河流沉積相土層結(jié)構(gòu)對(duì)砂土液化的影響研究＊

王 偉 齊亞坤 王浩宇 李金宇張曉慶 沈 超 馮偉棟

1）中國(guó)河北三河 065201 防災(zāi)科技學(xué)院

2）中國(guó)合肥 230031 安徽省地震局

引言

液化問題是巖土地震工程研究的重要課題之一.由動(dòng)荷載引起的砂土液化造成地基失效、噴砂冒水、建筑物破壞等現(xiàn)象，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失.我國(guó)上世紀(jì)六七十年代發(fā)生的海源、邢臺(tái)、通海、海城、唐山等地震中均出現(xiàn)了砂土液化現(xiàn)象和液化震害，液化現(xiàn)象也逐漸引起了人們的重視，并開始收集和分析地震液化資料，建立了基于標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值的液化判別公式.現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試為砂土液化機(jī)制的研究和判別方法的建立提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

杜修力（2011）將飽和砂土液化定性分析與評(píng)價(jià)的方法分為經(jīng)驗(yàn)法或統(tǒng)計(jì)法、簡(jiǎn)化分析法和數(shù)值分析法三類.經(jīng)驗(yàn)法，以地震現(xiàn)場(chǎng)的液化調(diào)查資料為基礎(chǔ)，給出實(shí)際液化發(fā)生與否的判別條件和界限，并判別出場(chǎng)地的液化程度；簡(jiǎn)化分析法，以試驗(yàn)和土體反應(yīng)分析作為基礎(chǔ)來判別飽和砂土能否液化，例如希德簡(jiǎn)化方法、液化估計(jì)法、剪切波速法、標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)法以及靜力觸探方法；數(shù)值分析法，釆用某類本構(gòu)模型進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算和液化判別.上述各種評(píng)價(jià)方法主要考慮震級(jí)、峰值加速度、初始應(yīng)力、地下水位、液化土層埋深、土體物理力學(xué)性質(zhì)等因素，基于單個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)給出液化勢(shì)評(píng)價(jià)結(jié)果.

除了上述因素外，在液化過程中場(chǎng)地土層的排水條件或孔隙水滲流路徑對(duì)液化有顯著影響.排水條件是土層的透水程度、排滲路徑及排滲邊界條件，在多層地基中有易液化土層存在時(shí)，其它土層對(duì)易液化土層的影響主要表現(xiàn)在排滲能力和層位結(jié)構(gòu)兩方面.排滲能力取決于上下鄰層土的滲透系數(shù)和厚度，滲透系數(shù)越大、厚度越小，排滲能力越強(qiáng)；而層位結(jié)構(gòu)可以通過不同液化勢(shì)的土層組成多層試樣進(jìn)行試驗(yàn)（王維銘，2013）.章守恭和李玉蓉（1980）的研究表明，一定程度的排水對(duì)降低液化勢(shì)具有明顯的促進(jìn)作用.Sasaki 等（1992）依據(jù)振動(dòng)臺(tái)場(chǎng)地模型液化變形進(jìn)行的一系列試驗(yàn)表明，液化后的砂土與流體“非常相似”，因此液化砂土流動(dòng)特性的試驗(yàn)得以驗(yàn)證（陳育民等，2006，2009）.

由于液化場(chǎng)地多屬于河流沖積相，場(chǎng)地中不透水層或者弱透水層與易液化土層組成的二元結(jié)構(gòu)、互層結(jié)構(gòu)、黏土層透鏡體和不透水層不連續(xù)分布之類的場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)比較典型.以往砂土液化研究考慮土層結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)地液化勢(shì)的影響比較少，且在目前的砂土液化判別公式中，主要基于單一鉆孔的原位測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，而實(shí)際場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)可能會(huì)比較復(fù)雜，對(duì)液化過程中孔隙水的滲流路徑影響顯著，目前的判別方法均未考慮這一影響.因此，本文擬對(duì)松原地震和新西蘭坎特伯雷地震中的液化點(diǎn)分布和場(chǎng)地資料進(jìn)行分析，論證土層結(jié)構(gòu)對(duì)場(chǎng)地液化點(diǎn)空間分布的影響規(guī)律，以期提高場(chǎng)地液化評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要的參考意義.

