中国岩土地震工程与土动力学研究进展与实践
2021-07-24王兰民
王兰民
引言
岩土地震工程与土动力学是地震灾害预防和建设工程抗震设防的重要支撑学科领域。其中,岩土地震工程学是研究与岩土工程有关的地震工程问题的学科,也是岩土工程与地震工程、土动力学交叉而形成的一个新兴学科,主要研究内容包括在地震作用下土体的变形与强度特性,场地、地基和土工结构物的变形与稳定性问题。而土动力学是研究动力荷载作用下土的动力特性、场地动力响应和场地液化、震陷、滑坡等问题的学科。它是土动力学与振动工程、地震学、工程地震学等交叉而形成的学科。岩土地震工程与土动力学在研究内容上各有侧重,也有交叉融合,在发展过程中相互支撑促进。因此,本文将两者融合在一起综述介绍。
土动力学的发展早于岩土地震工程,在20世纪30年代,随着机器制造业和交通运输业的蓬勃发展,人们对地基、路基在动力机器、运输车辆等振动作用下土的动力特性开展了研究,形成了土动力学的第一发展阶段;第二次世界大战之后,随着原子能工业的发展和冷战带来的军备竞赛,促使人们对核爆、爆炸作用下土动力学问题的研究,成为土动力学第二发展阶段;20世纪60年代以来,频繁的地震活动所引起的断层错动、地表破裂、滑坡、地基震陷、砂土液化等严重灾害,造成上部结构的倒塌、断裂、裂缝、被埋、滑动、沉陷等,因此,人们又重点开展了地震作用下土动力学的研究,土动力学进入了第三发展阶段。岩土地震工程这门学科形成较晚,在20世纪60年代逐渐形成一个完整的体系。在土动力学发展的第三阶段,岩土地震工程才开始得到了全面的发展,在土动力学理论的基础上,从岩土工程抗震的角度出发,研究地基基础、路基、边坡、大坝、河堤、近海工程等地震稳定性评价和抗震设计的理论与技术。
我国学者利用现代科学知识与方法研究分析岩土地震工程和土动力学问题,最早始于翁文灏、谢家荣等六人于1921年对1920年海原8.5级地震震害的现场调查。他们通过对灾区的现场考察,调查了地震宏观现象,分析了地震成因和活动规律,考察了灾情,绘制了地震烈度分布图,其中,对地震引发大规模黄土地震滑坡的特征与分布所进行的调查成为确定地震烈度分布的重要依据之一。20世纪50年代,我国土动力学研究获得了较大发展,钱家欢、姜朴、张有龄等专家学者对振动作用下土的动力特性与动力机器基础的研究与实践,满足了“一五”和“二五”期间大中型工业建设项目的需求。同时,张有龄先生借鉴国外经验,编著的《动力基础的设计原理》(1959),形成了我国以“质—阻—弹簧模式”为基础的动力机器设计规范。50年代末,在黄文熙的倡议下,汪闻韶主持研制了国内第一台振动三轴仪(惯性力振动三轴仪),并首先应用于大赉水库、西克尔水库、岳城水库、映秀湾电站、昌马水库、神头电厂等土坝和地基砂土地震液化试验研究。20世纪50—60年代,我国大兴水利和水电建设,开始研究砂土地震液化问题。黄文熙、汪闻韶等先驱采用过临界孔隙比、圆筒振动液化试验和现场爆炸液化试验等方法,判别其液化度,提出工程处理的技术措施。20世纪60年代(或改为“同时期”),出于国防和工业建设与生产需求,我国也开始了核爆和爆炸等冲击荷载作用下的土体变形、破坏效应、土工防护技术、矿山爆破地震动效应与安全药量设计等问题的研究,为国防建设和经济发展提供了重要的科技支撑。70年代后,我国针对地震荷载作用开展了全面的土动力学和岩土地震工程研究,形成了较为完善的岩土工程抗震设计标准体系,相关重大工程经受了强震的考验,取得了显著的防震减灾实效。
自1971年中国地震局(原名国家地震局,1998年更为现名,本文统称为中国地震局)成立以来,我国在岩土地震工程与土动力学领域取得了全面、系统、长足的发展,为保障我国人民生命财产安全和经济社会发展发挥了重大的作用。本文将重点介绍近50年来,我国在岩土地震灾害机理与预测预防、土的动力特性、场地地震反应计算与场地效应、城市地震小区划、重大工程地震安全性评价、特殊土地震工程与动力学、岩土工程抗震设计等方面的主要研究进展与工程实践。针对国家防震减灾需求,展望岩土地震工程和土动力学的发展方向。
砂土液化特性、评价与加固方法
砂土液化是岩土地震工程与土动力学最主要的研究领域之一,自上世纪70年代以来,我国从国家重大工程建设需求出发,对砂土液化机理、特性、评价方法和抗液化地基、坝体加固方法开展了长期全面的研究,并进行了大量的工程实践,形成了我国的相关工程技术规范和标准,有效地降低了液化灾害风险。
(一)震害调查总结与满足国家建设急需阶段
20世纪60—70年代,我国发生了多次大震,包括众所周知的1966年邢台7.2级地震、1970年通海7.7级地震、1975年海城7.3级地震和1976年唐山7.8级地震,中国地震局和中国建筑科学研究院先后组织了一系列科学考察和研究,在岩土地震灾害、场地条件对震害和地震动的影响方面积累了丰富翔实的宝贵资料,取得了重要的科学认识。主要结论包括(胡聿贤,1988;陶夏新,2000):(1)基岩场地的地震动幅值小、持时短、震害轻;(2)地基土层对地震动的谱形状有明显影响,软且厚的土层地基上地震动周期较小;(3)非发震断层对震害无明显影响;(4)局部地形对震害的影响显著;(5)砂土液化与震害有明显关系;(6)地基失效引起的震害与地震惯性力引起的破坏需区别对待,前者可通过场地选择或地基处理进行预防,后者需加强上部结构,提高强度,减少变形进行抗御。其中对唐山大地震的震害考察和研究(方鸿琪,1981;王钟琦,1983),涉及到地震断裂、地震砂土液化、地面运动、震害分析等方面,结合唐山市震后重建,深入分析了各种震害效应的形成机制和分布规律,提出了各种场地条件下的工程抗震原则和地基处理措施。王钟琦、谢君斐、石兆吉等出版的《地震工程地质导论》(1983)是上述震害考察研究的重要理论成果。这些成果对我国抗震设计规范中关于场地评价和设计地震动的规定产生了重要影响。
1964年发生的美国阿拉斯加8.4级地震和日本新潟7.5级地震均引起大面积砂土液化、地震滑移,导致建筑物、道路、桥梁等工程设施严重破坏,加之我国20世纪60—70年代大震也引发了大量砂土液化震害(图1)。这些震害实例促使我国重视了对砂土液化的全面研究。
