第17屆世界地震工程大會巖土地震工程相關領域研究進展綜述

柴少峰, 王蘭民, 蒲小武, 許世陽, 馬星宇

(1.中國地震局工程力學研究所 中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室, 黑龍江 哈爾濱 150080;2.中國地震局/甘肅省黃土地震工程重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

世界地震工程大會始辦于1956年,由國際地震工程協會(IAEE)主辦,每4年召開一次,是地震工程領域最有影響力的國際學術會議。第17屆世界地震工程大會(17th WCEE)于2021年9月27日至10月2日在日本仙臺國際會議中心召開。本次大會由國際地震工程協會主辦,日本地震工學會承辦。參會的67個國家代表中,日本、中國、美國、意大利分別以參會代表占比32.78%、12.16%、11.97%、5.27%位居本屆代表人數前四位。大會共接受論文2 583篇,交流了大會特邀報告7個(keynote ),主題邀請報告9個,大會共設25個普通專題分會(COS)、43個特別專題分會(SOS),92個項目專題分會,大會共交流報告190個。受新冠疫情影響,報告以線上和線下結合的形式進行,其中線上口頭報告107個。

會議交流內容涉及的主題為:(1)近年來地震的經驗教訓;(2)工程地震,包括活動斷層和古地震研究、震源特性、災害評估、地面運動、地震臺網及監測、地震波傳播路徑和場地效應、場地和破壞調查;(3)結構抗震性能,包括設計地震動、抗震設計與設計規范、建筑、橋梁和基礎設施、生命線工程、能源設施和核電站隔震和振動控制、設備和管道系統、試驗和物理模型、抗震性態設計實例研究;(4)結構評估與加固,包括抗震設計和設計規范、建筑、橋梁和特殊結構、傳統結構、非結構件、試驗和物理模型、抗震加固實例;(5)巖土地震工程,包括邊坡破壞,地面破壞、液化和地基改良、土-結相互作用、淺基礎和深基礎、試驗和物理模型;(6)海嘯災害評估,包括波的傳播、海嘯導致的破壞;(7)防災和應急管理,包括損失評估、快速結構評估、應急響應、人類行為、管理政策、早期預警等;(8)社會和經濟影響,包括影響和間接后果、意識和防范、公眾政策、恢復和韌性、經濟和保險政策、風險交流、教育和宣傳、抗震性能評估實例等;(9)地震損失和風險評估,包括風險和脆弱性、損失評估、風險評估、數字模型和應用、地震保險;(10)創新技術,包括遙感和無人機、AI 和大數據分析、新計算科學等。

本文就巖土地震工程和工程地震研究領域的砂土液化、斜坡地震破壞、土-結相互作用、地面破壞與場地地震安全、地面運動等5個相關專題分會的最新研究進展和動向分述如下。

1 砂土液化

本專題涉及的口頭交流報告共21個,大會按地震砂土液化災害、砂土液化災害的預防和模擬技術、地震引發的滑坡災害形成機制及液化風險評價等3個專題進行交流。

1.1 地震砂土液化災害

該專題共有8個口頭報告?？陬^報告的主要內容包括:日本名古屋大學的T. Yoshikawa(4b-0051)等針對2011年日本9.0級地震造成沿海地區大范圍的液化災害,利用土-水-氣三相耦合有限變形分析程序,對余震引起液化擴展損傷的機理進行研究。研究表明,在地震力的作用下,地下水位下飽和土體在不排水條件下受到循環剪切作用;土體的剪縮導致超孔隙水壓力的產生。當地震持時較長時,在地震作用期間以及地震后均會出現固結排水現象,并伴有塑性體積壓縮,這使得孔隙水從飽和土體向非飽和土運動,土體的飽和區域擴大。當土體在這種狀態下遭受余震時,由于液化面積變大,導致液化破壞范圍擴大。挪威巖土工程研究所的R. Stelzer(4b-0007)等以NGA-West 2數據庫中的5 840條雙向地震動為研究對象,采用單一WFC法計算循環荷載的等效振次(neq),研究了峰值計數、能級交叉、均值交叉和雨流計數等4種循環計數法(CCM)對neq的影響。結果表明,所選的CCM對neq的估計有顯著影響,且無論選用哪種CCM,濾波和地震動處理均會對neq的估計產生影響。在此基礎上,給出了將一個CCM計算的neq轉換為不同CCM計算的neq的方程。日本鐵道綜合技術研究所的M. Yamamoto(4b-0027)等基于時域非線性地震動反應分析的土體變形試驗,對基于耗散能評價液化勢的有效性進行了研究。試驗方法包括應變控制的1個循環階段試驗(1CSTs)、恒定應變循環試驗(CSCTs)兩個試驗階段?；?CSTs、CSCTs和混合地基響應模擬結果,表明基于耗散能的評價方法能正確評估土體的液化勢,并可通過歸一化累積的耗散能量來確定剪應變水平和加載歷史對累積耗散能與超孔隙水壓力增加之間的關系。美國加州大學洛杉機分校的K.S. Hudson(4b-0043)等對組建新一代液化數據庫(NGL)中實驗室的原因以及該數據庫的組織模式進行了介紹。NGL數據庫的目標是通過提供客觀數據來支持模型構建。上一代液化數據庫主要提供液化的現場案例及其影響,但由于在判定災害是否由液化引起時可能會出現誤判現象,且從現場災害中提取的信息不足以支撐一些液化風險性評估模型的數據需要,因此在原有數據庫的基礎上,增加了試驗室數據以滿足模型構建的需要。試驗室組件被內置到NGL數據庫框架中,該數據庫可以使用結構化查詢語言(SQL)進行查詢。日本東北大學的M. Jiang(4b-0028)等利用 3D DEM 技術對SHV波應變條件和瑞利波應變條件進行了一系列模擬試驗,研究旨在揭示瑞利波對飽和顆粒材料抗液化性能的影響及其作用機理。結果表明,兩種應變條件下的液化行為有顯著差異。在相同的初始狀態和循環累積等效剪應變的條件下,瑞利波應變條件下試樣孔隙水壓力的發展明顯快于SHV波應變,而試件的抗液化能力明顯低于SHV波應變條件。這表明在瑞利波應變條件下,試樣的結構體系更容易被破壞。中國地震局工程力學研究所的孫銳(4b-0011)等利用動三軸試驗儀,對不同相對密度的飽和砂土進行等壓固結、不同等幅動應力作用下的液化試驗,研究了孔隙水壓力對飽和砂土循環最大剪切模量和循環極限剪應力的影響方式和規律。結果表明,循環最大剪切模量比和循環極限剪應力隨孔壓比的增大而減小。在孔壓增加的條件下,砂土循環最大剪切模量與孔壓比的關系可表示為獨立于砂土類型和相對密度的線性關系,孔壓比等于循環最大剪切模量的相對減小量。循環極限剪應力與孔壓比的關系不僅可以表示為與砂土類型和相對密度有關的二次曲線,還可簡化為與砂土類型和相對密度無關的線性關系,此時孔壓比等于循環極限剪應力的相對減小量。新西蘭奧克蘭大學的M. Zakerinia(4b-0030)等通過兩種數值模擬方法(FLAC中的PM4 砂土模型和OpenSees中的應力密度模型)對一維自由場場地響應進行模擬,并將臨界位置處的加速度、孔隙水壓力和位移與離心機試驗結果進行對比,對OpenSees中實現的應力密度模型在預測涉及液化的自由場場地響應中的效果進行了評估。結果表明,應力密度模型為中等PRI(Port Island)運動提供了較為真實的孔隙水壓力,當PRI運動較小時,應力密度模型的誤差較大。同時,在中等PRI運動中,應力密度模型的結果相較于小規模運動,在加速度時程、孔隙水壓力和光譜響應等方面的模擬結果有所改善。新西蘭奧克蘭大學的T.Khansari(4b-0038)等基于坎特伯雷地震序列期間新西蘭基督城實測超孔隙水壓力數據,利用有限差分軟件FLAC進行的一維有效應力場地響應分析,對PM4 砂土液化本構模型的適用性進行驗證。結果表明,加速度峰值在地表出現的時間與顯著超孔隙水壓力形成的時間相對應。與記錄的孔隙水壓力相比,PM4 砂土模型在預測超孔隙水壓力的產生方面表現良好。自由場體積應變和由此產生的沉降量較小,與其他數值研究的觀測結果一致。這表明PM4 砂土液化本構模型具有較好的適用性。