1 高彎度河流沉積相模式對(duì)場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)的影響

高彎度河流沉積相是一種河床坡緩、彎度大、水流較深、流態(tài)較穩(wěn)定并以單向環(huán)流為主要特征的河流沉積模式，其三維空間結(jié)構(gòu)形式如圖1所示.此種相模式土體具有層狀或硬軟相間互層狀結(jié)構(gòu)的工程地質(zhì)特征，天然堤和洪泛相的黏土、粉細(xì)砂穩(wěn)定分布在此類土體中的軟弱層.該層厚度為數(shù)十厘米至數(shù)米，呈層狀產(chǎn)出，分布范圍廣.

圖1 高彎度河流沉積三維空間結(jié)構(gòu)形式（引自Burns等，2017）Fig. 1 Three-dimensional spatial structure of meandering river deposit （after Burns et al，2017）

高彎度河流的河水在離心力作用下，不斷沖刷凹岸，在河水單向環(huán)流上升段，水流速度和動(dòng)力隨著高度增加而遞減，因此在凸岸區(qū)形成邊灘相沉積，在垂直剖面上沉積物粒度由下而上逐漸變細(xì)，如圖2所示，此類邊灘相沉積物接近頂部的飽水粉細(xì)砂層，被上覆具有一定連續(xù)性的黏土層封閉后，形成二元結(jié)構(gòu)，在外荷載尤其是地震荷載作用下，可造成砂土液化，并引起上覆土層沉陷.

圖2 高彎度河流沉積相模式（引自董道濤，2021）Fig. 2 Eluvial sedimentary facies model of the meandering river （after Dong，2021）

2 高彎度河流沉積相場(chǎng)地的砂土液化分布特征

2.1 松原MS5.7地震

2018年5月28日吉林省松原市寧江區(qū)發(fā)生MS5.7地震，震中位于毛都站鎮(zhèn)的牙木吐村附近（124.71°E，45.27°N）.防災(zāi)科技學(xué)院地震應(yīng)急科考組現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查共發(fā)現(xiàn)243處砂土液化噴出點(diǎn)，主要分布于第二松花江的左岸 Ⅰ 級(jí)階地和河漫灘，如圖3所示. Ⅰ 級(jí)階地地貌單元平坦開闊，海拔130—135 m，為第二松花江側(cè)蝕作用形成沖積階地.由于河流側(cè)蝕作用在此處形成高彎度河曲，砂土液化的分布區(qū)主要位于凸岸堆積區(qū)，其形成機(jī)制如圖4所示. Ⅱ 級(jí)和Ⅲ級(jí)階地主要分布在河道右岸，海拔135—145 m； Ⅱ 級(jí)階地地形起伏較大，古河道牛軛湖發(fā)育；Ⅲ級(jí)階地為低平原的頂部，表面堆積風(fēng)成黃土，并有沙丘分布，地形略有起伏.

圖3 松原地震砂土液化點(diǎn)分布Fig. 3 Distribution of sand liquefaction points in Songyuan earthquake

圖4 高彎度河流邊灘的形成機(jī)理（引自Allen，1970）Fig. 4 Formation mechanism of high bend river bank（ after Allen，1970）

第二松花江河谷寬闊，心灘眾多，流水散亂，水流平緩.河床內(nèi)心灘密布，大小心灘交錯(cuò)分布，并且有向河流下游移動(dòng)的趨勢(shì).低河漫灘普遍較為發(fā)育，特別在凸岸地帶低河漫灘寬度更大，可達(dá)百余米.低河漫灘高出河床約1—2 m，地形平坦，地表組成物質(zhì)為淤泥質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)淤泥，含有機(jī)質(zhì)，河漫灘堆積水平層理發(fā)育，具有典型的二元結(jié)構(gòu)，均為堆積河漫灘.高河漫灘表面組成物質(zhì)為灰黑色粉砂質(zhì)黏土，下伏有砂礫層和砂層等，高河漫灘堆積亦有明顯的二元結(jié)構(gòu).地震應(yīng)急科考組在液化場(chǎng)地進(jìn)行了鉆探作業(yè)，由現(xiàn)場(chǎng)典型鉆孔揭示出的地層可以看出，場(chǎng)地土層上部為耕土和粉質(zhì)黏土，下伏飽和松散的細(xì)砂，由于上覆粉質(zhì)黏土不透水層，且細(xì)砂松散（李平等，2019），因此在地震動(dòng)作用下非常有利于超孔隙水壓累積.另外，由于河水單向環(huán)流作用形成的邊灘砂土沉積層具有顯著的斜層理、交錯(cuò)層理，這種土層結(jié)構(gòu)有利于超孔隙水壓向地表滲流，最終導(dǎo)致砂土液化和噴出地表.

