采用离心试验对深层含细粒夹层的砂土中的地震液化现象及强度衰减过程进行建模研究

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Centrifuge modeling of seismic liquefaction and weakening in deep sandy soils with fine-grained interlayers

　　摘要
深厚的覆盖层沉积物通常包含低渗透性的细粒夹层，但它们在高原位应力下的液化作用和地震后软化机制仍然不够清楚。本研究进行了两次高重力离心机振动台试验，以研究含有和不含沙-粉夹层的深厚砂质沉积物的地震响应，这些沉积物的原型深度超过了80米。两种模型被设计为达到相似的应力条件，并接受了相似的地震能量输入。结果表明，细粒夹层的存在从根本上改变了多余孔隙水压力（EPWP）的时空演变及其相关的软化模式。与均质沉积物相比，分层配置在浅层表现出更早的非线性响应开始、循环变形的更强局部化以及显著加剧的刚度退化。从水力角度来看，夹层的低渗透性严重阻碍了向上排水，形成了局部的水头最大值和反向水力梯度。这种孔隙压力捕获效应导致深层区域的有效应力衰减延迟。根据EPWP比例的演变，两种沉积物都发展出了浅层液化区。更重要的是，夹层不仅仅增加了峰值孔隙压力，还产生了一个深层次的持续弱化区，其特征是孔隙压力衰减极其缓慢，并且随深度而变化。这些发现表明，深厚分层覆盖层中的场地响应受控于地层控制的水力-力学耦合，其中渗透率对比决定了孔隙压力的重新分布，而刚度对比则控制了变形的局部化。本研究为理解复杂地层中的深层和长期地震后软化提供了新的实验证据。

引言
含有细粒夹层的深厚覆盖层沉积物广泛分布于全球许多地震活跃地区，包括美国的加利福尼亚州、日本的关东平原、新西兰的坎特伯雷盆地、土耳其西北部的马尔马拉地区以及中国西部的河谷和平原。地质技术研究表明，典型的深厚覆盖层剖面由上部的松散至中等密度的砂层和下部的密集砂层或砂砾层组成，其间夹杂有薄层粉质粘土、粉砂或粉砂。覆盖层厚度通常从几十米到几百米不等，细粒夹层通常出现在10-40米的深度，单个夹层的厚度从几厘米到几米不等[1]；[[2]]，[3]]，[4]]，[5]]。近年来，在类似的复杂分层沉积物上建造了许多大型基础设施项目，包括高坝、隧道、跨河桥梁和铁路，这些地区的覆盖层厚度可能达到几百米[6,7]。在这种条件下，地震荷载很容易引发土壤液化、强度退化和地震后的差异变形，对建在这些沉积物上的基础设施的地震安全性构成重大挑战。
在这些深厚的覆盖层沉积物中，土壤受到高初始有效应力和明显的应力梯度的影响。在如此高的围压下，土壤的膨胀倾向可以被抑制，导致循环加载时的收缩行为增加，从而影响多余孔隙压力的产生和液化响应[8]。换句话说，深厚覆盖层沉积物的固有“高应力围压效应”在一定程度上增强了土壤沉积物的抗液化能力。然而，这也意味着一旦发生液化，后果可能更为严重：深层土壤的强度丧失可能导致大规模的地震后沉降和差异变形，对坝基、隧道和地下结构的安全构成重大风险[[9]]，[10]]，[11]]。此外，非液化性地壳或细粒层的存在会显著改变上方或嵌入式结构的侧向扩展行为和地震响应[12]。
总之，深厚覆盖层沉积物的地震响应与浅层沉积物有根本不同，这种环境下的液化机制和演变具有重要的工程意义。深厚的覆盖层沉积物通常包含在长期沉积过程中形成的粉质粘土、粉砂或粉砂的夹层。由于其低渗透性，这些细粒夹层在地震加载下可以作为排水屏障，阻碍多余孔隙水压力（EPWP）的消散，并在夹层上下引起局部软化[13]；[14]。在元素尺度上，对分层砂-粉系统进行的循环三轴试验表明，细粒夹层在控制孔隙压力积累、刚度退化和液化敏感性方面起着关键作用，这取决于它们的厚度和空间排列[15]。在物理模型尺度上，1g振动台和一维模型试验表明，薄层粉砂可以促进孔隙压力捕获和水膜形成，导致不均匀变形和局部失效[16]；[17]。
离心机模型试验提供了一种独特而有效的方法来再现地震加载下的土壤原型应力条件和应力-应变响应[[18]]，[19]]，[20]]，[21]]，并已被广泛用于研究与低渗透性夹层相关的强度损失和延迟孔隙压力消散[22]；[23]。人们还普遍认识到，改变排水条件在减轻这种延迟孔隙压力危害方面起着关键作用[24]。在更高围压条件下进行的更高级的离心机模型试验证实，类似的机制在更高围压下仍然有效。这些研究表明，低渗透性夹层和细粒含量可以显著影响孔隙压力的积累和消散，改变液化的发展，并影响加速度响应、沉降和应力-应变行为[25,26]。特别是，对砂-粘土混合物进行的离心机振动台试验表明，细粒含量决定了EPWP、刚度退化和液化后沉降的耦合演变，突显了粘土颗粒引起的渗透率降低和压缩性增加的关键作用[26]。
然而，大多数现有的关于夹层效应的离心机研究集中在相对较浅的沉积物上，原型深度通常为10-30米，而深厚覆盖层条件下分层砂质沉积物的行为仍不够清楚。特别是，关于低渗透性细粒夹层如何影响孔隙压力重新分布、液化发展和高初始有效应力下的地震后软化的系统实验证据仍然缺乏。为了解决这一差距，提出了先进的缩放方法，如广义缩放定律[27]和基于状态参数的缩放方法[28]，使得能够对原型深度接近80米的深厚砂质沉积物进行离心机建模[29,30]。
基于这些发展，本研究进行了两次高重力离心机振动台试验，以研究含有低渗透性细粒夹层的深厚覆盖层砂质沉积物，原型深度超过80米。如图1所示，夹层预计会从根本上改变地震加载时的排水路径和孔隙压力重新分布，导致排水受限、反向水力梯度和不均匀的液化及软化模式，这些现象无法通过均质或浅层模型捕捉。通过在高原位应力条件下明确引入细粒夹层，本研究旨在填补离心机研究分层深厚覆盖层沉积物的实验空白，并为其地震响应和液化机制提供新的物理见解。

