地震动特性对斜坡地液化触发及侧向位移的影响机制研究

本研究针对地震动特性（PGA、f、Nhold）对斜坡地液化触发（EPWP比Ru）及液化诱导侧向位移（SLD）的系统性影响，通过SANISAND-MSf v2模型开展全耦合非线性动力分析。结果表明PGA是液化触发的主导因素（贡献度80%），而频率f对SLD影响最显著。研究为液化灾害预测提供了高效强度指标（IMs）选择框架，尤其揭示复合IMs（如ASI）的预测优越性，对工程抗震设计具有重要指导价值。

　　

地震引发的砂土液化是岩土工程领域长期关注的难题，尤其当液化发生在斜坡地形时，会引发灾难性的侧向流动变形。传统研究多聚焦于水平场地的液化现象，而对斜坡地液化响应中地震动特性（如峰值加速度、频率、持时）的差异化影响机制缺乏系统认知。这一知识缺口直接制约了液化诱发位移预测模型的精度，也使得现行抗震设计规范在斜坡地液化风险评估中存在明显局限性。

中国某研究院的研究团队通过创新性地整合高级本构模型与系统级数值模拟，首次量化了不同地震动参数对斜坡地液化响应的影响权重。研究采用改进的SANISAND-MSf v2模型（一种包含记忆表面和半流体化状态的本构模型），对11种斜坡剖面进行全耦合非线性动力分析，模拟结果与LEAP-2017/2019离心机试验数据高度吻合。研究发现：峰值地面加速度（PGA）主导液化触发过程，贡献度高达80%；而运动频率（f）则是控制侧向位移（SLD）的最关键因素。该成果发表于《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》，为发展基于物理机制的液化灾害预测方法提供了重要理论支撑。

关键技术方法包括：1）采用OpenSees平台构建三维有限元模型，使用SSPquadUP单元模拟固液耦合；2）设计三阶段谐波输入（上升-保持-衰减）系统研究PGA、f、N_hold的独立效应；3）通过LOWESS平滑处理揭示IMs-EDPs非线性关系；4）基于Stockwell谱分析液化前后频率成分演变；5）采用相对显著性因子量化各参数贡献度。

4.1 最大加载幅度（PGA）的影响
通过固定f=1.7Hz、N_hold=3的系统实验发现：PGA与EPWP比R_u呈正相关，但达到完全液化（R_u=1）后继续增大PGA仅加剧SLD而不改变R_u。10m高斜坡在PGA>0.17g时出现位移突变，证实PGA是液化触发阈值的关键控制参数。

4.2 加载频率（f）的调控作用
低频荷载（0.5-1Hz）促使液化后体系固有频率从4.5Hz降至1.6Hz，诱发共振放大效应。当f接近液化后体系调整频率（约0.92Hz）时，SLD出现峰值响应，该现象被归一化Stockwell谱分析所验证。

4.3 循环次数（N_hold）的累积效应
N_hold≥10次时，即使中等PGA（0.1g）也能触发完全液化。位移累积呈现"先快后慢"特征，反映半流体化状态下剪切刚度退化与 dilatancy（剪胀）效应的动态平衡。

5. 强度指标（IMs）的预测效能
通过14种IMs的对比评估，发现加速度谱强度ASI（R²=0.89）对R_u预测最优，而累积绝对速度CAV₅（σ_ln(SLD)=0.21）对SLD最具预测力。传统Arias强度I_A因过度强调持时而表现不佳，揭示现有液化评估方法的潜在缺陷。

这项研究建立了地震动特性与斜坡地液化响应的定量关系图谱，首次证实复合强度指标（如ASI）在液化预测中的优越性。提出的"频率-位移"共振机制为解释历史地震中斜坡地奇异大变形提供了新视角。研究成果可直接应用于核电边坡、尾矿坝等重大工程的抗震设计，为发展下一代性能化抗震规范奠定理论基础。模型开源策略（通过DesignSafe平台）更推动了岩土地震工程领域的协作创新。未来研究可拓展至非均匀土层和三维地形效应，进一步丰富液化灾害预测的理论体系。