2.2 新西蘭坎特伯雷地震序列

2010—2011年間新西蘭的坎特伯雷地震序列起始于2010年9月4日的MW7.1的Darfield地震，震源深度為10 km，之后發(fā)生了一系列的余震，這一地震序列引發(fā)了基督城及其附近城鎮(zhèn)大面積的砂土液化震害.砂土液化點(diǎn)主要分布于哈斯維爾河流的凸岸沉積區(qū)（圖5），與松原MS5.7地震液化現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查點(diǎn)分布特征一致，分布規(guī)律十分顯著；而在凹岸侵蝕區(qū)，液化點(diǎn)分布非常少.圖5地形底圖的高程數(shù)據(jù)來源于激光雷達(dá)掃描，砂土液化點(diǎn)的分布是基于126張航空照片繪制而成.

圖5 Canterbury 地震序列引起的砂土液化點(diǎn)分布（引自Bucci et al，2018）Fig. 5 Distribution of liquefaction points of sand in Canterbury earthquake sequence （after Bucci et al，2018）

眾多研究者利用已有的液化評(píng)價(jià)方法對(duì)坎特伯雷地震序列引起的砂土液化進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，液化判別結(jié)果與液化場(chǎng)地的實(shí)際液化情況沒有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系（Bray，Macedo，2017）.Wotherspoon等（2015）基于基督城的強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站場(chǎng)址資料，對(duì)現(xiàn)有的液化勢(shì)評(píng)價(jià)方法和液化嚴(yán)重性指數(shù)評(píng)價(jià)方法的有效性進(jìn)行評(píng)估.對(duì)那些有明顯地表液化現(xiàn)象的事件，現(xiàn)有方法能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出液化發(fā)生的事件比例為85%—100%；對(duì)那些地表無液化證據(jù)的場(chǎng)地，現(xiàn)有的方法預(yù)測(cè)會(huì)發(fā)生液化的事件比例也介于77%—85%.可以看出，現(xiàn)有評(píng)價(jià)方法預(yù)測(cè)結(jié)果和場(chǎng)地實(shí)際液化情況的對(duì)應(yīng)關(guān)系非常差.

現(xiàn)有的液化判別方法大多依據(jù)單點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)靜態(tài)地計(jì)算場(chǎng)地液化勢(shì)，而忽略了在實(shí)際地震動(dòng)作用下，由于土層結(jié)構(gòu)和土體物理力學(xué)參數(shù)不均勻分布的影響，孔隙水壓力分布會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，孔隙水沿著土體結(jié)構(gòu)面滲流，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)試點(diǎn)液化勢(shì)產(chǎn)生變化.在液化勢(shì)判別中如何合理定量考慮這一影響，揭示場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)的分布特性對(duì)液化勢(shì)和地表液化特征的影響機(jī)制，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)整個(gè)場(chǎng)地的砂土液化具有重要意義.

