综述：岩土地震隔离（GSI）技术研究进展

这篇综述系统阐述了岩土地震隔离（Geotechnical Seismic Isolation, GSI）技术的原理、分类及应用前景。文章将GSI定义为"直接接触地质材料且隔离机制主要涉及岩土工程的地震隔离技术"，并基于设计原理将其分为四大分支：（1）通过软化地基降低刚度以延长系统周期；（2）设计滑动/滚动界面限制能量传递；（3）利用波阻抗差异修改地震波；（4）充分动员地基承载力。研究表明，GSI能有效实现损伤控制（damage avoidance），尤其适用于历史建筑保护和经济型抗震设计，是传统结构地震隔离（Structural Seismic Isolation）的重要补充。

　　

岩土地震隔离（GSI）作为地震工程领域的新兴分支，正在重塑抗震设计范式。与传统结构抗震方法不同，GSI将关注点从上部结构转向地基土壤，通过四种独特机制实现地震能量管理：

1. 弹性抗震设计
现代土木工程追求"可修复性"设计理念，GSI通过降低地基刚度（如采用高阻尼聚氨酯或轮胎衍生骨料TDA）显著延长系统固有周期。离心机试验显示，这种柔性基础系统可将屋顶加速度响应降低40-60%，同时通过弹性变形实现自复位（re-centering ratio≈1）。

2. 理想隔离系统重构
对比传统离散支座（图1a），GSI在结构-地基系统外部实现隔离（图1b）。典型案例包括：环绕整个基础的橡胶-砂混合物（RSM）层，或仅布置在基础周边的隔离带。这种设计不改变建筑外观，特别适合历史建筑加固。

3. 结构隔离与岩土隔离的辩证
GSI自2009年提出以来，已发展出与结构隔离（SSI）的清晰类比（表1）。例如：多层橡胶支座对应软化地基（分支1），滑动支座对应低摩擦界面（分支2）。生命周期评估（LCA）证实，采用废旧轮胎的RSM方案可减少34%碳排放。

4. 地震工程新分支
GSI形成四大技术分支（图2）：

• 分支1：通过TDA/聚氨酯层降低地基刚度
• 分支2：采用土工合成材料（geosynthetics）创建滑动面
• 分支3：利用EPS泡沫或凝胶屏障（图8）散射地震波
• 分支4：基于屈服设计理论（图10）的摇摆隔离

5. GSI系统原理
分支1材料（如TDA）的剪切模量可低至0.5MPa，使基础转动刚度非线性下降（图4）。分支3的波修改效果与波长/屏障尺寸比密切相关，对高频波（>5Hz）过滤效果尤佳。分支4的摇摆基础通过土体塑性变形耗能，已被纳入ASCE 41规范。

6. 第一分支技术细节
动态离心试验表明（图3），3m厚聚氨酯层可使柱轴应变降低65%。轮胎橡胶混合砂（30%掺量）的滞回阻尼达15%，远超天然土壤。值得注意的是，系统总位移增加但结构层间位移角反而减小，这颠覆了传统抗震认知。

7. 第二分支历史沿革
古希腊神庙（图6a）的3.7m厚砂垫层和安纳托利亚宫殿的圆木基础（图6b）堪称古代GSI典范。现代方案采用双层土工膜（geomembrane）界面，摩擦系数可控制在0.2以下。试验证明，水平配置的土工格栅（geogrid）+碎石组合对刚性建筑（T<0.4s）效果最佳。

8. 第三分支波场操控
软性屏障（图8）通过阻抗对比产生波反射，如V型凝胶屏障可衰减60%表面波。周期性结构（图9a）和超材料（metamaterials）则利用布拉格散射（Bragg scattering）原理，在特定频段形成"地震隐身衣"。

9. 第四分支承载力革命
里翁-安提里翁大桥（图10）开创性地采用2.8m厚砾石垫层，允许基础滑动耗能。摇摆隔离（图11）通过控制土体屈服使弯矩需求降低40%，其"强桩-弱土"设计恰与传统"强柱-弱梁"形成镜像。

10. 未来展望
GSI技术已跨越实验室阶段，正在日本、新西兰等地开展工程示范。环境评估显示，TDA浸出物浓度低于饮用水标准，但长期耐久性仍需监测。随着低损伤（low-damage）设计理念普及，GSI有望成为提升全球地震韧性的关键技术。