第 5 期 黄 雨, 等. 2011 年 日 本 东 北 地 区 太 平 洋 近 海 地 震 地 基 液 化 灾 害 综 述 835 命 名 为 2011 年 日 本 东 北 地 区 太 平 洋 近 海 地 震 (The 2011 off the Pacific Coast of Tohoku Ea

第 35 卷 第 5 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.35 No.5 2013 年.5 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering May 2013 2011 年 日 本 东 北 地 区 太 平 洋 近 海 地 震 地 基 液 化 灾 害 综 述 黄 雨 1, 2, 于 淼 2,BHATTACHARYA Subhamoy 3, 4 (1. 同 济 大 学 岩 土 及 地 下 工 程 教 育 部 重 点 实 验 室, 上 海 200092;2. 同 济 大 学 地 下 建 筑 与 工 程 系, 上 海 200092; 3. 布 里 斯 托 尔 大 学 土 木 工 程 系, 布 里 斯 托 尔 BS8 1TR;4. 萨 里 大 学 土 木 与 环 境 工 程 系, 萨 里 GU2 7XH) 摘 要 :2011 年 3 月 11 日, 日 本 太 平 洋 东 海 岸 发 生 M w 9.0 级 大 地 震, 并 引 发 巨 大 海 啸, 导 致 了 日 本 东 北 和 关 东 地 区 大 面 积 的 地 基 液 化 震 害 通 过 现 场 震 害 调 查 和 最 新 资 料 分 析, 首 先 较 为 系 统 地 介 绍 了 日 本 地 震 受 灾 区 的 液 化 宏 观 现 象 和 典 型 震 害 特 征 其 次, 研 究 了 余 震 再 液 化 和 地 震 海 啸 耦 合 灾 害 的 破 坏 机 制 和 特 征, 指 出 余 震 再 液 化 受 地 震 力 大 小 应 力 历 史 及 超 孔 隙 水 压 力 消 散 程 度 的 影 响, 并 将 地 震 和 海 啸 耦 合 破 坏 过 程 分 为 3 个 阶 段 : 震 后 液 化 阶 段 间 歇 期 恢 复 阶 段 海 啸 流 滑 破 坏 阶 段 ; 最 后, 对 此 次 强 震 中 有 关 抗 液 化 地 基 处 理 方 法 的 有 效 性 进 行 了 分 析 与 探 讨, 以 期 为 今 后 的 地 基 抗 液 化 设 计 提 供 参 考 与 借 鉴 关 键 词 : 地 震 ; 液 化 ; 再 液 化 ; 地 震 海 啸 ; 地 基 处 理 中 图 分 类 号 :TU443 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1000 4548(2013)05 0834 07 作 者 简 介 : 黄 雨 (1973 ), 男, 江 苏 南 京 人, 博 士, 教 授, 博 士 生 导 师, 主 要 从 事 工 程 地 质 与 岩 土 工 程 的 教 学 和 研 究 工 作 E-mail: yhuang@tongji.edu.cn Review on liquefaction-induced damages of soils and foundations during 2011 of the Pacific Coast of Tohoku Earthquake (Japan) HUANG Yu 1, 2, YU Miao 2, BHATTACHARYA Subhamoy 3, 4 (1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3. Department of Civil Engineering, University of Bristol, Bristol BS8 1TR, United Kingdom; 4. Department of Civil and Environmental Engineering, University of Surrey, Surrey GU2 7XH, United Kingdom) Abstract: On March 11 th, 2011, an earthquake with magnitude of M w 9.0 occurred off the Pacific Coast of Tohoku, and triggered widespread liquefaction in Tohoku and Kanto regions of Japan. Based on the field investigation and data analysis, the characteristics of liquefaction, liquefaction-induced damages, different failure mechanisms, characteristics of re-liquefaction in the aftershocks and seismic tsunami hazards are presented. The study also shows that re-liquefaction resistance is greatly affected by the intensity of earthquakes, stress history and dissipation of excess pore-water pressure. The damage process due to the seismic tsunami hazards is divided into three stages, the post-earthquake liquefaction stage, the recovery stage of soil strength and the flow-sliding failure stage. Finally, the effectiveness of ground improvement methods (sand compaction pile and