图1 地震引起砂土液化造成建筑物倾倒、桥梁破坏
1972年起,汪闻韶结合山西神头电厂地基饱和土层地震作用下稳定性研究,从安全角度考虑,于1984年首次提出了“初始极限平衡”的试样破坏标准、“地震总应力抗剪强度”概念和考虑上层建筑物荷载影响的“地震总应力抗剪强度”地基地震稳定性分析方法,发表在《在某电厂地基饱和砂性土地震稳定性试验中提出的原理和方法》一文中。这些概念和方法被应用于我国许多土石坝的抗震计算中,并被列入国家标准《地基动力特性测试规范》(GB/T50269—97)。土的液化机理及其与极限平衡和破坏间的关系,曾是长期困扰土工抗震界的问题。对此,汪闻韶于1980年和1981年分别发表《往返荷载下饱和砂土的强度、液化和破坏问题》和《土的液化机理》论文进行阐述,后又在其专著《土的动力强度和液化特性》中进行系统论述,澄清土体液化与极限平衡和破坏的区别,指出三者各有不同的判别准则,不能混为一谈,并提出了防止土体液化破坏的原则和方法。1982年,汪闻韶首先提出利用剪切波速判别地基饱和砂层地震液化可能性的初判方法,并应用在山东龙口电厂地基的液化可能性评价中,其成果于1984年发表在《关于饱和砂土液化机理和判别方法的某些探讨》论文中。经过多年应用,该方法被国家标准《水利水电工程地质勘察规范》(GB50287—1999)采用,对于减少勘测和试验工作量、节省投资,有重大的工程意义。
(二)引进借鉴,研究制定标准阶段
20世纪80年代,刘颖、谢君斐等对饱和砂土液化的机理、影响因素、水平地面下砂土液化可能性估计方法、砂土液化对土坝地震稳定性的影响、砂土液化的预防措施、地震剪应力计算程序等方面开展了系统研究,并于1984年编著出版了《砂土震动液化》专著,为砂土液化可能性与影响评估、砂土液化工程预防提供了系统解决方案。石兆吉、郁寿松、王余庆等(1980—1984)根据海城地震、唐山地震液化现场调查结果,通过室内振动三轴试验证实了轻亚粘土液化的可能性,提出了基于标准贯入试验击数的饱和轻亚粘土液化判别公式。石兆吉、王承春等(1984)还提出了基于剪切波速的粉土液化判别公式。这些液化判别方法为相关工程抗震设计规范的制定与修订提供了重要的科学依据。同时,也为重大工程场地液化判别提供了多种科学方法。
1982年,沈珠江提出了砂土动力液化变形的二维有效应力分析方法,用于分析堤坝、岸坡、挡土墙等工程的液化变形计算分析。1987年,谢定义、巫志辉等研究了不规则动荷脉冲波对砂土液化特性的影响,发现不规则动荷脉冲波下饱和砂土的液化特性与等幅谐波下有显著不同,不规则动荷脉冲波中不同波幅作用的顺序对土应变和孔压的发展都显示出复杂的影响,而振动型和冲击型两种基本波型的划分可较好反映波序主要特征的作用,检验表明,Seed简化法适用于冲击型不规则动荷载下的液化判别;Ishihara判别法适用于振动型不规则动荷载下的液化判别。从而使砂土液化判别更加精细化。
20世纪90年代,谢定义、张建民等(1994)研究了饱和砂土动力特性的瞬态变化机理。从瞬态动力学角度研究了饱和砂土的动变形—强度规律及其变化的瞬态机理,并以有效应力变化所确定的土性物态变化为主线,建立了瞬态孔压的物理模型与动应力应变的瞬态模量场模型,分析了动强度与液化特性,提出了一系列新的见解。1996年,汪闻韶出版《土的动力强度和液化特性》专著,对砂土液化和土的动力特性研究成果进行了系统总结,特别澄清了土体液化与极限平衡和破坏的区别。沈珠江(1998)研究了复杂荷载下砂土液化变形的结构性模型,对砂土变形的微观机理进行考察,解释了流动、硬化和剪胀的物理机制,在此基础上提出了一个与传统弹塑性模型不同的本构模型。同时,液化地基处理与检测研究方面取得了许多重要进展。吴世明、陈云敏、黄茂松、陈龙珠、周健等(1992—1994)结合工程实例,研究了振动挤密砂桩、振冲碎石桩对饱和粉土、饱和粉砂地基地震液化的加固效果,提出了相关分析方法和剪切波速检测方法,取得了对实际工程具有较大应用价值的研究成果。门福禄、崔杰、景立平、陈文化等(1998)提出了砂土液化的概率和模糊概率判别法,该方法可计算考虑剪切波速随机性和液化及液化等级模糊性的场地液化和液化危害性的发生概率。并开展了有建筑物存在的饱和砂土地基液化振动台模拟试验研究,提出了建筑物饱和砂地基液化判别的简化分析方法。王兰民、张振中、王峻、李兰等(1997)通过现场调查和室内动三轴试验,提出了饱和黄土液化的机理和基于动三轴试验的预测方法。
(三)研发创新,创建理论与改进标准阶段
进入21世纪以来,砂土液化研究取得了大量的创新进展,主要体现在液化土体大变形、大型模型试验、砾砂液化、黄土液化、海底土液化、珊瑚砂液化、液化风险评估方法等方面。
罗战友、龚晓南等(2002)分析了砂土液化的主要影响因素,建立了砂土液化的灰色关联系统分析模型,运用所建立的模型对具体的砂土液化类型进行了判定,评价结果与实际相符合。张建民、王刚等(2006)研究了砂土液化后大变形的机理,基于试验观察和机理分析,揭示了不排水往返加载条件下饱和砂土初始液化后的剪切大应变和三个体积应变分量(有效球应力变化引起的体变、可逆性剪切体变和不可逆性剪切体变)之间的内在联系,阐明了三个体积应变分量的组合变化规律控制了饱和砂土液化后大变形的产生和发展,界定了液化后循环剪切大变形过程中交替出现的三种物态(摩擦接触状态、临界接触状态和悬浮状态)及其产生条件,解释了液化后流滑和再固结体变形成的机理,给出了一个物理概念明确并具有普遍性的建立液化后大变形弹塑性本构模型的合理途径。陈育民、刘汉龙等(2009)试验研究了砂土液化及液化后流动特性,试验结果表明,液化及液化后状态下砂土的表观动力黏度随着应变率的增大而减小,液化砂土呈现出剪切稀化的非牛顿流体特性,随着液化后超孔压比的降低,表观动力黏度也逐渐增大,通常随着应变率的增大,表观动力黏度—超孔压比曲线逐渐变缓。
