岩土地震工程与土动力学研究

林海 刘良松 邓建梅

【摘要】在交通业及能源基础设施建设日益发展的背景下，由于循环动载所造成的工程问题使得土动力学及岩土地震工程问题十分严峻。在此背景下，有关研究人员也逐渐提高了对于这一问题的研究力度，本文将简要介绍土动力学及岩土地震工程的研究现状，并将重点放在土的剪切模量、土体地震液化、地下结构地震响应及其抗震设计等动力学问题上，分析上述领域中的研究现状及进展，并在此基础上指明日后的研究方向。

【关键词】土动力学；岩土地震工程；动本构模型；动力分析；动力测试

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021. 26.121

1、土的动剪切模量

针对地震场地响应情况予以分析，土的动剪切模量G是其中最为主要的一个分析参数，其中包含了最大剪切模量G0及其在应变条件下的退化曲线，也即G/G0～γ。在过去的很长一段时间中，各国研究者利用室内共振柱试验及现场剪切波速试验展开了对于这一内容的一系列研究，最终确定了G0的主要影响因素，并在此基础上提出了相应的经验公式。在压电陶瓷弯曲元源波速测试技术高速发展的背景之下，土体G0的测试研究工作也实现了突破。此外，近年来，学者普遍开始探索借助离散元方式研究土体动剪切模量的方法，试图基于微观视角探索其宏观特性，以此揭示土体模量特性的微观机理。

1.1 弯曲元波速试验

此类方法具有一定的速度优势，且操作相对便捷，现已经在三轴仪等多种土工试验设备中实现了充分运用，可以针对土的剪切波速及最大剪切模量予以测定。利用弯曲元办法，因为受到了近场效应和边界发射等多种因素的影响，在一定程度上增加了剪切板传播时间的确定难度。在弯曲元试验中，可以通过多种方式确定S波的传播时间，如时域法、峰值法及初达波法等。对于不同情况而言，相应的分析方法传播时间也会存在一定的差，其准确性通常直接取决于所输出信号的特性[1]。

1.2 土的最大剪切模量G0

这是当前土地状态评测中最为重要的一项指标，可以整体反应土体的应力状态、密实度及其结构，已经在场地分类、砂土地震液化判别等领域中实现了广泛运用。许多研究证实，G0会被塑性指数、有效围压、不均匀系数、时间效应、各向异性及颗粒形状等多种因素所影响。近年来，学者普遍致力于大数据统计分析视角，并在此基础上构建了以土体物理指标为基础的G0预测公式，以便在工程项目实际中予以应用。有研究者结合室内试验所得的数据进行统计，并在此及存储上提出了以土的基本物理指标为前提的，可以适应各类土质特点的最大初始剪切模量G0。

1.3 土的模量退化曲线

这一曲线主要用于描述G/G0在剪应变γ下的变化趋势，呈现了归一化的剪切模量在剪应变变化条件的相应变化，是用于衡量土体非线性强弱的重要指标。目前，世界范围内的该领域学者都已经针对砂性土及黏性土的模量退化曲线展开了一系列研究，并在此基础上提出了以双曲线为背景的经验公式。若土质为砂性，则其主要体现了细颗粒含量、不均匀系数及围压的影响；若土质为黏性，则主要展现了土体塑性指数的影响。有研究者开展了大量室内试验，并此基础上分别提出了砂性土及黏性土模量退化曲线。

1.4 土体模量特性的微观机理

现阶段，研究者为确定土体模量宏观特性，已经进行了大量的室内及现场试验，成功揭示了土体模量的主要影响因素，然而，仍然無法充分揭示此类因素对模量特性本质机理的影响。国内外学者采取离散元方法，基于微观尺度展开了对于砂土动力特性的深入探索，并在砂土模量退化、循环液化及最大剪切模量等多个领域实现了突破性进展。

利用模拟弯曲元波速试验，在较小应变条件下采取三轴或单剪试验的方式，可以确定颗粒试样的最大剪切模量G0，并在此基础上确定颗粒级配、围压、应力历史、细颗粒含量、时间效应等因素对G0的影响。最终确定，决定试样最大剪切模量G0的最主要因素在于试样颗粒配位数及颗粒法向接触力。而其他各类宏观因素则会通过影响此类微观因素而发挥作用。最终研究结果表明，借助最大剪切模量及剪切波速可以实现对于砂土液化和砂土各向异性等多种特性的充分支撑，并为其提供充足的理论支持[2]。