3 基督城Palinurus路側(cè)液化場(chǎng)地的土層結(jié)構(gòu)特征

不透水層或者弱透水層與易液化土層互層分布是基督城液化場(chǎng)地的典型土層結(jié)構(gòu)特征，這主要是因?yàn)榛匠俏挥诙鄺l流經(jīng)城區(qū)河流的沖積扇上.土層結(jié)構(gòu)和土體參數(shù)的三維空間分布差異對(duì)場(chǎng)地的液化勢(shì)空間分布差異產(chǎn)生顯著影響，以位于基督城Palinurus路側(cè)的一個(gè)液化場(chǎng)地為例，該影響的物理機(jī)制如下：在圖6所示的場(chǎng)地中，12個(gè)靜力觸探測(cè)點(diǎn)中有9個(gè)測(cè)點(diǎn)所在位置處地表不存在砂土液化現(xiàn)象，其余3個(gè)測(cè)點(diǎn)地表存在砂土噴出，然而依據(jù)即液化場(chǎng)地一維重固結(jié)沉降評(píng)價(jià)方法（Zhanget al，2002）的計(jì)算結(jié)果Sv1D，場(chǎng)地所有測(cè)點(diǎn)均應(yīng)該發(fā)生砂土液化，并且液化導(dǎo)致的地表沉降值在135—175 mm之間 （Brady，Macedo，2017）；在圖7所示的場(chǎng)地剖面圖中，透水性差的粉土混合物土層（富含細(xì)粒成分）與易于液化的砂土混合物土層的互層結(jié)構(gòu)特征顯著，并且這種互層結(jié)構(gòu)在靜力觸探點(diǎn)5465號(hào)和62759號(hào)之間存在尖滅構(gòu)造，在尖滅構(gòu)造的另一側(cè)分布著砂土和砂土混合物.Thevanayagam （2001）在動(dòng)三軸試驗(yàn)中得出，在相同的循環(huán)荷載作用下，粉土中由于剪切作用導(dǎo)致的孔隙水壓力增長(zhǎng)速度明顯高于砂土.考慮到地表砂土液化現(xiàn)象分布特點(diǎn)與下伏土層的互層結(jié)構(gòu)及尖滅構(gòu)造特征，對(duì)具有這種土層結(jié)構(gòu)的場(chǎng)地液化機(jī)制做如下推論：在地震荷載的作用下，互層結(jié)構(gòu)中的粉土混合物土層孔隙水壓力增長(zhǎng)速度快于與之接觸的砂土土層，在二者孔隙水壓力差的作用下，粉土層中孔隙水進(jìn)入砂土層，并加速了砂土層孔隙水壓力累積速度，由于互層結(jié)構(gòu)的豎向滲透性遠(yuǎn)低于水平方向，弱透水的粉土層對(duì)砂土中孔隙水的豎向滲流產(chǎn)生阻滯作用，繼而導(dǎo)致孔隙水沿水平方向流向尖滅構(gòu)造另一側(cè)的砂土及其混合物，最終導(dǎo)致該處砂土的孔隙水壓力增大；整個(gè)孔隙水的側(cè)向滲流導(dǎo)致互層結(jié)構(gòu)中的砂土層的液化勢(shì)降低，卻提高了尖滅構(gòu)造另一側(cè)的砂土層的液化勢(shì).上述推理分析能夠合理地解釋在圖6中為什么靜力觸探測(cè)點(diǎn)5466號(hào)，57360號(hào)和5465號(hào)地表無砂土液化現(xiàn)象，而在62795號(hào)測(cè)點(diǎn)則出現(xiàn)了噴水冒砂的液化現(xiàn)象.

圖6 2011年2月基督城地震引起的Palinurus 路邊場(chǎng)地液化現(xiàn)象（引自Brady，2017）Fig. 6 Liquefaction of Palinurus roadside site caused by the Christchurch earthquake in February 2011 （after Brady，2017）

圖7 基于靜力觸探數(shù)據(jù)繪制的Palinurus路場(chǎng)地AA′剖面（引自Brady，2017）Ic為特性指數(shù)；qc為錐尖阻力；FS為側(cè)壁阻力Fig. 7 AA′ section of Palinurus road site based on static cone penetration data （after Brady，2017）Ic is index of classification；qc is cone tip resistance；FS is frictional resistance

4 場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)特征對(duì)砂土液化影響的數(shù)值模擬分析