袁晓铭、孙锐、曹振中、陈龙伟等(2010—2011)通过对2008年汶川地震现场调查、原位测试和室内试验,发现了砂砾土液化现象和超过特征深度的液化土层,研究了其液化分布与特征,提出了分别基于超重型动力触探试验(动探试验)和剪切波速的砂砾土液化判别方法,并建立了相应的计算模型和公式。孙锐、袁晓铭等(2003)研究了砂土液化对设计反应谱和场地分类的影响,结果表明,从特征周期的变化来看,液化土层使Ⅱ类场地易变为Ⅳ类场地,且液化土层对0.8s以下的高频分量有一定减震效果,对该值以上的低频分量有显著的放大效应。
王兰民、王峻、刘红枚、李兰、何开明、王谦、杨正茂、王平、蒲小武等(2000—2020),通过现场爆破地震动液化试验、室内振动三轴试验、动扭剪三轴试验、微结构电镜扫描分析和水电化学分析试验,揭示黄土液化和黄土地层地震液化滑移机理,建立了饱和黄土孔压、变形、强度和本构模型,提出了黄土液化判别方法和地层液化滑移风险评估方法,提出了黄土地基抗液化处理措施和桩基设计方法。刘志钦、许国辉等(2015)提出了海底粉质土波致液化的判别程序与计算方法,佘稳(2020)研究并提出了海洋工程勘察中基于CPT试验或综合多方法评价海底浅层砂土液化势的方法。马维嘉、陈国兴等(2019)对循环荷载下饱和南沙珊瑚砂的液化特性进行了试验研究,表明珊瑚砂的超静孔压的发展模式与石英砂有较大区别,可用修正后的Seed模型进行表征,珊瑚砂的轴向应变随着循环振次增加而逐渐变大,不会发生急剧增大的现象,其动强度大于石英砂的动强度。
这一时期的砂土液化研究成果在我国基础设施、重大工程和国防建设中得到了很好的应用,同时也为“一带一路”工程建设提供了科技支撑。
地震滑坡致灾机理、演化机制和风险评估
地震滑坡是我国西部强震区易发的岩土地震灾害,也称为“地震地质灾害”或“次生地震灾害”。一次强震会引发数以千计的滑坡,滑坡灾害会造成地震总损失的一半和人员死亡总数的三分之一左右。例如,1920年海原8.5级地震在2万平方千米的极震区就引发了8000多个黄土滑坡,造成8万~10万人死亡,占死亡总人数的30%以上[图2(a)]。2008年汶川8.0级地震引发了5万余个滑坡[图2(b)],造成2万人遇难,占死亡总人数的25%。因此,地震滑坡也是岩土地震工程与土动力学研究的主要岩土灾害之一。我国对地震滑坡的全面系统研究主要在20世纪80年代以后,其主要进展按四个方面介绍如下。
图2 地震引起的大规模滑坡灾害
(一)发震断层地震滑坡效应及成灾模式
不同性质发震断层地震滑坡效应的研究主要从统计学角度分析地震滑坡发育特征与发震断层、地震学参数之间的关系和地震滑坡运动学特征,并依据成因、启动机理以及破坏特征等,归纳地震滑坡成灾模式。
1.地震滑坡与发震断层的关系
通过对历史强震诱发滑坡的统计分析发现,地震滑坡的空间发布受发震断层性质、错断方式的控制。邹谨敞等(1994)根据航片解译和野外调查,发现古浪8级大震的地震滑坡和崩塌明显受断裂构造的控制。康来迅等(1995)根据地震滑坡沿昌马断裂带走向和倾向的展布特征,论证了地震滑坡规模、数量的分布特征与断裂活动强度的分布变化有密切的关系。许冲等(2014)对鲁甸地震震中周围不同方位的滑坡数量与面积进行了统计,探索了地震滑坡与震源、破裂过程的关系。黄润秋等(2008)、袁仁茂(2010)通过研究不同地震诱发滑坡规律,得到地震滑坡空间分布的主要方向与发震断层方向大体一致,沿断裂带成群成带分布。许强等(2010)总结汶川地震诱发地震的空间分布与发震断层的关系,呈现出距离效应、锁固段效应、上下盘效应和方向效应。陈晓利(2011)研究表明大多数的滑坡崩塌存在于断裂带上盘,且崩滑的高密度区出现在断裂带的两端和中部地区。
2.地震滑坡与地震学参数的关系
我国的研究主要关注震级、地震烈度、地震动参数、震源深度、震中距等参数对滑坡效应的影响。李天池(1979)分析了地震与滑坡的关系,给出了地震滑坡分布面积与震级的统计公式。乔建平(1992)分析了川滇地区地震滑坡的空间分布格局与环境条件的关系,建立了地震滑坡最大震中距与震级(不区分和区分滑坡规模)的经验公式。周本刚(1994)给出了触发地震滑坡的临界烈度,孙崇绍(1997)则统计了触发地震滑坡的临界震级。辛鸿博(1999)研究了我国岩土边坡地震崩滑的特征,以及边坡地震崩滑与地震动参数的关系。根据Newmark方法,王秀英(2009)提出一种在已知强震记录和滑坡数据的情况下,推导斜坡失稳临界加速度的方法。殷志强(2013)研究表明地震地质灾害的空间展布特征主要受控于发震断裂的活动性质、地震动峰值加速度(PGA)、震区地形坡度和高差、距断裂带和水系的距离等4个方面,与地震烈度等级大小无必然联系;Tang等(2015)探讨了地震滑坡分布数量与地震动参数的关系。田颖颖等(2015)研究了2014年鲁甸6.5级地震震前与同震滑坡的空间分布规律;陈成等(2017)对比了不同震级差异和地质地形下地震滑坡的分布规律。戴岚欣等(2017)对九寨沟地震诱发滑坡空间分布规律和控制因素[距断层距离、地面峰值加速度(PGA)、高程、坡度和坡向等]进行了分析。
3.地震滑坡运动学特征
对地震滑坡运动学特征的评价指标研究,主要包括滑坡的滑动距离、滑动速度和运动特征值。谷天峰等(2006)基于能量守恒定律并运用变分原理,推导出了均质土体滑动的轨迹方程、滑速方程和滑距方程。方玉树(2007)运用统计分析方法,计算出滑坡运动特征值与总能量的对数呈线性关系。李秀珍等(2010)认为滑坡体积和地形地貌是影响滑坡滑动距离的两个重要因素,并对46个典型地震滑坡滑动距离与滑坡体积以及原始斜坡坡角的相关关系进行了统计分析,表明汶川地震滑坡的水平滑动距离、垂直滑动距离与滑坡体积的对数值具有良好的指数函数增长关系;Yang等(2013)通过对汶川地震67个地震滑坡的调查分析,认为地表峰值加速度(PGA)、滑体体积、坡高、坡角是影响滑坡水平运动距离的4个重要因素;樊晓一等(2014)以汶川地震典型滑坡为基础,研究了斜坡地形等因素、体积及地形参数变化率与地震滑坡运动距离的关系;李天话(2018)通过对汶川地震诱发的181个中小型滑坡运动距离进行极差分析研究,讨论了场地地形条件、坡体结构及滑体岩性对滑坡运动距离的影响及作用机制。
(二)地震滑坡动态演化机制及长期效应
