软土震陷研究现状与展望

辜俊儒，李 平，周春澍

（防灾科技学院，河北三河 065201）

软土震陷研究现状与展望

辜俊儒，李 平，周春澍

（防灾科技学院，河北三河 065201）

震陷造成软弱地基上建筑物沉降导致建筑物的破坏，这一现象已引起人们的广泛关注。震陷是软土地区的主要震害之一，但由于软土自身强度低、渗透性低、灵敏度高、压缩性高、固结时间长的特征，导致震陷机理非常复杂。现阶段造成软土震陷的机理还没有取得共识，震陷的判别方法和震陷量的估算还存在一定的争议，从软土震陷的评估及判别、机理及影响因素、计算方法等方面评述了软土震陷发展现状，讨论其存在的问题，并提出下一步的研究设想与展望。

软土；震陷；震陷量；判别方法；计算方法

0 引言

软土震陷是由于地震引起软土软化而产生地面或地基沉陷的现象［1］。历次震害证明，震陷是软土地区的主要地基震害之一，软土在地震荷载作用下极易丧失强度，同时产生较大的附加沉降以及不均匀沉降。1976年唐山地震造成地基为软黏土的天津新港望海楼建筑群震陷，附加沉降38cm，倾斜达3%［2］；1985年墨西哥大地震导致很多建筑物倾斜、下沉，局部大约下沉一层，较严重者甚至翻倒、地桩拔出，造成了严重的损失［3］；2008年汶川特大地震中，都江堰市电信大楼台阶沉降，最大沉陷深度约8cm，还造成广岳铁路、宝成铁路路基下沉，其中广岳线桥台路基普遍下沉，下沉量一般为20～30cm，最大下沉量约50cm，宝成铁路路堤下沉地段共39处（段），总长达49.5km［4－5］。震害显示，软土震陷是造成地震破坏的主要原因之一，一旦发生软土震陷现象，将对工程上造成难以估量的影响，人民生命财产安全也将失去保障。因此开展软土震陷机理、震陷影响因素以及震陷分析方法的研究十分必要。

近年来国内外学者利用动三轴、离心机振动台试验对软土的动力特性以及软土震陷量等问题开展了一系列研究，也取得相应成果。尽管如此，由于模型复杂、公式及参数众多、受扰动软土试验困难等因素导致软土震陷的一系列研究还不够深入，值得研究的问题还很多。因此，开展软土震陷相关研究，不仅有一定的科学意义，也具有较高的工程实用价值和社会意义。

1 软土震陷评估及判别方法

软土是指天然含水量大于液限、天然孔隙比大于或等于1.0，具有高压缩性、低强度、高灵敏度、低透水性和高流变性且在较大地震作用下可能出现震陷的细粒土［5］。判别软土是否震陷是防御震陷的第一步，但由于软土震陷的研究尚处于探索阶段，现有规范对软土震陷的判别方法还没有给出统一的规定。

《岩土工程勘察规范》［7］（GB 50021—2001）第5.7.11条规定“抗震设防烈度等于或大于7度的厚层软土分布区，宜判别软土震陷的可能性和估算震陷量。”该条文指出软土在强烈地震后有发生震陷的可能，但未给出相应的判别方法和震陷量估算方法。《软土地区岩土工程勘察规程》［1］（JGJ 83—2011）第6.3.4条中给出了相应的判别条件“设防烈度等于或大于7度时对厚层软土分布区宜判别软土震陷的可能性，并应符合下列规定：（1）当临界等效剪切波速大于表1的数值时，可不考虑震陷影响；（2）对于采用天然地基的建筑物，当临界等效剪切波速小于或等于表1的数值时，甲级建筑物和对沉降有严格要求的乙级建筑物应进行专门的震陷分析计算。”

表1 临界等效剪切波速Tab.1 The critical equivalent shear wave velocity

《建筑抗震设计规范》［8］（GB 50011—2010）第4.3.11条对判断软土震陷性给出规定：“地基中软弱粘性土层的震陷判别，可采用下列方法。饱和粉质粘土震陷的危害性和抗震陷措施应根据沉降和横向变形大小等因素综合研究确定，8度（0.3g）和9度时，当塑性指数小于15且符合下式规定的饱和粉质粘土可判为震陷性软土。”