這一專題分會反映出的新進展與新動向可歸納為:

(1) 隨著全球范圍內液化實例的大規模豐富,利用已有的液化災害數據庫和觀測數據對液化機理和預測模型進行研究成為新的動向,其新進展表現在:余震引起的液化擴展損傷是由于飽和土體中的孔隙水向非飽和土體擴散運動的結果;給出了不同循環計數法計算循環荷載的等效振次的方程;補充試驗數據的數據庫可滿足構建不同液化分析模型的需要;從超孔隙水壓力和體應變的時程驗證了PM4砂土液化本構模型的實用性。

(2) 利用數值模擬軟件和改進的液化本構模型對砂土液化災害進行模擬研究仍然是砂土液化研究的重要途徑。其進展表現在:揭示了瑞利波應變條件下試樣孔隙水壓力的發展明顯快于SHV波應變,飽和試樣更容易被破壞;應力密度模型對加速度時程、孔隙水壓力和頻譜響應等方面的模擬結果有所改善;PM4砂土模型預測超孔隙水壓力方面表現良好,且自由場體積應變和由此產生的沉降量與觀測結果一致。

(3) 土動力學試驗在液化評價方法和土體動力參數研究方面取得了新的進展,具體表現在:基于應變控制的循環階段試驗(1CSTs)、恒定應變循環試驗(CSCTs)和混合地基響應模擬結果,耗散能評價方法能夠正確評估土體的液化勢;循環極限剪應力與孔壓比的關系不僅可以表示為與砂土類型和相對密度有關的二次曲線,當孔壓比等于循環極限剪應力的相對減小量時,兩者之間的關系可簡化為線性關系。

1.2 砂土液化災害的預防技術

該專題共有7個口頭報告?？陬^報告的主要內容包括:日本東京大學的R.R. Vargas(4b-0013)等基于LEAP數據庫,對“應變空間多機制模型”在不同密度和輸入地震動下模擬側向擴展的能力進行了驗證和評估。研究結果表明,由于模型參數較多,數值模擬輸入參數的可變性應基于模擬的抗液化強度曲線(LRC)的潛在變化,而不是個別參數的變化。根據土體的復雜特性、地質條件和勘探數據的質量,LRC將隨著場地的不同而產生變化。通過將計算位移與相關估計結果(基于48次離心機試驗)進行了比較,表明該模型在試驗土體密度Dr= 50%、60%、70%和80%中具有較好的效果。日本大學的N. Sento(4b-0009)等通過振動臺試驗,對作用在飽和松砂中埋藏管道上的超孔隙水壓力進行了測定,以此為基礎評價其上浮力,提出了抗上浮安全系數,并將試驗值與現行實際設計估算值進行了比較。結果表明,最大有效孔壓比在管頂處接近于0,在管底處則接近為1。通過作用在管道上超孔隙水壓力評價的上浮力大約是理論方法估算值的2倍,且當抗上浮安全系數低于1時,埋管向上移動。震動時的最小抗上浮安全系數約為理論方法估算抗上浮安全系數的3倍。日本東京機電大學的S. Yasuda(4b-0012)等介紹了2011年日本9.0級地震后,日本研究實施“城市液化預防工程”的進展。工程的主要措施是通過降低居民住宅區的地下水位來主動預防地震液化災害的發生。根據日本國土交通省(MLIT)相關研究,在已知土體液化指數的基礎上,地下水位降至3 m及以下的木質結構房屋的損傷趨勢由C(造成嚴重損害的可能性極高)、B3(造成嚴重損害的可能性相對較低)轉變為B2 、B1(造成嚴重損害的可能性相對更低),由此液化預防工程將抗液化示范區域的地下水位標準確定為3 m。且現場原位測試表明,在降低地下水位至3 m的過程中,地表沉降量很小。因此降低地下水位對可提高房屋密集的居民區和儲罐、倉庫密集的工業區的抗液化能力,可在此類地區進行推廣。美國波特蘭州立大學的D. Moug(4b-0047)等對微生物誘導土體去飽和作用(MID)現場試驗進行了介紹。在MID方法中,采用一種由硝酸鈣和醋酸鈣組成的混合溶液來處理土體,以刺激土體中本身存在的反硝化細菌。反硝化細菌會產生氮氣用于置換水分,從而降低土體飽和度?？蒲腥藛T向中心注水井注入醋酸鈣和硝酸鈣溶液,同時從距離注水井3.5 m處等間距的4口周邊抽水井收集地下水。通過跨孔法P波波速測試和SCPT測試對土體去飽和度進行監測。試驗結果表明,處理后土體的P波波速明顯下降,土體呈現去飽和的效果。日本福井大學的M. Yoshida(4b-0055)等介紹了一種基于水壓消散法的排水功能測井(通過在原木中心和表面上打孔制作而成),采用小規模振動臺試驗,通過與無排水功能測井測試結果進行比較,以評估排水測井的有效性。通過常水頭滲透試驗得到,排水測井中原木的滲透系數超過碎石排水法中的碎石。振動臺試驗結果表明,排水測井可以降低超孔隙水壓力的積累速率,增加其耗散速率。法國巴黎薩克雷大學的C. Khalil(4b-0054)等利用基于層狀地基/巖層剖面的路堤二維有限元程序(GEFDyn),建立了彈塑性多機制土體運動模型。通過此模型對微生物灌漿加固后堤壩以及未采取加固措施的堤壩進行數值模擬分析,以評估微生物灌漿加固效果。壩體損傷以壩頂沉降表示。結果表明,在同等條件下,采用微生物灌漿改進技術后的壩體,壩頂沉降較小。表明微生物灌漿改進技術有助于壩體抗震。日本東京工業大學的R. Kumar(4b-0001)等利用離心機試驗,研究了液化對經碎石柱處理后基礎結構的影響。同時,利用離心機試驗結果對采用OpenSees框架中PDMY02彈塑性本構模型數值模擬的有效性進行驗證。結果表明,在長周期內,經過碎石柱處理后地基和未處理過地基的地面位移譜都比施加在地基處的地震動位移譜要大。經過碎石柱處理后地基地面位移譜小于未處理過地基的地面位移譜。地面位移譜相對于實際震動的放大幅度與地面平均沉降有關。位移譜放大幅度越大,地面平均沉降越大。隨機結果還表明,根據入射波的傳播和相關的地面液化程度,峰值位移(PGD)可能會發生顯著變化,因此應考慮設計地震位移需求。

這一專題分會反映出的新進展與新動向主要為預防液化災害的工程和技術相關研究。其新進展主要有:

(1) 應變空間多機制模型對密實處理技術抗液化側向擴展具有較好的評估效果;

(2) 基于振動臺試驗實測的超孔隙水壓力定義了抗上浮安全系數,試驗結果表明理論方法低估了管道的抗上浮安全系數;

(3) 日本提出了人工控制降低地下水位的抗液化技術,并在房屋密集的居民區和儲罐、倉庫密集的工業區進行了示范,取得了良好的效果;

(4) 微生物誘導土體去飽和方法可降低土體飽和度,從而降低液化災害發生的風險;

