第十章土在動(dòng)荷載下特性

第10章土在動(dòng)荷載下的特性The

characteristicsof

soil

underdynamicloading土力學(xué)1土體經(jīng)常會(huì)受到地震、波浪、風(fēng)或人工振源的交通、爆炸、打樁、強(qiáng)夯、機(jī)器基礎(chǔ)等引起的動(dòng)荷載作用。在動(dòng)荷載作用下，土的強(qiáng)度與變形特性都將受到影響，可造成土體的破壞，也可利用改善不良土體的性質(zhì)(如屈炸法、強(qiáng)夯法)。

天然振源和人工振源的振動(dòng)頻率、振動(dòng)次數(shù)和振動(dòng)波形各不相同。天然振源發(fā)生隨機(jī)振動(dòng)荷載，其振動(dòng)周期、幅值及方向都是不規(guī)則的；人工振源有瞬時(shí)脈沖振動(dòng)荷載，一次作用時(shí)間很短，但土的動(dòng)應(yīng)變較大，也有規(guī)則的循環(huán)荷載，土的動(dòng)應(yīng)變屬小應(yīng)變范圍。在不同的動(dòng)荷載作用之下，土的強(qiáng)度和變形各不相同，其共同特點(diǎn)是都受到加荷速率和加荷次數(shù)的影響。按動(dòng)荷載的加荷次數(shù)，可以分為：

①?zèng)_擊荷載：一次快速施加的瞬時(shí)荷載，如爆炸和爆破作業(yè)，加荷時(shí)間非常短，所引起土體的振動(dòng)，由于受到阻尼作用，振幅在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)衰減為軍，稱(chēng)為沖擊荷載，如圖10—1(a)所示；

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第10章土在動(dòng)荷載下的特性

§10.1概述Dr.HanWX2②不規(guī)則荷載：加荷幾次至幾十次甚至干百次的動(dòng)荷載，如地震、打校引起的振動(dòng)作用等，荷載隨時(shí)間的變化沒(méi)有規(guī)律可循，稱(chēng)為不規(guī)則荷載，如圖10—1(b)所示；

③周期荷載：加荷幾萬(wàn)次以上的動(dòng)荷載，加車(chē)輛行駛對(duì)路基的作用、機(jī)器基礎(chǔ)對(duì)地基的作用等，以同一振幅和周期反復(fù)循環(huán)作用的荷載，稱(chēng)為周期荷載，如圖10—1(c)所示

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§10.1概述Dr.HanWX3

公路路堤、土壩以及建筑場(chǎng)地的填筑：土體由于經(jīng)過(guò)開(kāi)挖、搬運(yùn)及堆筑，原有結(jié)構(gòu)遇到破壞，含水量發(fā)生變化，堆填時(shí)必然造成土體中留下很多孔隙，如不經(jīng)人工壓實(shí)，其均勻性差、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性大、水穩(wěn)定性不良，往往難以滿足工程的需要。因此，研究土的壓實(shí)性是土工構(gòu)筑物的重要課題。

地基加固：某些松軟的地基土，由于其強(qiáng)度低、變形大，直接在其上修建建筑物，不能滿足地基承載力、變形的設(shè)計(jì)要求，需進(jìn)行加固處理。可采用換填墊層法加固，通過(guò)分層壓實(shí)改善土的不良性質(zhì)。土的壓實(shí)是在動(dòng)荷載作用下得到的，提高了上的密實(shí)度，從而土的強(qiáng)度得到提高，土的壓縮性減低和透水性變小。

振動(dòng)液化：當(dāng)?shù)鼗撂貏e是飽和松散的砂土在地震作用下，會(huì)表現(xiàn)出類(lèi)似于液體性質(zhì)而完全喪失承載力的現(xiàn)象，即振動(dòng)液化現(xiàn)象，從而發(fā)生地表噴水冒砂、滑坡及地基失穩(wěn)等，最終導(dǎo)致建筑物或構(gòu)筑物的破壞。

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§10.1概述Dr.HanWX4

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§10.2土的壓實(shí)性Dr.HanWX

10.2.1擊實(shí)試驗(yàn)及壓實(shí)度

1、擊實(shí)試驗(yàn)和擊實(shí)曲線在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，是研究土壓實(shí)性的基本方法。擊實(shí)試驗(yàn)分輕型和重型兩種。輕型擊實(shí)試驗(yàn)適用于粒徑小于5mm的粘性上，而重型擊實(shí)試驗(yàn)適用于粒徑不大于20mm的土。擊實(shí)試驗(yàn)所用的主要設(shè)備是擊實(shí)儀，包括擊實(shí)筒、擊錘及導(dǎo)簡(jiǎn)等。