式中WS为天然含水量；WL为液限含水量；IL为液性指数。

上述三种规范在一定程度上给出了判别的前提，对软土震陷判别有一定的指导作用，但规范所给的条件过于单一且尚无完整的体系。因此，提出合理的判别方法还需做很多研究工作。

张建毅等［9］总结现行软土震陷判别的规范并提出“两台阶的缩小范围量化”的判别方法，即先对软土进行判定，再利用公式（1）来给出是否震陷的结果。该方法没有对现有判别方法进行改进，只是一种应用案例，无法验证所获得软土震陷的分布区域是否正确。同时，需要拥有大量的地勘钻孔数据库来提供软土的相关物理参数指标，需要做大量的前期工作。

在软土震陷判别条件还未成熟的情况下，一些学者考虑根据震陷量来进行震陷判别。石兆吉［10］提出通过计算标准建筑物的震陷量进行震陷判别，并根据震陷值划分破坏等级。这种定量计算震陷的方法虽然较为合理，但目前软土震陷计算方法仍存在模型复杂、公式及参数众多等一列问题，对于大型工程项目尚且适用，对中小型项目则成本太大。因此该方法实施起来具有一定困难。

刘芳［11］针对天津吹填土提出，当动应力比小于临界动应力比0.17时，吹填土动变形稳定发展，不会破坏，反之则判定破坏。同时还可以给出临界动应力比对应的最大地震加速度值，以此进行震陷判别。

向勇［12］提出一种建立基于多分类支持向量机（SVM）的软土震陷模型，进行软土震陷判别，并选取地震水平向加速度、基础均布荷载、动模量系数、灵敏度、厚度5个因素作为软土震陷的主要影响因素。该方法能根据有限的样本数据建立软土震陷与其影响因素之间良好的非线性映射关系。但该模型对软土震陷是否具有可靠性以及适用性仍待进一步研究考证。

以上可以看出无论从经验判别、估算震陷量、试验获得界限值以及建立模型等方法均存在其合理性，但也有一定局限性：一是地区性范围局限，需要大量参数数据库；二是结果局限，能否结合试验或者经验规定相应步骤进行综合性评价是目前软土震陷判别需解决的问题。

2 软土震陷机理及影响因素

2.1 软土震陷机理

软土在动应力作用下复杂的震陷机理给软土研究造成了困难，也是软土震陷研究成果较少的原因之一。郁寿松等［13］提出的残余应变理论可以解释软土在动荷载作用下发生震陷的机理，即动荷载施加前后土体产生的不可恢复应变。

Okamura［14］在软土地基抗震性能的离心机试验中总结提出：震动过程中孔隙水压力上升，有效应力降低是软土地基沉陷的主要原因。试验还发现震后随着路基下部应力的降低，沉降由软土的再固结引起，这一结论对软土震陷的原因做出了解释。

众多学者［15－20］研究表明，目前软土震陷的原因可以概括为：结构效应、软化效应、惯性效应与土体再固结变形。软土的结构性可以理解为土体沉积过程中由胶结物质而形成的土结构性强度，其结构的不可逆性对震陷起到决定性作用；在地震应力往返作用下土的静剪切模量降低，这一过程即为土体软化，由软化前后的模量变化可以估算震陷量；土体软化效应与地震瞬时作用效应导致土体塑性变形区扩大并发生震陷；震后很长一段时间内孔隙水压力逐渐消散并导致土体发生再固结沉降。

2.2 软土震陷的影响因素

软土震陷的影响因素对估算震陷量起着至关重要的作用，国内外学者经过研究初步得到了影响软土震陷的影响因素［21－25］。他们从动应力幅值、振动频率、振动次数、初始静偏应力、围压、固结比等方面考虑做了相关研究工作并取得了一系列成果。