自20世纪80年代以来,滑坡研究发展到应用物理和数值模拟手段,定量或半定量地再现滑坡变形破坏过程,由“静态”发展到“演化”,并发展到“非线性系统演化”。对于滑坡演化的研究主要集中在滑坡演化机制与模式、动力致灾机制等方面。
1.非动力作用滑坡触发机制
邓清禄等(2000)、滑帅(2015)等对三峡库区黄土坡滑坡多期次成因机理及演化规律进行了研究,将黄土坡滑坡多期次滑动的成因机理概括为多阶段变形失稳的斜坡演化模式。周跃峰(2014)、曹从伍(2016)、李滨(2012)等研究了甘肃黑方台黄土滑坡演化机理,分析了边坡变形、滑动面形态及坡面裂缝的形成和发展过程,发现该黄土滑坡在破坏过程中具有明显的突发性和破坏性,提出该滑坡经历了局部蠕动挤压、滑坡加速剧滑失稳、滑坡调整稳定、后缘新滑坡孕育变形和滑后稳定调整的过程,并通过应力路径试验模拟了滑坡启动和局部破坏向整体滑移的发展过程。通过对黄土滑坡发育特征与演化模式的研究,许领(2010)、孔纪名(2014)等发现该类滑坡具有演化性与群体性分布特征,其演化全过程可分为蠕动变形、整体滑动(加速剧滑)和滑后调整等阶段。
2.地震诱发土质滑坡演化机制
相关研究主要在滑坡特征、分类、滑坡致灾机理、运动模式、滑距预测等方面取得了创新进展。何子露等(2019)采用Iverson基于极限状态土力学原理构建的饱和堆积体剪胀模型,并整合到Savage-Hutter滑坡运动演进物理模型中,采用有限体积法求解滑坡运动学方程,实现了饱和松散堆积体运动演进全程模拟。王兰民(1997—2000)、王家鼎(1999—2001)、王念秦(2005)等对黄土液化诱发滑坡变形失稳开展了深入研究,通过对动力作用下黄土应力—应变模型、孔压增长模型及黄土液化标准、强震作用下低角度黄土斜坡滑移的复合机理、地震诱发高速黄土滑坡机理和黄土蠕动液化机理等的研究,运用饱和蠕动液化机理解释了灌溉诱发高速黄土滑坡的运动机理,总结了地震作用下黄土滑坡的运动过程,为地震作用下黄土滑坡的演化机理研究提供了依据。李同录(2007)、许冲(2013)等对黄土地震滑坡的滑距、地貌特征和地震滑坡危险性进行了探讨,为研究强震作用下黄土滑坡演化机理提供了值得借鉴的方法。吴志坚等(2015)基于振动台模型试验,研究了黄土斜坡在地震作用下的变形发生和失稳破坏过程及其加速度和应力响应特征,并对强震作用下典型黄土斜坡强震失稳机制进行了探讨。
3.地震和水耦合及交互作用
张倩(2017)通过土柱试验研究黄土非饱和渗流特征,指出地表活动带以下饱和带以上,虽然含水率不变,但存在稳定非饱和渗流,这是黄土地区补给地下水的唯一方式。林高潮(2017)通过设置一维黄土土柱长时间渗流模拟试验,发现在干燥黄土中水分以饱和湿润锋的形式逐渐向下推移,而在湿润土体中水分以非饱和渗流的形式在黄土中迁移。
另外,随着深度的增加,土颗粒更加致密,同时土体孔隙逐渐减小且变得更加复杂,因而黄土渗透能力逐渐降低。当水面遇到低渗透的古土壤层形成弱化区,经过长期积累最终诱发黄土滑坡。LZWu(2017)使用激光扫描仪观察黄土滑坡变形特征和破坏发展,监测含水量、孔隙水压力和坡度变形,以量化降雨入渗与黄土边坡稳定性之间的关系,发现降雨入渗增加了孔隙水压力,产生重力驱动的滑坡,滑坡起始于坡脚逐渐向坡顶发展,形成多滑移位,最终导致整体滑坡。王伟峰等(2012)采用物理模拟试验,探讨了降雨和地震诱发斜坡失稳破坏的主要模式和过程;吴谦等(2014)利用三维颗粒流软件PFC3D对黄土陡坡降雨冲刷过程进行了流—固耦合模拟,并与试验结果进行了对比分析;汤明高等(2016)采用不同降雨入渗形式和潜在滑动面倾角的滑坡模型试验,分析了强震后松散堆积体的降雨入渗过程及变形启动机理;王兰民等(2017)开展了地震和降雨耦合作用下黄土边坡振动台模型试验;谢吉尊等(2016)分析了西昌7.5级地震灾区鹅掌河流域地震和降雨耦合灾害分布与长期活动性;冯文凯等(2016)分析了顺层震裂斜坡降雨触发灾变机制及稳定性分析。
4.滑坡演化机制数值模拟
滑坡数值模拟可再现斜坡的变形演化发展及失稳运动的全过程。我国主要采用有限元单元法、有限差分法、离散单元法、边界元法和DDA法等对滑坡演化过程与机制进行模拟。
黄润秋等(1993)在国内最早采用基于黏—弹—塑性模型的有限元方法与基于块体运动理论的大变形离散单元法耦合,实现了四川华蓥山溪口岩质高边坡滑坡变形破坏的全过程数值模拟。朱守彪(2012)采用不连续变形体动力过程的有限元法对滑坡的运动特征及动力学过程进行了模拟,给出了滑体运动的全部过程及运动特征等。唐晓松、郑颖人等(2013)依据分类对不同的边坡,采用有限元强度折减法定量分析了不同强度折减系数下边坡的变形与滑面的塑性应变发展状况。胡嫚等(2016)采用了基于岩土体弹塑性本构模型的光滑粒子流体动力学(SPH)方法,完成了能够自动生成计算模拟所需的滑坡粒子数据的C程序,方便了模拟滑坡演化的进行。
近年来,离散元法被越来越多地应用到岩土体滑坡的演化过程分析中,并取得了较多研究成果。崔芳鹏、胡瑞林等(2016)利用离散元方法数值模拟了纵横波时差耦合作用下的唐家山滑坡过程。LiWei-Chao等(2012)研究了岩质及土质高速滑坡的运动与堆积过程,并与实际滑后状态进行了对比,说明了颗粒离散元方法开展滑坡运动过程模拟的可靠性。周健等(2008)运用PFC对砂性土坡和黏性土坡分别进行了颗粒流数值模拟。张龙等(2012)则以重庆武隆鸡尾山高速远程滑坡为研究对象,利用PFC3D对其运动过程进行了模拟。王盛年等(2014,2017)采用颗粒离散元方法对滑坡堆积体的变形破坏、失稳运动过程及滑坡冲击灾害进行了分析与预测。在地震作用下滑坡动力响应及失稳机制方面,许多学者通过运用颗粒流模拟程序(PFC)模拟了滑坡的演化过程,如ChangK(2009)和JianmingHe(2010)等模拟了台湾九份二山滑坡力学过程及堆积行为,以及崩塌堆积体边坡在不同的坡体参数下受到汶川水平剪切波时的动力反应;YuanRM等(2014)模拟了汶川地震诱发的东河口滑坡,并得出侵蚀的下垫层能够增大滑体的最大运移距离;杨冰等(2011)利用PFC2D软件建立典型边坡模型,反演了边坡在地震作用下破坏过程和远程的滑坡体运移堆积形态,并利用PFC3D建立了三维边坡模型,研究了滑坡塌落体堆积形态及其运动轨迹;梁敬轩等(2017)通过输入水平向汶川地震波,对不同坡度及不同细观参数的土质边坡进行动力作用下变形破坏的全过程模拟。
