《Soils and Foundations》：Dynamic centrifuge tests of arching effect in embankment undergoing basal settlement and water infiltration
编辑推荐：
研究人员进行了一系列离心振动台模型试验，以研究经受基底沉降和水入渗的堤坝中拱作用（arch action）的特性。试验在柔性且不透水的基底上进行，以模拟非液化软土地基的存在及其导致的基底沉降，从而在基底沉陷上方产生拱作用。在离心加载过程中，使用液体供应系统将美
研究人员进行了一系列离心振动台模型试验，以研究经受基底沉降和水入渗的堤坝中拱作用（arch action）的特性。试验在柔性且不透水的基底上进行，以模拟非液化软土地基的存在及其导致的基底沉降，从而在基底沉陷上方产生拱作用。在离心加载过程中，使用液体供应系统将美多秀（Metolose）输送到堤坝内，以研究水入渗和饱和条件对拱作用的影响。此外，采用动态加载诱发土体液化（soil liquefaction），并观测拱作用与土体液化之间的关系。本研究的重点集中于初始应力形成、饱和、液化及液化后全过程中的拱作用。试验结果表明，堤坝下方的基底沉降可导致拱作用的发展，而在受饱和与动态加载影响、因基底沉降而松散的土体中可能发生土体液化。对堤坝模型底部土压力分布和主应力方向的深入分析揭示了拱作用的机理及其对土体液化的影响。此外，通过时间和阿里亚斯强度（Arias intensity，IA）域内的动态响应，观测到了液化的起始和堤坝的坍塌机制。研究结果表明，拱效应对堤坝的地震稳定性起着重要作用，并有助于开发更有效的堤坝和堤防设计与加固技术。
论文解读文章
**研究背景与问题**
在地震和软土地基沉降共同作用下，堤坝（embankment）的破坏模式日益受到关注。1993年钏路地震（Kushiro-Oki Earthquake）揭示了新型破坏模式：地震运动导致堤坝顶部裂缝发展，饱和区发生土体液化（soil liquefaction）。这种破坏源于堤坝体内水位高于地表面，且在地震前基础已发生沉陷。基底沉降（basal settlement）可引发堤坝底部横向伸长，降低侧向约束压力，进而导致应力重分布，形成土拱效应（soil arching）。然而，既有研究对拱效应与液化之间的相互作用探讨不足。为此，研究人员开展了一系列动态离心机模型试验，旨在阐明基底沉降、水入渗及地震荷载条件下拱效应的发展规律及其对液化的影响，并验证土钉（soil nail）加固的可行性。该论文发表在《Soils and Foundations》。
**研究内容与结论**
研究人员通过对比无加固（Case 1）与土钉加固（Case 2）的堤坝模型，系统分析了拱效应在离心加载、液体供应和动态加载三个阶段的行为。结果表明：基底沉降能够诱发拱效应，但拱下松散区在饱和与地震作用下易发生液化；土钉加固可有效维持拱结构，抑制主应力循环重定向，增强堤坝抗震稳定性。该研究为软土地基上堤坝的抗震设计与加固提供了新机制与实用方案。
**关键技术方法**
研究采用的主要技术方法包括：（1）离心机振动台模型试验（50g加速度），使用柔性不透水聚氨酯基底模拟软土地基沉降；（2）液体供应系统，通过中心管道注入甲基纤维素（Metolose）溶液（粘度50 cSt）模拟水入渗；（3）动态加载，采用正弦波（Case 2）和坡道正弦波（Case 1）两种输入波；（4）二维主应力传感器（2D principal stress sensor），结合孔隙水压力传感器（pore pressure transducer）和加速度计（accelerometer）测量应力与孔压；（5）阿里亚斯强度（Arias intensity，IA）域分析，用于比较不同波形下的动态响应；（6）土钉加固，采用M4螺栓（长150 mm与120 mm）插入预先钻孔的模型。试验用砂取自广岛县吴市（Kure City, Hiroshima Prefecture）。上述方法忽略具体操作步骤。
