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陈龙伟，袁晓铭，孙锐
( 中国地震局工程力学研究所中国地震局地震工程和工程振动重点实验室，黑龙江哈尔滨，150080)
摘要: 2010 －2011 年间新西兰南岛Ch r i s t c hu r c h地区发生了一系列破坏性地震，造成了Ch r i s t c hu r c h 地区大面积的砂土液化，其中以2011 年2 月22 日Ch r i s t c hu r c h M w6． 3 地震场地液化和侧移最为严
重，导致了约15000 栋居民住宅、1000 栋商业用房及桥梁、堤坝、地下生命线设施的严重破坏。该次
地震是有液化调查历史以来的大地震中第一个以液化为震害主因的一次地震，且场地出现了大量的
10 ～20m 深层土液化。场地液化引起的建筑物破坏，主要包括建筑物震陷及不均匀震陷。液化侧移
主要发生在近河流区域，分为分布式和滑移块式。新西兰地震中场地液化对建筑物的破坏突显了规
范中抗液化设计及抗液化措施研究的不足，对于可液化场地设计反应谱及建筑物抗震技术的研究亟
需进行深入探讨。
关键词: 新西兰地震; 场地液化; 地震灾害; Ch r i s t c hu r c h地震
中图分类号: TU392．1;P315． 97 文献标志码: A
Ｒe v i e w of li qu e fa c t i o n phenomena and geo t ec hn i c a l dama ge
6． 3 e a r t hqua k e
in the 2011 New Z e a l and M
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CHEN L o n gwe i，Y U A N X i ao m i n g，S UN Ｒu i
( Key Laboratory of Earthquake E n g i nee ri n g and E n g i nee ri n g Vi b r at i o n，I n s t i tute o f E n g i nee ri n g Mechan i c s，
Ch i na Earthqua ke A dm i n i s t r at i o n，H a r b i n150080，Ch i na)
A b s t r a c t: I n 2010 －2011，a se r i es of strong earthquake s u ccess i v e l y hit the Ch r i s t c hu r c h r eg i o n in the southern I s- l a n d，N ew Z ea l a n d and caused e xt e n s i v e li q u efac t i o n in the r eg i o n．S i t e li q u efac t i o n and li q u efac t i o n-i n d u ced l a t e r-
6． 3 earthq uake espec i a ll y caused severe damage to abo ut a l sp r ead i n g in the F eb． 22，2011，Ch r i s t c hu r c h M
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15000 r es i de nt i a l b u il d i n gs，1000 co mm e r c i a l b u il d i n gs，b r i dges，da m s，a n d underground li fe li n es fac ili t i es． Th e Ch r i s t c hu r c h earthquake i s the f i r s t earthq uake in w h i c h s i t e li q u efac t i o n i s the m a i n cause to se i s m i c l oss s i n ce pu t- t i n g of li q u efac t i o n i nv es t i ga t i o n i nt o p r ac t i ce．I n the event，d eep so il li q u efac t i o n of 10 －20m was w i de l y i de nt i- f i ed．S i t e li q u efac t i o n r es u l t ed in se tt l e m e nt and d i ffe r e
