城市与减灾 | 王兰民：中国岩土地震工程与土动力学研究进展与实践

本文节选改编自《城市与减灾》2021年第4期，原文题目：中国岩土地震工程与土动力学研究进展与实践，作者：王兰民。

作者简介

王兰民，中国地震局黄土地震工程重点实验室主任，研究员，博士生导师，国务院政府特殊津贴专家，中国地震局科技委员会委员，中国地球物理学会和中国土力学与岩土工程学会的常务理事，国际岩土地震工程及其问题技术委员会委员，国际工程边坡稳定性技术委员会委员，亚洲岩土自然灾害技术委员会委员，曾任甘肃省地震局局长、中国地震局兰州地震研究所所长。
岩土地震工程与土动力学是地震灾害预防和建设工程抗震设防的重要支撑学科领域。其中，岩土地震工程学是研究与岩土工程有关的地震工程问题的学科，也是岩土工程与地震工程、土动力学交叉而形成的一个新兴学科，主要研究内容包括在地震作用下土体的变形与强度特性，场地、地基和土工结构物的变形与稳定性问题。

而土动力学是研究动力荷载作用下土的动力特性、场地动力响应和场地液化、震陷、滑坡等问题的学科。它是土动力学与振动工程、地震学、工程地震学等交叉而形成的学科。岩土地震工程与土动力学在研究内容上各有侧重，也有交叉融合，在发展过程中相互支撑促进。因此，本文将两者融合在一起综述介绍。

因篇幅限制，特摘选文章第四部分“土动力学理论与岩土地震工程实践成就”，以飨读者。

土动力学理论与岩土地震工程实践成就

20 世纪70 年代以来，我国土动力学理论得到了全面、系统的发展，已经形成了与国际水平同步的理论体系。岩土地震工程方面的技术规范和标准体系也基本形成，满足了我国岩土工程抗震的需求。我国强震区的大中城市、国家级新区和相关大型企业均开展了地震小区划工作，重大工程、生命线工程和易产生地震次生灾害工程设施的建设场地都依照国家相关法规开展了工程场地地震安全性评价，使得建设工程防震减灾能力有了显著提升。

土动力学理论

1988 年，谢定义等编著出版了我国第一部《土动力学》专著，三年后他对内容进行了修订再版，修订后的《土动力学》具有先进性、启发性、实用性等特点。2013 年，谢定义合著出版《应用土动力学》专著，为解决实际工程计算和设计中的土动力学问题提供了理论和方法。其后，张克绪、谢君斐等（1989）编著出版了《土动力学》，吴世明（2000）编著出版了《土动力学》，刘洋（2019）编著出版了《土动力学基本原理》，这5 本专著系统反映了20 世纪70 年代以来我国和国际在土动力学发展不同阶段的主要研究与工程实践成果。

土动力学理论是由动力基础设计、防护工程、地震工程等三大需求发展而来，动力基础设计理论从20 世纪30 年代到60 年代，已经成熟完善；防护工程因大多涉及军事国防，公开发表的资料很少。

因此，我国土动力学专著涉及的内容主要是针对地震工程需求的，综合起来主要包括：土的动力特性（动强度、动模量、阻尼比、动变形、动孔压）与试验测试、土的动力计算模型（线性粘—弹模型、弹—塑模型、等价非线性粘—弹模型）、波在土体中的传播及应用、土体对地震动的反应分析、土对地震应力作用的反应、饱和砂土体的液化判别、地震时饱和土体中孔隙水压力的增长与消散、地震引起的土体永久变形、土体与结构的相互作用、土与地基的原位动力测试、桩基的动力测试等。

其中，土动力特性室内试验测试主要有：振动三轴试验、共振柱试验、动扭剪三轴试验、振动台试验、离心机振动台试验等；土与地基的原位动力测试主要包括：波速测试、地脉动测试、人工地震勘探、循环荷载板试验、静力触探试验（CPT）、标准贯入试验（SPT）、动力旁压试验、原型观测、振动衰减试验等。

由于我国黄土高原是世界上黄土分布最广、厚度最大、地形地貌最为复杂的区域，同时也是地震灾害最严重的地区，历史地震在该地区曾造成过140 多万人死亡。我国针对黄土地震灾害预测预防需求开展的长期研究，形成了土动力学的一个特色学科——黄土动力学。王兰民等（2003）编著出版了《黄土动力学》专著，内容包括黄土的动力特性与试验方法、黄土震陷、黄土地震滑坡、黄土液化、黄土地基抗震处理、黄土地震灾害区划、波在黄土中的传播等。