sand drain method) in this massive earthquake is summarized for liquefaction mitigation in the future. Key words: earthquake; liquefaction; re-liquefaction; seismic tsunami; ground improvement 0 引 言 地 基 液 化 是 地 基 基 础 地 震 破 坏 的 主 要 原 因 之 一 在 地 震 动 荷 载 作 用 下, 土 体 中 超 孔 隙 水 压 力 急 剧 上 升, 而 有 效 平 均 应 力 降 低 直 至 为 零, 土 颗 粒 处 于 悬 浮 状 态, 此 时 砂 土 就 发 生 了 液 化 由 于 液 化 后 土 体 的 抗 剪 强 度 和 剪 切 模 量 显 著 降 低, 将 导 致 地 基 承 载 力 不 足 震 陷 过 大, 直 至 破 坏 失 稳 近 年 来 全 球 发 生 的 多 起 强 震, 如 2008 年 中 国 汶 川 地 震 [1] [2] 2010 年 智 利 地 震 等, 均 有 大 量 的 地 基 液 化 震 害 发 生, 并 造 成 了 巨 大 生 命 和 财 产 损 失 2011 年 3 月 11 日, 日 本 当 地 时 间 14 时 46 分, 日 本 太 平 洋 东 海 岸 发 生 M w 9.0 级 大 地 震, 震 中 位 置 如 图 1 所 示 ( 图 中 的 烈 度 已 根 据 文 献 [3] 中 的 中 国 和 日 本 烈 度 表 对 应 关 系 转 化 为 中 国 的 地 震 烈 度 ) 这 次 地 震 是 日 本 地 震 观 测 史 上 最 大 的 地 震, 被 日 本 气 象 厅 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 国 际 合 作 项 目 (41111130205) 收 稿 日 期 :2012 07 02

第 5 期 黄 雨, 等. 2011 年 日 本 东 北 地 区 太 平 洋 近 海 地 震 地 基 液 化 灾 害 综 述 835 命 名 为 2011 年 日 本 东 北 地 区 太 平 洋 近 海 地 震 (The 2011 off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake) 震 中 位 于 日 本 东 北 地 区 大 鹿 半 岛 以 东 的 太 平 洋 海 域 约 130 km 处, 震 源 深 度 约 24 km 地 震 引 发 了 一 系 列 的 余 震, 其 中 7 级 以 上 余 震 6 次,6 级 以 上 余 震 上 百 次 [4] 同 时, 此 次 地 震 还 引 发 了 巨 大 的 海 啸, 最 高 浪 高 39 m, 为 历 史 所 罕 见 [5] 此 次 地 震 在 日 本 东 北 和 关 东 地 区 引 发 了 大 规 模 的 地 基 液 化, 是 造 成 震 害 的 主 要 原 因 之 一 再 加 之 余 震 和 海 啸 的 耦 合 作 用, 加 剧 了 主 震 液 化 受 灾 区 的 变 形 破 坏 喷 砂 冒 水 是 地 震 液 化 最 直 观 的 表 现 此 次 地 震 液 化 中, 地 表 喷 出 物 主 要 是 浅 层 软 弱 的 吹 填 土 和 冲 积 土, 涵 盖 了 粉 砂 细 砂 中 砂 粗 砂, 甚 至 细 砾 喷 砂 冒 水 形 式 主 要 有 两 种 : 一 是 形 似 火 山 的 喷 出 砂 堆, 如 图 2(a) 所 示 单 个 砂 堆 的 直 径 约 30~60 cm, 呈 线 状 排 列 ; 二 是 液 化 砂 土 通 过 地 裂 缝 喷 出 地 表, 如 图 2(b) 为 液 化 砂 土 散 布 在 长 约 3 m, 宽 2~5 cm 不 等 的 地 裂 缝 周 边 较 为 特 别 的 是 喷 砂 冒 水 以 沿 地 裂 缝 喷 出 地 表 为 主 [10] 图 2 形 似 火 山 的 喷 出 砂 堆 和 地 裂 缝 中 的 喷 水 冒 砂 Fig. 2 Sand volcanoes and sand injecting from ground fissure 图 1 日 本 东 北 和 关 东 地 区 的 液 化 震 害 分 布 图 ( 修 改 自 文 献 [5, 6]) Fig. 1 Distribution of liquefaction damage in Tohoku and Kanto regions of Japan (based on Reference [5] and Reference [6]) 中 国 沿 海 地 区 多 位 于 破 坏 性 海 啸 发 生 频 率 占 全 球 75% 以 上 的 环 太 平 洋 地 震 带, 同 样 也 面 临 着 类 似 地 震 和 海 啸 的 威 胁 [7] 因 此, 认 识 地 震 地 基 液 化 灾 害 的 特 征, 总 结 有 效 的 地 基 抗 液 化 防 范 措 施, 对 减 轻 和 防 治 建 ( 构 ) 筑 物 震 害 是 非 常 重 要 的 本 文 以 现 场 震 害 调 查 和 最 新 资 料 分 析 为 基 础, 首 先 总 结 了 日 本 东 北 地 区 太 平 洋 近 海 地 震 的 液 化 宏 观 现 象 和 典 型 震 害 特 征, 探 讨 了 余 震 再 液 化 现 象 ; 其 次, 分 析 了 地 震 和 海 啸 耦 合 灾 害 的 破 坏 特 征 和 机 制 ; 最 后, 对 地 震 中 有 效 防 治 液 化 的 地 基 处 理 方 法 进 行 了 归 纳 介 绍 1 地 震 液 化 震 害 概 况 1.1 地 震 液 化 宏 观 特 征 地 震 液 化 主 要 广 泛 分 布 在 日 本 东 北 和 关 东 地 区 的 围 海 造 陆 [8] [9] 古 河 道 等 平 坦 低 地 值 得 注 意 的 是, 此 次 地 震 动 持 续 时 间 长 达 100~200 s, 使 土 体 反 复 承 受 剪 切 力 作 用, 是 造 成 地 震 液 化 严 重 的 主 要 原 因 之 一 [9] 即 使 在 