2、土体地震液化

2.1 液化震害及问题

近年来，在世界范围内都发生了许多次强地震，并带来了大量的液化震害。与以往的震害相比，土体地震液化表现出了更为广阔的液化范围，且液化变形量更大。在地基液化的影响下，使得震后救援的难度大幅增加，也因此造成了十分严重的人员伤亡，使得房屋损坏问题日益严峻。

例如，在2011年日本大地震中，日本东北及关东地区都发生了大规模的液化震害，此次液化震害范围已经覆盖了从南部海岸线到岩手县这一线路全线，其长度可达500千米，是所有记录中震害范围最大的一种液化震害记录。由于本次地震液化灾害，使得公路、通讯设施及电塔中的损失十分严重，同时，由于液化后土体已经基本丧失了其承载力，导致地下涌出的泥沙和水已经大量覆盖到了城市路面之中，进而影响了救灾人员及车辆的日常行动，也因此增加了灾后救援工作的难度。

又以2018年印度尼西亚苏拉威西省帕卢地区7.4级地震为例，由于地震砂土的侧向拓展，使得基础设施发生了大面积损毁，且人员伤亡问题十分严重，砂土液化的最大侧向位移量已经达到了2.4千米。同时，在贝托波和巴拉亚罗两个片区内都被液化土体夷化，并将其夷为平地，已有约5000人发生了液化侧向拓展，进而损毁并吞噬了大量房屋，使得房屋被掩埋而失踪。

2.2 液化判别

近段时间以来，在液化判别领域中的研究重点在于确定黏含量及土体初始状态在液化过程中的影响。有研究者针对土耳其Kocaeli地震中液化土体问题进行了深入探索，同时，利用循环剪切试验确定了造成土体液化的决定性因素，也即黏力的种类及数量。也有研究者做了68组动三轴试验，并以此为前提构建了一个可以判定黏粒含量的液化标准，而利用这一标准，可以相应区分具有完整强度的土体液化现象。同时，由于黏力的强度尚未丧失，且造成了大面积的土体液化，因此，需要基于实际震害数据的视角予以分析，充分关注液化判别方法中的实际黏粒含量。

有研究者针对中国规范方法及NCEER推荐方法进行了全面回顾，同时，结合1999年台湾地震液化土基非液化土数据，确定了综合细粒的实际含量及黏粒含量状态，最终得出结论：与单独使用某一指标相比，综合利用细粒含量及黏粒含量确定液化类别是一种更为稳妥的分析方法。也有研究者收集了大量场地数据，并结合场地的实际液化状态构建了以修正剪切波速及地表峰值加速度相关的液化临界曲线，同时，也确定了液化临界曲线在细粒含量中的相应位置，希望可以切实提升上覆压力的稳定性，让震级取值的合理性得到有效保障。此外，该研究也分析了估计土层循环应力在CSR中的剪应力折减系数和震级标定系数，并据此确定上覆压力修正系数等因素在液化临界曲线中的作用。

2.3 砂土液化本构模型

针对循环荷载环境中的饱和砂土应力状态予以描述，并在应力响应的基础上构建本构模型。大量饱和砂土不排水循环加载试验结果表明，在初始液化处理后，只要砂土到达了相应的应力状态，便可以出现一定的剪应变，而此部分的剪应变则是造成砂土液化变形的主要影響因素。早期饱和砂土循环本构模型主要用于处理不排水循环加载环境中的模拟，可以据此确定砂土的有效应力变化情况，然而，仍然难以充分适应初始液化后的砂土力学特性。在砂土液化初始液化处理能力日益提升的背景下，砂土力学行为机理研究已经得到了一定拓展，并在此基础上展开了对于砂土液化初始液化变形的深入探索，针对液化砂土大剪应变的合理性进行了充分描述，并将其作为砂土液化本构模型研究的重点。

3、地下结构地震响应及其抗震设计

3.1 地下结构建设与震害

我国城市地铁、地下综合体及地下停车场地下结构建设已经实现了迅猛发展，由于地下空间相对较为丰富，使得地下结构往往难以充分适应可液化土等抗震不利的地层环境。在数次地震的影响下，因不同结构所导致的实际震害为地下结构抗震设计研究提供了十分宝贵的资料。