近年来仍有不少学者在从事相关研究，如陈国兴等［26］从基础条件入手，发现基底压力、地震动强度、基础埋深、基础尺寸、基础形式的改变对地基震陷量有重要的影响。

袁晓铭、孟上九［27－29］等提出建筑物不均匀震陷是由软土土层、建筑物荷载不均匀分配及地震动波形三者协同作用的结果，其中地震波的随机性与其波形的不对称性和不规则性对不均匀震陷有重要影响。

周燕国等［30］针对软土地基不均匀震陷采用离心机试验模拟土体结构演化，试验表明结构物不对称性与建筑物的上覆荷载对不均匀震陷均有显著影响。

李楠［31］利用有限元分析软件OpenSees建立了震陷二维计算模型用于分析场地因素、地震动因素与结构荷载对震陷量的影响，研究表明土层震陷受场地上覆土层厚度与剪切波速相互作用，造成不均匀震陷。

如今国内外对软土震陷的影响因素已有相对统一的看法，近年来也有不少学者考虑以新的试验方法如离心机振动台试验分析软土地震反应。目前的研究成果仍存在两点问题：一是由于软土复杂的结构性与动本构关系的局限性所导致对软土动力特性以及影响因素的研究成果仍缺乏创新性的进展；二是在于不同地区的软土受其成土条件影响，自身的参数变化很大，软土的参数指标如含水量、液塑限等参数与其动力特性之间有何联系，这一问题还有待进一步研究，以便工程运用。

3 软土震陷的计算方法

软土震陷属于由地震引起土单元偏应变而产生的土体永久变形问题。估算震陷量时采用整体变形分析方法分析土体地震永久变形，将土体变形视为连续介质，采用土的黏弹性本构关系，以有限元计算结合试验进行研究［32］。

3.1 软化模量法

饱和软土在地震动荷载作用下不能及时排水，粒间的有效应力转换为孔隙水压力，导致土静剪切模量降低，从而呈软化现象。

石兆吉［22，33］在塘沽新港地区的震陷计算分析中求得软化前后土的模量，进行两次有限元分析求得的位移差，即震陷值，并用实测结果与计算结果的比值作为修正系数消除假定、计算原理与技术带来的误差。随后他又提出一些关于震陷分析方法可靠性的问题，他指出计算方法存在上述不尽合理的地方，但由于采用了修正系数，在一定程度上补偿了这些不合理性。

Lee［21］对循环荷载下的三轴试件残余变形作过比较系统的试验研究，建立了动应力作用N次后试件产生残余应变的经验公式，谢君斐等［34］在Lee的软化模型基础上编写了分析震陷的程序来计算残余应变并与实测震陷值进行比较，结果颇为一致。

软化模量法在一定程度上是合理的，这一点已经过大量学者的证实，但具体操作上仍存在一些问题，例如试验成本高、参数过多，计算工程量大，若参数值选取不当会直接影响震陷计算值。提出一种更为简便的计算模型是目前的研究难点。

3.2 等效结点力法

地震永久变形相当于等效结点力作用产生的附加变形，用一组作用于单元结点上的等效结点力代替地震力对变形的影响并采用动力反应分析所求的动剪应力来确定等效结点力，按静力有限元法求出土体的永久变形。

张克绪［35］利用等效结点力法来确定残余应变的步骤，并用该法分析了包括黄河小浪底土坝在内的若干个土坝的地震永久变形，其结果说明等效结点力法求地震下永久变形是可靠的，但计算过程复杂。他提出的等效结点力法步骤为：①确定单元永久应变势；②确定等价结点力；③确定静剪切模量；④计算永久变形。钱家欢等［36］也用等效结点力法对小浪底土坝进行二维与三维有限元分析，并提出整个计算步骤为：①进行自重静力计算；②输入地震谱，进行动力计算，得到各节点的总等效结点力；③进行静力计算，所得变形即为震后永久变形。

等效结点力法借助等效结点力考虑了地震惯性力的作用，并且将不规则随机荷载转化为等效静荷载，相对来说为计算带来了很大方便，但实际计算仍很复杂。

3.3 简化计算方法

以软化模型和分层总和法为基础，用土层震动前的模量与震动作用相应的拟割线模量求得土软化后的模量并进行两次静力有限元计算，这种以静力计算代替动力计算震陷量的方法即为简化计算方法。

