液化地基上堆石坝抗震性能与脆弱性评估：砾石护道液化防控效果研究

本文通过建立二维有限元(FE)计算框架，结合离心机模型试验校准参数，系统评估了砾石护道(gravel berms)对液化地基上堆石坝抗震性能的影响。研究识别了最优地震动强度指标(IM)，揭示了垂直地震动会加剧坝体永久沉降，而砾石护道可显著降低严重损伤概率，为液化区堆石坝抗震设计提供了重要理论支撑。

　　

Highlight

砾石护道作为液化防控措施，能有效降低堆石坝在极端地震中的损伤超越概率，特别是在严重损伤等级时效果显著。垂直地震动则通过诱发超孔隙水压力增加永久沉降，进一步放大损伤风险。

Numerical simulation of centrifuge model test

图1a展示了离心机模型试验的原型尺度配置：采用Hostun HN31砂模拟6米高堆石坝及其下9米厚可液化砂基。坝体边坡相对密度80%（绿色标注），饱和砂层相对密度45%（黄色标注），通过多面滑移模型模拟循环荷载下的液化行为。

FE modeling

图7a展示了典型堆石坝断面：包含可液化中密砂层、上下游砾石护道及灌浆帷幕。采用PM4Sand模型（参数见表1-2）模拟砂土循环响应，通过OpenSees平台实现有效应力分析。

Methodology

地震脆弱性函数定义为：

P(S_D≥S_C|IM) = Φ[ln(S_D)-ln(S_C)/√(β²_D/IM+β²_C)]

其中β_C为能力不确定性，通过回归分析建立概率地震需求模型。

Effects of vertical motions

1200组FE分析表明：垂直地震动使坝顶沉降增加15%-20%，超孔压比上升至0.8-0.9，显著提高中等损伤状态的超越概率达30%。

Summary and conclusions

砾石护道长度增加50%可使严重损伤概率降低40%，而考虑垂直地震动时需将设计IM提高20%。该FE框架为液化区堆石坝抗震设计提供了量化评估工具。