5

1、擊實(shí)試驗(yàn)和擊實(shí)曲線由擊實(shí)簡(jiǎn)的體積和簡(jiǎn)內(nèi)被壓實(shí)土的總重計(jì)算出濕密度，并可算出干密度d，d＝/(1+w)，w為土的含水量。由一組幾個(gè)(通常為5個(gè))不同含水量的同一種土樣分別按上述方法進(jìn)行試驗(yàn)，繪制一條擊實(shí)曲線，如圖10—3所示。

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§10.2土的壓實(shí)性Dr.HanWX

10.2.1擊實(shí)試驗(yàn)及壓實(shí)度wd(wopt,dmax)6

1、擊實(shí)試驗(yàn)和擊實(shí)曲線擊實(shí)曲線反映上的壓實(shí)特性如下：

(1)對(duì)于某一土樣，在一定的擊實(shí)功能作用下，只有當(dāng)土的含水量為某一適宜值時(shí)，土樣才能達(dá)到最密實(shí)，因此在擊實(shí)曲線上就反映出有一峰值，峰點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值為最大干密度dmax對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值為最優(yōu)含水量wopt。

(2)土在擊實(shí)(壓實(shí))過(guò)程中，通過(guò)土粒的相互位移，很容易將土中氣體擠出，但要擠出土中水分來(lái)達(dá)到壓實(shí)的效果，對(duì)于枯性土，不是短時(shí)間的加載所能辦到的。因此，人工壓實(shí)不是擠出土中水分而是擠出土中氣體來(lái)達(dá)到壓實(shí)目的的。同時(shí)，當(dāng)土的含水量接近或大于最優(yōu)含水量時(shí)，土孔隙中的氣體越來(lái)越處于與大氣不連通的狀態(tài)，擊實(shí)作用已不能將其排出土體之外。一般壓實(shí)最好的土，氣體含量也還有3%-5％(以總體計(jì))留在土中，亦即擊實(shí)土不可能被擊實(shí)到完全飽和狀態(tài)，擊實(shí)曲線必然位于飽和曲線的左側(cè)而不可能與飽和曲線有交點(diǎn)(見(jiàn)圖10—6)。

(3)當(dāng)含水量低于最優(yōu)含水量時(shí)，于密度受含水量變化的影響較大，即含水量變化對(duì)于密度的影響在偏于時(shí)比偏濕時(shí)更加明顯。因此，擊實(shí)曲線的左段(低于最優(yōu)含水量)比右段的坡度陡。

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10.2.1擊實(shí)試驗(yàn)及壓實(shí)度7

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10.2.1擊實(shí)試驗(yàn)及壓實(shí)度8

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10.2.1擊實(shí)試驗(yàn)及壓實(shí)度

2．土的壓實(shí)度土的壓實(shí)度或壓實(shí)系數(shù)c。定義為工地壓實(shí)時(shí)要求達(dá)到的干密度d與室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)所得到的最大干密度dmax之比值，可由下式表示：

c

＝d

/dmax(10—1)

在工程中，填土的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)常以壓實(shí)度來(lái)控制。要求壓實(shí)度越接近于1，表明對(duì)壓實(shí)質(zhì)量的要求越高。根據(jù)工程性質(zhì)及填土的受力狀況，所要求的壓實(shí)度是不一樣的。必須指出，現(xiàn)場(chǎng)施工的填土壓實(shí)，無(wú)論是在壓實(shí)能量、壓實(shí)方法還是在土的變形條件方面，與室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)都存在著一定差異。因此，室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)用來(lái)模擬工地壓實(shí)僅是一種半經(jīng)驗(yàn)的方法，要使填土壓實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)施工確保質(zhì)量，達(dá)到要求的壓實(shí)度，還應(yīng)該進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。在工地上對(duì)壓實(shí)度的檢驗(yàn)，一般可用環(huán)刀法法或核子密度僅法等來(lái)測(cè)定土的干密度和含水量地的實(shí)際情況決定。灌砂(或水)法、濕度密度儀具體選用哪種方法，可根據(jù)工地的實(shí)際情況決定。9

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10.2.1擊實(shí)試驗(yàn)及壓實(shí)度10

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§10.2土的壓實(shí)性Dr.HanWX

10.2.2土的壓實(shí)機(jī)理及其影響因素

1、壓實(shí)機(jī)理在外力作用之下土的壓實(shí)機(jī)理．可用結(jié)合水膜潤(rùn)滑及電化學(xué)性質(zhì)理論來(lái)解釋