針對(duì)上述震例中高彎度河流沉積相中的邊灘二元結(jié)構(gòu)和基督城Palinurus路側(cè)液化場(chǎng)地的土層互層結(jié)構(gòu)，進(jìn)行場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化并建立相應(yīng)模型，通過FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析不同土層結(jié)構(gòu)類型對(duì)液化過程中超孔隙水壓累積和消散機(jī)制.選取日本Port Island液化場(chǎng)地效應(yīng)豎向觀測(cè)臺(tái)陣中?83.0 m位置的實(shí)際地震動(dòng)速度時(shí)程，經(jīng)濾波和基線校正等處理后輸入計(jì)算模型，地震動(dòng)速度時(shí)程示于圖8.在簡(jiǎn)化模型建立過程中，主要考慮不透水層或者弱透水層的尺寸、埋深，橫向不連續(xù)分布間距，不透水層與易液化土層互層等因素，土體材料的物理力學(xué)參數(shù)列于表1.典型的液化場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型和相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果如圖9所示.

圖8 砂土液化數(shù)值計(jì)算模型選取的地震動(dòng)時(shí)程Fig. 8 Time-history of ground motion selected by numerical calculation model of sand liquefaction

表1 模型中土體材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Material parameters for the soil deposit in the model

場(chǎng)地計(jì)算模型尺寸長(zhǎng)寬高為30 m×1 m×14 m，網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m×1 m，共計(jì)有420個(gè)網(wǎng)格單元和930個(gè)節(jié)點(diǎn).在模型的靜力分析階段，采用的是摩爾-庫(kù)侖（Mohr-Coulomb）本構(gòu)關(guān)系，在動(dòng)力和滲流的耦合分析階段，采用的是Finn模型來描述砂土在動(dòng)力作用下的孔壓累積直至土體液化過程.Finn模型的實(shí)質(zhì)是在摩爾-庫(kù)侖模型的基礎(chǔ)上增加了動(dòng)孔壓上升模式，并假定動(dòng)孔壓的上升與塑性體積應(yīng)變?cè)隽肯嚓P(guān)（Soroush，Koohi，2004）.地震動(dòng)荷載的施加位于計(jì)算模型的底部界面（z＝?10 m）和左右兩側(cè)界面（x＝0 m和x＝30 m），施加荷載為x方向的剪切作用.

基于場(chǎng)地結(jié)構(gòu)模型在地震動(dòng)荷載輸入下的超孔隙水壓力擴(kuò)散過程，對(duì)液化砂土的遷移和引起地表的變形進(jìn)行分析.圖9a中的場(chǎng)地模型主要模擬的是高彎度河流凸岸邊灘沉積的二元結(jié)構(gòu).從數(shù)值模擬結(jié)果來看，連續(xù)分布的不透水層對(duì)震動(dòng)過程產(chǎn)生的超孔隙水向上滲流產(chǎn)生明顯的阻礙作用，當(dāng)不透水層厚度較大時(shí)，即使下伏砂土層發(fā)生液化，也不能噴出地表，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)震害調(diào)查中，這種液化現(xiàn)象很難發(fā)現(xiàn)，但是通過現(xiàn)場(chǎng)鉆探可以揭示此類液化現(xiàn)象，例如松原MS5.7地震鉆探結(jié)果顯示，由于下部砂土層液化在埋深16.3—17 m 的黏土層中留下了砂土的上升通道（李平等，2019）.

圖9 不同土層結(jié)構(gòu)模型（左）及其砂土液化超孔隙水壓力的擴(kuò)散過程（右）（a）黏土層連續(xù)分布；（b）黏土層2 m間斷；（c）黏土層6 m間斷Fig. 9 The different site models （left）and the corresponding seepage paths of pore pressure （right）（a）Continuous clay layer；（b）Clay layer with 2 m gap；（c）Clay layer with 6 m gap