(5) 排水測井可以降低超孔隙水壓力的積累速率,增加超孔隙水壓力消散速率;

(6) 微生物灌漿加固技術有助于壩體抗震;碎石柱基礎地面位移譜小于未處理過地基的地面位移譜,具有較好的抗液化效果。

1.3 地震引發的滑坡災害形成機制及液化風險評價

該專題共有6個口頭報告?？陬^報告的主要內容包括:新西蘭坎特伯雷大學的Misko Cubrinovski(001B07-01)等介紹了兩種對工程結構和社區危害極大的土體液化災害,填海造陸后土體液化以及城市土體液化。通過近期新西蘭地震中的案例,闡述了液化的特點和對土體及結構的危害,分析了惠靈頓港礫石填料的液化及細-粉砂組分對級配良好的礫石填料液化性能的影響。通過對克賴斯特徹奇市55個液化災害實例(從無液化到嚴重液化)分析,闡明了不同土體層間交叉作用的重要性和可液化土體的系統響應機制。結果表明,造成惠靈頓港液化的原因在于其礫石填料的低密度以及細-粉砂組分主導了級配良好的礫石填料的循環特性。垂直連續可液化砂土組成的土體,系統響應機制會加劇液化的嚴重性,而由可液化層和不可液化層組成的相互交叉組成的土體,則會減輕液化災害。新加坡奧雅納公司的R. Lagesse(4b-0003)等介紹了2018年帕魯7.5級地震發生后,英國地震工程現場調查隊(EEFIT)和印度尼西亞蘇門答臘班達亞齊的Syiah Kuala大學海嘯與減災研究中心(TDMRC)組成的聯合調查組對大規模地面破壞的調查結果,并對Balaroa、Petobo以及Sidera三個大規模地震滑坡的破壞機制、影響因素以及運移特征進行分析。調查結果表明,三個大規?；戮鶠榈徒嵌韧馏w液化誘發的碎屑流,由于其含水量較大,故流動性極強。其成因與水文地質條件、地形條件以及人為因素的相互作用有關。日本愛媛大學的K. Ono(4b-0052)等通過現場調查、測試及室內試驗,對2018年帕魯7.5級地震引發Sibalaya地區滑坡災害的形成機制進行研究。通過現場調查、測試確定了滑坡的最大滑距、運移特征以及液化層位。調查表明,地震后滑坡北側運動時間較長,最大滑距為410 m。許多建筑物幾乎完好無損,這表明一定厚度的土體處于整體移動狀態。通過對開挖溝壁的直接觀測和動力觸探試驗,確定液化層位為礫石砂層。室內液化試驗也證實礫石砂層在帕魯地震中可產生液化現象,但室內不排水剪切試驗顯示,試樣并未出現明顯流動性,表明此滑坡災害不能只用液化層受力運動解釋,還需進一步研究。泰國清邁大學的S. Sethabouppha(4b-0031)利用動力圓錐貫入試驗(KPT)對土層液化勢進行評價,以探討KPT試驗替代SPT試驗的可能性。通過在2014年清萊地震中發生的8個液化點和4個未液化點進行KPT試驗,將KPT試驗得到的NKPT值轉換為NSPT值,并根據土體分類的結果,利用Idriss和Boulanger 2014年提出的抗液化安全系數計算程序進行計算,所得計算結果較為合理。相較于SPT試驗,KPT試驗具有體積小、重量輕、工具簡單、成本相對低廉等優勢,因此在SPT試驗受限的情況下,可以用KPT試驗對其進行替代。但KPT試驗儀器也不能穿過堅硬的土體,且工作范圍較小的缺點,因此可根據具體問題對兩種試驗方法進行使用。墨西哥國立自治大學的M. Ordaz(4b-0026)等在概率地震危險性分析( PSHA )框架內引入概率液化危險性分析(PLHA),其中地震環境是用事件來描述的,而非多重積分?；谑录枋?可以更容易理解常規液化方法和概率處理之間的相互作用。從PLHA的結果中可以知道液化發生的頻率和判別依據。最后,將概率液化危險性分析(PLHA)集成到現代的概率地震危險性分析(PSHA)程序,并將其命名為R-CRISIS。同時提出了初步的土體液化判別依據。其在一定條件下,可以在不需要進行充分PLHA分析的情況下就能對某一土壤剖面液化年發生概率有較為合理的預測。英國謝菲爾德大學的I.Sianko(4b-0056)等提出了一種基于蒙特卡羅(Monte-Carlo)方法的概率液化危險性分析程序(PLHA),并在土耳其的阿達帕扎勒地區對其進行驗證。研究表明,與傳統的液化估算方法相比,PLHA方法能夠更完整、準確地預測給定場地的液化勢。由于概率液化危險性分析方法考慮了在預期的重現期內影響研究區域的所有可能事件,因此PLHA相對于確定性液化危險性分析,在預測某一地區未來一段時間內的液化風險更具有優勢。決策者和設計人員可以利用PLHA程序得到的PLHA圖和液化概率風險曲線,對阿達帕扎勒地區的預期液化風險進行評估。

這一專題分會反映出的新進展與新動向可歸納為:

(1) 新西蘭地震在克賴斯特徹奇市引起的大范圍場地液化和帕魯地震引發的大規模液化滑坡成為近年來國際巖土地震工程界研究的熱點問題。在此方面的新進展包括:含細-粉砂的低密度礫石填料盡管其級配良好,仍然可發生液化;帕魯地震引起的三個大規?；戮鶠榈徒嵌韧馏w液化誘發的碎屑流,其成因與水文地質條件、地形條件以及人為因素的相互作用有關;也有專家研究表明帕魯地震大規模液化滑坡存在土層整體移動特征,其滑移機制不能只用液化層受力運動來解釋。

(2) 在SPT試驗受限的情況下,可以用KPT試驗對其進行替代。

(3) 將概率方法引入到土體液化危險性分析中,新方法可以在不需要充分PLHA分析的情況下就能對某一土壤剖面液化年發生概率進行較合理的估計;利用PLHA圖和液化概率風險曲線可對區域液化風險進行評估。

2 斜坡地震破壞

該專題有7個口頭報告?？陬^報告主要涉及如下內容:日本東京大學的K. Konagai(4a-0002)等基于2018年9月6日北海道6.6級地震誘發地震滑坡調查,探討了滑坡體幾何特征與滑距的相關性。結果表明,2018 年北海道地震多處滑坡的坡高H與原坡在水平面上的投影X1、滑動距離X1+X2之間存在相似關系。香港科技大學Z.W. Chen(4a-0015)等基于三維地形物理模型的數值計算,研究了三維地形的地震動放大效應?；谘芯拷Y果,提出了一種評估同震滑坡災害新方法。東京工業大學M. Kamiyama(4a-0008)等基于GEONET,GNSS地球觀測網絡的強震動加速度數據,研究了同震地應力變化與斜坡土層結構破壞之間的關系。研究結果表明,針對造成地震破壞的地震力的分析,需要同時關注地震加速度運動與大地測量效應。日本大學K. Saito(4a-0006)等通過離心機試驗,研究了地震觸發海底滑坡破壞機制。研究結果表明,海底斜坡滑動面由較淺深度處的變形產生,并且隨著地震振動加速度的增加而變深。日本防衛大學N. Shinoda(4a-0011)等基于數值計算方法,分析不同類型鐵路路堤在強震動下的易損性,提出了一種獲取鐵路路堤設計參數的脆弱性曲線方程。日本國士館大學T. Hashimoto(4f-0010)等通過大型振動臺試驗,研究了石墻在地震作用下的坍塌機理,分析了石墻模型在施加不同抗震加固措施的振動響應,提出了一種有效的石墻抗震加固方法。北達科他大學I.H.P. Mamaghani(4a-0007)基于離散有限元方法,研究了離散有限元方法對未加固砌體結構穩定性分析的適用性,結果表明,離散有限元是對砌體結構穩定性研究的一種有效方法。