距 离 震 中 较 远 的 日 本 关 东 地 区 ( 震 中 距 约 300~ 400 km, 地 面 峰 值 加 速 度 150~200 cm/s 2 ), 也 产 生 了 大 范 围 的 液 化 [8] 日 本 沿 海 地 区 较 多 围 海 造 陆 的 软 弱 地 基, 因 此 与 以 往 地 震 相 比, 此 次 地 震 液 化 喷 砂 量 非 常 大, 如 浦 安 市 一 公 园 喷 砂 堆 积 量 约 75000 m 3[9], 千 叶 县 喷 砂 最 大 堆 积 厚 度 约 60 cm [11] 图 3 是 震 后 的 迪 斯 尼 乐 园 停 车 场, 几 乎 所 有 场 地 都 发 生 了 液 化, 喷 砂 厚 度 约 10~20 cm, 并 伴 有 大 量 涌 水 图 3 大 面 积 液 化 的 迪 斯 尼 乐 园 停 车 场 Fig. 3 Widespread liquefaction in parking area of Disneyland 1.2 液 化 震 害 特 征 分 析 (1) 液 化 沉 降 液 化 震 害 调 查 发 现, 建 ( 构 ) 筑 物 的 破 坏 程 度 主 要 与 基 础 形 式 有 关, 采 用 天 然 地 基 浅 基 础 的 低 层 建 筑 物 和 轻 型 结 构 破 坏 较 大, 而 采 用 桩 基 础 的 建 ( 构 ) 筑 物 破 坏 较 小 一 般 低 层 建 筑 物 的 基 础 形 式 为 天 然 地 基 上 的 浅 基 础, 基 础 埋 置 深 度 一 般 在 0.5~1.0 m, 易 因 地 基 液 化 发 生 不 均 匀 沉 降 [8] 如 图 4 所 示, 一 低 层 民 房 发 生 了

836 岩 土 工 程 学 报 2013 年 0.2~1.0 m 的 不 均 匀 沉 降 [12] [13] Kim 等 通 过 对 千 叶 县 茨 城 县 等 160 栋 因 地 基 液 化 破 坏 的 房 屋 调 查 统 计, 得 出 52% 的 破 坏 房 屋 采 用 筏 形 基 础,41% 采 用 条 形 基 础 [8] 上 浮 冒 出 地 面 的 现 象 非 常 普 遍 而 且 Ishihara 等 认 为 下 水 管 道 窨 井 的 周 边 土 层 在 回 填 过 程 中 往 往 都 未 进 行 充 分 的 压 实, 因 此 下 水 管 道 窨 井 由 于 地 基 液 化 而 浮 出 地 面 的 现 象 非 常 常 见 如 图 7(a) 为 下 水 管 道 窨 井 浮 出 地 面 约 1 m [10], 图 7(b) 为 一 空 燃 油 箱 因 地 基 液 化 上 浮 冒 出 地 面 [15] [12] 图 4 低 层 民 房 倾 斜 沉 降 Fig. 4 Settlement and tilting of a low-rise building [12] 对 于 轻 型 结 构, 例 如 电 线 杆 路 灯 交 通 标 志 等, 一 般 采 用 小 型 基 础, 容 易 因 地 基 液 化 产 生 沉 降, 并 伴 有 不 同 程 度 的 倾 斜 如 图 5(a) (b) 所 示 的 路 标 和 电 线 杆 等, 发 生 了 明 显 的 沉 降 倾 斜, 且 周 边 喷 砂 冒 水 现 象 明 显 图 5(c) 为 舞 滨 车 站 附 近 的 一 变 压 器 基 础, 出 现 了 5~15 cm 的 不 均 匀 沉 降 [14] 图 6 高 架 公 路 基 础 周 边 的 破 坏 Fig. 6 Damage around footing of elevated highway [10] [15] 图 7 浮 出 地 面 的 下 水 管 道 窨 井 和 液 化 上 浮 的 空 燃 油 罐 Fig. 7 Uplift of manhole [10] and uplift of an empty fuel tank [15] 图 5 倾 斜 的 路 标 倾 倒 的 电 线 杆 以 及 舞 滨 车 站 附 近 不 均 匀 沉 [14]. 降 的 变 压 器 Fig. 5 Tilting of a signal post, tilting of a utility pole and differential settlement of a transformer box near Maihama Station [14] 液 化 震 害 调 查 表 明, 采 用 桩 基 础 的 中 高 层 建 筑 [8] 高 架 公 路 和 高 架 桥 等 破 坏 比 较 轻 微 Ishikara 等 和 [15] Yasuda 等 发 现 采 用 桩 基 础 的 中 高 层 建 筑 和 高 架 桥 几 乎 没 有 破 坏, 而 道 路 广 场 停 车 场 等 由 于 液 化 变 [14] 形 严 重 Bhattacharya 等 调 查 了 舞 滨 区 一 个 采 用 桩 基 础 的 高 架 公 路, 如 图 6 为 高 架 公 路 桩 基 础 周 边 的 破 坏 情 况 其 中, 桩 基 础 周 边 的 地 面 产 生 了 约 10~30 cm 的 不 均 匀 震 陷, 而 桩 基 础 几 乎 没 有 发 生 沉 降, 保 证 了 上 部 结 构 的 整 体 稳 定 性 (2) 液 化 上 浮 对 于 浅 埋 在 土 中 的 地 下 结 构, 如 地 下 管 道 地 下 停 车 场 等, 单 位 体 积 重 量 轻 于 液 化 后 的 砂 土, 且 其 上 方 的 填 土 由 于 液 化 抗 剪 强 度 显 著 减 低, 因 此 地 下 结 构 2 地 基 余 震 再 液 化 2.1 再 液 化 机 理 历 史 的 地 震 案 例 证 明 土 体 在 余 震 时 会 再 次 发 生 液 化, 目 前 已 有 不 少 学 者 对 余 震 再 液 化 的 机 理 开 展 了 研 [16] 究 工 作 Ha 等 采 用 振 动 台 试 验 评 价 砂 土 再 液 化 强 度, 得 出 由 于 初 始 液 化 后 土 体 原 有 的 结 构 遭 到 破 坏, 再 次 达 到 液 化 所 需 的 振 动 次 数 大 大 减 小, 抗 液 化 强 度 [17] 明 显 减 低 Oda 等 通 过 试 验 证 明 土 