(三)滑坡风险评估研究
滑坡风险评估一直是国际上倡导和推广的减灾防灾有效途径之一,需对滑坡的自然属性和社会属性进行综合分析。自然属性体现了灾害发生、发展内在的随机性和不确定性,社会属性则体现了受灾体的承受能力的不确定性,双重属性的相互作用,构成了滑坡风险评估工作的难点。滑坡风险评估一般涵盖滑坡危险性评价、危害性评价(滑坡影响范围、承灾体易损性)、风险计算等几个方面。
1.滑坡危险性分析
地震滑坡危险性评价的目的就是给出滑坡灾害的概率预测、空间预测和强度预测。确定性模型算法是获得滑坡危险性评估精确结果的最佳选择之一,我国在此方面开展了较为全面和系统的研究,并取得了丰硕的成果。
谢谟文、蔡美峰等(2005)以稳定性分析及GIS技术应用为重点,系统阐述了边坡三维稳定极限平衡法的GIS分析模型方法。孙军杰等(2011)基于Newmark滑块分析方法推导的滑坡安全系数计算公式,结合GIS技术,实现地震与降雨耦合作用下区域滑坡灾害的概率性评价。程小杰等(2017)基于Newmark模型对天水市北山地震滑坡进行危险性评价,研究发现引入斜坡坡向角和震源方位角关系,有利于提高小区域(大比例尺)风险评估的准确性。林齐根等(2017)将支持向量机与Newmark模型相结合对地震滑坡易发性进行评估。刘甲美(2018)等通过对比不同位移模型对地震滑坡危险性评估结果的影响,探讨了如何根据实际,建立适用于国内的Newmark位移预测模型。李雪婧(2018)通过对汶川地震中某灾区分析,指出利用AriasIntensity以及CAV(绝对累积速度)以及Newmark位移在地震危险性分析中优于峰值加速度。王亚强、王兰民等(2004)利用层次分析法(AHP),在GIS的支持下建立了不同超越概率下的黄土高原地震滑坡区划图。王鼐、王兰民等(2013)利用模糊信息理论,提出了一种应用数学解析处理数据信息模糊化的预测滑坡影响范围的新思路。刘洋洋等(2018)提出一种基于AHP—Fuzzy和激光点云数据的公路边坡危险性综合评估方法,将其应用到重庆市某边坡实例中。
上述基于数理统计建立起来的数学评估模型需要大量的样本数据,对于地震诱发滑坡来讲,历史数据常常不满足要求。近年来,以人工智能理论为基础的机器学习模型得以快速发展,其中逻辑回归模型和神经网络模型应用最多。C.Xu等(2018)对比分析了6个基于GIS的滑坡易发性评价模型,认为逻辑回归模型的结果最好。樊芷吟等(2018)采用信息量模型、Logistic回归模型以及两种模型耦合分析进行地质灾害易发性评价,认为耦合模型比两种单一模型更为精确。
2.滑坡致灾范围研究
滑坡影响范围对灾害损失有着重要影响,因而是滑坡风险评价的重要环节。朱海之(1988)基于对1974年云南昭通7.1级地震考察,研究了地震崩滑与坡面破坏,由强烈震动形成的崩、滑,除本身灾害外,还会在相当长的时间内加速区域上的水土流失,形成不良的生态环境。才树华、王兰民、卢育霞等(1998,2006)针对黄土地震滑坡提出了滑距估算公式,可获得较为精确的结果。但对于区域性潜在滑坡的滑距、影响范围的定量预测评估非常困难,一般在对特定地区历史滑坡事件分析的基础上,通过构建经验公式和统计预测模型来进行评估。李秀珍、孔纪名等(2010)在对“5·12”汶川地震诱发的滑坡进行详细调查的基础上,对46个典型地震滑坡的滑动距离与滑坡体积以及原始斜坡坡角的相关关系进行了统计分析,给出了汶川地震滑坡水平滑距和垂直滑动距离与滑坡体积的经验公式。
3.风险评估模型与方法
评估模型与方法的建立是滑坡风险评价的核心。黄波林、殷跃平等(2018)对水库区滑坡风险评估技术进行了研究,建立了在涌浪作用下滑坡风险评估的方法,并给出了相应的5个分析步骤,能够有效地确定涌浪作用下滑坡的风险区域。王望珍等(2018)利用GIS技术,采用风险矩阵以及Borda序值,创立了多灾种耦合的综合风险评估方法。谢和平(2018)等对山洪泥沙灾害与滑坡防治、风险评估等国内外研究做了总结,并提出在山区河流地带地质灾害研究所面临的挑战与机遇。
震陷机理、预测和风险评估
震陷是指在地震荷载作用下,地基或场地出现的永久性沉降,它主要是由于土体模量减小,震动压密或液化孔隙水压力消散所引起。我国对震陷研究及其工程应用主要始于20世纪80年代,汤淼兴、周建石等(1993)按照成因将震陷划分为构造性震陷、液化震陷、软土震陷、黄土震陷、一般松散土震陷、塌落震陷(溶洞、土洞或洞穴在地震作用下的塌落)等六种。岩土地震工程与土动力学主要研究砂土液化震陷、软土震陷、黄土震陷等三类土层震陷,而松散土在工程上一般可分别被归为上述三类土的震陷问题进行处理。本文对这三类震陷的研究成果简述如下。
(一)液化震陷
80年代初,谢君斐、石兆吉等编制了有限元分析程序,提出了一整套预测建筑物震陷量的室内震陷试验和分析方法,并应用于工程实践,还结合唐山大地震中产生砂土液化震陷和软土震陷实例,验证了震陷分析方法的可靠性。与此同时,郁寿松、石兆吉等对不同土类的震陷特性进行了室内试验研究,建立了震陷参数和物性指标间的关系。
在此基础上,石兆吉等研究了影响一般民用房屋震陷的种各因素和条件,为编制构筑物抗震规范中的软土震陷条文提供了依据。朱祖庭、周健等(1998)研究了地下水位上升对砂土液化震陷的影响规律,并提出了地震作用下考虑地下水位上升影响砂土液化震陷的简化分析方法。石兆吉(1994)研究了不同基础类型、建筑物特点和地震烈度下液化对房屋震害的影响,指出液化地基上房屋震陷值是说明地基失效的一个较好的指标。刘惠珊(1996)根据有限元法对典型场地条件的分析与实际震害的经验规律,建立了建筑物液化震陷的预估经验公式。
