非塑性细粒含量对液化地层中地下结构上浮行为的影响机制研究

针对含细粒液化地层中地下管道上浮行为机理不清的问题，日本东京大学团队通过改良真空饱和法实现高重现性模型试验，发现细粒含量增加会降低管道总位移（Fc=20%时位移减少29.4%），揭示了低孔隙比、低渗透率和高粘滞阻力对液化后土体强度恢复的影响，为地下结构抗震设计提供重要依据。

　　

地震灾害中，液化引发的地下结构上浮是威胁城市生命线安全的重要问题。传统研究多聚焦纯净砂土液化，但实际地层常含细颗粒物质（Fines Content, Fc），其液化特性与纯净砂土存在显著差异。更棘手的是，含细粒土体的高饱和度制备困难，导致模型试验重现性差，这成为揭示细粒含量影响机制的瓶颈。2024年诺托半岛地震中井盖上浮的惨痛案例（见图1），再次凸显了该研究的紧迫性。

为破解这一难题，东京大学团队在《Soils and Foundations》发表创新研究。他们设计可承受-100kPa负压的特制土箱（1500×300×750mm），采用改良真空饱和法（图7）成功实现含细粒土体（Fc=0-20%）的完全饱和（V_p>1677m/s）。通过1-G振动台试验模拟地震荷载（5Hz正弦波，峰值0.4G），系统研究非塑性细粒含量对管道上浮行为的影响。

关键技术包括：1）基于P波速度（V_p）的饱和度评估体系；2）多参数同步监测系统（加速度计、孔隙水压计、土压计）；3）渐进式地震波加载策略（0.1-0.4G连续加载）；4）图像位移分析系统（图6白点追踪）。

【4.1 上浮启动机制】
研究发现上浮分两阶段："初始上浮"发生在安全系数Fs<1.0时（有效应力0.3-0.5kPa），"快速上浮"则需待完全液化（有效应力=0）。值得注意的是，Fs阈值效应不受细粒含量影响，但含20%细粒的土体深层有效应力衰减延迟1kPa（图16），可能与低渗透性相关。

【4.2 有效应力路径】
通过牛顿第二定律计算的剪应力路径显示（图15），细粒含量增加会延缓深层液化进程。在324mm深度处，Fc=20%土体的残余有效应力（1.8kPa）是纯净砂土（0.8kPa）的2.25倍（图16c），这种差异在0.1G阶段尤为显著。

【4.3 总位移规律】
试验数据颠覆传统认知：含20%细粒土体的管道总位移（47.4mm）较纯净砂土（67.1mm）减少29.4%（图17）。图18的变形对比直观显示，高细粒含量土体在地表形成更致密的"抗浮壳层"。

【4.4 机理讨论】
作者提出三重解释：1）连续加载抑制了细粒土体特有的强度恢复（Strength Recovery）；2）低孔隙比（e=0.71@Fc=20%）增强颗粒重锁效应；3）细粒-水混合物形成高粘滞流体（Viscous Resistance），其渗透系数降低两个数量级。表4数据证实，Fc=20%土体的饱和密度（1540kg/m³）比纯净砂土高11.6%，提供额外抗浮阻力。

这项研究突破性地证明：1）真空饱和法可使含20%细粒土体达到B值>0.95的饱和状态（表5）；2）细粒通过改变土体流变特性（非强度特性）抑制上浮位移；3）Fs<1.0是上浮启动的普适判据。这些发现为修订《JGS 0161-2009》等抗震规范提供实验依据，尤其对细粒含量超过5%的滨海填土地层具有重要指导价值。未来研究需进一步阐明细粒-孔隙水相互作用机制，以及实际地震动频谱特性的影响。