体 液 化 后 会 形 成 不 稳 定 的 各 向 异 性 结 构, 在 余 震 作 用 下 极 易 破 坏 而 且 液 化 后 土 体 的 抗 液 化 强 度 取 决 于 超 孔 隙 水 压 力 的 消 散 程 度 如 果 超 孔 隙 水 压 力 能 完 全 消 散, 那 么 抗 液 化 强 度 就 会 增 强, 反 之, 余 震 发 生 时, 土 体 的 抗 液 化 强 度 会 明 显 降 低 因 此, 余 震 再 液 化 受 地 震 力 大 小 应 力 历 史 及 超 孔 隙 水 压 力 消 散 程 度 的 影 响 此 次 地 震 后 发 生 了 一 系 列 的 余 震, 分 别 在 主 震 后 的 22 min(7.4 级 ) 29 min(7.6 级 ) 39 min(7.5 级 ) [4] 由 于 主 震 和 余 震 的 间 歇 期 非 常 短, 超 孔 隙 水 压 力 来 不 及 完 全 消 散 当 余 震 发 生 时, 超 孔 隙 水 压 力 再 次 急 剧

第 5 期 黄 雨, 等. 2011 年 日 本 东 北 地 区 太 平 洋 近 海 地 震 地 基 液 化 灾 害 综 述 837 上 升, 而 有 效 应 力 却 难 以 恢 复 因 此, 在 较 小 的 余 震 作 用 下, 土 体 容 易 再 次 发 生 液 化 [11] Onoue 等 采 用 有 限 元 方 法 (FEM) 模 拟 日 本 千 叶 县 朝 阳 市 液 化 场 地 在 主 震 和 余 震 后 超 孔 隙 水 压 力 比 随 时 间 的 变 化, 结 果 如 图 8 所 示 其 中,B,D 分 别 为 浅 层 土 和 深 层 土, 其 超 孔 隙 水 压 力 比 有 相 同 的 变 化 趋 势 以 B 层 土 为 例, 在 主 震 后 超 孔 隙 水 压 力 比 上 升 达 到 0.95, 然 后 在 间 歇 期 下 降 到 0.85, 在 余 震 作 用 下, 再 次 上 升 到 1.0, 发 生 完 全 液 化 显 增 加, 增 加 量 约 为 没 有 余 震 时 地 面 沉 降 量 的 20%, 并 且 计 算 结 果 表 明 余 震 影 响 地 面 沉 降 的 时 间 长 达 50 a [11] Onoue 等 调 查 了 千 叶 县 朝 阳 市 的 液 化 震 害 情 况 后 发 现 : 由 于 主 震 液 化 导 致 的 房 屋 破 坏 有 5 栋, 没 有 喷 砂 冒 水 现 象 ; 而 由 于 余 震 液 化 导 致 的 房 屋 破 坏 却 有 9 栋, 且 有 喷 砂 冒 水 现 象 因 此, 余 震 也 是 造 成 此 次 地 震 液 化 严 重 的 主 要 原 因 之 一 尽 管 余 震 强 度 远 小 于 主 震, 但 是 由 于 间 隔 时 间 短, 频 度 高, 再 液 化 更 加 容 易 发 生, 造 成 的 喷 砂 冒 水 范 围 更 广, 地 面 沉 降 量 更 大, 破 坏 更 加 严 重 由 于 地 震 后 相 当 长 时 间 内 仍 有 可 能 发 生 较 大 的 余 震, 余 震 再 液 化 的 震 害 问 题 应 引 起 足 够 的 重 视 3 地 震 和 海 啸 的 耦 合 灾 害 地 震 和 海 啸 的 耦 合 灾 害, 主 要 集 中 在 日 本 东 北 沿 [11] 图 8 超 孔 隙 水 压 力 比 随 时 间 的 变 化 Fig. 8 Variation of excess pore water pressure ratio with time [11] 2.2 余 震 再 液 化 特 征 在 福 岛 县 千 叶 县 浦 安 市 等 地 余 震 再 液 化 现 象 普 遍 发 生 很 多 学 者 通 过 现 场 震 害 调 查, 对 比 分 析 了 主 震 和 余 震 后 的 液 化 震 害 情 况 Yasuda [18] 对 主 震 和 余 震 后 的 喷 水 发 生 时 间 喷 水 高 度 房 屋 沉 降 量 等 进 行 了 对 比 分 析, 得 出 余 震 后 发 生 液 化 的 时 间 更 短, 平 均 喷 水 高 度 更 高, 造 成 的 沉 降 量 更 大 [19] 浦 安 市 液 化 对 策 技 术 调 查 委 员 会 调 查 了 入 船 中 学 和 黎 明 中 学 在 余 震 中 的 再 液 化 现 象 如 图 9 为 黎 明 中 学 内 的 同 一 液 化 观 测 点, 将 主 震 和 余 震 后 的 液 化 范 围 进 行 对 比, 发 现 余 震 的 喷 砂 冒 水 面 积 明 显 大 于 主 震 [19] 海 地 区, 以 堤 防 工 程 和 码 头 的 地 基 流 滑 破 坏 失 稳 最 为 严 重 地 基 流 滑 破 坏 失 稳 是 由 于 下 层 饱 和 土 体 液 化, 造 成 抗 剪 强 度 降 低, 剪 应 变 持 续 发 展, 其 运 动 和 变 形 性 质 与 粘 性 流 体 相 似, 且 影 响 范 围 往 往 较 大, 呈 区 域 性 特 征 [21] [12] Mori 等 调 查 发 现 堤 防 工 程 由 于 地 基 震 动 液 化, 产 生 竖 向 沉 降 和 侧 向 变 形, 加 之 海 啸 的 作 用, 堤 防 工 程 的 侧 向 变 形 进 一 步 加 大, 最 终 发 生 流 滑 破 坏 失 稳 如 图 10 为 宫 城 县 南 部 一 长 约 25 km 的 钢 筋 混 凝 土 海 堤, 由 于 地 震 液 化 沉 降 约 50 cm, 在 海 啸 过 后 多 处 发 生 了 侧 向 流 滑 破 坏 失 稳 [12] [12] 图 10 宫 城 县 南 部 堤 防 流 滑 破 坏 失 稳 Fig. 10 Liquefaction flow slide of a dike foundation in the south of.miyagi Prefecture [12] 图 9 主 震 和 余 震 液 化 范 围 对 比 ( 改 自 文 献 [19]) Fig. 9 Comparison of liquefaction ranges in main shock and aftershock (based on Reference [19]) [20] 张 锋 通 过 数 值 模 拟 方 法 对 比 分 析 有 无 余 震 对 地 面 沉 降 量 的 影 响 当 有 余 震 发 生 时, 地 面 沉 降 量 明 [22] Hazarika 等 调 查 表 明 青 森 县 和 岩 手 县 的 堤 防 和 码 头 在 地 震 和 海 啸 耦 合 作 用 下 发 生 了 严 重 的 破 坏 图 11 为 岩 手 县 一 港 口 码 头 发 生 了 流 滑 破 坏 失 稳, 主 要 是 由 于 海 啸 在 码 头 地 基 液 化 的 基 础 上, 进 一 步 加 剧 了 地 基 的 变 形 破 坏 [22]