虽然岩土地震工程研究在我国起步较晚，但目前在研究与实践的基础上已初步形成了相应的理论体系，主要标志为陈国兴（2007）编著出版的《岩土地震工程学》专著和相关文献资料。专著内容包括：地震学基础、地震灾害与地震烈度、地震动特性、土的动力本构关系、土动力特性的室内外试验、水平成层场地和横向非均匀场地的地震反应、土动力特性与震动液化、土体地震永久变形、桩—土—结构动力相互作用、土—结构动力相互作用对TMD 减震控制的影响、地铁地下结构地震反应、土坝抗震分析等。

上述专著内容以及相关文献不仅构建了我国土动力学与岩土地震工程的理论体系，而且也建立了相应的试验测试体系，不仅为土木工程类有关专业研究生、高年级本科生提供了经典教材，同时也为从事土木工程防震减灾的研究、勘察、试验和设计人员以及城市和工程建设规划人员提供了重要的参考。

工程抗震设计规范标准

我国先后编制了五代地震区划图（李善邦主编，1957 ；邓起东主编，1977 ；高文学主编，1992 ；胡聿贤主编，2001 ；高孟谭主编，2015），在地震观测研究资料积累和地震中长期预测的基础上，依据当时工程抗震最新研究成果和震害经验，考虑相应时期社会、经济发展需求，为各类工程抗震设计规范标准的制定和城乡建设规划提供了抗震设防的科学依据，满足了国家抗震设防的需求。现行《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015）中，在场地类别划分、各类场地基本地震动加速度反应谱特征周期和地震动峰值加速度的调整方法与调整系数表中，应用了岩土地震工程于土动力学的长期研究成果。

2004 年，谢礼立主编的《建筑工程抗震性态设计通则》（CECS160：2004）作为中国工程建设标准化协会标准颁布，该通则为各类工程结构抗震性态设计标准的制定提供了一个模式，在其后出台的相关工程抗震设计规范标准中得到了贯彻和借鉴。同时，在我国重大工程、灾后恢复重建工程和城市建设中被广泛应用，发挥了很好指导作用，取得了良好的减灾效果。

我国于1959 年、1964 年先后编制了《地震区建筑抗震设计规范》（草案）,1974 年颁布了《工业与民用建筑抗震设计规范》（试行）（TJ 11—1974），1978 年颁布了《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ 11—1978），1989 年颁布了《建筑抗震设计规范》（GB J11—89》，2001 年颁布了《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001），并于汶川地震后做了局部修订，2010 年颁布了《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010），其后于2016 年、2019 年做了局部修订，形成了（2016 版）和（2019 版）。在现行建筑抗震设计规范中，在场地分类、场地地震动放大系数调整、场地液化和震陷判别与处理、边坡地震稳定性、地基与基础抗震等方面均应用了岩土地震工程与土动力学的长期研究成果。

我国相关领域工程抗震设计标准和行业抗震设计规范吸纳了岩土地震工程与土动力学的长期研究成果。例如，《地下结构抗震设计标准》（GB/T 51336—2018）、《水工建筑物抗震设计规范》（DL 5073—2016）、《公路隧道抗震设计规范》（JTG 2232—2019）、《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111—2017）、《核电厂抗震设计标准》（GB 50267—2019）、《电力设施抗震设计规范》（GB 50260—2013）、《通信设备安装工程抗震设计标准》（GB/T 51369—2019）、《建筑机电工程抗震设计规范》（GB 50981—2014）、《石油化工构筑物抗震设计规范》（SH 3147—2014）、《水运工程抗震设计规范》（JTS 146—2012）、《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）（2009年版）、《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）、《地基动力特性测试规范》（GB/T 50269—2015）等，这些标准和规范为我国基础设施、重大工程和容易引起次生灾害工程建设的地震安全提供了基本保障，取得了良好的防震减灾效果。

