海水有一定深度，标准贯入试验时钻杆长度远大于陆上标准贯入试验时钻杆长度。国外的静力触探 CPTU能够直接较准确地测得锥端阻力、侧壁摩阻力等指标及其随深度的变化，而且利用其进行液化判别评价时，以试验为基础，概念明确，理论方面更为严谨，通过循环计算排除土质的影响，借助计算机或简单的软件，计算过程方便快捷，在国外海上项目经过了广泛的应用和检验。

2）通过某海上风电工程14台风机勘察成果，采用国内标准贯入试验判别法和国外CPTU周期阻力比法进行液化判别比较可以看出，液化判别成果有很大的差别，有86 %判别结果不一致，标准贯入试验判别的结果比CPTU判别结果液化程度严重或液化土层占比大。

综上所述，需要进一步研究国内标准贯入试验判别法在海上风电工程中的适用性问题，建议国内沿海项目海上风电项目的地震液化评价目前阶段以采用国外的静力触探CPTU法为宜。