838 岩 土 工 程 学 报 2013 年 表 1 地 震 和 海 啸 耦 合 灾 害 的 破 坏 机 制 Table 1 Failure mechanism of seismic tsunami hazards 序 号 破 坏 阶 段 破 坏 机 制 1 震 后 液 化 阶 段 随 着 地 震 循 环 荷 载 作 用, 土 中 超 孔 隙 水 压 力 逐 渐 积 累 上 升, 有 效 应 力 不 断 减 小 甚 至 为 零, 使 土 颗 粒 处 于 局 部 或 全 部 悬 浮 状 态, 抗 剪 强 度 局 部 或 完 全 丧 失, 即 出 现 不 同 程 度 的 变 形 或 完 全 液 化 2 间 歇 期 恢 复 阶 段 3 海 啸 流 滑 破 坏 阶 段 震 后 的 液 化 土 体 在 无 荷 载 作 用 的 状 态 下, 呈 现 超 孔 隙 水 压 力 逐 渐 消 散, 强 度 刚 度 逐 渐 恢 复 的 趋 势 但 是 地 震 和 海 啸 的 间 歇 期 一 般 比 较 短, 在 海 啸 来 袭 时, 土 体 强 度 刚 度 并 未 完 全 恢 复 由 于 深 层 土 体 的 超 孔 隙 水 压 力 消 散 较 慢, 当 波 速 极 快 并 伴 随 巨 大 质 量 迁 移 的 海 啸, 瞬 间 作 用 于 土 体 后, 深 层 大 范 围 的 液 化 区 迅 速 扩 展, 发 生 无 限 制 的 流 滑 破 坏 失 稳 [22] 图 11 岩 手 县 一 码 头 流 滑 破 坏 失 稳 Fig. 11 Liquefaction flow slide of a pier in Miyagi Prefecture [22] [8] Ishikara 等 对 浦 安 市 围 海 造 陆 地 基 上 的 海 堤 调 查 发 现, 多 处 海 堤 在 地 震 和 海 啸 过 后 发 生 了 侧 向 流 滑 破 坏 Kazama [23] 认 为 海 啸 对 沿 海 建 ( 构 ) 筑 物 的 影 响 与 地 震 液 化 的 分 布 密 切 相 关 地 基 液 化 是 导 致 流 滑 破 坏 失 稳 的 先 决 条 件 综 合 相 关 震 害 调 查 资 料, 地 震 和 海 啸 耦 合 破 坏 机 制 可 以 分 为 3 个 阶 段, 如 表 1 所 示 地 基 发 生 流 滑 破 坏 失 稳 后, 土 体 强 度 和 刚 度 在 短 期 内 难 以 恢 复, 再 加 之 余 震 的 作 用, 破 坏 将 更 加 严 重 因 此, 堤 防 工 程 和 码 头 在 主 震 海 啸 余 震 耦 合 作 用 下, 地 基 发 生 流 滑 破 坏 失 稳 的 机 理 及 其 流 态 化 特 征, 在 今 后 值 得 进 一 步 研 究 4 抗 液 化 地 基 处 理 方 法 通 过 本 次 地 震 液 化 震 害 调 查, 发 现 地 基 处 理 可 以 有 效 消 除 地 基 液 化 沉 陷, 减 少 液 化 造 成 的 地 基 破 坏 失 稳 但 也 发 现 了 少 量 虽 经 地 基 处 理, 仍 然 发 生 地 基 震 害 的 案 例 [9] Yasuda 等 调 查 发 现, 浦 安 市 入 船 一 住 宅 区, 由 于 分 别 采 用 了 挤 密 砂 桩 法 ( 桩 径 800 mm, 桩 长 10 m, 桩 间 距 2 m) 和 砂 井 排 水 固 结 法 ( 直 径 400 mm, 间 距 1.8 m), 因 此 在 地 基 处 理 的 区 域 内 几 乎 没 有 发 生 液 化 灾 害 而 场 地 周 边 未 经 地 基 处 理 的 道 路 的 液 化 沉 陷 明 显 [10] Toyota 等 调 查 浦 安 市 今 川 一 住 宅 区 发 现, 通 过 挤 密 砂 桩 法 ( 桩 长 10 m, 桩 间 距 2 m) 处 理 地 基 后, 仅 在 路 面 交 接 处 有 少 量 的 喷 砂 冒 水, 而 周 边 未 经 地 基 处 理 的 公 路 及 停 车 场 等 喷 砂 冒 水 严 重, 最 大 喷 砂 堆 积 厚 度 约 10 cm [14] Bhattacharya 等 调 查 千 叶 县 花 见 川 区 一 工 地 发 现, 经 过 挤 密 砂 桩 法 处 理 的 场 地 完 全 没 有 液 化, 而 同 一 场 地 没 有 经 过 处 理 的 地 基 则 液 化 严 重 但 在 液 化 震 害 调 查 中, 也 发 现 有 些 场 地 虽 经 地 基 [13] 处 理, 但 仍 然 发 生 了 地 基 液 化 破 坏 Kim 等 调 查 了 160 栋 因 地 基 液 化 破 损 的 房 屋, 发 现 虽 然 绝 大 多 数 没 有 进 行 过 地 基 处 理, 但 其 中 15 栋 房 屋 地 基 曾 经 进 行 过 搅 拌 桩 法 加 固,2 栋 曾 进 行 过 微 型 桩 加 固,1 栋 曾 进 行 过 浅 层 地 基 压 实 总 体 而 言, 本 次 地 震 证 明 了 通 过 地 基 处 理 可 以 有 效 消 除 地 基 液 化 沉 陷, 其 中 经 过 挤 密 砂 桩 法 砂 井 排 水 固 结 法 处 理 的 场 地 液 化 现 象 轻 微 但 在 此 次 日 本 9.0 级 强 震 作 用 下, 液 化 震 害 调 查 发 现 了 少 量 虽 经 地 基 处 理, 仍 然 发 生 地 基 震 害 的 案 例 因 此, 今 后 应 加 强 地 基 处 理 方 法 在 强 震 作 用 下 抗 液 化 效 应 的 研 究 和 检 验 5 总 结 本 文 总 结 了 2011 年 日 本 东 北 地 区 太 平 洋 近 海 地 震 地 基 液 化 灾 害 特 征 及 其 出 现 的 新 问 题, 主 要 得 出 以 下 4 点 结 论 (1) 液 化 主 要 分 布 在 围 海 造 陆 古 河 道 等 平 坦 低 地 地 震 动 持 续 时 间 长 和 震 后 一 系 列 的 余 震, 是 造 成 地 基 液 化 震 害 严 重 的 主 要 原 因 液 化 震 害 的 程 度 主 要 与 基 础 形 式 有 关, 以 采 用 浅 基 础 或 小 型 基 础 的 低 层 建 筑 物 和 轻 型 结 构 为 主, 而 采 用 桩 基 础 的 建 ( 构 ) 筑 物 破 坏 较 小 (2) 余 震 再 液 化 受 地 震 力 大 小 应 力 历 史 及 超 孔