在粘性土中含水量較低時(shí)，由于土粒表面的結(jié)合水膜較薄，土粒間距較小，粒間電作用力就以引力占優(yōu)勢(shì)，土粒的相對(duì)位移阻力大，在擊實(shí)功能作用下，比較難以克服這種阻力，因此壓實(shí)效果就差。隨著土中含水量增加，結(jié)合水膜增厚，土粒間距也逐漸增加，這時(shí)斥力增加而引力相對(duì)減小，壓實(shí)功能比較容易克服粒問(wèn)引力而使土粒相互位移，趨于密實(shí)，壓實(shí)效果較好。

當(dāng)土中含水量較大時(shí)，雖能使粒間引力減小，土中也會(huì)出現(xiàn)自由水，擊實(shí)時(shí)孔隙中過(guò)多的水分不易立即排出，勢(shì)必阻止土粒的靠攏，同時(shí)排不出去的氣體，以封閉氣泡的形式存在于土體內(nèi)，擊實(shí)時(shí)氣泡暫時(shí)減小，很大一部分擊實(shí)功能由孔隙氣承擔(dān)，轉(zhuǎn)化為孔隙壓力，粒間所受的力減小，擊實(shí)僅能導(dǎo)致土粒更高程度的定向排列，而土體幾乎不發(fā)生體積變化，所以壓實(shí)效果反而下降。試驗(yàn)證明，粘性土的最優(yōu)含水量與其塑限含水量十分接近，大致為wopt＝wp+2(％)。11

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10.2.2土的壓實(shí)機(jī)理及其影響因素

1、壓實(shí)機(jī)理

對(duì)于無(wú)粘性土．因擊實(shí)時(shí)土中多余的水分容易排出，它的干密度與含水量之間關(guān)系如圖10—4所示，沒(méi)有峰值點(diǎn)反映在擊實(shí)曲線上，放員優(yōu)含水量的概念一般不適用于無(wú)枯性土。無(wú)粘性土的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，常以相對(duì)密實(shí)度Dr控制，一般不進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)。

2．影響土壓實(shí)性的主要因素

(1)含水量的影響對(duì)較干(含水量較小)的土進(jìn)行夯實(shí)或碾壓，不能使土充分壓實(shí)；對(duì)較濕(含水量較大)的土進(jìn)行夯實(shí)或碾壓，也不能使土得到充分壓實(shí)，此時(shí)土體還出現(xiàn)軟彈現(xiàn)象．俗稱(chēng)“橡皮土”；只有當(dāng)含水量控制為某一適宜值即最佳含水量時(shí)，土才能得到充分壓實(shí)．得到土的最大干密度。

當(dāng)壓實(shí)土達(dá)到最大干密度時(shí)，其強(qiáng)度并非最大。研究發(fā)現(xiàn)，在含水量小于最優(yōu)含水量時(shí)，土的抗剪強(qiáng)度和模量均比最優(yōu)含水量時(shí)高，但將其浸水飽和后，則強(qiáng)度損失很大，只有在最優(yōu)含水量時(shí)浸水飽和后的強(qiáng)度損失最小，壓實(shí)土的穩(wěn)定性最好。12

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10.2.2土的壓實(shí)機(jī)理及其影響因素2．影響土壓實(shí)性的主要因素

(2)土類(lèi)及級(jí)配的影響

在相同擊實(shí)功能條件下，不同土類(lèi)及級(jí)配其壓實(shí)性是不一樣的。圖10-5(a)所示五種不同土料的級(jí)配曲線；圖10-5(b)是其在同一標(biāo)準(zhǔn)的擊實(shí)試驗(yàn)中所得到的五條擊實(shí)曲線。從圖中可見(jiàn)，含粗粒越多的土樣其最大干密度越大，而最憂含水量越小，即隨著粗粒土增多，曲線形態(tài)不變但朝左上方移動(dòng)。在同一土類(lèi)中，土的級(jí)配對(duì)它的壓實(shí)性影響亦很大。級(jí)配均勻的土，壓實(shí)后其干密度要比級(jí)配不均勻的低，這是因?yàn)樵诩?jí)配均勻的土體內(nèi)，較租土粒形成的孔隙很少有細(xì)土粒去填充，而級(jí)配不均勻的土則相反，有足夠的細(xì)土粒填充，因而可以獲得較高的干密度。13

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10.2.2土的壓實(shí)機(jī)理及其影響因素2．影響土壓實(shí)性的主要因素