nt i a l se tt l e m e nt to b u il d i n gs．L i q u efac t i o n-i n d u ced l a t e r a l sp r ead i n g ty p i ca ll y happened c l ose l y to r i v e r s in the forms of d i s t r i b ut ed pattern and s li d i n g b l oc k pa tt e r n．Th e effects of li q u efac t i o n on b u il d i n g m a l f un c t i o n i n d i ca t e that the a nt i-li q u efac t i o n des i g n and li q u efac t i o n m i t i ga t i o n measurements in the current se i s m i c des i g n codes are not perfect and it i s necessary to further e x p l o r e the se i s m i c des i g n spectra and a nt i-li q u efac t i o n t ec hn i q u es for structures on li q u ef i ab l e s i t es．
K e y w o r d s: New Z ea l a n d ea r th q u a k es; s i t e li q u efac t i o n; earthquake da m age; Ch r i s t c hu r c h ea r th q u a k e
收稿日期: 2013－05 －13; 修订日期: 2013－06 －21
基金项目: 国家科技部地震行业专项( 201308015) ; 中国地震局工程力学研究所基本科研业务费专项( 2013B03)
作者简介: 陈龙伟( 1983 －) ，男，博士，主要从事岩土地震工程、土动力学、工程地震方面研究． E-ma i l: chen l o n g we i83@126．c o m
世界地震工程第29 卷
2
大量元素引言
以往历次破坏性地震中，均有场地液化及岩土震害的报道，较为知名的有新泻地震(1964) 、Loma P r i e t a
地震( 1989) 、北岭地震( 1994 ) 、阪神地震( 1995 ) 、台湾集集地震( 1999 ) 、土耳其I z m i t 地震( 1999 ) 、Ch r i s t- church 地震( 2011) ，以及我国的唐山地震( 1976) 、海城地震( 1975) 、汶川地震( 2008) 等等，这些地震震害调查及现场勘查数据对液化研究及岩土抗震技术发展起到了重要作用，从现场实例中获得的经验教训对岩土工程科学研究与工程实践都有极为重要的启示。最近30 a，大面积的液化现象及其引起的地面结构和地下设施的严重破坏在世界各地的灾难性地震中屡屡发生，学者及工程师对这些灾难性地震中场地液化现象及其引起的破坏进行了广泛和深入的现场调查与研究，发表了许多有重要价值的研究成果。
在2010 － 2011 年间，新西兰南岛Canterbury 地区发生了一系列破坏性地震，地震引起Ch r i s t c hu r c h 地区大面积反复液化，其中以2011 年2 月22 日Ch r i s t c hu r c h 地震液化最为严重，是自液化调查记录以来地震液化最为严重的一次地震。对于本次地震液化问题，国外已经有了较多的研究及现场勘查工作［1－13］，在Se i s- m o l og i ca lＲesea r c h Letters 期刊有期专辑介绍新西兰地震的
研究进展，而在国内对于此次新西兰地震液化和岩土震害的报道和研究尚少。本文对新西兰地震液化及岩土震害进行介绍和评述，以Canterbury 地区为模板讨论地震液化研究的突破点，为未来地震液化和岩土抗震研究提出新的课题。
1 C h r i s t c hu r c h M
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6． 3 地震及区域地震地质构造概况
遵义方言新西兰2010 －2011 年期间的地震，累积经济损失高达250 ～300 亿新西兰元，占新西兰GDP 的15% ～18% 。Ch r i s t c hu r c h 市及其郊区的大部分区域是由海难、河口、泻湖形成的沼泽地。浅层土主要是W a i m- akariri 河沿岸洪水泛滥形成的沉积物，近地表地层具有层状特点( 图2 ) ，系松散的全新世粉土、砂土、砾等，地质构造较为复杂。Ch r i s t c hu r c h 的地下水位从东部深 1 ～2m 到西部深5m，地下水位深度逐渐增大。
图1 强地面震动导致破坏
F i g． 1 Earthquake damage caused by strong ground m o t i o n
当地时间2011 －02 －22T12: 51，新西兰第二大城市南岛的Ch r i s t c hu r c h 市发生了6．3( M w) 级地震，震源
深度5km; 震中位于距离Ch r i s t c hu r c h 市东南10km 的L ytt e l t o n。地震给新西兰带来了历史上前所未有的破
第3 期陈龙伟，等: 2011 年新西兰M w6． 3 地震液化及岩土震害述评 3
坏，死亡人数185 人，是继1931 年N ap i e r地震之后伤亡人数最多的一次地震［1］。强烈的地面震动以及Ch r i s t c hu r c h 地区大面积的砂土液化是本次灾难性破坏的重要原因，造成约15000 栋居民住宅、1000 栋商业用房及桥梁、堤坝、地下生命线设施的严重破坏，且大部分是场地液化和侧移引起(图1) 。本次地震是有液化调查资料记录以来第一次以液化为震害主因的一次地震。