第 5 期 黄 雨, 等. 2011 年 日 本 东 北 地 区 太 平 洋 近 海 地 震 地 基 液 化 灾 害 综 述 839 隙 水 压 力 消 散 程 度 的 影 响 当 主 震 和 余 震 间 歇 期 较 短, 且 主 震 产 生 的 超 孔 隙 水 压 力 来 不 及 完 全 消 散 时, 余 震 再 液 化 更 加 容 易 发 生, 喷 砂 冒 水 范 围 更 广, 地 面 沉 降 量 更 大, 破 坏 更 加 严 重 因 此, 今 后 应 重 视 余 震 再 液 化 的 机 理 及 变 形 破 坏 研 究 (3) 地 震 和 海 啸 的 耦 合 灾 害, 主 要 集 中 在 日 本 东 北 沿 海 地 区, 以 堤 防 工 程 和 码 头 的 破 坏 最 为 严 重 地 震 和 海 啸 耦 合 破 坏 过 程 可 以 分 为 3 个 阶 段 : 震 后 液 化 阶 段 间 歇 期 恢 复 阶 段 海 啸 流 滑 破 坏 阶 段 (4) 本 次 地 震 液 化 震 害 调 查 发 现, 地 基 处 理 可 以 有 效 消 除 地 基 液 化 沉 陷, 减 少 液 化 造 成 的 地 基 破 坏 失 稳 其 中 经 过 挤 密 砂 桩 法 砂 井 排 水 固 结 法 处 理 的 场 地 液 化 现 象 轻 微 但 也 发 现 了 少 量 虽 经 地 基 处 理, 仍 然 发 生 地 基 震 害 的 案 例 因 此, 今 后 应 加 强 地 基 处 理 方 法 在 强 震 作 用 下 抗 液 化 效 应 的 研 究 和 检 验 参 考 文 献 : [1] HUANG Y, JIANG X M. Field-observed phenomena of seismic liquefaction and subsidence during the 2008 Wenchuan earthquake[j]. Natural Hazards, 2010, 54(3): 839 850. [2] VILLALOBOS F, OVANDO E, MENDOZA M, ORÓSTEGUI P. Damages observed in the 2010 concepción earthquake related to soil phenomena[c]// Proceedings of the 5th International Conference on Earthquake Geotechnical Engineering, Santiago. 2011. [3] 夏 坤, 张 令 心, 刘 洁 平. 中 外 烈 度 表 人 的 感 觉 和 器 物 的 反 应 对 比 研 究 [J]. 地 震 工 程 与 工 程 振 动, 2011, 31(5): 21 29. (XIA Kun, ZHANG Ling-xin, LIU Jie-ping. Comparative study on the criteria effects on humans and effects on objects in the seismic intensity scales at home and abroad[j]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2011, 31(5): 21 29. (in Chinese)) [4] Japan Meteorological Agency. Information on the 2011 off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake[OL]. 2012. [2012.6.19].http://www.jma.go.jp/jma/en/2011_Earthquake/I nformation_on_2011_earthquake.html. [5] MIMURA N, YASUHARA K, KAWAGOE S, YOKOKI H, KAZAMA S. Damage from the Great East Japan Earthquake and Tsunami - a quick report[j]. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 2011, 16(7): 803 818. [6] 気 象 庁. 推 計 震 度 分 布 図 [OL]. 2011. [2012.11.06]. http://www.seisvol.kishou.go.jp/eq/suikei/201103111446_288 /201103111446_288_1.html. (Japan Meteorological Agency. Distribution of estimated Japan s intensity of ground motion[ol]. 2011. [2012.11.06]. http://www.seisvol. kishou.go.jp/eq/suikei/201103111446_288/201103111446_28 8_1.html. (in Japanese)) [7] 叶 琳, 于 福 江, 吴 玮. 我 国 海 啸 灾 害 及 预 警 现 状 与 建 议 [J]. 