通过地质响应分析预测后地震液化

在液化过程中，固体砂质地面表现得像液体，在地震 - 易发的地区造成重大威胁。地震波引起水饱和的砂质沉积物流动，导致地面沉降和洪水。为了解决我们的理解差距，日本Hachinohe理工学院的Yukitake Shio教授将有限元方法模型应用于1994年远离Sanriku地震的观察。结果表明，基岩中的波浪成为近表面软沉积物中的“被困”，经历多重反射并反复向后移动。液化程度取决于沉积层的地震幅度，厚度和物理性质，以及基岩的原型地震波的规模。

简单来说，液化是固体饱和砂土的行为作为液体的方法。虽然在科学界广泛认可，但这种现象在公众中较大，尽管在地震 - 易发的地区造成了重大威胁。

在地震期间，大的剪切应变波和相关的振动可以导致近地表饱和砂土和沉积物颗粒失去相互接触。结果，材料变得无法支撑重量，并开始表现为流体。这种现象主要影响具有超孔隙水压力的地面(意味着地面是水饱和的)，并由松散的沉积物形成。虽然这种情况通常是暂时的，但液化会导致沙粒沸腾、地面沉降和洪水的爆发，并在世界各地造成了重大而严重的地震相关损失。在所有的地震中，除了最大的地震，液化仅限于上层沉积层。被广泛接受的液化理论认为，它的发生取决于强烈的地面加速度(在地震中，当地面移动时，它会加速)和重复波。然而，该理论无法解释以下四个关键现象:(1)在液化现场观测到的最大加速度并不大，特别是液化发生在主震之后，主震期间以低加速度的长周期波为主;(2)地震后液化有时会持续很长一段时间;(3)砂砾层或粉砂层有时也会发生液化;(4)有时，尽管存在所有必要条件，但在没有沙沸腾和泉水的情况下，通过液化产生的大规模陆地运动就会发生。

波浪在柔软的近表面沉积层中被“被困”。通过上升过程，它们经历多个反射和折射，反复向后移动。

迈向对液化的新理解
为了解决我们对液化理解的这些不足，日本八户理工学院的Yukitake Shioi教授和他的合作者Yutaka Hashizume博士和Hisashi Fukada博士基于对日本地震的观察，包括1994年遥远的三陆地震，发展了一种新的液化假设。这次地震震级为7.5级，在震中以西约200公里的Hachinohe港口地区造成了严重的液化相关损失。然而，液化的方式在20世纪50年代复垦的港口旧区和20世纪70年代开发的新区之间有所不同。前者仅出现轻微的沸沙现象，而后者则出现不同规模的大沸沙现象，并伴有地面沉降和码头位移。

Shioi教授的团队理论为来自基岩的地震波反映在与其他层的边界上。在它们的多反射理论中，大剪切应变波在软近表面沉积层中“被困”。通过上升过程，它们经历多个反射和折射，反复向后移动。因此，液化的发生和严重程度不仅取决于地震的大小，而且取决于软沉积层的厚度和物理性质以及底层基岩的原型地震波的规模。

使用Hachinohe端口事件作为示例，团队开发了一个两级建模过程。首先，它们使用基于其多反射理论的一维计算（命名摇动）将严重液化和轻质液化地的特征进行了比较。然后，研究人员更详细地检查了液化地面的响应，施加了一种二维有限元方法（FEM）模型（命名为Flush）。

他们的模型输出清楚地验证了之前未解释的现象的发生。特别是，他们发现:(1)地震能量存在一种转换，来自基岩的波在柔软的粘土或淤泥层中被放大;(2)当波浪通过软层到达地表时，其周期有增加的趋势;(3)主震后较长周期波持续较长时间;(4)尽管地面加速度较低，但在近地表，长周期、大能量的剪切应变波足以液化上部饱和砂层;(5)从基岩到地表积累的地震能量。此外，他们还发现，液化需要在基岩中引发波，并且需要相对较大的地震能量来启动液化。

Shioi的团队教授已经表明，预测在给定部位的液化可能性需要了解地震期间基岩和覆盖层的动态反应。

为了确认其模型的准确性，Shioi教授的团队根据其他大地震应用了冲洗模型到场景。他们发现，在日本海洋地震1983年M7.7中，他们可以再现观察到的液化液，这是日本海洋地震（其中涉及Noshiro City和Kizukuri镇的液化，距离震中有100公里，但用不同的底层地质结构），1948年M7.1福井地震。在每种情况下，结果表明，地震波从深度扩增到表面。在2011年M9.0东日本地震之后，研究人员证实了液化过程：非常精确的钻孔显示粘土层上方的部分液化砂层（见图3）．

工程解决方案
通过他们的研究，Shioi教授的团队已经表明，预测特定地点的液化可能性需要了解地震期间基岩和上覆岩层的动态反应。预测液化风险需要针对当地地质(即基岩和沉积层)和潜在地震震级进行响应分析。不同层的物质和岩石的响应取决于它们的物理性质，这可以用地球物理技术进行研究。允许灾害管理人员更好地预测可能发生的液化的横向程度和严重程度，将有助于改进减轻灾害的战略。一般来说，将液化造成的损害降到最低的方法需要工程解决方案。

在城市地区，避免在液化风险的土地上发展建筑物和基础设施并不总是可行的。因此，已经开发了工程方法来减轻所涉及的风险。例如，表面上的饱和砂质层中的地下水可以通过打桩（驱动材料进入地）来除去，包括砂压缩堆，砂排水和砾石排水堆积。通过建立刚性膜片壁（即地下墙），可以减少饱和砂层的剪切变形。最后，通过注射水泥和/或其他化学物质，或通过安装可靠的基础，可以加强地面。在类似的静脉中，可以通过在围绕建筑物或建筑物周围安装刚性隔膜墙或建筑物的刚性隔膜墙通过减少地下水位。