轻超固结黏土层地震响应机制：离心机实验与数值模拟的协同探索

针对低塑性黏土层在强震下的非线性响应预测难题，研究者通过离心机实验（57g）结合FLAC2D数值模拟（PM4Silt/PM4Sand模型），系统分析了地震强度与频率对孔隙水压生成和土体非线性的影响。研究发现剪切强度是黏土动力响应的主导因素，DEEPSOIL在强震模拟中存在局限，为工程实践提供了先进本构模型的应用指导。

　　

地震灾害中，软黏土层的动力响应一直是工程抗震的薄弱环节。1999年土耳其科贾埃利地震中，低塑性粉砂层的液化与循环软化导致阿达帕扎勒市大面积建筑损毁，凸显了这一问题的严重性。传统理论认为这类土壤属于"非液化"范畴，但实际震害表明，它们在强震下仍可能发生显著软化，引发沉降、承载力丧失和侧向扩展。然而，现有研究多聚焦于中低强度地震或低频震动，对强震和高频激励下黏土行为的认知仍存空白。

为破解这一难题，加州大学戴维斯分校团队在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》发表研究，创新性地将离心机物理模拟与FLAC2D数值分析相结合。通过57倍重力场下的MKH01/MKH02模型试验，复现了土-水泥(SC)网格加固的深黏土剖面在长周期（如神户波）和高频地震动作用下的响应。数值模拟采用PM4Silt和PM4Sand本构模型，通过二维非线性动力分析(NDA)捕捉孔隙水压演化与土体非线性行为。

关键技术包括：1）基于Campbell模型的瑞利阻尼(Rayleigh damping)参数化；2）DEEPSOIL一维等效线性(EL)与非线性(NL)对比分析；3）针对剪切强度(s_u)、阻尼比(ξ)和渗透率(k)的敏感性分析；4）采用自然地震与人工诱发地震的频谱特性对比验证。

离心机实验
模型在0.18g基线加速度(PBA)下呈现浅层10%剪切应变，验证了软黏土在强震下的显著非线性。加速度时程曲线显示，高频成分在表层被明显过滤，而长周期能量获得放大。

数值模拟
FLAC2D成功复现了实验观测的孔隙水压比(r_u)空间分布，但DEEPSOIL在PGA>0.5g时高估加速度谱值达20%。参数研究表明，s_u变化10%可导致地表位移差异达15%，远超渗透率(±5%)和阻尼比(±3%)的影响。

动态模拟结果
神户波(0.18g PBA)案例中，PM4Silt准确预测了5m深度处的r_u=0.4，而EL方法低估30%。高频输入运动引发更快的孔压累积，但最终稳定值低于长周期激励。

讨论
等效线性方法在γ<1%应变时尚可适用，但强震(γ>3%)时NL分析不可或缺。值得注意的是，诱发地震的高PGA特性可能比天然地震更易触发黏土软化。

结论
研究确立了PM4系列模型在黏土动力分析中的优势，揭示剪切强度是参数敏感性的首要因素。成果为滨海软土区抗震设计提供了重要参考，特别强调高频震动下需采用二维有效应力分析。Sujanraj Devkota等学者的工作，推动了从"经验判断"向"模型驱动"的土动力学实践转型。