地下水位变化对层状饱和-非饱和多孔介质场地地震响应的影响机制研究

《Soil Biology and Biochemistry》：Effects of groundwater level variation on the seismic response of sites with stratified saturated - unsaturated porous media overlying bedrock

本文针对自然或人为活动引起的地下水位变化对场地稳定性的影响，建立了考虑饱和度梯度变化的层状饱和-非饱和多孔介质地震响应分析模型。基于Biot理论和Wei-Muraleetharan控制方程，采用传递矩阵法推导了P波/SV波斜入射下场地响应的解析解，并通过参数分析揭示了地下水位、土体刚度、入射波特性及软弱夹层等因素对场地位移和孔隙水压力的调控机制。研究发现：考虑饱和度变化效应至关重要，水位上升会降低水平/竖向位移并提高固有频率；软弱夹层厚度与位置相对水位的空间关系对场地动力学行为具有决定性影响。该模型为地下工程抗震设计提供了重要理论依据。

　　

Highlight

本研究基于单相基岩、饱和及非饱和多孔介质的动态控制方程，建立了考虑地下水位变化的层状场地地震响应分析模型。通过传递矩阵法求解了P波或SV波入射下的波动问题，并验证了解析解的准确性。研究表明：考虑饱和度变化对土体参数的梯度影响至关重要，水位上升会显著改变场地固有频率和位移响应；软弱夹层的空间配置与水位相对位置对波传播路径和场地共振特性具有决定性调控作用。

Section snippets

Problem statement and theoretical formulations

如图1所示，建立了考虑地下水位自然波动和沉积分层效应的波传播模型。基岩和水位线下沉积层分别处理为单相固体介质和两相饱和多孔弹性介质，水位线上土体则采用Wei和Muraleetharan提出的动态控制方程描述非饱和多孔介质，其饱和度与力学参数沿深度呈梯度变化。

Boundary and continuity conditions

层状场地中地震波传播受介质间动态特性差异的显著影响，需明确考虑四种边界条件：地表为应力自由边界，基岩-饱和土界面满足位移-应力连续条件，饱和-非饱和土界面遵循相位间质量/动量守恒定律，不同土层界面确保位移与应力协调性。

Wave field analysis and solutions

针对基岩斜入射的P波/SV波，分析了全场波形变换与势函数表达。如图1所示，地震激励产生的衍射波在不同介质中呈现复杂耦合特征，需通过势函数分解法处理多波型（P1、P2、P3波和SV波）的反射/透射行为。

Solution and verification

结合第3节边界条件与第4节波场分析，通过传递矩阵法推导了变水位场地的地震响应解析解，并与现有解析/数值结果对比验证了模型的可靠性。

Seismic response analysis of a general site under varying groundwater levels

以图7所示层状体系为对象，参数化研究了P波/SV波入射下水位变化对场地响应的影响。模型通过饱和度梯度函数（如指数型分布）体现实际工程的竖向非均质性，结果表明：水位抬升使地表位移衰减20%-40%，固有频率向高频偏移；土体孔隙率与入射波频率共同调控共振幅度，高频入射时饱和度梯度效应尤为显著。

Seismic response analysis of a site with a weak interlayer under varying groundwater levels

如图22含软弱夹层的场地模型所示，分析了夹层厚度/埋深与水位关系的敏感性问题。发现当夹层位于水位波动区间时，其低剪切模量特性会使SV波产生50%以上振幅放大；夹层厚度增加将延长地震波停留时间，诱发低频共振现象，且埋深较浅时对地表加速度谱的放大效应提升2-3倍。

Conclusions

变水位层状场地模型有效克服了传统均质假设的局限，解析解为地下结构抗震设计提供了可靠工具。饱和度梯度与软弱夹层的耦合效应提示：在长期水位波动环境中，需动态评估场地频谱特性以避免共振风险。未来可进一步考虑非饱和土滞回特性与流体耦合效应的影响。