基于标准贯入试验的地震砂土液化风险分级软件研发与验证

《SoftwareX》：A software for seismic soil liquefaction risk classification based on Standard Penetration Test

　　

摘要专业翻译： 地震诱发的土体液化是一种关键岩土工程灾害，对地震区的工程结构构成严重威胁。本文介绍了一款基于标准贯入试验（SPT）的地震砂土液化风险指数分级软件系统。该软件采用Python 3.10开发，采用模块化架构，集成了数据输入、多模型计算、结果可视化和抗液化措施推荐等功能。软件支持手动参数录入和批量Excel导入两种方式，并根据峰值地面加速度或地震烈度实现了两种标准化的临界标准贯入击数（Ncr）计算模型，兼容GB50011-2010及国际抗震规范。核心工作流程包括自动计算安全系数（FS）、利用逻辑回归估算液化概率（PL）以及计算液化指数（ILE），随后根据抗震设防类别进行液化分级并提出针对性工程建议。研究采用全球200条现场试验记录进行验证，结果表明该软件与现场观测结果的一致性达到89%，优于Robertson模型（82%）和Youd-Idriss模型（79%）。单个多层场地的计算时间由人工方法的2-3小时缩短至数秒，显著提升了评估效率。尽管验证数据集在地理范围和时间跨度上存在一定局限，该软件仍为地震场地评估提供了可靠、标准化且高效的工具，其已获得软件著作权，且核心公式已被修订后的抗震设计规范采纳。

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一、研究背景与问题提出

地震诱发的砂土液化是岩土工程领域最具破坏性的灾害之一。当饱和松散砂土在地震循环荷载作用下孔隙水压力迅速上升，有效应力大幅降低并丧失抗剪强度时，便会发生液化，进而引发建筑物倒塌、地基沉降和边坡失稳等灾难性后果。历史地震记录充分揭示了这一灾害的破坏力：1976年唐山地震（M_s 7.8）中，液化导致受灾地区超过85%的工业与民用建筑严重受损，造成巨大人员伤亡和经济损失；2008年汶川地震（M_s 8.0）中，绵竹地区的液化现象加剧了滑坡、泥石流等次生地质灾害的蔓延；1970年通海地震（M_s 7.8）同样见证了广泛液化引发的地基破坏。这些案例凸显了在地震多发区进行准确、快速液化风险评估的迫切需求。

标准贯入试验（SPT）作为全球公认的液化判别方法，因其操作简便、成本低廉及历史数据积累丰富而被广泛采用。SPT通过测量标准贯入器击入土体30厘米所需的锤击数（N值），作为土体抗液化能力的核心指标。然而，传统的基于SPT的液化评估高度依赖人工查表、参数标定和分层积分，存在流程繁琐、参数选取主观性强、效率低下等问题。对于具有多层土体结构的复杂场地或大型工程项目，这一问题尤为突出。例如，对单一具有5-6个土层的场地进行液化指数（I_LE）人工计算通常需要2-3小时，且在高烈度地震区，由于计算错误或参数解释不一致等人为因素，错误率可超过15%。

近年来，随着岩土工程信息化和人工智能的快速发展，自动化液化评估工具成为研究热点。早期研究如Youd和Idriss提出的液化判别框架为标准化计算奠定了理论基础，但大多数现有模型（如Robertson模型）仅限于单一判别公式，缺乏针对不同地质条件和地震烈度区的自适应调整能力。例如，Seed-Idriss简化方法未能充分考虑土体物理性质与地震参数的联合效应，导致对复杂场地的评估不够准确。基于上述问题，研究人员开发了一款基于已发表的逻辑回归方程和符合规范的规则化决策逻辑的自动化地震砂土液化风险分级软件，并利用历史地震中的大量现场测试点数据验证其性能，以证明其优于传统方法和现有工具。

二、研究内容与结论

研究人员开发了基于Python 3.10的模块化图形用户界面（GUI）架构软件，将GUI交互、多源数据处理、核心计算逻辑和结果可视化集成为统一系统。软件支持手动参数录入和批量Excel表格导入两种灵活输入方式，并具备实时数据验证功能以识别异常值。核心计算模块集成了完整的SPT液化评估算法，包括临界标准贯入击数（N_cr）计算、安全系数（FS）推导、液化概率（P_L）估计和液化指数（I_LE）计算，并采用多线程并行计算加速多测点多层数据的处理。结果输出模块生成定量指标、定性分级（轻微、中等、严重液化等级）及多种可视化图表。

该软件的核心方法基于两种可选的N_cr计算模型。模型选择遵循确定性规则：当峰值地面加速度（a_max）可用时，优先采用基于PGA的模型；当a_max不可用但地震烈度可用时，采用基于烈度的模型；两者均可用时默认选择基于PGA的模型。基于PGA的模型依据GB50011-2010规范，纳入设计地震调整系数β进行计算。软件还实现了基于逻辑回归的液化概率估计和基于规范加权系数的液化指数计算。

研究利用全球200条现场试验记录对软件进行了验证。结果表明，该软件与现场观测结果的一致性达到89%，优于Robertson模型（82%）和Youd-Idriss模型（79%）。单个多层场地的计算时间从人工方法的2-3小时缩短至数秒，显著提升了评估效率。该软件已获得软件著作权，其核心公式已被修订后的抗震性能设计规范采纳。

三、关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：其一，模块化GUI软件架构设计，集成数据输入、计算、可视化和建议输出四大模块；其二，双模型N_cr计算机制，分别基于峰值地面加速度（PGA）和地震烈度，兼容GB50011-2010及国际规范；其三，逻辑回归模型用于液化概率（P_L）估计；其四，规范化的液化指数（I_LE）计算与液化等级划分方法；其五，多线程并行计算技术以加速多测点数据处理；其六，采用全球200条历史地震现场试验记录作为验证数据集，与Robertson模型和Youd-Idriss模型进行对比验证。

四、研究结果

软件架构与功能：软件采用Python 3.10开发，由四个相互关联的核心模块组成，支持手动输入和Excel批量导入，具备实时数据验证功能。核心计算模块集成了完整的SPT液化评估算法，采用多线程并行计算，处理100多个测点的计算时间缩短至1分钟以内。结果输出模块生成定量指标、定性分类和可视化图表。

模型选择逻辑：软件实现了确定性模型选择规则，当PGA可用时优先采用基于PGA的模型，否则采用基于烈度的模型，避免主观判断。

N_cr计算模型：基于PGA的模型依据GB50011-2010规范，纳入设计地震调整系数β；当细粒含量（F_c）替代黏粒含量（ρ_c）可用时，模型可相应调整。

验证结果：利用200条全球现场试验记录验证，软件与现场观测的一致性达89%，优于Robertson模型（82%）和Youd-Idriss模型（79%），计算效率显著提升。

五、讨论与结论

讨论部分指出，软件界面和操作流程经过经验丰富的岩土工程师内部审查以识别功能和操作问题，但该内部审查属于软件开发和完善过程的一部分，并非独立的以用户为中心的可用性研究，因此本文未声称独立验证的可用性，未来工作将考虑涉及独立外部从业者的正式任务型可用性评估。

研究结论表明，该软件为地震场地评估提供了可靠、标准化且高效的工具，其核心公式已被修订后的抗震性能设计规范采纳。尽管验证数据集在地理和时间上存在局限，但软件在评估准确性和效率方面均展现出显著优势，为岩土工程抗震设计提供了有力支撑。