在辮狀（游蕩型）河流沉積地層中，地層頂部的黏土層、淤泥質(zhì)黏土層不連續(xù)分布特征尤為顯著.另外，在地震動(dòng)荷載作用下，上部連續(xù)的薄層黏土層也可能被拉裂形成裂隙.圖9b?e的場(chǎng)地模型主要模擬的是上部不透水層不連續(xù)分布的結(jié)構(gòu)特征，數(shù)值模擬結(jié)果表明，不透水層的間斷處成為超孔隙水壓力擴(kuò)散的滲流通道，并且間斷尺寸的不同，超孔隙水壓擴(kuò)散引起地表砂土層孔壓變化和地表變形的影響范圍和大小也有區(qū)別.不同土層結(jié)構(gòu)模型的砂土液化引起的地表變形如圖10所示，圖10a和圖10b分別為黏土層連續(xù)分布和間斷2 m分布的地表變形，可以看出二者變形模式十分相似，表明當(dāng)黏土層間斷尺寸較小時(shí)，雖然超孔隙水壓向間斷處滲流，但由于滲流通道狹窄，超孔隙水壓力消散不暢，對(duì)地表引起的變形較小.通過對(duì)比圖10b，c，d可以看出，黏土層間斷尺寸不同，地表形變差異較大，在間斷為6 m時(shí)，地表的形變量最大，在間斷為2 m和10 m的時(shí)候，即：間斷位置對(duì)應(yīng)地表形變較小，表明黏土層間斷的尺寸大小影響了該處的超孔隙水壓力累積和擴(kuò)散效果，即：間斷過小，孔隙水壓向上滲流不暢，產(chǎn)生阻滯效應(yīng)；間斷過大，孔隙水壓消散面積增加，不利于超孔隙水壓力的累積，最終均不會(huì)引起地表顯著變形.只有當(dāng)間斷尺寸適當(dāng)時(shí)，才既有利于超孔隙水壓力累積，又不會(huì)阻滯向上滲流，最終可引起地表顯著的變形.

圖9 不同土層結(jié)構(gòu)模型（左）及其砂土液化超孔隙水壓力的擴(kuò)散過程（右）（d）黏土層10 m間斷；（e）黏土層部分分布；（f）互層黏土層6 m間斷的模型Fig. 9 The different site models （left）and the corresponding seepage path of pore pressure （right）（d）Clay layer with 10 m gap；（e）Clay layer with discontinuous cap；（f）Interbedding clay layer with 6 m gap

基于場(chǎng)地模型主要模擬黏土層部分分布的地層結(jié)構(gòu)（圖9e），可以看出，由于上部黏土層的阻滯效應(yīng)，超孔隙水壓力明顯向無上覆黏土層的區(qū)域滲流遷移，并引起了該區(qū)域地表顯著的變形（圖10e），這種地層結(jié)構(gòu)容易引起地表的不均勻沉降，進(jìn)而導(dǎo)致建筑發(fā)生失穩(wěn)破壞.

圖10 不同土層結(jié)構(gòu)模型的砂土液化引起的地表位移變形（a）黏土層連續(xù)分布；（b）黏土層2 m間斷分布；（c）黏土層6 m間斷分布；（d）黏土層10 m間斷分布；（e）黏土層部分分布；（f）互層黏土層6 m間斷分布Fig. 10 surface deformation due to sand liquefaction in different soil layer structure models（a）Continuous clay layer；（b）Clay layer with 2 m gap；（c）Clay layer with 6 m gap；（d）Clay layer with 10 m gap；（e）Clay layer with partial distribution；（f）Clay layer with 6 m gap of interlayer clay layer

圖9f的場(chǎng)地模型主要模擬的是基督城Palinurus路側(cè)液化場(chǎng)地的土層結(jié)構(gòu)，其特征是不透水層與易液化土層的互層分布，并在空間上不連續(xù)分布，由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，對(duì)于黏土和砂土互層結(jié)構(gòu)，由于上下黏土層的阻滯效應(yīng)，夾在中間的砂土層孔隙水壓累積效應(yīng)更為顯著，同時(shí)沿著滲透系數(shù)大的水平方向滲流，然后在黏土層的間斷處向上滲流，最終引起地表變形.這可以對(duì)Palinurus路側(cè)場(chǎng)地的液化現(xiàn)象給出合理的解釋.