高广运等(2018)利用开源有限元平台OpenSees对饱和砂土自由场地震陷进行数值模拟,研究了地震动维度、方向角和强度对震陷的影响,提出了考虑地震动特性的饱和砂土液化震陷计算方法。陈玉祥、陈龙伟(2019)研究了液化场地建筑物震陷的影响因素,结果表明液化场地建筑的震陷量显著大于非液化场地;总结了上覆土层的厚度、剪切波速和黏土层黏聚力和可液化土层的厚度、剪切波速、渗透系数和超孔压比的增长与消散过程对建筑物震陷的影响规律;可液化地基上建筑物几何特性、层高以及基础几何尺寸对其液化震陷的影响规律。这些研究成果为砂土液化震陷的计算和可液化地基设计处理提供了科学依据。
(二)软土震陷
刘恢先(1986)在《唐山大地震震害》专著中记载:1976年唐山地震造成地基为软黏土的天津新港望海楼建筑群震陷,附加沉降38cm,倾斜达3%。江席苗、李建国等(2009)对2008年汶川特大地震中地基和铁路路基震害调查发现,由于软土震陷造成都江堰市电信大楼台阶沉降,最大沉陷深度约8cm;广岳铁路、宝成铁路路基下沉,其中广岳线桥台路基普遍下沉,下沉量一般为20~30cm,最大下沉量约50cm,宝成铁路路堤下沉地段共39处(段),总长达49.5km。根据张虎臣(1989)、宋波(1990)、于洪志(1996)、田洪水(2015)等对软土震陷机理的研究结果,目前软土震陷的原因可以概括为:结构效应、软化效应、惯性效应与土体再固结变形。
石兆吉、郁寿松(1988)对塘沽新港地区的3~4层典型建筑物在唐山地震时的震陷值做了计算分析,计算结果与实测值十分相近,并确定了相应的计算修正系数和不同高度建筑物的震陷临界深度;还发现筏基震陷较大的主要原因是贴近筏基础下的大块土体遭到了明显的震陷作用。郁寿松、石兆吉(1989)基于大量的土壤震陷试验研究,给出了土壤震陷的定义、影响因素和经验计算公式,其中主要影响因素有四个:动应力、初始固结压力、振动次数和土的类型,并建立了土壤的震陷参数与土的含水量、相对密度、压缩模量和剪切波速之间的定量关系,可用于无试验资料时估算震陷。
张克绪等(1989)利用等效结点力法来确定残余应变的步骤,并用该法分析了包括黄河小浪底土坝在内的若干个土坝的地震永久变形。钱家欢等(1993)也用等效结点力法对小浪底土坝进行二维与三维有限元分析,计算结果较为可靠。顾长存、刘汉龙等(1996)通过静力分析和随机地震反应分析,在确定性震陷分析的基础上,建立软土地基随机震陷计算方法,并对某码头软土地基进行数值计算,其结果符合一般规律。何广讷(1998)基于饱和软土的静力孔压软化试验和动三轴震陷试验结果,提出了考虑软化效应应变与惯性力应变的综合应变势软土震陷计算方法。
袁晓铭、孟上九(2002—2004)等提出建筑物不均匀震陷是由软土土层、建筑物荷载不均匀分配及地震动波形三者协同作用的结果,其中地震波的随机性与其波形的不对称性和不规则性对不均匀震陷有重要影响。周燕国、陈云敏等(2009)采用离心机试验模拟软土地基不均匀震陷,试验表明结构物不对称性与建筑物的上覆荷载对不均匀震陷均有显著影响。张建毅等(2012)结合工程实际钻孔对比讨论了软土震陷不同规范方法的优劣,提出了基于“两台阶的缩小范围量化”的软土震陷判别方法,并进行了验证及工程应用。
目前计算软土震陷的软化模量法、等效结点力法、简化计算法等可满足不同条件下软土震陷计算分析和工程设计需求。
(三)黄土震陷
20世纪80年代初,张振中等提出了黄土震陷的概念,结合黄土地区城市地震小区划工作,对兰州、西安、宝鸡、西吉等地黄土震陷开展了动三轴试验,认为黄土架空孔隙结构的崩塌性破坏是土颗粒之间的连锁反应,宏观上表现为震陷、滑坡或崩塌,并研究了黄土震陷的临界动应力和残余应变与孔隙比的关系,与湿陷起始应力进行了对比。李启鹞等(1985)通过试验认为黄土震陷与其在地震作用下的残余应变有关,并研究了西安黄土残余应变与孔隙比的关系。其后,我国学者和工程技术人员开展了长期大量的试验研究、数值计算分析和工程实际应用,在黄土震陷机理、影响因素、计算方法和地基抗震陷处理技术等方面取得了一系列原始创新性成果。
张振中、段汝文、王兰民等(1990)提出了基于动三轴试验的黄土震陷性判别与预测方法。巫志辉、方彦等(1990)研究了增湿黄土的震陷特性,阐述了含水量对黄土震陷的影响规律。王兰民、张振中、王峻等(1993)通过开展大量室内原状黄土动三轴试验,建立了考虑含水量、固结应力、孔隙比、动应力和振次等因素的西北地区黄土震陷系数的计算公式,并基于此提出了地震作用下黄土场地震陷量的估算方法。石玉成等(2003)基于高国瑞提出的微结构分类标准分析了不同类型微结构特征的黄土震陷性,结果显示不同微结构类型黄土试样表现出显著不同的震陷性,粒状架空孔隙结构震陷性明显,而粒状镶嵌和粒状胶结结构震陷性不明显。
邓津等(2007)通过对黄土微结构的量化特征分析,研究了微结构特征参数与震陷系数之间的数学关系,并基于黄土气固表面原理建立了应用考虑架空孔隙面积和粒径偏斜度的黄土震陷系数估算公式。陈永明(2003)通过统计兰州地区黄土层剪切波速和震陷系数的相关性,建立了不同含水量条件下考虑剪切波速和动应力幅值计算黄土震陷系数的经验公式。栗润德、张鸿儒等(2007)基于动三轴试验的研究表明,塑限含水量可作为黄土动强度和震陷的界限含水量,小于塑限的含水量变化对震陷临界动应力和动粘聚力的影响非常显著,大于塑限的含水量变化对其影响微弱,而动摩擦角不受含水量的影响。
袁中夏等(2010)研究了黄土湿陷性和震陷性之间的关系,认为二者的产生都基于黄土的亚稳态结构,都是黄土架空结构破坏所引起,但其触发机制却是不同的。湿陷性产生的主要原因是吸力丧失,而震陷性主要由黄土在动荷载作用下的土体剪切破坏导致。孙军杰等(2012)基于大量动三轴试验数据分析了孔隙比压缩比与土体强度特征参数和动荷载参数之间的数学关系,给出了一种考虑强度参数黄土震陷系数估算模型。王强、邵生俊等(2017)通过开展不同应力条件下循环单剪试验,分析了马兰黄土(Q3)的滞回曲线、骨干曲线和震陷曲线的形态特征及其随含水量、固结压力、剪应变幅、循环加载周次等因素的变化规律,建立了骨干曲线及震陷系数经验方程的表达式。
