地震序列后土壤恢复的原位证据重新定义了液化危险评估的范式

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：In-situ evidence of soil recovery after earthquake sequences redefines liquefaction hazard evaluation paradigms

　　

杨思远|黄德罗|王刚

清华大学水利工程系，北京，100084，中国

摘要

尽管有证据表明土壤性质在地震序列及其后的恢复期间会发生变化，但地震后的液化危险评估仍然依赖于地震事件发生后进行的原位测试。这引发了关于此类评估准确性的质疑。在这里，通过分析2010-2011年新西兰坎特伯雷地震序列影响地区的强震动记录和4600多次圆锥贯入试验（CPT）数据，我们量化了可液化沉积物的时空恢复情况。基于CPT的分析显示，地震后约800天内，土壤的贯入阻力逐渐增强，而土壤行为类型指数则有所下降。关键的是，地震后贯入阻力的增加并不意味着抗液化能力的单调增强。本研究中的微观力学证据表明，密实化和结构演变是相互矛盾的过程：即使是在高应变地震事件后，如果土壤结构表现出脆弱的协调性或强烈的各向异性，其液化阻力也可能仍然较低。这些发现表明，标准的地震后现场调查只能捕捉到土壤强度的瞬态、非代表性状态，从而导致对未来抗液化潜力的潜在低估。因此，需要改变液化危险评估的范式，以考虑地震序列后土壤的动态恢复过程。

引言

土壤液化是指在循环荷载作用下孔隙水压力迅速增加，导致有效应力降至零，从而丧失剪切强度[[1], [2], [3]]。图1a总结了全球典型的地震诱发液化案例，如2008年汶川地震[4]、2011年东北地震[5]和2018年苏拉威西地震[6]。典型的液化现象包括沙沸、地面开裂、沉降和侧向扩展，这些都会对工程结构造成严重后果，包括结构损坏、管道浮起、边坡不稳定以及地下地质结构的扰动[7,8]。现场观察表明，液化可能在主震和余震序列中反复发生——这一过程被称为再液化，其记录的震级对在图1b中有所总结。重要的是，再液化往往与理论模型不符。例如，1983年日本海中部地震的7.1级余震引发了出乎意料的广泛区域再液化[9]。同样，在2011年东北地震序列中，一个震级较低的余震（7.7级）比主震造成了更严重的地表破坏[10]。新西兰2010-2011年坎特伯雷地震序列就是一个特别显著的例子[11]。如图1c-a所示，2011年2月22日7.1级达菲尔德主震后的6.2级余震引发了基督城约三分之一的城区再液化[12]。这次地震事件造成了巨大的破坏：估计有40万吨沙子被抛出，大约60,000栋建筑物受损，7,500户住宅被迫撤离。变形规模同样严重，阿冯河沿岸的地面水平位移达到了70厘米，垂直位移达到了30厘米。另一个类似的案例是2023年土耳其地震序列，该地震在多个受影响地区引发了广泛的液化、侧向扩展和沉降[[13], [14], [15]]。最近，遥感观测发现2023年2月20日6.4级余震后安塔基亚地区再次发生了液化/侧向扩展，而这些地区在2月6日的主震中已经出现过液化现象[16]。这些观察表明，经历多次地震事件的土壤沉积物往往比仅受一次地震影响的土壤受到更严重的破坏。初次液化后，土壤的抗力并非静态不变；在地震后的固结过程中，随着孔隙水压力的消散和土壤颗粒的重新排列，土壤抗力会动态演变。然而，现有的液化评估方法主要依赖于地震后的现场调查，这些调查仅能捕捉到地震后某一时刻的土壤性质。因此，如果不考虑土壤性质的这种时间依赖性演变，基于灾后数据建立的模型可能会不准确地反映地震前的条件或土壤在未来地震中的易感性。