海 洋 预 报, 2005, 22( 增 刊 ): 147 157. (YE Lin, YU Fu-jiang, WU Wei. The disaster and warning of tsunami in China and the suggestion in future[j]. Marine Forecasts, 2005, 22(S0): 147 157. (in Chinese)) [8] ISHIHARA K, ARAKI K, BRADLEY B A. Characteristics of liquefaction-induced damage in the 2011 Great East Japan Earthquake[C]// Proceedings of the International Conference on Geotechnics for Sustainable Development. Hanoi, Vietnam, 2011: 1-22. [9] 安 田 進, 原 田 健 二, 石 川 敬 祐. 東 北 地 方 太 平 洋 沖 地 震 に よる 千 葉 県 の 被 害 [J]. 地 盤 工 学 ジャーナル, 2012, 7(1): 103 115. (YASUDA S, HARADA K, ISHIKAWA K. Damage to structures in Chiba Prefecture during the 2011 Tohoku-Pacific Ocean Earthquake[J]. Japanese Geotechnical Journal, 2012, 7(1): 103 115. (in Japanese)) [10] 豊 田 浩 史, 原 忠, 竹 澤 請 一 郎, 等. 簡 易 動 的 貫 入 試 験 と 表 面 波 探 査 による 浦 安 市 の 液 状 化 被 害 分 析 と 応 急 対 策 への 適 用 性 [J]. 地 盤 工 学 ジャーナル, 2012, 7(1): 207 218. (TOYOTA H, HARA T, TAKEZAWA K, et al. Liquefaction damage analysis and application to emergency measures in Urayasu City using portable cone penetration test and surface wave method[j]. Japanese Geotechnical Journal, 2012, 7(1): 207 218. (in Japanese)) [11] 尾 上 篤 生, 蔡 飛, 中 島 美 代 子, 等. 緩 い 砂 埋 戻 し 地 盤 の 辺 縁 部 の 液 状 化 に 伴 う 地 盤 変 状 の 特 徴 [J]. 地 盤 工 学 ジ ャーナル, 2012, 7(1): 175 184. (ONOUE A, CAI F, NAKAJIMA M, et al. Behavior of liquefied soil at brink of backfilled basin[j]. Japanese Geotechnical Journal, 2012, 7(1): 175 184. (in Japanese)) [12] 森 友 宏, 飛 田 善 雄, 今 西 肇. 東 北 地 方 太 平 洋 沖 地 震 によ る 宮 城 県 南 部 地 区 における 地 盤 災 害 [J]. 地 盤 工 学 ジャー ナル, 2012, 7(1): 67 78. (MORI T, TOBITA Y, IMANISHI H. Seismic damages to geo-structures in the southern district of Miyagi Prefecture during the 2011 off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake[J]. Japanese Geotechnical Journal, 2012, 7(1): 67 78. (in Japanese)) [13] 金 哲 鎬, 藤 井 衛, 品 川 恭 一, 等. 東 北 地 方 太 平 洋 沖 地 震 の 液 状 化 地 域 における 戸 建 住 宅 の 基 礎 の 被 害 [J]. 地 盤 工 学 ジャーナル, 2012, 7(1): 195 205. (KIM C, FUJII M,

840 岩 土 工 程 学 报 2013 年 SHINAGAWA K, et al. Damage of foundation for detached houses in liquefied areas by the Tohoku Region Pacific Coast Earthquake[J]. Japanese Geotechnical Journal, 2012, 7(1): 195 205. (in Japanese)) [14] BHATTACHARYA S, HYODO M, GODA K, et al. Liquefaction of soil in the Tokyo Bay area from the 2011 Tohoku (Japan) Earthquake[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2011, 31(11): 1618 1628. [15] 安 田 進, 原 田 健 二. 東 京 湾 岸 における 液 状 化 被 害 [J]. 