這一專題分會反映出的新進展與動向可歸納為:

(1) 通過地震滑坡現場調查,給出了基于坡高和斜坡水平面投影的滑距預測模型;

(2) 通過對強震動觀測數據分析,提出了基于斜坡場地三維地形地震動放大效應的同震滑坡災害評估新方法;

(3) 海底地震滑坡研究成為一個新動向和前沿課題,海底斜坡滑動面由較淺深度處的變形產生,地震動強度越大,滑動面越深;

(4) 通過數值分析或振動臺試驗等手段,提出了一種獲取鐵路路堤設計參數的脆弱性曲線方程、基于不同加固措施的石墻抗震加固方法和評價砌體結構抗震穩定性的離散元方法,為相應構筑物易損性評價和加固提供了科學依據。

3 土-結相互作用

土-結構相互作用仍然是本次大會巖土地震工程領域的熱點之一,大會安排了3個分會,涉及土-樁-結構體系及地震響應、土-結相互作用及抗震性能、土-結構動力相互作用分析方法等,共交流了22個口頭報告。

3.1 土-樁-結構體系及地震響應

該分會交流了8個口頭報告。Y. Otsuka(4c-0028)等利用日本最大的振動臺E-Defense進行了大型土-樁-結構體系的液化試驗,對三維有限元模型分析土-樁-結構體系抗液化性能的有效性進行了驗證,結果表明,三維有限元模型的計算結果與土體和結構中密集測量的加速度和孔隙水壓力實驗數據一致性較好,驗證了三維有限元模型的有效性。T. Okumura(4c-0040)等利用離心機振動臺試驗研究了軟土地基的非線性力學性質,對某板形建筑樁基進行了50g離心加速度下的兩次振動模型試驗。研究表明,由于砂土液化和砂土路基反應較大,使地面的固有周期增加。在相同的輸入振動強度下,上部結構的慣性力被減弱,但砂土液化引起的整個樁身彎矩比黏土地基大。臺灣成功大學Y.Y. Ko(4c-0010)利用柔性剪切箱開展了可液化土中群樁地震反應的振動臺試驗,驗證了剪切箱柔性邊界的有效性,同時研究得出在振幅為50 gal的正弦激勵下,地面試樣上半部分達到初始液化,而在振幅為75 gal的試驗中,幾乎整個地面都液化了。京都大學A. Sahare(4d-0006)介紹了不同斜坡條件下液化引起的群樁橫向擴展的機制,采用有限元程序“FLIP ROSE”中的應變空間多機制模型進行數值分析。對考慮單樁和2×2群樁條件的4種不同樁基礎在5°和10°傾斜地表下的運動學相互作用進行了數值分析。利用所有實例計算結果研究了在不同擴展條件下,由周圍土體引起的側向應力對樁表面產生的不同側向位移和彎矩。研究發現,在較大的側向擴展事件中,振動初期產生較大的側向應力,導致塑性鉸在破壞前沿樁長提前形成。即在地震過程中及之后土體動力特性發生顯著變化,從而對群樁基礎的動力相互作用進行了研究。京都大學G. Adapa(4e-0014)通過控制路堤上游的水位,在路堤模型上進行動態離心試驗模擬兩種不同路基內部飽和程度和飽和區,研究了相同加載工況下路堤的變形,得出結論:路堤的動力響應在很大程度上取決于振動前路堤不同位置的飽和程度和路堤的實際密度。智利迪薩羅洛大學的G. Candia(4c-0016),利用數值模擬地鐵隧道的地震易損性,研究使用一種基于性態的方法來估計隧道設計中使用的臨界工程需求參數(如襯砌內力、直徑應變、地面變形參數等)的平均超越率。其開發了一套新的EDP脆弱性函數,利用有限元模型(2D)和中密土雙軌圓形隧道的動力分析,推導了脆弱性函數;采用諧波激勵下的圓形隧道動態離心試驗結果、砂土室內試驗結果和彈性理論結果對模型參數進行了驗證。墨西哥國立自治大學工程研究所J.M. Mayoral(4e-0016)選取墨西哥城某在建地鐵車站作為地震測點,建立了隧道建筑布局的三維有限差分模型,研究剛性土中隧道與建筑物的地震相互作用效應并給出了數值模擬結果。日本關東學院大學N. Yoshida(4f-0002),提出并討論了地下結構地震反應分析中多支撐激勵問題的計算公式。將土-結構相互作用模型分解為包括地下結構和地面結構,通過兩個案例驗證了該計算方法的適用性。

這一專題分會的新進展與新動向可以歸納為:

(1) 1g重力振動臺和離心機振動臺試驗仍為土-樁-結構體系、軟土地基、可液化土中群樁地基、路堤動力響應和抗液化性能等研究的主要手段,其新進展表現在:利用大型振動臺試驗驗證了三維有限元模擬分析土-樁-結構體系抗液化性能的有效性;在相同的輸入振動強度下,砂土液化引起的樁身彎矩比黏土地基大;利用剪切箱開展可液化土中群樁地震反應試驗可有效消除邊界效應的影響,試體模型隨著地震動強度的增大上半部分初始液化可發展到幾乎整個地面;振動前路堤不同位置的飽和程度和路堤的實際密度在很大程度上決定了路堤的動力響應。

(2) 通過應變空間多機制模型有限元分析,得出振動初期產生的較大側向應力導致塑性鉸在破壞前沿樁長提前形成;基于性態的方法來估計隧道設計中使用的臨界工程需求參數,開發了新的EDP脆弱性函數,利用有限元模型和動力分析推導了脆弱性函數,并用振動臺和室內試驗對模型參數進行了驗證;給出了剛性土中隧道與建筑物的地震相互作用效應及數值模擬結果。