部分摘要
缩放定律和模型试验配置
为了研究细粒夹层在高初始应力条件下对深厚砂质沉积物的液化行为和强度退化的影响，本研究设计了两种土壤配置（模型A和B）并进行了离心机振动台试验。这两种试验均按照基于状态参数的离心机缩放定律进行，其详细推导可以在Ma（2022）中找到。在整个试验过程中使用相同的初始状态。

加速度响应
采用了Arias强度（Ia）来定量评估输入地面运动的能量强度[34]。Arias强度的定义如下式（1）：
????=π2?g?∫t00??2?(??)d??
其中a(t)表示加速度的时间历史，t0是加速度的持续时间。
图7展示了在0.3g正弦激励（15周期）下，振动台底部记录的加速度和Arias强度时间历史。Arias强度的演变几乎相同。

滞后响应和模量退化
图11比较了模型A和B在不同深度的应力-应变滞后循环，这些滞后循环是根据离心机建模中常用的程序从测量的循环剪切应力和剪切应变历史重建的[35]；[36]。剪切应变是通过基线校正和过滤后对加速度记录进行双重积分得到的相邻深度之间的相对水平位移得出的。剪切应力则根据相应的...

讨论
图16的结果表明，模型A和B之间的主要区别在于控制孔隙压力重新分布的地层控制的水力-力学机制。根据孔隙压力传感器位置测量的最大EPWP比率????,max，两种模型在震动过程中都形成了浅层液化区。如图16所示，模型B的浅层液化区比模型A略薄。然而，模型B的差异更为明显...

结论
本研究通过两次高重力离心机振动台试验，比较了含有和不含细粒夹层的深厚砂质沉积物的地震响应和地震后软化行为。利用基于状态参数的缩放定律，原型深度达到了83米。基于宏观响应、孔隙压力演变和滞后退化，得出以下主要结论：
(1) 动态响应的空间重组：细粒...

作者贡献声明
吴毅：撰写——原始草案，研究，数据管理。赵宇：撰写——审阅与编辑，资金获取，概念化。向宇帆：研究，数据管理。杨晓天：研究，数据管理。马强：方法论，资金获取，数据管理。陈云敏：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益关系或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（编号52408400）的支持。作者感谢浙江大学的曹园、严子庄、洪帅和邱冰静在离心机模型试验中的大力帮助。

吴毅 | 赵宇 | 向宇帆 | 杨晓天 | 马强 | 陈云敏
浙江大学软土与地质环境工程国家重点实验室，杭州，310058，中国