地 盤 工 学 会 誌, 2011, 59(7): 38 41. (YASUDA S, HARADA K. Liquefaction-induced damage in the reclaimed lands along Tokyo Bay[J]. The Japanese Geotechnical Society, 2011, 59(7): 38 41. (in Japanese)) [16] HA I S, OLSON S M, SEO M W, et al. Evaluation of reliquefaction resistance using shaking table tests[j]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2011, 31(4): 682 691. [17] ODA M, KAWAMOTO K, SUZUKI K, et al. Microstructural interpretation on reliquefaction of saturated granular soils under cyclic loading[j]. Journal of Geotechical and Geoenvironmental Engineering, 2001, 127(5): 416 423. [18] 安 田 進. 液 状 化 関 係 の 報 告 [C]// 浦 安 市 における 液 状 化 ならびに 対 策 技 術 の 調 査 検 討 に 関 する 報 告 会. 日 本 : 公 益 社 団 法 人 地 盤 工 学 会. 2012.2.20. [2012.5.30]. http://www.jiban.or.jp/file/organi/2_0.pdf. (YASUDA S. Report on liquefaction[c]// Meeting Report on the Investigation and Study of Liquefaction Countermeasure Technology in Urayasu. Japan: The Japanese Geotechnical Society. 2012.2.10. [2012.5.30]. http://www.jiban.or.jp/file/ organi/2_0.pdf. (in Japanese)) [19] 浦 安 市 液 状 化 対 策 技 術 検 討 調 査 委 員 会. 地 盤 特 性 の 把 握 液 状 化 の 要 因 分 析 [R]. 日 本. 2011.9.12. [2012.5.30].http://www.city.urayasu.chiba.jp/secure/26052/04 _siryo2-4-1jibanntokuseinohaaku.pdf. (Investigation Committee on Liquefaction Countermeasure Technology in Urayasu City. Analysis of the characteristics of geological conditions and liquefaction[r]. Japan. 2011.9.12. [2012.5.30].http://www.city.urayasu.chiba.jp/secure/26052/04 _siryo2-4-1jibanntokuseinohaaku.pdf. (in Japanese)) [20] 張 鋒. 余 震 による 再 液 状 化 を 考 慮 した 液 状 化 評 価 の 重 要 性 [C]// 発 足 記 念 シンポジウム. 日 本 : 名 古 屋 工 業 大 学 高 度 防 災 工 学 セ ン タ ー. 2012.1.10. [2012.5.30]. www.salagrande.net/cho.pdf. (ZHANG F. The importance of the re-liquefaction in aftershocks to the evaluation of liquefaction resistance [C]// Memorial Conference on Renewal. Japan: Advanced Disaster Prevention Engineering Center, Nagoya Institute of Technology. 2012.1.10. [2012.5.30]. www.salagrande.net/cho.pdf. (in Japanese)) [21] 黄 雨, 毛 无 卫. 液 化 后 土 体 的 流 态 化 特 性 研 究 进 展 [J]. 同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ), 2011, 39(4): 501 506. (HUANG Yu, MAO Wu-wei. State of art of fluidization behavior of post-liquefied soils[j]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2011, 39(4): 501 506. (in Chinese)) [22] ハザリカ へマンタ, 片 岡 俊 一, 笠 間 清 伸, 等. 青 森 県 岩 手 県 北 部 における 地 震 と 津 波 による 複 合 地 盤 災 害 [J]. 地 盤 工 学 ジャーナル, 2012, 7(1): 13 23. (HAZARIKA H, KATAOKA S, KASAMA K, et al. Compound geotechnical disaster in Aomori Prefecture and northern Iwate Prefecture due to the earthquake and tsunami[j]. Japanese Geotechnical Journal, 2012, 7(1): 13 23. (in Japanese)) [23] 風 間 基 樹. 2011 年 東 北 地 方 太 平 洋 沖 地 震 被 害 の 概 要 と 地 盤 工 学 的 課 題 [J]. 地 盤 工 学 ジャーナル, 2012, 7(1): 1 11. (KAZAMA M. Overview of the damages of the 2011 off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake and its geotechnical problems[j]. Japanese Geotechnical Journal, 2012, 7(1): 1 11. (in Japanese))