(3) 提出并討論了地下結構地震反應分析中多支撐激勵問題的計算公式。

3.2 土-結相互作用對抗震性能的影響

該專題有6個口頭報告?？陬^報告主要涉及如下內容:清華大學土木工程安全與耐久性教育部重點實驗室Y. Tian(4c-0009)進行了復雜地形下場地-城市相互作用的振動臺試驗與數值模擬,結合復雜地形進行了7組振動臺試驗,研究了不同地形、建筑物、建筑群結構和輸入地震動對復雜場地-城市交互作用(SCI)效應的影響?；谠囼灲Y果,驗證了所提出的SCI效應數值耦合方案的可靠性。通過參數分析和實例分析,說明了考慮復雜地形的SCI效應。伊朗德黑蘭塔比阿特莫達勒斯大學土木與環境工程院M. Ansari(4c-0034)展示了土-樁-結構相互作用對高層建筑動力性能影響的試驗。將一個15層鋼筋混凝土建筑簡化為具有兩種類型實心(即剛性)和條形(即柔性)樁帽基礎的5層建筑,通過1∶22的幾何相似比,將原型建筑的所有構件按比例縮小,利用加州州立大學弗雷斯諾分校的振動臺設備,對三個測試單元進行了一系列振動臺試驗。結果表明,與基礎嵌固結構相比,樁-土-結構相互作用會增加樁-樁結構的層間位移。此外,采用條形承臺可減小結構層間位移,其研究結果可為上部結構設計合適的承臺,提高抗震性能提供參考。濱田竹中研究與發展研究所J. Hamada(4c-0038)介紹了大型樁筏基礎深層攪拌混凝土墻支撐隔震辦公樓的地震觀測結果,在地震觀測記錄的基礎上研究了樁筏基礎的抗震性能。通過對建立在軟黏性土壤下液化砂層上的一棟12層采用了網格狀深層攪拌混凝土墻的獨立辦公樓進行了170多個地震事件的觀測,依據建筑的加速度、樁動截面力和筏板下動土壓力觀測,結果表明樁頂處(GL-8.5 m)軸向應變與樁中深處(GL-20 m)軸向應變基本一致。樁頂處彎曲應變比中間深處彎曲應變要小得多。證明了采用網格狀深復合墻減小了樁頂彎矩。希臘NTUA土木工程學院E.Garini等(4c-0061)研究了強震作用下相鄰建筑物地基土-基礎-結構的相互作用。重點研究19層的廣場建筑與布加勒斯特圣約瑟夫大教堂的相互作用。教堂建在廣場上面,下面有一個嵌入的四層地下室和下面的樁。兩個結構都建立在堅硬黏土和沙層上,總深度42 m,地下水位較淺。通過建立一個二維有限元模型,對廣場建筑和教堂建筑體系模型施加1977年7.7級Vrancea地震波,結果以加速度和位移時程曲線的形式呈現,同時給出了塑性變形的等值線,并對教堂單獨振動時的反應和相鄰建筑與教堂相互作用時的反應進行了比較。 佛羅里達大學土木、環境與建筑工程系J.A. Mercado(4c-0029)通過引入頻率相關的彈簧和阻尼器來模擬土體剛度和阻尼特性,研究了結構的周期延長特性。在OpenSees中開發了典型建筑模型對影響高層建筑周期延長特性的主要變量進行參數化研究,包括建筑物的固有周期、有效結構高度、結構長寬比、支撐土的有效剪切波速等。其研究結果對高層建筑抗震設計中土在結構地震反應中的作用具有一定的參考價值。D. Nakamizo(4c-0052)介紹了考慮土-結構相互作用的地震設計荷載評估方法及實例研究,基于能量平衡方程,提出了一種評估結構設計中減少土-結相互作用(Soil-Structure Interaction)效果的方法。該方法生成SSI的響應縮減系數,由慣性相互作用和運動學相互作用兩部分組成,基于該系數提出了直接基礎、樁基礎和有滑移直接基礎的SSI評價方法。從工程的角度對有效評估建筑結構設計中地震設計荷載具有重要的參考意義。

這一專題分會反映出的新進展與動向可歸納為:

(1) 隨著數值模擬軟件的豐富和成熟,數值模擬研究仍是與振動臺試驗配合研究土-樁-結構體系、復雜場地-城市交互作用、土-樁-結構相互作用對高層建筑動力性能影響等的重要手段。其新進展表現在:驗證了振動臺試驗和數值模擬耦合方案對SCI效應研究的可靠性,分析了不同地形、建筑群結構、輸入地震動等因素對復雜場地-城市相互作用(SCI)效應的影響;明確了與基礎嵌固結構相比,樁-土-結構相互作用會增加樁-樁結構的層間位移。而采用條形承臺可減小結構層間位移;對教堂單獨振動時的地基反應和相鄰建筑與教堂相互作用時的反應進行了比較。

(2) 利用震動觀測記錄對樁筏基礎抗震性能與土-樁-結構相互作用對高層建筑動力性能的影響研究等成為最新進展的前沿亮點。其新進展表現在:采用網格狀深復合墻減小了樁頂彎矩;利用模型試驗證明地基-結構相互作用延長建筑物的周期和增大阻尼。

(3) 基于能量平衡方程,提出了一種評估結構設計中減少土-結相互作用的方法,可從工程的角度對建筑結構設計中地震設計荷載進行較合理的估算。

3.3 土-結構動力相互作用分析方法及應用

該專題有8個口頭報告?？陬^報告主要涉及如下內容:印度坎普爾理工學院的Burnwal(4c-0041)等,通過振動臺試驗和非線性有限元分析,研究了土工合成增強砂層的土-結構相互作用行為。通過建立一個三層抗彎鋼架的數值模型,采用二維平面應變的方法,在OpenSees有限元框架中進行分析。同時采用具有非線性材料模型“壓力依賴多屈服”的4節點4單元對土工合成材料加筋恒河砂進行建模?？紤]到土-結構相互作用的影響,在試驗中設置了不同的基腳寬度和邊界條件(柔性和剛性基礎)。除了有無土工合成材料外,同時也考慮了土工合成材料層厚度、土工合成材料頂層深度、土工合成材料長度、材料模型、建模方法、與土的相互作用等參數的影響,為抗震設計與分析提供依據,并將數值研究結果與印度坎普爾理工學院建筑縮尺模型系列振動臺試驗進行了比較和驗證。歐洲地震工程培訓和研究中心的Cavalieri(4c-0002)等,建立了一種新的土-結構相互作用模型,探討了其對建筑物脆弱性函數的影響。利用結構圖建立了包含主要非結構構件的系統多自由度數值模型,以研究并推導脆性函數。同時,為減少推導脆弱性函數的計算工作量,建立了新的土-結構相互作用模型,采用簡化的單自由度等效系統方法來表示每種類型的結構系統。印度魯爾基理工學院的Bharathi(4d-0011)等,研究了地震作用下垂直樁與斜樁、單樁與群樁的峰值位移,發現斜樁較垂直樁更優,群樁優于單樁,而斜群樁優于垂直群樁。東京工業大學的Tamura(4c-0060)等,基于動態離心試驗,探討了地震作用下地基梁剛度和樁端條件對樁性能的影響。進行了土-樁-上部結構模型的動態離心試驗,在離心加速度為40g的條件下進行,使用離心機試驗,以基礎梁的抗彎剛度和樁端條件作為試驗參數。研究表明,在高剛度基礎梁和固定樁端條件下,樁身位置引起的樁端彎矩差異相對較小。無論樁端條件如何,當基礎梁剛度較小時樁端彎矩在中間位置最大。當樁端自由且上部結構慣性較大時后排的彎矩變小。EAFIT大學的Montoya-Noguera(4c-0027),在Aburrá Valley大都市區應用了一種新的地震小區劃方法,探討了土-結構相互作用與土壤非線性對結構性能評估的影響。通過蒙特卡羅模擬和一維波傳播的等效線性分析,得到地表頻譜加速度與出露巖石的頻譜加速度的比值(即平均土壤放大因子),以此來識別Aburrá Valley大都市區所有沖積層的總體特征。塞薩洛尼基亞里士多德大學的Vratsikidis(4e-0020)等,通過環境噪聲測量、自由和強制振動測試,研究了系統的動力特性和土-地基結構相互作用效應。在位于希臘北部的EuroProteas原型結構中進行了一系列環境噪聲測量、自由振動和強迫振動測試,應用不同的數據解釋方法,估計了系統的柔性周期增長和阻尼增大,并研究了其非線性動態行為。試驗表明,地基-結構相互作用的周期延長和阻尼增大效應明顯,系統的諧振頻率比數值計算的諧振頻率更低。Kobori研究綜合公司的Kadota(4c-0017)等,提出了一種能確保擋土墻體完整性的施工和加固方法。根據2016年的熊本地震損傷調查結果,確定了固定砌塊墻的高度和施工方向對損傷程度的影響,其內部砂漿強度及其完整性對其抗震性能有至關重要的影響。從有助于建立設計或施工具體措施的角度出發,針對固定砌塊墻的脆弱性進行試驗和模擬。結果表明,即使回填砂漿強度很低,由砌塊與砂漿構成的擋土墻也不易發生垮塌等嚴重破壞,可作為一種確保墻體完整性的施工和加固方法,以避免擋土墻倒塌。休斯頓大學的Moores(4e-0015)等,提出了周期阻隔材料理論,并開展了固頻連續正弦波試驗,分析了周期阻隔的振動衰減機理。將溝槽型波障與一維周期材料相結合,開發了一種侵入式周期阻隔系統。利用德克薩斯大學的實驗設施,采用掃頻、諧波、地震波等多種輸入波,進行被動隔震試驗。試驗表明,在水平交叉線方向的激勵下,設計的周期阻隔在理論頻帶間隙內有明顯的衰減,周期阻隔對地面響應、加載距離對周期阻隔性能均有顯著影響。