王忆［37］提出震陷简化计算方法适用于分析地震时土体在体积不变条件下剪切变形所引起的建筑物的地基附加沉降，简化计算方法基于三个概念：①永久应变势；②软化模型；③分层总合法。由于震陷简化分析方法中采用诸多假定并引入经验公式，加之土参数的试验也存在着误差，因此将计算结果与实测结果对比来获得与实际结果基本符合的修正系数值以达到简化的目的。

杨英华等［38］指出简化方法的工程意义在于预估缺乏地震记录资料、经济条件不允许的地区以及工程项目的震陷量。

杨石红等［39］给出震陷简化计算基本公式，并对天津市区与塘沽新港地区软土震陷进行了计算，其结果与实测资料对比表明该简化方法可靠性。

简化计算法理论合理可行，计算工作量相对较小，对中、小型项目具有适用性。由于软化模量法不仅参数复杂且存在一系列的误差，相比之下简化计算法更简便易于掌握操作。

4 结论与展望

（1）软土震陷发生的机理十分复杂，其原因在于饱和软黏土自身低强度、低渗透性、高灵敏度、高压缩性、固结时间长的特征以及动荷载作用下软土的结构效应、软化效应以及瞬时效应等共同作用而决定，目前的研究成果还没完全解释清楚，因此软土震陷机理还有大量的工作需要开展。

（2）传统的结构性模型中所建立的土的结构性模型一般都较为复杂、参数较多，并且参数需通过大量的试验获得，对计算的要求较高，大都需要采用有限元进行计算，一般工程技术人很难掌握，在实际应用中会受到一定的限制。因此，如何揭示软土震陷在强震作用下的震陷规律，分析总结软土在不同特性地震动作用下的震陷规律并提出简单计算方法估算软土震陷量是未来分析软土震陷的重点。

（3）开展软土震陷离心机振动台试验，因为动态离心模型试验技术被公认是研究岩土工程地震最有效、最先进的研究方法和试验技术，离心机振动台能够真实模拟同实际原型具有相同或比拟的应力水平，能够较好地真实再现模型在实际应力条件下的动力响应。建立软土震陷离心振动台模型，以典型地震波和人工波作为地震动输入，进行离心振动台模型试验，测量不同位置软土震陷量、孔压变化、应力状态和刚度变化，分析软土震陷的规律和震陷机理。同时，也可检验数值模拟的正确性。离心机振动台试验将成为未来研究软土震陷的可靠方法。

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Research Status and Prospect of Soft Soil Seismic Subsidence

Gu Junru，Li Ping，Zhou Chunshu
（Institute of Disaster Prevention，Sanhe 065201，China）

Wide public concern has been aroused as to the subsidence and destruction of buildings on soft ground caused by seismic subsidence，one of the main seismic damages in soft soil areas.The mechanism of soft soil seismic subsidence is highly complex due to the low strength，low permeability，high sensitivity，high compressibility，and long consolidation time of the soft soil.To date，no concensus has been reached on the mechanism of soft soil seismic subsidence，and controversies remain in discriminating and calculating seismic subsidence.This paper first reviews the research status on soft soil seismic subsidence from the aspects of its evaluation and discrimination，its mechanism，its influencing factors，and its calculation method.Then，problems in current researches are identified. And at last，further assumptions and prospect are put forward on researches of soft soil seismic subsidence.

soft soil；seismic subsidence；mechanism；discriminant method of subsidence；the method of subsidence calculation

TU435

：A

：1673－8047（2017）02－0032－06

2017－03－23

中央高校基本科研业务专项资金青年项目（ZY20140206）；中央高校基本科研业务专项资金创新团队项目（ZY20160105）；国家自然科学基金项目（51508096）；河北省青年拔尖人才计划特支经费支持

辜俊儒（1994—），男，硕士研究生，主要从事岩土工程抗震方面的研究。

李平（1981—），男，博士，副教授，主要从事岩土工程抗震方面的研究。