《Journal of Marine Science and Engineering》：The Seismic Response of Ultra-Deep Strata with a Weak Interlayer and Targeted Reinforcement Using VRJPs: A Large-Scale Shaking Table Study
编辑推荐：
沿海及填海区域常见深饱和分层地基，其中弱夹层会显著影响地震响应与沉降。为研究超深地层地震行为及靶向加固有效性，研究人员开展了几何相似比1:200、代表原型640 m厚地层的大型振动台试验。浅层土体被加密，深部粉质黏土弱夹层采用垂直旋喷桩（VRJP）选择性加固。
沿海及填海区域常见深饱和分层地基，其中弱夹层会显著影响地震响应与沉降。为研究超深地层地震行为及靶向加固有效性，研究人员开展了几何相似比1:200、代表原型640 m厚地层的大型振动台试验。浅层土体被加密，深部粉质黏土弱夹层采用垂直旋喷桩（VRJP）选择性加固。在0.1 g、0.2 g和0.4 g输入下评估水平与竖向加速度、傅里叶谱、超孔隙水压力比（EPWPR，excess pore water pressure ratio）和残余沉降。0.4 g下水平加速度在中下部地层普遍衰减，而竖向加速度在上部显著放大，未处理区达0.87 g。VRJP加固降低了弱夹层附近孔压累积，并将残余沉降由1.12–1.20 mm降至0.94–1.02 mm；但部分上覆地层加速度与孔压响应被重分布。结果支持“浅层液化治理+深部变形控制”的分级策略，适用于海岸与海洋地基。
研究背景方面，港口、海岸堤坝、人工岛、填海地、近海风电及近岸交通基础设施常建于深沉积地基上。此类饱和分层地基具有高地下水位、厚度大、地层非均质性强及砂—粉—黏互层特征，水力吹填还会形成低密度松砂。强震下超孔隙水压力迅速累积，有效应力下降，动力刚度与抗剪强度降低，可引发液化、震陷、侧向变形与工程破坏。既有研究多关注浅层液化触发，对含深部弱夹层的超深地层在波传播、孔压演化与永久变形方面的耦合响应证据不足；全深度处理成本高、不现实，浅层加密又无法直接控制深部弱夹层变形，因此亟需研究浅层液化治理与深部弱夹层靶向加固协同机制。
该论文发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。研究人员以原型约640 m、模型高3.2 m的超大尺寸层状剪切箱振动台试验为平台，在同一模型箱内设置未处理区与VRJP加固区，输入Anza波并在0.1 g、0.2 g、0.4 g下对比水平/竖向加速度、傅里叶谱、EPWPR与沉降，从而揭示超深分层地基动力响应规律与靶向加固效果。
主要关键技术方法上，研究人员采用1 g振动台重力相似律，几何相似比1:200，密度与加速度相似比为1，应力、剪切模量、弹性模量相似比200，位移相似比200，时间与时速度相似比14.14，频率相似比0.071。模型总高3.2 m，由砾砂、细砂、粉质黏土、粗砂等分层填筑，浅层相对密度加密至85%以上；用防水隔板将模型箱分为未处理弱夹层区与VRJP加固区。VRJP以等效群桩体系模拟，水泥土90 d密度1.89 g/cm3、弹性模量453 MPa、单轴抗压强度4.41 MPa；从底部渗流饱和并固结3 d后试验。输入波选用历史Anza波，竖向输入取水平分量三分之二，用加速度计、孔压计与位移计沿高布设，但未处理与加固两区同箱同步受振以消除输入差异。
研究结果如下。
3.1 未处理弱夹层。3.1.1 加速度响应：水平加速度由基底A1约0.39 g降至中下部A4约0.19 g后再回弹至A7约0.35 g，傅里叶幅值也呈先减后增，说明水平波传播受阻尼、非线性和层间阻抗反差共同控制；竖向加速度由a1的0.25 g升至a6的0.87 g，局部放大系数约3.48，竖向对上部刚度反差更敏感。3.1.2 超孔隙水压力：P1–P4峰值EPWPR约0.16、0.31、0.37、0.49，随高程增大，虽未达1但上部有效应力明显削弱，表明浅层加密未完全抑制强震孔压。3.1.3 沉降：地表及0.1 m、0.3 m处残陷约1.12、1.20、1.17 mm，各点接近同步下沉，说明弱夹层塑性累积可能是总震陷重要来源。
3.2 VRJP处理弱夹层。3.2.1 加速度响应：水平向A11降至0.15 g，加固层附近被约束，但上覆A12–A14回弹至0.24–0.35 g；竖向a11突增至0.71 g、浅部维持0.75–0.84 g，说明局部刚度提升改变动力阻抗，使地震能量向上重分布。3.2.2 超孔隙水压力：P5、P6位于或邻加固层，EPWPR仅0.08、0.06，弱夹层变形受抑；但P8距地表约0.05 m处EPWPR达1.14，出现瞬态液化，显示加固效益具强深度依赖性。3.2.3 沉降：地表、0.1 m、0.3 m残陷为0.99、1.02、0.94 mm，较未处理降约11.6%、15.0%、19.7%，平均降约15.5%，证明靶向加固可降低累积变形。
讨论部分指出，水平加速度中下部衰减、浅部部分恢复来自阻尼、土体非线性与阻抗反差；竖向放大更强则因压缩刚度与层间阻抗敏感。VRJP不是全域降加速度，而是改阻抗、重分布能量，故评价应同时看弱层变形、EPWPR与沉降。孔压方面，浅密实延缓浅层液化，VRJP削减弱层孔压却可能把变形需求转向上覆土，需在加固边界设刚度过渡并复评上覆液化与放大风险。沉降方面，弱夹层循环退化贡献整体震陷；VRJP提高局部刚度约束循环应变，0.1 g、0.2 g、0.4 g平均降陷约54%、31%、16%，强震时未处理上覆土非线性压密限制其效率。分级策略中，浅层加密治液化、深部VRJP控变形，但突增刚度会造新薄弱带，应优化桩长、径、距、置换率与过渡刚度。对海岸人工岛等厚层饱和地基，先识弱层再靶向加固比全深处理更经济，但须做全深动力评估。
结论部分翻译如下。（1）超大层状模型有效捕捉3.2 m高分层地基波传播；0.4 g下水平加速度中下部衰减、浅部恢复，竖向由基底0.25 g增至0.87 g，竖向对层间刚度反差尤敏感。（2）未处理区EPWPR随高程与输入增强，0.4 g下P1–P4约0.16–0.49；VRJP显著削弱弱层附近孔压，但上覆0.05 m处EPWPR达1.14，说明局部加固会重分布循环应变、地震能与孔压，设计须顾上覆土与刚度过渡。（3）VRJP稳定降低残陷：0.4 g下由1.12、1.20、1.17 mm降至0.99、1.02、0.94 mm，平均降约15.5%；0.1 g、0.2 g平均降约54%、31%，相对效率随震强减弱。（4）浅层加密加深部VRJP靶向加固可有效降残陷、抑局部孔压，支撑“浅层液化治理+深部变形控制”分级体系；对港口、海堤、填海区等含局部弱夹层厚饱和地基可减少全深处理需求，但须以合适刚度过渡与全深动力评估避免新响应集中。