王兰民、张振中、王峻、李兰、袁中夏、何开明、石玉成、梁守信、莫庸、张冬丽、吴志坚、孙军杰、徐舜华、王平、王谦、王强、邓津等(2000—2018)通过大量的现场试验、测试、爆破地震动试验、室内试验和数值模拟分析,研究了强夯法、挤密桩法、化学处理、改良处理(灰土、水泥、粉煤灰、木质素等)等黄土地基抗震陷处理技术与标准,提出了黄土震陷场地桩基负摩阻力计算方法和抗震设计方法(图3)。上述研究成果在黄土地区基础设施建设、重大工程建设和城乡建设中得到了广泛应用,并被相关工程技术规范标准采纳。
图3 黄土地基抗震处理施工
土动力学理论与岩土地震工程实践成就
20世纪70年代以来,我国土动力学理论得到了全面、系统的发展,已经形成了与国际水平同步的理论体系。岩土地震工程方面的技术规范和标准体系也基本形成,满足了我国岩土工程抗震的需求。我国强震区的大中城市、国家级新区和相关大型企业均开展了地震小区划工作,重大工程、生命线工程和易产生地震次生灾害工程设施的建设场地都依照国家相关法规开展了工程场地地震安全性评价,使得建设工程防震减灾能力有了显著提升。
(一)土动力学理论
1988年,谢定义等编著出版了我国第一部《土动力学》专著,三年后他对内容进行了修订再版,修订后的《土动力学》具有先进性、启发性、实用性等特点。2013年,谢定义合著出版《应用土动力学》专著,为解决实际工程计算和设计中的土动力学问题提供了理论和方法。其后,张克绪、谢君斐等(1989)编著出版了《土动力学》,吴世明(2000)编著出版了《土动力学》,刘洋(2019)编著出版了《土动力学基本原理》,这5本专著系统反映了20世纪70年代以来我国和国际在土动力学发展不同阶段的主要研究与工程实践成果。
土动力学理论是由动力基础设计、防护工程、地震工程等三大需求发展而来,动力基础设计理论从20世纪30年代到60年代,已经成熟完善;防护工程因大多涉及军事国防,公开发表的资料很少。因此,我国土动力学专著涉及的内容主要是针对地震工程需求的,综合起来主要包括:土的动力特性(动强度、动模量、阻尼比、动变形、动孔压)与试验测试、土的动力计算模型(线性粘—弹模型、弹—塑模型、等价非线性粘—弹模型)、波在土体中的传播及应用、土体对地震动的反应分析、土对地震应力作用的反应、饱和砂土体的液化判别、地震时饱和土体中孔隙水压力的增长与消散、地震引起的土体永久变形、土体与结构的相互作用、土与地基的原位动力测试、桩基的动力测试等。其中,土动力特性室内试验测试主要有:振动三轴试验、共振柱试验、动扭剪三轴试验、振动台试验、离心机振动台试验等;土与地基的原位动力测试主要包括:波速测试、地脉动测试、人工地震勘探、循环荷载板试验、静力触探试验(CPT)、标准贯入试验(SPT)、动力旁压试验、原型观测、振动衰减试验等。
由于我国黄土高原是世界上黄土分布最广、厚度最大、地形地貌最为复杂的区域,同时也是地震灾害最严重的地区,历史地震在该地区曾造成过140多万人死亡。我国针对黄土地震灾害预测预防需求开展的长期研究,形成了土动力学的一个特色学科——黄土动力学。王兰民等(2003)编著出版了《黄土动力学》专著,内容包括黄土的动力特性与试验方法、黄土震陷、黄土地震滑坡、黄土液化、黄土地基抗震处理、黄土地震灾害区划、波在黄土中的传播等。
虽然岩土地震工程研究在我国起步较晚,但目前在研究与实践的基础上已初步形成了相应的理论体系,主要标志为陈国兴(2007)编著出版的《岩土地震工程学》专著和相关文献资料。专著内容包括:地震学基础、地震灾害与地震烈度、地震动特性、土的动力本构关系、土动力特性的室内外试验、水平成层场地和横向非均匀场地的地震反应、土动力特性与震动液化、土体地震永久变形、桩—土—结构动力相互作用、土—结构动力相互作用对TMD减震控制的影响、地铁地下结构地震反应、土坝抗震分析等。
上述专著内容以及相关文献不仅构建了我国土动力学与岩土地震工程的理论体系,而且也建立了相应的试验测试体系,不仅为土木工程类有关专业研究生、高年级本科生提供了经典教材,同时也为从事土木工程防震减灾的研究、勘察、试验和设计人员以及城市和工程建设规划人员提供了重要的参考。
(二)工程抗震设计规范标准
我国先后编制了五代地震区划图(李善邦主编,1957;邓起东主编,1977;高文学主编,1992;胡聿贤主编,2001;高孟谭主编,2015),在地震观测研究资料积累和地震中长期预测的基础上,依据当时工程抗震最新研究成果和震害经验,考虑相应时期社会、经济发展需求,为各类工程抗震设计规范标准的制定和城乡建设规划提供了抗震设防的科学依据,满足了国家抗震设防的需求。现行《中国地震动参数区划图》(GB18306—2015)中,在场地类别划分、各类场地基本地震动加速度反应谱特征周期和地震动峰值加速度的调整方法与调整系数表中,应用了岩土地震工程于土动力学的长期研究成果。
2004年,谢礼立主编的《建筑工程抗震性态设计通则》(CECS160:2004)作为中国工程建设标准化协会标准颁布,该通则为各类工程结构抗震性态设计标准的制定提供了一个模式,在其后出台的相关工程抗震设计规范标准中得到了贯彻和借鉴。同时,在我国重大工程、灾后恢复重建工程和城市建设中被广泛应用,发挥了很好指导作用,取得了良好的减灾效果。
我国于1959年、1964年先后编制了《地震区建筑抗震设计规范》(草案),1974年颁布了《工业与民用建筑抗震设计规范》(试行)(TJ11—1974),1978年颁布了《工业与民用建筑抗震设计规范》(TJ11—1978),1989年颁布了《建筑抗震设计规范》(GBJ11—89》,2001年颁布了《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001),并于汶川地震后做了局部修订,2010年颁布了《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010),其后于2016年、2019年做了局部修订,形成了(2016版)和(2019版)。在现行建筑抗震设计规范中,在场地分类、场地地震动放大系数调整、场地液化和震陷判别与处理、边坡地震稳定性、地基与基础抗震等方面均应用了岩土地震工程与土动力学的长期研究成果。