汶川地震中基本完好的边坡加固工程、挡土墙工程和坡体防护工程（周德培，2010）（a）采用锚杆框架加固与植被防护的边坡（b）挡土墙 （c）预应力锚索桩

工程场地地震安全性评价与城市地震小区划

工程场地地震安全性评价是评价未来一定时段内工程建设场地遭受地震威胁的可能性及相应的程度与特性，提供包括场点及场地空间分布的地面运动及地面破坏两方面的评价结果。地面运动依据对震源特性、地震波的传播（区域地质条件，基岩）、场地条件（近地表地形地貌、土层结构、场地土动力特性、地下水等场地条件）等方面研究结果给出评价。

地面破坏则依据断层错动、地表断裂、砂土液化、滑坡、震陷等研究结果给出评价。评价结果可为各类建设工程选址与抗震设防要求的确定、防震减灾规划、社会经济发展规划等提供抗震设防的依据，为已有工程的抗震可靠性分析和震害预测等提供地震作用依据，还可为投资风险决策、地震保险、房屋出售等提供科学依据。

中国地震局从成立之时，就将工程场地地震安全性评价作为服务国家经济社会建设的一项重要工作，为数以万计的国家重大工程、核设施、基础设施、可能产生重大次生灾害的建设工程和城镇规划提供了更加科学精确的抗震设防依据。

同时，中国地震局十分重视工程场地地震安全性评价的技术规范，于2005 年发布了国家标准《工程场地地震安全性评价》（GB 17741—2005）。该标准将地震安全性评价工作分为四个等级：

Ⅰ级工作适用于安全性要求极高的核电厂等重大建设工程项目中的主要工程，评价工作内容包括：地震危险性的概率分析和确定性分析、能动断层鉴定、场地地震动参数的确定、地震地质灾害评价等五个方面；

Ⅱ级工作适用于除Ⅰ级以外安全性要求较高的的重大建设工程项目中的主要工程，评价工作内容包括：地震危险性的概率分析、场地地震动参数的确定、地震地质灾害评价等三个方面；

Ⅲ级工作适用于量大面广的城镇、大型厂矿企业、经济建设开发区、重要生命线工程等，评价工作内容包括：地震危险性概率分析、区域性地震区划和地震小区划等；

IV 级工作适用于《中国地震动参数区划图》使用规定4.3 条中b）、c）规定的一般性工程，即位于地震动参数区划分界线附近的新建、扩建、改建工程和某些地震研究程度和资料详细程度较差的边远地区，评价工作内容主要包括：地震危险性的概率分析、场地地震动峰值加速度复核等两个方面。

地震小区划是对某一特定区域范围内地震安全环境进行划分，预测这一范围内可能遭遇到的地震影响分布，包括设计地震动参数的分布和地震地质灾害的分布。该概念在20世纪50 年代由苏联首先提出，当时是对地震基本烈度相同的某个地区或一个复杂的工程场地, 按场地土质、地下水位、局部地形地貌和断层影响等条件，对烈度进行调整，编制更精细的区域或场地地烈度分布图。到了70 年代，国际地震小区划研究与实践得到了快速发展。

从20 世纪70 年代末到90 年代，我国在强地震区的大中城市大力开展城市地震小区划工作。1981 年中国地震学会在南京召开了“地震工程专业委员会成立大会暨1981 年地震小区划学术交流报告会”。同年，在中国地震局工程力学研究所召开了“中美地震小区划讨论会”，从地质、地球物理、土动力学、场地反应及互相作用等方面探讨地震小区划问题。这两次会议对我国开展地震小区划研究与实践发挥了重要推动作用。

孙崇绍等（1981）提出了综合指标地震小区划方法，并在兰州、西安、西宁、宝鸡、天水等城市地震小区划中进行了应用。廖振鹏、李小军等（1989）提出了地表土层地震反应的等效线性化解法，解决了地震小区划中的一个关键科学问题。廖振鹏（1989）主编出版的《地震小区划——理论与实践》集中反映了这一时期的研究与实践成果。

地震小区划的技术要求已在国家标准《工程场地地震安全性评价》中有了明确的规定，成为我国一项长期推进的防震减灾工作。目前，直辖市、大部分省会城市和大量的市、县城市以及国家级新区、大型企业、相关工程场地等基本完成了地震小区划工作，其地震动参数小区划图、场地类别区划图和地震滑坡、液化、震陷、断裂等灾害风险区划图为城市规划和工程建设、抗震设防提供了更科学、更精细的科学依据。