**研究结果**
**4.1 离心加载步骤（Centrifugal loading step）**
通过监测垂直土压力与堤顶沉降的关系，研究人员发现：在离心加速度从1g升至50g过程中，堤坝中心土压力初始低于两侧，呈现“中心压力下降”特征，表明拱效应（arching effect）逐渐形成。垂直土压力比（rVEP，即中心与两侧平均压力之比）始终小于1，证实了荷载通过拱作用向两侧转移。Case 1（无加固）中，中心与两侧的压力差更大，拱效应更显著；Case 2（土钉加固）中，初始rVEP波动较大，但最终仍低于1。基底沉降（Δsb）持续大于堤顶沉降（Δsc），表明松散区在基底上方形成，体积膨胀。
**4.2 液体供应步骤（Liquid supply step）**
在稳定50g后注入Metolose溶液。Case 1中，液体供应导致中心垂直土压力先下降后上升，孔隙水压力（pore water pressure）显著增加，反映了液体侵入引起的附加拱效应及饱和区扩展。Case 2中rVEP变化更为平稳。液体供应停止后，超孔压逐渐消散，土压力恢复。通过热力图分析，Case 1的垂直土压力分布表现出不连续性，表明无加固时流体对拱效应的影响更大。两案例的rVEP在液体供应后均增加但仍小于1，说明拱作用持续存在。
**4.3 动态加载步骤（Dynamic loading step）**
采用正弦波（Case 2）和坡道正弦波（Case 1）施加动态荷载（振幅4.0 m/s2，30个周期，频率1.0 Hz）。通过灰度图展示垂直土压力分布随时间变化。Case 1中，中心区域土压力显著降低，rVEP随阿里亚斯强度（IA）增大而持续下降，拱作用逐渐消失；堤顶沉降（Δsc/H）持续增加。Case 2中，rVEP保持稳定，沉降在IA超过某一阈值后不再增加。孔隙水压力响应表明，Case 1中中心区域（距基底高度H/5处）孔压达到总应力，发生液化；而两侧区域未液化。主应力方向（Ψ）监测显示，Case 1中Ψ在动态加载中大幅波动，而Case 2中Ψ波动较小，表明土钉抑制了主应力循环重定向，维持了拱稳定。图21对比了平均二维主应力与孔压，Case 1中两者交叉（液化标志），Case 2中未交叉。
**总结讨论与结论翻译**
研究结论部分翻译如下：
本研究采用动态离心机模型试验，考察了基底沉降和水入渗条件下堤坝的土拱行为，重点关注地震稳定性。主要发现如下：
（1）研究强调了基底沉降如何诱发土拱效应并横向转移荷载。然而，该机制也在拱下形成松散区，在水入渗和动态加载下增加了液化敏感性。在已有土拱的场景中，液体补给因液体侵入时荷载从饱和弱区向非饱和强区转移而诱发额外的拱状效应。
（2）尽管土拱在静态条件下保持稳定，若未适当加固，在地震荷载下可能削弱或坍塌，造成严重破坏。为减轻液化引发的破坏，受新奥地利隧道施工法（NATM）启发提出了一种新方法，采用土钉加固土拱，从而在动态条件下稳定堤坝。加固后的堤坝在地震荷载中维持了拱效应，对侧向扩展、堤顶沉降和坡面鼓胀表现出更好的抵抗能力。
（3）利用二维主应力传感器结合孔隙水压力传感器和加速度计的先进测量技术，深入揭示了应力重分布、主应力重定向、液化起始及动态响应。与无加固案例相比，加固案例的主应力轴显著保持稳定，表明荷载转移更有效且拱效应持续。
（4）结果证实，土钉可有效抑制主应力的循环重定向，从而维持拱稳定并限制变形，即便在阿里亚斯强度超过基线水平时仍有效。所提出的加固策略为减轻软土地基或可变形基础上堤坝与堤防的地震损伤、提高其抗震韧性提供了实用方案，尤其在震区。
（5）尽管阿里亚斯强度域转换能够合理比较不同波形的地面响应，但本研究案例间时域内的基底运动差异仍是一个局限。此外，若未仔细评估，流体供应流量差异可能影响试验结果。因此，未来有必要采用相同输入运动和流体供应流量进行试验。