(3)擊實(shí)功能的影響

對(duì)于同一土料，加大擊實(shí)功能，能克服較大的粒間阻力，會(huì)使土的最大干密度增加，而最優(yōu)含水量減小，如圖10-6所示。同時(shí)，當(dāng)含水量較低時(shí)擊數(shù)(能量)的影響較為顯著。當(dāng)含水量較高時(shí)，含水量與干密度的關(guān)系曲線趨近于飽和曲線，也就是說(shuō)，這時(shí)靠加大擊實(shí)功能來(lái)提高土的密實(shí)度是無(wú)效的。100%saturationWatercontentw%woptDrydensity,

ddmaxLineofoptimums90%R.C.acIncreasecompactionenergyb14

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§10.3土的振動(dòng)液化Dr.HanWX

10.3.1土的振動(dòng)液化機(jī)理及試驗(yàn)分析土特別是飽和松散的砂土，在振動(dòng)荷載作用下，土中[超]孔隙水壓力逐漸累積，有效應(yīng)力下降，當(dāng)孔隙水壓力累積至總應(yīng)力時(shí)，有效應(yīng)力為零，土粒處于懸浮狀態(tài)，表現(xiàn)出類(lèi)似于水的性質(zhì)而完全喪失其抗剪強(qiáng)度，這種現(xiàn)象稱(chēng)為土的液化。地震、波浪以及車(chē)輛荷載、打樁、爆炸、機(jī)器振動(dòng)等引起的振動(dòng)力，均可能引起土的振動(dòng)液化。振動(dòng)力通常可引起無(wú)粘性土、低塑性粘性土、粉土、粉煤灰等的振動(dòng)液化。根據(jù)飽和土的有效應(yīng)力原理和無(wú)粘性土抗剪強(qiáng)度公式f=(σ-u)tan’＝σ’tan’

可知，當(dāng)有效應(yīng)力為零即抗剪強(qiáng)度為零時(shí)．沒(méi)有粘聚力的飽和松散砂土就喪失了承載能力，這就是飽和砂土振動(dòng)液化的基本原理。15

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§10.3土的振動(dòng)液化Dr.HanWX

10.3.1土的振動(dòng)液化機(jī)理及試驗(yàn)分析

土的振動(dòng)液化可由室內(nèi)試驗(yàn)研究分析，但室內(nèi)試驗(yàn)必須模擬現(xiàn)場(chǎng)上體實(shí)際的受力狀態(tài)。圖11-10(a)表示現(xiàn)場(chǎng)微單元土體在地震前的應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)，單元土體的豎向有效應(yīng)力和水平向有效應(yīng)力分別σv和σh=K0σv，其中K0為靜止土壓力系數(shù)；圖11-10(b)表示地震作用時(shí)，單元土體的應(yīng)力狀態(tài)，此時(shí)，層動(dòng)引起的往復(fù)剪應(yīng)力σh作用在單元體上。因此，任何室內(nèi)研究液化問(wèn)題的試驗(yàn)，都必須模擬這樣一種狀態(tài)．即：有不變的法向應(yīng)力和往復(fù)的剪應(yīng)力作用在土樣的某一個(gè)平面上。16

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10.3.1土的振動(dòng)液化機(jī)理及試驗(yàn)分析

土的振動(dòng)液化可由室內(nèi)試驗(yàn)研究分析室內(nèi)研究液化問(wèn)題的試驗(yàn)方法很多，如周期加荷三軸試驗(yàn)、周期加荷單剪試驗(yàn)等，其中周期加荷三軸試驗(yàn)是最普遍使用的試驗(yàn)。飽和砂樣的室內(nèi)周期加荷三軸試驗(yàn)，其方法是先給土樣施加周?chē)鷫毫Ζ?完成固結(jié)，然后僅在軸向作用大小為σd的往復(fù)荷載，并不允許排水(見(jiàn)圖10-8)。在往復(fù)加荷過(guò)程中，可以測(cè)出軸向應(yīng)變和超孔隙水壓力。17

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10.3.2影響土液化的主要因素

1．土類(lèi)粘性土具有粘聚力，即使超孔隙水壓力等于總應(yīng)力．有效應(yīng)力為零．抗剪強(qiáng)度也不會(huì)完全消失，難以發(fā)生液化，礫石等粗粒土因?yàn)檫M(jìn)水性大，超孔隙水壓力能迅速消散，不會(huì)造成孔隙水壓力累積至總應(yīng)力而使有效應(yīng)力為零．難以發(fā)生液化；只有中等粒組的砂土和粉土易發(fā)生液化，由于滲透性系數(shù)小，不足以在第二次振動(dòng)前把孔隙水壓力全部消散，才有可能累積孔隙水壓力并使強(qiáng)度完全喪失而發(fā)生液化。所以，一般情況下．塑性指數(shù)高的粘土不易液化，低塑性和無(wú)塑性的土易液化。在振動(dòng)作用下發(fā)生液化的飽和土，一般平均粒徑小于2mm．粘粒含量低于10％一15％，塑性指數(shù)低于7。

