填海珊瑚砂上护岸防波堤抗震性能的离心机振动台试验研究

为解决填海珊瑚砂地基上护岸防波堤在强震中易受液化破坏的问题，研究人员通过离心机振动台试验（50 g）结合三轴和空心圆柱扭剪试验，系统研究了珊瑚砂液化特性及其对结构稳定性的影响。结果表明：珊瑚砂液化会导致防波堤顶墙倾斜（1-2°）、水平位移（0.6 m）和地基沉降（0.8 m），且密度降低（ρd=1.57×103 kg/m3）与水位上升（SWL=6 m）加剧液化效应；采用沙袋快速加固可使二次地震中孔隙压力比（Ru）降低20%-35%。该研究为珊瑚砂地区防波堤抗震设计提供了关键数据，揭示了现行简化设计方法（如PIANC伪静力分析）在液化条件下的局限性。

　　

论文解读

在热带和亚热带沿海地区，填海珊瑚砂作为防波堤地基材料日益普遍，但其在强震中的液化风险长期未被充分认知。历史地震如1994年北岭地震和2011年东日本大地震中，护岸防波堤的破坏案例频发，土壤液化被确认为主要诱因。然而，现有研究多聚焦石英砂地基，对珊瑚砂这种高孔隙（e=1.05）、低密度（ρ_d=1.38-2.09×10³ kg/m³）且颗粒形态不规则（D₅₀=0.27 mm）的特殊材料缺乏系统评估。更棘手的是，填海珊瑚砂因水力填充导致相对密度（D_r）可低至38%，远低于自然沉积层（D_r>75%），其液化特性与常规砂土存在显著差异。此外，偏远地区的防波堤在余震中二次破坏的风险突出，但快速加固技术研究近乎空白。

为填补这些空白，天津水运工程科学研究所的研究团队通过三组离心机振动台试验（TK-C500设备，50 g缩放），首次揭示了珊瑚砂液化对护岸防波堤的破坏机制。试验采用刚性边界模型箱（54 m×17.5 m×30 m原型尺度），模拟了典型防波堤结构（含顶墙、护岸、围堰）。通过空心圆柱扭剪试验测得珊瑚砂有效内摩擦角（φ’=45.7°）和循环阻力比（CRR），结合孔隙水压力传感器（P1-P13）和加速度计（A1-A13）监测动态响应。试验设置涵盖不同密度（ρ_d=1.57-1.85×10³ kg/m³）和水位（SWL=3 m/6 m），并创新性采用沙袋快速加固评估余震防护效果。

材料特性
空心圆柱扭剪试验显示，珊瑚砂在循环应力比（CSR=0.2）下仅需12-21次循环即发生初始液化（R_u>0.95），且密度降低使液化阻力锐减。例如，ρ_d=1.60×10³ kg/m³（D_r=43%）试样的液化周数比ρ_d=1.70×10³ kg/m³（D_r=57%）减少42%。这一结果挑战了“天然珊瑚砂因波浪荷载致密而抗液化”的传统认知，表明填海砂层在震中极脆弱。

地震响应差异
Test1（高密度地基+低水位）中，地基峰值孔隙压力比（R_u=0.82）未达液化阈值，防波堤仅产生微小位移（水平0.12 m/沉降0.13 m）。而Test2（低密度+高水位）则出现全面液化（R_u=1.55），导致顶墙水平位移激增至0.6 m，差异沉降引发1-2°倾斜，背填土沉降量达0.8 m。值得注意的是，加速度响应谱（ARS）在液化区（如A11-A13）主频从0.5 s移至0.16 s，揭示液化导致土层刚度退化。

快速加固效果
Test3在Test2后采用9个沙袋（每个5 kg）加压，使二次地震中地基R_u降低25%-35%（如P3从1.55降至1.02）。顶墙位移控制在0.08 m内，证实增加再固结应力可有效抑制液化复发。这一发现为偏远地区防波堤应急修复提供了可行方案。

设计方法评估
对比PIANC指南的伪静力分析法，当采用实测R_u=0.74时，滑动安全系数（F_S,S）从1.51骤降至0.39，与Test2破坏现象吻合；但R_u选取若偏差10%，F_S,S评估结果可能完全相反。Newmark滑块分析法预测位移（0.24 m）亦严重低估实测值（0.6 m），凸显现行规范在珊瑚砂场景的适用性不足。

结论与意义
该研究首次通过离心试验证实：填海珊瑚砂液化是护岸防波堤震损的核心机制，其危害程度受密度与水位联合调控。沙袋加固可通过提升再固结应力抑制孔隙压力累积，为应急防护提供技术路径。更重要的是，研究揭示了现行设计规范（如PIANC）在珊瑚砂场景的致命缺陷——未充分考虑液化引发的有效应力丧失与刚度退化，呼吁在高风险地区采用高保真数值模拟替代简化方法。成果发表于《Applied Ocean Research》，为热带沿海基建抗震设计提供了理论基石与实验范式。