近断层地面运动方向性对饱和中密砂孔隙压力行为的影响

《Soil Biology and Biochemistry》：Effect of near-fault ground motion directionality on the pore pressure behavior of saturated medium-dense sand

孔隙水压力累积受近断层地震动方向性显著影响，近断层下压力在峰值应力附近集中积累，而远断层下则由应力序列主导。研究显示不同断层类型（走滑/逆冲）和加载方向的残余孔隙水压力差异可达8.13倍，且Arias强度和累积能量更高的地震动导致更高的残余孔隙压力。

　　地震荷载是一种时间变化的非均匀动态加载，其振幅和频率随时间而变化，因此在非均匀地震加载下，砂土的响应与均匀循环加载存在显著差异。本文通过一系列不排水三轴试验，研究了接近断层地震动方向性对饱和中密砂土孔隙水压力行为的影响。研究选取了两种不同断层类型（正断层和走滑断层）的地震记录，结果表明，在接近断层地震动作用下，砂土的孔隙水压力和变形累积主要集中在峰值应力附近，而在远离断层地震动作用下，孔隙水压力的积累则主要由峰值应力前后应力序列所决定。此外，接近断层地震动的方向性导致不同方位下砂土的残余孔隙水压力存在显著差异，其变化幅度可达8.13倍。研究还发现，当砂土受到更大Arias强度和累积能量的地震动作用时，其残余孔隙水压力趋于更高。值得注意的是，在走滑事件中，与断层平行的地震动分量会导致较高的残余孔隙水压力，而在正断层事件中，与断层垂直的地震动分量则表现出类似趋势。

在地震工程领域，孔隙水压力的累积是导致砂土液化的关键因素之一。长期以来，研究者们普遍采用等效方法来评估饱和砂土在非均匀地震加载下的孔隙水压力行为，即通过将实际地震动简化为具有特定等效循环振幅和循环次数的正弦波加载。这种等效方法基于Miner的累积损伤理论，尽管其在实际应用中具有简便性和可操作性，但忽略了地震动加载序列的影响。然而，孔隙水压力的响应与加载序列密切相关，因此，有必要进一步探讨接近断层地震动的特性对砂土液化抵抗能力和变形行为的具体影响。

现有的研究主要集中在非均匀地震加载对砂土液化抵抗能力和地震后沉降的影响上。已有研究表明，非均匀地震加载的振幅和序列对孔隙水压力演化和液化抵抗能力具有显著影响，其中冲击型加载通常表现出更高的液化抵抗能力。Kumar等人研究了相对密度和有效围压对布拉马普特拉砂在非均匀地震加载下的剪切模量的影响。Sassa和Yamazaki则提出了一种简化的液化评估方法，考虑了地震波形和持续时间的作用。Liang等人和Pan与Yang的研究进一步指出，液化所需耗散的能量与非均匀地震加载的振幅和序列无关，因此它比等效方法更为可靠。Nie等人和Chen等人则探讨了地震震级和震中距离对砂土变形特性的影响。Osinov还提出了一种适用于非均匀地震加载的本构模型。尽管这些研究在一定程度上揭示了非均匀地震加载对砂土动态行为的影响，但对接近断层地震动方向性对砂土液化抵抗能力和变形行为的具体影响仍缺乏深入探讨。

接近断层地震动（NFGMs）具有方向性、脉冲状波形和不对称性等特征，这些特性往往导致比远离断层地震动（FFGMs）更严重的破坏。已有研究指出，砂土的变形随着地震动不对称性的增强而增加。Ishihara和Nagase以及Nie等人研究了地震动的不规则性和多方向性对土壤动态特性的影响。Wei等人和Zhang等人则探讨了循环加载方向对砂土液化抵抗能力的作用。在实际地震事件中，接近断层地震动的方向性被广泛观察到，而在本研究中，方向性指的是不同方位下地震动强度指标（如峰值地面加速度）的变化。Zhang等人发现，接近断层地震动的方向性会导致不同方位下滑坡位移的显著差异。Xiang等人则将接近断层地震动的方向性与断层类型联系起来。然而，接近断层地震动方向性对饱和砂土孔隙水压力行为的影响仍然缺乏系统研究。

为了填补这一研究空白，本文开展了一系列不排水三轴试验，以探讨接近断层地震动方向性对饱和中密砂土孔隙水压力响应的影响。试验中比较了不同方向下砂土的应力-应变曲线、有效应力路径以及孔隙水压力的发展情况。研究还分析了加载方位和断层类型对孔隙水压力行为的影响，并探讨了地震动强度指标与残余孔隙水压力之间的相关性。通过这些试验，研究者能够更全面地理解接近断层地震动在不同方位下对砂土动态行为的具体影响，从而为地震工程中的土壤稳定性评估提供新的理论依据和实验数据支持。

在试验设计中，本文选取了来自太平洋地震工程研究中心下一代衰减项目数据库的地震记录，其中包括由正断层和走滑断层引发的地震动。具体而言，选取了1999年台湾集集地震的六组水平分量记录和另一组地震的八组水平分量记录。这些地震记录具有不同的波形特征和加载模式，能够很好地代表接近断层地震动和远离断层地震动的差异。通过对比分析不同方位下砂土的响应，研究者能够识别出方向性对孔隙水压力行为的具体影响。例如，研究发现，当地震动方向与断层平行时，走滑事件下的砂土表现出更高的残余孔隙水压力，而正断层事件中，与断层垂直的地震动方向则同样导致较高的残余孔隙水压力。

此外，研究还揭示了地震动方向性对砂土动态行为的复杂影响。在接近断层地震动作用下，砂土的孔隙水压力和变形累积主要集中在峰值应力附近，这表明在地震动的高峰时段，砂土的响应更为剧烈。而在远离断层地震动作用下，孔隙水压力的积累则受到峰值应力前后应力序列的显著影响。这种差异可能与地震动波形的不规则性和方向性有关。在实际工程中，这些发现有助于更准确地评估不同地震动方向下砂土的液化风险和变形特性，从而为地震灾害的预测和防治提供科学依据。

本文的研究结果对于地震工程领域具有重要的实际意义。首先，研究明确了接近断层地震动方向性对砂土孔隙水压力行为的显著影响，揭示了不同方位下砂土响应的差异性。其次，研究发现，地震动的Arias强度和累积能量是影响残余孔隙水压力的重要因素，这为评估地震动的破坏性提供了新的视角。此外，研究还表明，断层类型和地震动方向之间的相互作用对砂土的动态行为具有重要影响，这有助于理解不同断层类型下地震动对土壤稳定性的影响机制。通过这些研究，本文为地震工程中的土壤稳定性评估和液化风险预测提供了新的理论支持和实验数据，有助于提高地震灾害的预测精度和防治能力。

总的来说，本文通过不排水三轴试验，系统地探讨了接近断层地震动方向性对饱和中密砂土孔隙水压力行为的影响。研究结果表明，不同方位下的地震动会导致砂土孔隙水压力和变形的显著差异，而这种差异与地震动的Arias强度、累积能量以及断层类型密切相关。这些发现不仅有助于深化对非均匀地震加载下砂土动态行为的理解，也为地震工程中的土壤稳定性评估提供了新的研究思路和方法。未来的研究可以进一步探讨不同地震动特征对砂土液化抵抗能力和变形行为的综合影响，以期为地震灾害的防治和工程设计提供更加全面的理论支持和实践指导。