以黏土層2 m間斷的場(chǎng)地模型為例，單元監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)如圖11所示，對(duì)每個(gè)單元分別進(jìn)行孔隙水壓力時(shí)程和加速度時(shí)程的監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示，無論在間斷位置還是在不透水層下方，超孔隙水壓力都是隨著深度的減小而降低，進(jìn)而導(dǎo)致孔隙水在壓力差作用下由下而上滲流（圖12a，b）；雖然276號(hào)和285號(hào)單元處于相同深度，但是276號(hào)單元上覆不透水層，有利于孔隙水壓力累積，并大于處于間斷位置的285號(hào)單元，因此不透水層下方孔隙水均向該位置滲流，246號(hào)和255號(hào)單元亦是如此（圖12c）；而345號(hào)和315號(hào)單元兩處位置的地震動(dòng)時(shí)程在12.0 s以后出現(xiàn)明顯的“簡(jiǎn)諧波”振動(dòng)形態(tài)，這與實(shí)際液化場(chǎng)地的強(qiáng)震動(dòng)記錄特征一致（圖12d）.

圖11 黏土層2 m間斷的模型單元監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)Fig. 11 Series number of observing zones in the model with 2 m gap of clay layer

圖12 黏土層2 m間斷分布模型中不同監(jiān)測(cè)單元的孔隙水壓力（a—c）和加速度（d）曲線Fig. 12 The observation value of pore pressure （a?c）and acceleration （d）in model with 2 m gap of clay layer

5 結(jié)論和討論

由松原和新西蘭地震中實(shí)際調(diào)查液化點(diǎn)的分布，揭示高彎度河流沉積相地層易于發(fā)生砂土液化；結(jié)合高彎度河流沉積相的土層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了該位置易于發(fā)生砂土液化的原因，得出河流的水動(dòng)力作用和沉積作用形成的場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)對(duì)砂土液化有顯著的影響.針對(duì)河流不同沉積相的地層結(jié)構(gòu)建立簡(jiǎn)化場(chǎng)地模型，基于FLAC3D軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，揭示了不同地層結(jié)構(gòu)中超孔隙水壓的累積和滲流過程機(jī)制，分析了砂土液化引起的地表變形規(guī)律.

1）地震中砂土液化點(diǎn)的分布與不同的河流沉積相模式顯著相關(guān).對(duì)于高彎度河流沉積相模式，河水在凹岸側(cè)蝕，并在單向環(huán)流作用下，將侵蝕物質(zhì)搬運(yùn)沉積至凸岸，由于水動(dòng)力作用由下到上逐漸變?nèi)?，引起土層沉積的粒度逐漸變細(xì)，形成典型的二元結(jié)構(gòu)，即上覆黏土、淤泥質(zhì)黏土等不透水層，下伏飽和粉細(xì)砂、細(xì)砂等易液化土層.對(duì)于辮狀（游蕩型）河流沉積相模式，河床不穩(wěn)定、彎度小、水淺、流態(tài)不穩(wěn)，容易導(dǎo)致沉積回旋的上部的黏土層呈透鏡體狀等不連續(xù)分布特征.

2）場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)對(duì)于液化過程中孔隙水的滲流影響顯著.針對(duì)兩種不同河流沉積相形成的土層結(jié)構(gòu)建立場(chǎng)地簡(jiǎn)化模型，通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，上覆不透水層的連續(xù)分布容易引起超孔隙水壓累積并阻滯向上滲流噴出地表.不透水層或者弱透水層的不連續(xù)分布、透鏡體、尖滅等分布特征往往改變孔隙水滲流路徑，并產(chǎn)生孔壓重分布.受孔壓影響，孔隙水在土層不同區(qū)域的流出和流入將會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)位置液化勢(shì)的變化.

3）目前相關(guān)規(guī)范中對(duì)于砂土液化的判別通常采用一定數(shù)量的原位試驗(yàn)（比如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探等）測(cè)試點(diǎn)，依據(jù)這些測(cè)試點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，由于測(cè)試數(shù)據(jù)只能反映測(cè)點(diǎn)所在位置局部范圍的土體信息，這些數(shù)據(jù)有可能無法全面有效地反映整個(gè)場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件，尤其是土層結(jié)構(gòu).因此如何合理考慮場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)對(duì)砂土液化判別的影響尚需進(jìn)一步研究.