我国相关领域工程抗震设计标准和行业抗震设计规范吸纳了岩土地震工程与土动力学的长期研究成果。例如,《地 下 结 构 抗 震 设 计 标 准》(GB/T51336—2018)、《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073—2016)、《公路隧 道 抗 震 设 计 规 范》(JTG2232—2019)、《铁 路 工 程抗震设计规范》(GB50111—2017)、《核电厂抗震设计标准》(GB50267—2019)、《电力设施抗震设计规范》(GB50260—2013)、《通 信 设备安装工程抗震 设 计 标准》(GB/T51369—2019)、《建筑机电工程抗震设计规范》(GB50981—2014)、《石油化工构筑物抗震设计规范》(SH3147—2014)、《水运工程抗震设计规范》(JTS146—2012)、《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)(2009年版)、《土工试验方法标准》(GB/T50123—2019)、《地基动力特性测试规范》(GB/T50269—2015)等,这些标准和规范为我国基础设施、重大工程和容易引起次生灾害工程建设的地震安全提供了基本保障,取得了良好的防震减灾效果(图4)。
图4 汶川地震中基本完好的边坡加固工程、挡土墙工程和坡体防护工程(周德培,2010)
(三)工程场地地震安全性评价与城市地震小区划
工程场地地震安全性评价是评价未来一定时段内工程建设场地遭受地震威胁的可能性及相应的程度与特性,提供包括场点及场地空间分布的地面运动及地面破坏两方面的评价结果。地面运动依据对震源特性、地震波的传播(区域地质条件,基岩)、场地条件(近地表地形地貌、土层结构、场地土动力特性、地下水等场地条件)等方面研究结果给出评价。地面破坏则依据断层错动、地表断裂、砂土液化、滑坡、震陷等研究结果给出评价。评价结果可为各类建设工程选址与抗震设防要求的确定、防震减灾规划、社会经济发展规划等提供抗震设防的依据,为已有工程的抗震可靠性分析和震害预测等提供地震作用依据,还可为投资风险决策、地震保险、房屋出售等提供科学依据。
中国地震局从成立之时,就将工程场地地震安全性评价作为服务国家经济社会建设的一项重要工作,为数以万计的国家重大工程、核设施、基础设施、可能产生重大次生灾害的建设工程和城镇规划提供了更加科学精确的抗震设防依据。同时,中国地震局十分重视工程场地地震安全性评价的技术规范,于2005年发布了国家标准《工程场地地震安全性评价》(GB17741—2005)。该标准将地震安全性评价工作分为四个等级,Ⅰ级工作适用于安全性要求极高的核电厂等重大建设工程项目中的主要工程,评价工作内容包括:地震危险性的概率分析和确定性分析、能动断层鉴定、场地地震动参数的确定、地震地质灾害评价等五个方面;Ⅱ级工作适用于除Ⅰ级以外安全性要求较高的的重大建设工程项目中的主要工程,评价工作内容包括:地震危险性的概率分析、场地地震动参数的确定、地震地质灾害评价等三个方面;Ⅲ级工作适用于量大面广的城镇、大型厂矿企业、经济建设开发区、重要生命线工程等,评价工作内容包括:地震危险性概率分析、区域性地震区划和地震小区划等,IV级工作适用于《中国地震动参数区划图》使用规定4.3条中b)、c)规定的一般性工程,即位于地震动参数区划分界线附近的新建、扩建、改建工程和某些地震研究程度和资料详细程度较差的边远地区,评价工作内容主要包括:地震危险性的概率分析、场地地震动峰值加速度复核等两个方面。
地震小区划是对某一特定区域范围内地震安全环境进行划分,预测这一范围内可能遭遇到的地震影响分布,包括设计地震动参数的分布和地震地质灾害的分布。该概念在20世纪50年代由苏联首先提出,当时是对地震基本烈度相同的某个地区或一个复杂的工程场地,按场地土质、地下水位、局部地形地貌和断层影响等条件,对烈度进行调整,编制更精细的区域或场地地烈度分布图。到了70年代,国际地震小区划研究与实践得到了快速发展。
从20世纪70年代末到90年代,我国在强地震区的大中城市大力开展城市地震小区划工作。1981年中国地震学会在南京召开了“地震工程专业委员会成立大会暨1981年地震小区划学术交流报告会”。同年,在中国地震局工程力学研究所召开了“中美地震小区划讨论会”,从地质、地球物理、土动力学、场地反应及互相作用等方面探讨地震小区划问题。这两次会议对我国开展地震小区划研究与实践发挥了重要推动作用。
孙崇绍等(1981)提出了综合指标地震小区划方法,并在兰州、西安、西宁、宝鸡、天水等城市地震小区划中进行了应用。廖振鹏、李小军等(1989)提出了地表土层地震反应的等效线性化解法,解决了地震小区划中的一个关键科学问题。廖振鹏(1989)主编出版的《地震小区划——理论与实践》集中反映了这一时期的研究与实践成果。
地震小区划的技术要求已在国家标准《工程场地地震安全性评价》中有了明确的规定,成为我国一项长期推进的防震减灾工作。目前,直辖市、大部分省会城市和大量的市、县城市以及国家级新区、大型企业、相关工程场地等基本完成了地震小区划工作,其地震动参数小区划图、场地类别区划图和地震滑坡、液化、震陷、断裂等灾害风险区划图为城市规划和工程建设、抗震设防提供了更科学、更精细的科学依据。
结语
我国是强震多发、震害严重的国家,历次强震都曾引发过严重的大规模滑坡、液化、震陷等岩土灾害,开展岩土地震工程和土动力学研究与实践具有重大的现实意义。
经过50年的探索、研究和实践,我国在岩土地震工程和土动力学领域取得了辉煌成就和减灾实效,在岩土地震灾害致灾机理、早期识别和判别方法、风险评估、工程抗震设计和综合防控等方面已处于国际先进水平。
我国目前的岩土地震灾害风险评估和设防标准大多按照50年基准期、10%超越概率的基本设防烈度和基本设防地震动参数进行工程设计,与现行建(构)筑物大震不倒的设防目标以及抗震韧性设计理念不相匹配,急需开展相关研究,修订有关技术标准,服务于我国现代化强国建设需求。
最后需要说明的是,笔者在本文撰写中,参考了大量文献,由于科普文章体例要求,无法逐一列出作者和文献,对此一并表示衷心感谢!同时,由于本人知识、视野、能力有限,在论述中难免有“挂一漏万”的情况,对此深表歉意,敬请谅解!