基于有效应力分析的回填土液化响应研究

《Soils and Foundations》：Liquefaction response of reclaimed soils from effective stress analysis

液化填海土体地震响应分析

　　本文探讨了新西兰威灵顿港（CentrePort）的填土在地震作用下的液化响应分析。该研究通过一维（1D）动态有效应力场地响应分析（ESA）方法，对填土的物理特性进行了系统研究，包括砾石-砂-粉土（G-S-S）混合填土和水力填土。研究分为两个阶段，第一阶段是对三个近期地震案例历史进行模拟，第二阶段则是基于广泛的输入地震需求对液化响应进行量化评估。研究的重点在于如何通过有效的工程解释，理解液化表现和土壤喷射特征，并评估一维模型在解释复杂表现模式方面的局限性。

研究区域位于新西兰北岛的南端，威灵顿市的海岸线在170年前的填土工程中向内陆移动了约200至500米，形成了一个被填土覆盖的区域，其中CentrePort占据了约0.5平方公里。填土材料主要来源于本地采石场，包括G-S-S混合土、海洋沉积物（MS）和威灵顿冲积层（WA）。填土的厚度差异较大，从几米到22米不等，这种差异影响了填土的液化表现。研究中使用了多种模型和参数来模拟填土的液化响应，包括PM4Sand和Stress-Density模型（SDm），并通过CPT数据进行分析和校准。

在第一阶段的分析中，研究团队利用真实地震记录进行动荷载输入，并采用两种土壤本构模型来考虑模型的不确定性。研究结果表明，一维模型在捕捉液化触发的临界地震强度、填土厚度差异导致的液化表现不同，以及从触发到最大响应的演变过程方面表现良好。然而，对于水力填土，由于填土成分和响应特征的二维变化，一维模型在解释复杂表现模式方面存在一定的局限性。例如，在水力填土中，液化表现的厚度和位置差异较大，而一维模型可能无法准确反映这些差异。

第二阶段的分析则是在广泛的输入地震需求范围内，对代表性填土进行整体评估。研究团队提出了基于ESA的响应指标，包括液化填土的累积厚度（CLT）、孔隙水压力积分（∫ru,max dz）、最大瞬时水平位移（Ug,max）和体积应变导致的再固结沉降（sv,ESA）。这些指标用于量化液化响应的严重程度，并通过不同的地震强度参数（如PGA、VSI和MASI）进行比较分析。结果显示，使用更稳健的地震强度参数（如VSI和MASI）可以显著减少响应指标的波动性，而基于孔隙水压力的指标波动性相对较小。

研究还指出，不同填土类型和厚度对液化表现有显著影响。例如，G-S-S混合填土在Thorndon区域的填土厚度较大，导致液化表现更为严重，而水力填土由于填土厚度较小，液化表现相对轻微。此外，填土的成分和结构也会影响液化表现的类型，如砂质喷射或砾石喷射。通过对比不同填土的液化表现，研究揭示了填土特性在地震响应中的重要性，并强调了在进行一维ESA分析时，必须结合实际填土的工程特性进行合理解释。

研究还强调了模型校准的重要性。通过校准PM4Sand和SDm模型，确保它们能够准确模拟不同填土类型的液化行为。校准过程中，模型参数如相对密度（DR）、初始孔隙比（eo）和循环应变参数（μcyc）被调整，以匹配目标液化阻力曲线（LRCs）。研究结果表明，尽管两种模型在某些方面存在差异，但它们在整体上都能有效捕捉液化行为，特别是在填土厚度较大或成分较均匀的情况下。

此外，研究还指出，一维模型在某些情况下可能无法完全反映二维填土特征的影响。例如，在水力填土区域，填土成分的横向变化可能导致液化表现的差异，而一维模型可能无法准确捕捉这些变化。因此，研究建议进一步采用二维ESA分析，以更全面地理解填土在地震作用下的响应机制。

总体而言，本文通过一维ESA方法，对CentrePort地区的填土进行了详细研究，揭示了填土特性、地震强度和液化表现之间的关系。研究结果不仅为液化评估提供了新的方法，也为未来的工程实践提供了重要的参考。通过结合不同的模型和参数，研究团队展示了如何通过有效的工程解释，提升一维ESA方法在液化分析中的应用价值，并强调了在实际工程中需要综合考虑多种因素，以更准确地预测填土在地震作用下的表现。