图2 Ch r i s t c hu r c h市区CBD场地土层剖面( 上图) 和液化土层分布图( 下图) ［2］
F i g． 2 Typ i ca l so il l a y e r s and li qu e f i e d l a y e r s d i s t r i but i o n in Ch r i s t c hu r c h CBD三乙胺
就地震动强度而言［13］，Ch r i s t c hu r c h 地震中Ch r i s t c hu r c h 地区地面加速度强度远高于2010 年9 月4 日( M w7．1) D a r f i e l d地震。D a r f i e l d地震中，Ch r i s t c hu r c h 地区记录的水平向地表峰值加速度PGA 为0． 15 ～0. 30g，中央商务区(CBD) 的水平向最大地表PGA 为0． 24g; Ch r i s t c hu r c h 地震中，Ch r i s t c hu r c h 城区的水平向地表PGA 为0． 21 ～ 0． 66g，CBD 的水平向地表PGA 为0． 37 ～0． 52g。另一方面，2010 －2011 年期间的地震引起Ch r i s t c hu r c h 的CBD 及其郊区多次反复液化，且液化非常严重和分布广泛( 覆盖Ch r i s t c hu r c h 的1 /3 区域) ，沿Avon 河的郊区到CBD 东部是液化最严重的区域［4，14］。Ch r i s t c hu r c h M 6． 3 级地震引起的液化广泛
车工工艺
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世 界 地 震 工
程 第 29 卷
4 分布于其东部及 K a i apo i 地区，比 M w 7． 1 级 D a r f i e l d 地震引起的场地液化更为广泛和严重，尤 其 显 著 的 是 CBD 发生的液化现象。本次地震液化另外一个显著特征就是普遍存在的深层土液化，如 图 2 中 举 例 给 出 CBD 区域场地液化土层分布，由图可见 16 ～ 20m 的液化层。新西兰拥有世界上较为完备的地震台网 ( G e t- Net ) 建设，拥有 100 多台地震仪和 180 多个强震台站，在地震中可以获得高质量的数字台站记录。所以，在 2010 － 2012 年 Canterb ury 地区一系列地震及余震中，G e tN e t 获得了丰富的地震数据，为地震研究提供了必要 的宝贵资源。
从地震地质构造角度而言，新西兰地处澳大利亚板块和太平洋板块交汇处，地震活动频繁，地震灾害形 势严峻。构造活动性主要由 3 部分组成［1］: ( 1) 新西兰北岛沿着 H i k u r a n g i 海沟的斜俯冲带( O b li q u e s u bd u c - t i o n zone ) ; ( 2) 新西兰南岛西南部沿着 Puysegur 海沟的斜俯冲带; ( 3) 新西兰中央轴向构造带内的倾斜的右 横向滑移断层( A x i a l t ec t o n i c be l t ob li q u e s li p fa u l t s ) 。图 3 示意新西兰主要地质构造断层分布。
在新西兰的南岛 Southern A p l s 山脉及东部山脚地区存在甚多活断层，在过去的 150 a ，该地区多次发生
了 M ＞ 6． 0 的地震，包括 1888 年 North Canterbury ( M w 7． 1) 地震、
1929 年 Ar thu r s Pass ( M w 7． 0 ) 地震、1994 年 ［5］ Ar thu r s Pass ( M w 6． 7) 地震、199
5 年 Cass 地震 ，等，最近的地震包括 2010 年 9 月 4 日 D a r f i e l d 地震和 2011 年 2 月 22 日 Ch r i s t c hu r c h 地震。Ch r i s t c hu r c h 地震发生在以前尚未识别出的倾斜盲断层上，该盲断层东北— 西南走向，为倾斜逆冲断层，位于 Ch r i s t c hu r c h 市区的东南部。
Ch r i s t c hu r c h 地区位于 Canterbury 平原地区，由多条源于南 A l ps 山脉的河流冲积而成的冲积扇形平原。 Ch r i s t c hu r c h 市坐落在 W a i m a k i r i r i 古河 道 上，
A v o n 和 Heathcote 两条河流穿城而过。附近地区地质构造复 杂，地层主要由中间夹杂淤泥、黏土、泥炭、贝壳砂( S h e ll y sand ) 等的一系列卵石层组成
［2］，以往勘察结果显 示 Ch r i s t c hu r c h 地区的卵石层厚度超过 500m ，在多处地区基岩深度超过 2km ［5 － 6］，图 4 显示根据以往勘察资
料新西兰 Canterbury 地区基岩上土层厚度等厚度线。由图可见，Ch r i s t c hu r c h 地区的土层非常厚，量级 1km 。
图 4 Canterbury 地区基岩上土层厚度( k m ) 等厚度线分布［5］