实验室元素试验和数值模拟系统地研究了液化历史如何改变土壤性质及其后续的抗力。循环三轴[17]、简单剪切[18]、直接剪切[19]和扭转剪切[20]等试验一致表明，相对密度和液化抗力在反复循环荷载作用下会发生变化。一个关键发现是这些变化强烈依赖于应变历史[21,22]：经历大剪切应变的土壤即使在固结后也可能表现出较低的抗液化能力，而受弱震动的土壤则可能在几乎没有密实化的情况下增强抗力。离散元模拟（DEM）提供了机制上的解释，揭示了这些宏观变化源于固结过程中颗粒尺度结构的重新排列[20,23,24]。我们之前的微观力学DEM结果表明，密实化和结构演变是相互竞争的，即使是在高密实状态下，如果接触网络较弱或存在各向异性，土壤也可能表现出较低的多次液化抗力[[25], [26], [27]]。因此，液化历史对抗液化能力的影响从根本上取决于液化后的微观结构状态，而不仅仅是密度。

关键挑战在于地震后土壤演变的深刻时间依赖性，由于样品扰动和边界效应，实验室测试难以完全捕捉这一过程。模型试验（离心机、振动台）揭示了一个关键模式：液化会立即显著改变土壤参数，随后是持续的灾后演变。例如，使用CPTu进行重复振动台试验表明，即使土壤发生了显著密实化，仍可能再次液化。这表明，固结性质的改变（如水力传导性、压缩性和固结系数）在修改再液化阈值方面起着关键作用[[28], [29], [30]]。一个关键发现是，虽然重复震动可以通过密实化增加抗液化能力，但实际的液化过程会破坏土壤结构，显著降低贯入阻力和强度——实际上重置了土壤状态[31,32]。这一点在现场数据中得到了明显体现：圆锥贯入试验（CPT）测量显示，液化后圆锥阻力立即下降了50%，而恢复则需要数月至数年的时间[33,34]。受控的现场试验（爆破、振动）进一步证实，强烈震动会导致圆锥阻力和剪切波速度（V_s）立即下降，随后是沉降和逐渐的密实化[35]。因此，形成了鲜明的对比：孔隙压力在几天内就会消散，而强度的恢复则需要更长的时间[36,37]。

地震后土壤演变的显著时间依赖性要求我们更好地理解这一过程，以便准确进行危险评估。当前的评估框架（例如，循环应力方法；标准贯入试验[38,39]、CPT[40], [41], [42], [43]、基于V_s的方法[44], [45], [46]）主要依赖于地震后数月至数年获得的数据。鉴于液化历史对土壤行为的深远影响，这种时间上的不匹配提出了一个关键问题：灾后测量能否可靠地反映地震前的液化抗力？为了解决这个问题，我们利用了基督城的地震地面运动记录和多时相CPT数据。使用Idriss-Boulanger CPT框架[1]，我们量化了关键参数（标准化圆锥阻力和土壤行为类型指数）的时间依赖性变化。此外，我们证明了基于地震后土壤参数的液化评估往往会大大低估有液化历史的地区的真实液化危险。

章节片段

数据收集和时空数据集概述

本研究使用了为新西兰坎特伯雷地区编制的液化案例数据库[47]，该数据库整合了2010年7.1级达菲尔德地震、2011年6.2级基督城地震和2016年5.7级情人节地震的案例历史。圆锥贯入试验（CPT）数据来自新西兰岩土数据库[48]，共包含约15,890个测量点。采用了严格的站点选择标准，所选站点必须具有可靠的表面液化特征。

特征站点的液化分析

本节分析了2010-2011年坎特伯雷地震序列不同阶段收集的相邻地点的CPT数据。通过追踪关键液化相关参数（标准化圆锥尖端阻力（q_c1Ncs）、安全系数（FOS）和土壤行为类型指数（I_c）的时间演变，我们识别出了液化后土壤性质变化的特征模式。图4a展示了伯伍德Liggins街一个代表性站点的液化评估结果。

结论

本研究建立了一个定量时空框架，用于描述2010-2011年坎特伯雷地震序列后可液化土壤性质的地震后演变。分析揭示了土壤抗力的系统时间依赖性恢复动态，恢复速率和程度明显受到土壤成分异质性和特定地质条件的制约。值得注意的是，标准化圆锥阻力（q_c1Ncs）

CRediT作者贡献声明

杨思远：撰写——初稿、方法论、正式分析、数据整理。黄德罗：撰写——初稿、项目管理、方法论、资金获取。王刚：撰写——审稿与编辑、验证、资金获取。

利益冲突声明

所有作者声明没有需要声明的利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFC3081500）、国家自然科学基金（项目编号：523B2092）以及香港研究资助委员会（项目编号：16215823、16221525）的资助。