山东建大模拟地震试验取得重要成果

目前，一些关于地层中海底沉积物在地震作用下液化、喷发的古地震记录的发现，主要运用了 “将今论古”的原则和岩石学方法及形态比较学的原理，尚无试验验证。所以，学术界一直存在争论。有部分学者认为，那些在海相碳酸盐岩地层中形似液化砂脉和“沙火山”的现象并非地震所为，灰泥软沉积物也不可能发生液化。

日前，山东建筑大学国家自然科学基金项目（项目号41272066）模拟地震试验，展示了饱和灰泥受强震作用会发生液化，并产生了灰泥“火山”喷涌的精彩场景。

试验人员先用8毫米厚的透明有机玻璃和5 毫米厚的角钢制作出三个长0.67 米、宽0.5 米、高 1.0 米的模型箱。然后向箱子里灌入3.5%的 NaCI盐水以模拟海水；之后将粒径小于或等于5、10~15 及23~30微米的微粒石灰岩粉和碎粘土，缓慢地逐层分别沉入三个模型箱的水中；历经56 天，制成了白色碳酸钙（石灰岩）颗粒夹红褐色黏性土的沉积组合层。

试验人员将模型箱放在模型车上并快速推动，使车轮连续两次猛烈地撞击5厘米高的石材台阶，产生时长约5~7秒的人工地震。这时，模型箱内的软沉积土层开始发生奇妙的变化，三个模型箱的上部都形成了壮观的灰泥“火山” 喷涌、灰泥液化脉、火焰状构造和微断裂等变形。

山东建筑大学项目负责人田洪水告诉记者，地震使饱和砂土产生喷砂冒水至少发生在震级5级以上烈度 VI度以上的地震区；试验模型中的白色粉粒粒径比细砂粒径小很多，所以本次试验的激震烈度大于等于 VI度。

但有意思的是，三个模型箱中的碳酸钙沉积物液化和喷涌的程度并不相同。为什么在相同人工地震强度条件下，不同模型中的液化程度不同呢？

在田洪水看来，这与碳酸钙颗粒的大小有关。在一号模型振动箱中，碳酸钙颗粒粒径最小，比表面积最大、吸附性最强，但其孔隙最小，相近地震强度条件下，在同一深度形成的超孔隙水压力也最小，加之浅部土层中有效自重应力小，所以，仅在深度 25~30 厘米处产生了液化现象。二号模型振动箱中，碳酸钙颗粒粒径是一号模型振动箱中颗粒粒径的2~3 倍，其比表面积及吸附性相应变小、孔隙相应增大，地震在相同深度形成的超孔隙水压力成倍增加，因此在50厘米深度发生液化。三号模型振动箱中，碳酸钙颗粒粒径更大，所以液化发生在75厘米深度。

这个试验不但客观呈现了地震对沉积土层产生的破坏，而且揭示了困惑学术界已久的海底碳酸钙软沉积物受强震触动是否会液化之谜；也对评估填海造陆和建于碳酸钙软沉积层上的海洋工程的地基稳定性具有重要意义。（山东建筑大学）