F i g ． 4 D i s t r i but i o n of i so -th i c k n ess li n e of so il l a y e r on bedrock in Canterbury r eg i o n 图 3 新西兰区域板块地质构造示意图
F i g ． 3 Sket ch of g eo l og i ca l s t r u c tu r e
精氨酸of Ne w Z ea l a nd Ch r i s t c hu r c h 市区及近郊场地土层从上至下主要由 Sp r i n gs t o n 土层、Ch r i s t c hu r c h 土层及 Ｒi cca r t o n 卵石层 3 部分组成［7］。Sp r i n gs t o n 层深度一般地面以下 7m 至 10m ，主要由海侵时期海相沉积砂层组成; Ch r i s t c hu r c h 土层构成较复杂，涵盖所有冰河后期沉积的土类，包括沙滩、河口、泻湖、沙丘和沿海沼泽沉积的卵石、砂土、 淤泥、黏土、贝壳砂土及泥炭质砂土，埋藏深度 9 ～ 10m 至 16 ～ 20m ; Ｒi cca r t o n 卵石层在 Canterb ury 地区普遍 存在，包含黏土及可塑淤泥，时常夹杂有机质淤泥或泥炭土层，市区范围内的地表以 下 18 ～ 29m ( 平 均 23． 3m ) 可见此类卵石层。
第3 期陈龙伟，等: 2011 年新西兰M w6． 3 地震液化及岩土震害述评 5
2 C h r i s t c hu r c h地震中场地液化震害
新西兰Ch r i s t c hu r c h 地震中最显著特征就是大面积的砂土液化。据日本岩土工程协会调查团现场
调查
表示“液态化现象覆盖范围如此之大，全世界罕见(新闻报道) ”。图6 －图8 显示地震中液化引起的震害，涉及道路、农场、建筑物、地下管道等。图5 显示Ch r i s t c hu r c h 地震中液化分布图［8］，由图可见沿Avon 河两岸
地区液化严重( 红区域) ，这与孙锐等［12，15］通过实际地震记录识别场地液化的结果吻合。从图 2 的近地
表地层分布来看，在地下10 ～20m 分布着松散、中密的砂土，很可能是此次地震发生液化的砂层，这与我国以往地震调查中液化层基本上在10m 以内的现象有很大不同。
场地液化的影响也反映在地震动上。对此次地震中获取的硬土场地、软土场地和液化场地强震记录实测资料进行分析，3 种类型场地上的放大系数谱和傅氏谱对比分析表明，硬土场地、软土场地和液化场地上的地震动特征具有明显区别，液化场地减少地震动高频分量但同时对低频分量显著放大，与非液化场地相比，液化场地可使其上短周期结构反应减小一半，但同时可使其上长周期结构反应放大2．5 ～ 5．0 倍。典型案例为新西兰克莱斯特彻奇市中心的CTV 大楼在2011 年地震中受到严重破坏。根据现场调查，可排除由于液化导致地基失效的可能，引起大楼的破坏应为地震下的震动效应所致。CT V大楼的自振周期大约是0. 7s，经分析表明，此次地震中土层的液化使场地加速度反应谱的卓
越周期明显加长，由开始的0．1 ～0． 3s 增大到0． 5 ～ 1．0s 左右，与大楼的自振周期吻合，这一结果支持了CTV 大楼地震下的震动破坏是受到液化影响的推测。以此为鉴，按现有规范中地震动的设计方法，如遇液化场地将对长周期结构给出明显危险的结果，因此从振动角度今后进行结构抗震设计时，可液化场地上的地震动应给予特殊考虑。以CBD 为例，记录的地震动5% 阻尼比的谱加速度基本上超过地震重现周期475 年的设计谱的 2 倍［8］，所以，即使严格按照现行规范抗震设计的建筑，其耐震性也会因为过大的地震作用而失效，特别是软弱液化场地。
适于可液化场地的抗震设计反应谱在各国的抗震设计规范中均处于研究阶段。新版的美国I BC(I nt e r n a t i o n a l Bu il d i n g Code) 标准中，建议对于液化场地的地震波输入需要考虑液化土层影响而进行特殊计算; 美国N E HＲP(N a- t i o n a l Earthq uake H azardＲed u c t i o n Pro gram) 2001 － 2005 年报告最终给出的推荐标准中也有类似建议。Y o u d等［16］分析液化场地记录，通过研究发现场地液化和软化将会显著放大长周期( T ＞ 1．0s) 的加速度反应谱; 同时指出美国规范中( 1998 AASHTO LＲFD B r i dge Cod e，1993 UB I and 2003 I BC)短周期( T ＜ 1．0s) 结构的抗震设计谱对于液化场地偏于保守; 而长周期( T ＞ 1．0s) 结构的设计反应谱对于软土场地一般是偏于保守，但是硬土场地可能是非保守设计。而我国的抗震设计规范则没有给出可液化场地反应谱的具体描述。
图5 Ch r i s t c hu r c h地震中场地液化分布图［8］通讯体裁
( 红区域: 液化震害中等至严重; 黄区域: 液化震害轻微至中等; 淡紫: 道路街道液化)
F i g． 5 D i s t r i but i o n of s i t e li qu e f ac t i o n in Ch r i s t c hu r c h ea r thqu a k e
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