以1995年日本阪神地震为例，由于本次地震所引起的地层液化在地下结构震害十分严峻的情况下，使得多数抗震研究人员都在这一领域开展了地下结构震动响应规律及机理的深入研究。在2011年东日本地震中，因为地震使得东京湾及利根川和漫滩周边都发生了大面积底层液化，使得该区域范围中的部分地下导管廊和地下停车场都出现了上浮破坏问题，使得上浮量已经超出了60厘米，使得地下输水管线系统破损十分严重。此外，因为大量人工竖井严重上浮，并造成了一定破坏，使得其个别上浮量已经超出了150厘米。

2010年，智利Maule发生了8.8级大地震，且在局部区域中表现出一定的场地喷砂冒水液化问题，使得地下管线及涵洞大面积破坏，且地下污水池大面积上浮，导致地下设施破损问题十分严重。

这一系列地震灾害表明，必须针对地下结构的地震响应机理展开深入探索，以促进抗震设计水平提升。

3.2 地下结构地震响应试验研究

由于地震的突发性特点，在一定程度上增加了现场动力响应测量的难度，往往只能借助震后灾害调查展开对于具体破坏情况的总结。为此，在地下结构地震响应工作中往往关注大型振动台及离心机振动台试验工作。近段时间以来，我国学者始终致力于这一研究，将地铁隧道及地下车站作为主要的研究背景，并在此基础上开展了一系列振动台模型试验。

有研究者开展了振动台试验，将石膏和镀锌钢丝作为工具，并借此模拟了缩尺的三层三跨地下车站结构，针对可液化地层之中的地下结构震动响应规律进行了深入研究。也有研究者开展了振动台试验，通过对震动幅值的控制，确定了可液化地层在不同液化水平下的地下车站结构震动响应条件。另有研究者结合西北黄土地区的地下结构抗震状态实施了振动台试验，结果表明，针对可液化地基及软土地基地下结构进行分析，可以明确地震损伤的实际发展过程和相应的破坏机理，以确定地下结构中的抗震薄弱环节。在离心机振动台实验工作中，研究者利用具备透明视窗结构的刚性铝盒展开了对于地下结构的模拟，同时，配备相应的高速摄像机及图像位移处理程序，结合地震作用下造成的土体动力响应问题，并在此基础上展开了全面细致的分析。

3.3 地下结构抗震分析方法

常用的地下结构抗震分析方法主要包含分类，分别为基于位移、荷载的简化方法及动力时程相互作用分析方法。基于荷载的简化方法通常将地震系数作为代表，其分析思路与地面结构分析相似，尽管此方法相对简单且便于操作，但是该方法在概念意义上存在一定的缺陷。若隧道的埋深过大或过小，都会在一定程度上影响计算结果与实际震害之间的契合情况。现阶段，尽管这一方法已经在部分标准规范中得到了运用，但是在最近的规范中已经无法适应这一方法，需要积极探索全新的抗震分析办法[3]。

结语：

综上所述，由于土动力学及岩土抗震领域有着十分丰富的研究课题，且该领域中的研究普遍具有十分突出的应用价值。为此，现阶段岩土工程领域的学者都提高了对于土动力学及岩土抗震工程的研究力度，在多年的持续努力之下，世界范围内与土动力学及岩土地震工程相关的理论研究都已经得到了突破性进展，无论是研究方法还是实际应用都已经逐渐趋于成熟。然而，由于该问题自身相对较为复杂，且研究人员普遍缺乏对于强地震环境下土体及各类复杂结构物系统动力学行为的深刻认知，未能具备良好的抗震安全评价能力，因此往往难以充分适应工程建设及防灾减灾工作的实际需求，在一定程度上限制了这一领域的发展，需要研究人员在未来就此类问题进行深入探索。

参考文献：

[1]王兰民.中国岩土地震工程与土动力学研究进展与实践[J].城市与减灾，2021（4）：13-26.

[2]王兰民，夏坤，刘琨，等.第16届欧洲地震工程大会：岩土地震工程研究进展与动向综述[J].地震工程学报，2018，40（6）：1133-1152.

[3]黄茂松，边学成，陈育民，等.土动力学与岩土地震工程[J].土木工程学报，2020，53（8）：64-86.