土-結構相互作用仍然是本次大會巖土地震工程領域的熱點之一。這一專題分會的新進展與新動向可以歸納為四個方面:

(1) 振動臺試驗和數值模擬相結合的方法是研究土-結構相互作用的有效手段。其新進展表現在:從沉降控制角度,連續黏性模型(CVB)比連續剛性邊界模型(CRB)更適合模擬土-基礎系統的地震反應。

(2) 建立了一種基于建筑物脆弱性函數的土-結構相互作用模型;從抗震性能角度,斜樁較垂直樁更優,群樁優于單樁,而斜群樁優于垂直群樁;高剛度基礎梁和固定樁端條件下,樁身位置引起的樁端彎矩差異相對較小。

(3) 研究了地基-結構相互作用對振動傳播的影響和新型隔震措施。其新進展表現在:提出了一種評估結構設計中減少土-結相互作用效應的方法;地基-結構相互作用的周期延長和阻尼增大效應明顯,系統的諧振頻率比數值計算的固有諧振頻率更低;提出了一種能確保擋土墻體完整性的施工和加固方法;開發了基于周期性材料的侵入式周期阻隔系統并驗證了其隔振效果與隔振距離。

(4) 提出了一種基于地表頻譜加速度與出露基巖頻譜加速度比,評估土-結構相互作用和土壤非線性對結構性能影響的地震小區劃方法。

4 地面破壞及場地地震安全

該專題有8個口頭報告?？陬^報告主要涉及如下內容:日本大成建設株式會社K. Haba(4b-0058)等通過數值模擬方法,計算得出了2014年日本長野縣北部地震地表破裂過程,同時分析了斷層巖體材料的不確定性對地表斷裂的影響。研究結果表明,高性能計算有限元方法可以對各種模型和初始/邊界條件進行分析,適用于考慮不確定性地表斷層位移的概率評估。日本電力中央研究所M. Sawada(4b-0034)等通過數值模擬方法,模擬了2016年熊本地震地表破裂過程,開發了一項評估地表破裂位移的并行有限元程序。研究結果表明,該程序可以對主斷裂的滑動分布進行預測。不列顛哥倫比亞大學M. Wesolowski(4e-0010)等基于X射線顯微CT掃描方法,分析泥沙樣品微結構特征?；谘芯拷Y果,提出了一種基于X射線顯微CT掃描方法確定泥沙微顆粒結構的方法。印度尼西亞萬隆理工學院R. Mikhail(4f-0009)等基于日本學者Imamura and Furuta 提出的vS30地表地震動放大系數方法,將該方法應運于印度尼西亞全國地震動參數區劃圖的繪制中。研究結果表明,該方法可以根據地表高程數據(DEM)計算得到地表地震動放大系數,并應用于區域地震動參數計算中。日本鐵道綜合技術研究所T. Kanzawa(4b-0025)等基于數值計算方法,對樁基支撐的橋墩的地震響應進行了振動分析?；谘芯拷Y果,提出了一種橋墩抗震設計中動態變形特性的測試方法,并驗證了該測試方法的適用性。加泰羅尼亞技術大學F. López-Almansa(4c-0015)等基于西格瑪點的卡爾曼濾波方法,對地表地震加速進行逆向分析?；谘芯拷Y果,提出了一種根據地表地震加速度值反推深部加速度值的非線性反卷積方法。北馬其頓共和國地震工程與工程地震研究所K. Edip(4c-0039)等基于數值模擬方法,分析了地震波在近場與遠場傳播的邊界效應?；谘芯拷Y果,提出了一種針對地震波傳播的邊界效應的有限元與無限元的耦合計算方法。南京航空航天大學S.L. CHEN(4c-0004)等基于有限元數值模擬方法,分析了海水-基巖海盆和海水-飽和海盆模型在縱波垂直入射下的響應?；谘芯拷Y果,提出了一種地震波入射海域地震波在近場散射的模擬方法。

這一專題分會的主要目標是通過數值分析、振動臺試驗及室內巖土試驗等手段,探索了地震波傳播邊界效應、地震波在海盆中垂直入射下的響應、根據地表高程數據計算地表地震動放大系數的方法,根據地表地震加速反演不同深度的地震加速度的方法,為場地地震安全評價提供理論方法。

這一專題分會反應出的新進展與動向可歸納為:

(1) 通過有限元數值模擬方法,研究了地震地表破裂機制,提出了針對不確定性的地表斷層位移的概率評估模型;

(2) 通過顯微掃描方法,提出了一種基于X射線顯微 CT 掃描方法確定泥沙微顆粒結構的方法;

(3) 針對地表地震動效應,提出了一種全球地震動參數區劃圖的繪制方法和一種根據地表地震加速度值反推深部加速度值的非線性反卷積方法,針對海底地震動效應,提出了地震波入射海域在近場散射的一種模擬方法;

(4) 基于數值計算方法,對地表建(構)筑物的地震響應進行了振動分析,針對建(構)筑物在抗震設計中動態變形特性的測試,提出了一種橋墩抗震設計中動態變形特性的測試方法。

