地震后,有些接近平坦的场地也会留下明显的水平位移。地表看不出很陡的坡,土体为什么还能朝一个方向积累移动?这篇研究把目光放到两种地震波的配合上,讨论了瑞利波与剪切波共同作用的一种机制。

一边推,一边改变“抓地力”

剪切波让土体受到来回变化的剪切作用;瑞利波则带来水平与竖向耦合的运动。竖向运动会改变土体承受的压力,进而影响它抵抗剪切变形的能力。

可以想象推一个压在桌面上的物体:压得重时更难推动,压得轻时更容易移动。如果来回推力与压力变化按照某种节奏配合,向一个方向移动的量就可能大于返回的量。对土体而言,地震中的孔隙水压力增长和强度降低,又会让这种不对称更容易积累。

这种累积机制的核心,是一个周期内两个方向的运动不再完全抵消。土体向某一侧受推时,如果对应的法向压力较低、抗剪能力较弱,就容易产生更多变形;反向受推时,压力与抗剪能力恢复,返回量可能较小。反复多个周期后,每次很小的不平衡就形成可观位移。论文先在简化单元中展示这种关系,再把它放入能够发生液化的分层场地,检查机制能否延续到整体响应。

瑞利波、剪切波与土单元受力示意。黑色箭头表示振动方向,红色箭头表示传播方向;右侧把土体所受作用与抵抗力画到同一个单元上。
图 1|瑞利波、剪切波与土单元受力示意。黑色箭头表示振动方向,红色箭头表示传播方向;右侧把土体所受作用与抵抗力画到同一个单元上。 来源:Fig. 1。

两种波叠在一起,位移开始积累

研究先用简化土单元解释受力,再采用能够描述液化行为的土体模型开展场地分析,分别输入剪切波、瑞利波以及两者的组合。对照结果显示,组合输入可产生更明显的累积侧向位移。

图中蓝、红、橙色曲线分别对应三类输入。关注最上方的位移曲线,组合输入随时间逐步偏向一侧;下方应变曲线则帮助判断变形在土层内部如何发展。液化层与非液化层交界附近,是研究中值得关注的变形部位。

上下两类应变也提供不同信息:水平正应变反映土体沿水平方向被拉长或压缩,剪应变则反映土层之间的错动。图中两个深度的结果并排显示,帮助判断地表移动与深部剪切之间的联系。当变形集中在液化层与下伏较稳定土层的交界附近,上部土体就可能在相对集中的剪切带上发生侧移,地表留下的整体位移由此有了内部变形来源。

三类输入下两个位置的位移与应变时程。S wave、R wave、C wave 分别表示剪切波、瑞利波和组合波,橙色曲线显示组合输入的累积效应。
图 2|三类输入下两个位置的位移与应变时程。S wave、R wave、C wave 分别表示剪切波、瑞利波和组合波,橙色曲线显示组合输入的累积效应。 来源:Fig. 10。

关键还在两种运动是否合拍

波的幅值、频率以及两种波之间的相位关系,都会改变累积变形。也就是说,同样包含水平和竖向运动,先后顺序与节奏配合不同,土体的最终位移就可能不同。

这项研究为近水平液化场地的大变形补充了一条物理解释:地面坡度之外,波动的耦合方式也能推动方向性的变形积累。分析液化场地时,把多分量地震动之间的关系保留下来,有助于理解土体最终会怎样移动。

为什么相位会重要?因为它决定水平推力达到较大值时,竖向运动正在加压还是卸压。频率则决定两种运动的配合关系能持续多少个周期。研究通过改变这些条件,观察同一类土体如何积累出不同侧向位移。这个过程说明,多分量输入中的时间联系本身就是一项重要信息。将它保留在液化分析中,能更清楚地连接地震波的运动方式与震后永久变形。