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10.3.2影響土液化的主要因素2．土的初始密實(shí)度土的初始密實(shí)度對(duì)液化的影響表示在圖10-14中(周期加荷三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果）。土中孔隙水壓力等于固結(jié)壓力σ3是產(chǎn)生液化的必要條件，此時(shí)定義為初始液化。在大多數(shù)場(chǎng)合下，20％的全幅應(yīng)變值被認(rèn)為土樣已經(jīng)破壞。說(shuō)明，當(dāng)土的初始密實(shí)度越大，在振動(dòng)力作用下，土越不容易產(chǎn)生液化。19

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10.3.2影響土液化的主要因素3．上的初始固結(jié)壓力對(duì)于給定的韌始孔隙比、初始相對(duì)密實(shí)度和往復(fù)應(yīng)力峰值，引起初始液化和20％全幅應(yīng)變所需的往復(fù)荷載次數(shù)都將隨著固結(jié)壓力的增加而增加(對(duì)所有的相對(duì)密實(shí)度都適用)。這說(shuō)明周?chē)鷫毫υ酱螅谄渌麠l件相同的情況下，越不容易發(fā)生液化。地震前地基土的固結(jié)壓力可以用土層有效的覆蓋壓力乘以側(cè)壓力系數(shù)來(lái)表示，因此，地震時(shí)土層埋藏越深，越不易液化。20

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10.3.2影響土液化的主要因素4．往復(fù)應(yīng)力強(qiáng)度與往復(fù)次數(shù)

對(duì)于給定的固結(jié)壓力σv和不同相對(duì)密實(shí)度Dr，就同一種土類(lèi)而言，往復(fù)應(yīng)力越小，則需越多的振動(dòng)次數(shù)才可產(chǎn)生液化，反之，則在很少振動(dòng)次數(shù)時(shí)，就可產(chǎn)生液化。21

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§10.3土的振動(dòng)液化Dr.HanWX

10.3.3地基液化判別與防治

飽和的砂土或粉土(不含黃土)，當(dāng)符合下列條件之一時(shí)，可初步判別為不液化：

1地質(zhì)年代為第四紀(jì)晚更新世(Q3)及其以前時(shí)，7、8度時(shí)可判為不液化。

2粉土的粘粒(粒徑小于0.005mm的顆粒)含量百分率，7度8度和9度分別不小于10、13、和16時(shí)，可判為不液化土。

3天然地基的建筑，當(dāng)上覆非液化土層厚度和地下水位深度符合下列條件之一時(shí)，可不考慮液化影響：

du

＞d0+db-2

dw

＞d0+db-3

du+dw

＞1.5d0+2db-4.5

式中dw——地下水位深度(m)，宜按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)年平均最高水位采用，也可按近期內(nèi)年最高水位采用；

du——上覆蓋非液化土層厚度(m)，計(jì)算時(shí)宜將淤泥和淤泥質(zhì)土層扣除；

db——基礎(chǔ)埋置深度(m)，不超過(guò)2m時(shí)應(yīng)采用2m；

d0——液化土特征深度(m)，可按表4.3.3采用。22

《土力學(xué)》

第10章土在動(dòng)荷載下的特性

§10.3土的振動(dòng)液化Dr.HanWX當(dāng)初步判別認(rèn)為需進(jìn)一步進(jìn)行液化判別時(shí)，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判別法判別地面下15m深度范圍內(nèi)的液化；當(dāng)采用樁基或埋深大于5m的深基礎(chǔ)時(shí)，尚應(yīng)判別15～20m范圍內(nèi)土的液化。當(dāng)飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)(未經(jīng)桿長(zhǎng)修正)小于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值時(shí)，應(yīng)判為液化土。當(dāng)有成熟經(jīng)驗(yàn)時(shí)，尚可采用其他判別方法。

在地面下15m深度范圍內(nèi)，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值可按下式計(jì)算：

在地面下15～20m范圍內(nèi)，液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值可按下式計(jì)算：

式中Ncr－液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值；

N0——液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，應(yīng)按表4.3.4采用；

ds——