5 地面運動

地面運動研究設置了2個口頭分會,一個側重于地面運動預測,另一個側重強震記錄數據庫及其服務與應用。共有13個口頭報告。

5.1 地面運動預測

該專題共有7個口頭報告。主要內容包括:M. Hoshiba(1d-0049)針對2011年日本“3·11大地震”(MW9.0)期間地震預警系統(EEW)因大尺度斷層破裂導致的遠距地震動預測低估和多次余震同時發生造成系統混淆而出現的地震動預測高估等問題,提出了一種新的地震預警方法,并將這種方法命名為“數值震動預測”。該方法應用數據融合技術精確估計當前波場分布,然后通過地震波傳播模擬來預測隨時間演進的波場。該方法除了估計地震波能量強度空間分布外,還實時估計地震波傳播方向的空間分布。該方法不依賴于震源位置和震級等信息來預測地震動,因此即使斷層破裂尺度較大或同時發生多個地震事件,也可以精確地預測地震動。2016年日本Kumamoto地震(MW7.1)后約37 s,距離震中70 km外的EEW系統遠程觸發,該方法很好地預測了地震引發的強烈地面運動。Toru Ishii和Atsuko Oana(1d-0010)利用考慮震中方向性的機器學習方法,針對特定場地的地面運動模型開展了研究。收集東京關東平原及周邊地區的水平地面運動記錄作為訓練數據,采用了“梯度增強決策樹” 機器學習方法,以峰值地面加速度PGA、偽速度響應譜PSV和速度響應持續譜TSV為目標變量,選擇矩震級MW、震源深度H、震源距X和震中方位角Λ等作為輸入特征參數,在隨機重新排列一個特征參數而其他特征參數保持不變條件下,根據目標變量評價精度的變化程度來檢驗特征參數對目標變量的影響。研究發現對于PGA、PSV和TSV,評估值與觀測值比值的平均值幾乎為1,由此可見場地運動模型可以很好地再現觀測值,但TSV比PGA或PSV評價更為準確;震中方位角Λ對TSV的影響很大,幾乎與MW、H和X的影響一樣或更大。由于評價模型考慮了傳統預測方程中沒有考慮的震中方位和持時,因此有助于定性和定量分析依賴于場地位置和周期的地震動特征,這種半自動評價模型今后有望反映出三維地震波傳播特性差異。機器學習中大量的訓練數據和進一步的數據插值及外推是必要的,特別是對于評估大地震、長持時、強地面運動。Atsuko Oana(1d-0037)等基于機器學習,對日本關東地面運動模型進行了研究。作者使用了日本關東地區國家地球科學與災害預防研究所K-NET臺站138個強震觀測記錄,分別測試了PGA(cm/s2)、5%阻尼PSV(cm/s)和幾個周期的5%阻尼TSV(s)等目標變量,選用矩震級MW、震源深度H(km)、震源距X(km)、震中方向Λ(度)、基巖面深度D28(m)和表層30 m內平均剪切波速度AvS30(m/s)作為機器學習的特征量,提出了基于梯度增強決策樹算法的地面運動估算模型。結果表明,PGA與MW或X的關系和傳統地面運動預測方程的計算一致,但對相同MW和X,PSV(T=1 s)的幅度隨震中方向Λ的變化而不同,這說明要建立先進的地面運動預測模型,就必須要更多地考慮區域特征。R. Ramkrishnan(1d-0013)等針對傅里葉變換(FT)、短時間傅里葉變換(STFT)和小波變換(WT)等技術在處理地震動這一非平穩信號方面的不足,采用了線性聯合時頻分析(LJTFA)方法中的Gabor變換來處理地震動數據,并用Gabor擴展來合成地震動。首先,從K-Net和Kik-Net強震臺網數據庫中收集了日本各地23次地震動記錄時程,根據震級和震源距進行了分類和偏差校正;然后應用Gabor變換對地震動數據進行了時頻分析;最后應用Gabor擴展和平均Gabor振幅系數重構并合成了新的地震動時程。合成后的地震動與實際記錄相關性很高,且消除了不必要的頻率分量和噪聲,合成地震動反應譜與實際地震動反應譜相比結果可靠,且能更好地表現地震動特征和頻率成分。該方法可以應用于監測臺站和實際地震記錄較少的地區開展結構抗震分析、設計及其他地震研究。Z X Liu(1d-0039)針對蒙特卡洛模擬方法中的傳統譜表示方法(SRM)和本征正交分解法(POD)模擬生成隨機地震動在概率密度水平上描述隨機場概率信息的不足開展改進研究。首先基于多支點單分量完全非平穩地面運動場隨機模型和相干函數矩陣,導出了多支點多分量完全非平穩地面運動隨機場的統一譜分解表達,通過引入隨機函數作為正交隨機變量的約束,實現了多支點多分量非平穩地面運動的降維仿真,僅用兩個基本隨機變量即可準確地描述概率密度水平上的隨機地面運動場。然后,根據多分量地面運動強度包絡函數參數相關性的回歸結果,提出了“中國地震動參數區劃圖”中I0土層場地的三分量地震動四段強度包絡函數參數值,最后基于松島模型、四段強度調制函數、Clough-Penzien時變功率譜和復合相干函數模型生成了多支點、多分量完全非平穩地面運動加速度過程的代表性樣本。該方案結合概率密度演化法(PDEM),可對復雜工程結構進行隨機動力響應精確分析和可靠性評估。S. Midorikawa(1d-0025)等對1923年日本關東地震Ewing地震儀東京記錄圖進行了數字化以解釋關東大地震東京的地面運動特征。地震記錄圖因記錄器出格造成出現了不連續的4個記錄線,考慮到兩個水平分量和一個垂直分量軌跡臂長曲率不同,因此將三個分量記錄從4個軌跡系列中區分開來。數字化后的水平記錄顯示,SW-NE和SE-NW分量的最大振幅分別為20 cm(周期為13 s處)和40 cm(周期7 s處),該結果與同一地點飽和Imamura 地震圖的解釋基本一致。為了更定量地揭示東京關東地震的地面運動,需要進一步修復記錄出格部分和進行儀器校正等研究工作。A. Mikami(1e-0008)等應用自動編碼器機器學習方法對GNSS觀測數據計算的最大剪切應變時序進行了回顧分析,其主要目的是研究該方法是否能夠捕捉到地震前兆信息。本研究涉及2016年日本Kumamoto的MW6.2和MW7.0兩次地震,自動編碼器學習了從2011年Tohoku地震到2016年Kumamoto地震發生前幾年的應變數據,假設該時段數據沒有地震異常。然后,以該時段所有應變數據為輸入,自動編碼器重新產生輸出結果,輸出數據與原始數據的差值稱為重構誤差,假設重構誤差與最大剪切應變數據中的異常有關。研究結果表明,在地震發生前,重構誤差在同震大變形區顯著增加,而在較小的同震變形區則不顯著。因此,機器學習技術應用于地殼應變的時間變化分析可有效檢測到地震前兆。

這一專題分會反映出的新進展與新動向可歸納為三個方面:

(1) 應用數據融合、機器學習與時頻分析等方法技術在地震動的預測方面,其新進展表現在:開發了基于數據融合技術的“數值震動預測”方法,不依賴于震源位置和震級等信息即可實時估計傳播方向上地震動的空間分布;“梯度增強決策樹” 機器學習方法對速度持時譜TSV的預測結果相較PGA、PSV更為準確,震中方位角對地震動參數預測結果的影響和震級、震源深度、震中距一樣或更大;時頻分析方法中的Gabor擴展合成的地震動與實際記錄相關性很高,且消除了不必要的頻率分量和噪聲;基于蒙特卡洛方法中的SRM和POD的改進方法,可實現多支點多分量非平穩地面運動的降維仿真。

(2) 通過對日本關東大地震東京地區歷史強震記錄資料的數字化,定量揭示了關東大地震東京地區的地震動特征。

(3) 應用機器學習方法開展了基于GNSS資料的地殼應變的時變分析,發現重構誤差可有效檢測到地震前兆信息。

5.2 強震記錄數據庫及其服務與應用

日本國家地球科學與災害韌性研究所的S. Aoi(1e-0004)等基于日本氣象廳(JMA)地震預警系統(EEW)提供的震源距、震級和地面運動方程(GMPE)開發了一個實時長周期地面運動預測系統(LPGMs)。當JMA的EEW系統因地震被激活,LPGMs就會基于全國地震網絡獲得的實時觀測數據向用戶提供預測信息。但根據日本的《氣象服務法》,地震地面運動實時預測信息不得向公眾開放,因此國家地球科學與災害韌性研究所(NIED)進行實驗性演示,以便向目標用戶提供長期地面運動預測信息。在演示中,信息會根據各種目的自動處理,如電梯控制和向建筑管理人員發出警報,并提供能在地圖上顯示信息的web服務。NIED后續還將擴大實驗演示范圍,以建立更好利用LPGM信息的有效方法。E. Schiappapietra(1d-0028)等對地震動強度的空間相關性開展研究,首先統計地震動參數的空間相關性,如PGA、PGV、PGD、SA、CAV和Ia,并與其他現有模型進行了比較,目的是:(1)識別影響相關結構的最大因素;(2)量化不同事件和區域之間相關長度的可變性;(3)根據地面運動預測方程(GMPEs)得到的殘差對空間相關模型進行校準,分析了事件和地點校正殘差的空間相關性,并研究確定了地震動強度空間依賴的因素。研究工作使用了2016—2017年意大利中部地震序列數據庫,包括在5個月內發生的9次MW≥5.0地震,因為這些數據在相同區域,消除一些不確定性和評估事件之間空間變異性。研究初步結果有助于提供一個更準確的地震動強度圖像,從而可以改進地震災害損失模型,促進地震風險評估模型的發展。任葉飛(1d-0084)等介紹了構建中國強震動記錄檔案文件數據庫(Flatfile)的概念和目的。主要研究進展為:(1)我國2007—2018年獲取的2 270次地震約12 200條強地震動記錄可為中國Flatfile構建提供數據支撐。(2)給出了編制中國Flatfile的架構內容及其數據復核方法與編制標準。內容包括:事件、震源、臺站、波形等元數據和源-場距離指標、強度測量等相關數據。(3)提出了數據處理的流程與方案。作者設計了詳細的流程圖以找出高通濾波的最優拐角頻率值,其判據涉及低頻傅里葉譜幅值、信噪比、噪聲窗內位移、速度和位移時程等參量。(4)提出了場地數據庫的構建方案。其方法包括鉆孔數據、場地分類與H/V譜比值的經驗關系、vS30與坡度范圍的經驗模型等三個方面。從而為我國強震動記錄檔案文件數據庫(Flatfile)的編制提供了科學依據。F. Gatti(1d-0083)等用合成地震動對日本Kashiwazaki-Kariwa核電站反應堆廠房瞬態結構響應的不確定性和靈敏度進行了研究。首先基于地震模擬器生成具有物理基礎的0～5 Hz頻率地震動,然后基于神經網絡生成寬帶(0～30 Hz)地震動。采用彈性SSI(土-結構相互作用)模型來表示結構構件,并在其基礎上施加合成地震動。通過執行200次蒙特卡洛模擬,以評估最終結構響應的變化。鏈式分析的結果表明:由于合成高保真度數據驅動的預測方法對隨機波動和數值分散的敏感性,因此采用這種預測方法會極大地影響結構響應,對核電廠等關鍵結構的設計和風險評估產生巨大影響。但這種方法為在綜合不確定性量化框架下開發合成寬帶地震動發生器提供了新思路。英國倫敦大學學院的C. Huang(1d-0066)等提出了模擬地震動特定地區驗證的兩級框架。第一級框架是基于已有地震動記錄信號的比較,第二級框架是基于地面運動模型(GMM)的比較,使用經驗GMMs作為基準進行驗證。根據2012年5月29日意大利埃米利亞—羅馬納6.0級地震模擬的非彈性峰值位移(Sdi)和等效循環次數(Ne)對兩級框架進行驗證。研究結果表明,單自由度非線性系統在模擬地面運動下的Sdi值通常低于記錄值和經驗GMMs值,特別是短周期振動。Ne值略微低于記錄值和經驗GMMs值,但Ne在低頻和高頻模擬方法之間的過渡頻帶被高估,這可歸因于低頻和高頻模擬地震動合成的能量在物理上不相容。此外,基于GMM的對比表明,特定區域GMM比通用GMM具有更高的預測能力,可以用于特定區域的模擬地震動驗證。該文所提出的驗證框架可以幫助進一步確保模擬地面運動的有效性,為基礎構件抗震設計和地震風險評估提供參考依據。印度古瓦哈提技術學院的N. Borah(1h-0004)等針對印度東北地震(EQ)目錄在去聚類(刪除前震和余震)后地震數量顯著減少這一現象,開展了去聚類對地震目錄完整性的影響研究。首先采用廣泛使用的動態窗對印度北主震事件進行識別,對去聚類前后的地震目錄進行對比分析以檢查去聚類的效果。此外,還分析了兩個目錄完整部分每年的累積地震數量?？梢杂^察到,盡管EQ目錄自1950年以來是完整的,但去聚類后地震目錄中EQ累積數量顯著減少。為了支持這種減少,該文給出了兩個觀察結果。第一項觀察將較大事件的發生與附近震源的EQ觸發現象聯系起來,而第二個觀察表明,如果震源之間距離較近,在去聚類時可能定義為獨立或不獨立事件。因此,對每個震源的最大潛力以及該區域的地震活動可能被低估。上述結論通過8個震源和兩個EQ事件( 1950年和1988年)進行了驗證。因此,在對目錄進行去簇時,應該重視震源的相對位置,并在去簇之前評價震源發震潛力。

這一專題分會反映出的新進展與新動向可歸納為:

(1) 在強震記錄及其應用方面的新進展表現在:日本NIED研發了長周期地震動預測系統,當地震預警系統被地震被觸發后該系統就會基于實時觀測數據向特定用戶提供長周期地震動預測信息;地震動強度的空間相關性研究結果助于提供更準確的地震動強度圖像,從而可以改進地震災害損失評估模型。

(2) 在強震數據庫的構建方面,相關研究給出了編制中國強震記錄和強震臺站數據庫的內容架構、數據復核方法與編制標準。

(3) 在強震數據資料的驗證及數據處理方面的進展主要表現在:高保真度數據驅動的地震動預測方法會極大地影響結構的地震動響應,對核電廠等關鍵結構的設計和風險評估產生巨大影響;提出了可用于特定區域的模擬地震動驗證的兩級框架,該驗證框架可進一步確保模擬地面運動的有效性;在對地震目錄進行去聚類時,應該重視震源的相對位置,并在去簇之前評價震源發震潛力。

6 結語

本屆世界地震工程大會受到全球新冠病毒疫情的影響,會議采取線上線下方式舉行,會議取得了巨大成功。本次大會共提交論文2 583篇,線上線下參會代表超過3 000人,會議采取大會特邀報告、邀請報告、普通專題分會、特別專題分會、項目專題分會的方式進行了交流。反映了在地震工程領域最新研究和工程實踐的成果,可以看出本屆大會是一次規模宏大、涉及領域廣泛、學術水平高、反映進展全面的學術交流大會,日本地震學會高度重視大會組織,并做了大量、細致、有效的會議組織工作,尤其是在如此多線上視頻參會的情況下,為各個分會的順暢交流提供了良好的技術保障,同時為了使全球不同時區的參會代表都能夠分時共享大會的交流報告,組委會還專門將所有報告視頻在網上保留至2021年12月底。大會對促進國際地震工程領域科技創新與工程實踐的進步發揮了重大積極作用。

巖土地震工程領域的最新進展和研究動向主要集中于砂土液化、斜坡地震破壞,土-結相互作用,地面破壞與場地地震安全、地面運動研究等5個方面,其中砂土液化仍然是巖土地震工程領域的研究熱點。在此領域的亮點進展可歸納為如下七個方面:(1)通過已發生的液化災害實例進一步驗證已有的液化評估模型與方法,提出了改進的方案;(2)提出了砂土液化的主動預防方法與技術,涉及到主動降低控制地下水位、排水測井控制土體飽和度、微生物誘導去飽和作用(MID)等方法;(3)通過對2018年帕魯7.5級地震引發的大規模低角度滑坡進行現場調查、測試及室內試驗,確定其滑動機制為砂礫石層液化誘發的碎屑流;(4)驗證了動力圓錐貫入試驗(CPT)試驗對土層液化勢進行評價的有效性及其與SPT試驗的優缺點,進而探討了概率液化危險性分析(PLHA)的優勢與應用前景;(5)基于地震誘發滑坡的現場調查、三維數值模擬、強震動觀測、離心機試驗、振動臺試驗提出了斜坡穩定性評價的新方法;(6)對大型土-樁-結構體系的抗液化性能與群樁基礎動力相互作用研究,考慮不同地形、建筑群結構、輸入地震動等因素對復雜場址-城市相互作用(SCI)效應的研究,利用地震觀測記錄對樁筏基礎抗震性能與土-樁-結構相互作用對高層建筑動力性能的影響等成為前沿亮點;(7)在強震地面運動研究方面利用數據融合技術、機器學習、時頻分析中的各種變換技術,提出了新的預測技術和方法。

說明:文中作者后面括號中編號為論文集中文章編號,如(4b-0051)。文后參考文獻僅列會議論文集[1],文章中評述和引用的報告和論文共87篇,如讀者對相關論文感興趣可根據文章編號查閱相關論文。

致謝:衷心感謝中國地震局國際合作司、甘肅省地震局(中國地震局蘭州地震研究所)和中國地震局工程力學研究所為作者線上參加本次大會提供的大力支持。