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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (5): 747-758  
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王鹏, 刘静, 张智慧, 李志刚, 张金玉, 王伟, 邢秀臣. 隐伏断层在强震砂土液化中的作用——以2008年汶川Mw 7.9地震为例[J]. 地质通报, 2018, 37(5): 747-758.
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Wang P, Liu J, Zhang Z H, Li Z G, Zhang J Y, Wang W, Xing X C. The role of blind fault in soil liquefaction during strong earthquake: A case study of the 2008 Wenchuan Mw7.9 earthquake[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(5): 747-758.
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基金项目

国家自然科学基金项目《大陆型高原边界地形演化的对比研究》(批准号:41761144065)和川滇国家地震监测预报实验场项目《构造演化模型、地块模型和断裂廊带LIDAR实验》(编号:2017CESE0102)

作者简介

王鹏(1982-), 男, 硕士, 工程师, 从事活动构造与构造地貌研究。E-mail:wpeng0909@126.com

文章历史

收稿日期: 2017-11-02
修订日期: 2018-01-05
隐伏断层在强震砂土液化中的作用——以2008年汶川Mw 7.9地震为例
王鹏1 , 刘静1 , 张智慧2 , 李志刚3 , 张金玉1 , 王伟1 , 邢秀臣1     
1. 地震动力学国家重点实验室/中国地震局地质研究所, 北京 100029;
2. 大陆碰撞与高原隆升重点实验室/中国科学院青藏高原研究所, 北京 100101;
3. 中山大学地球科学与工程学院, 广东 广州 510275
摘要: 2008年汶川Mw7.9地震的强地面震动在龙门山前地区造成大量的砂土液化、喷砂冒水等地震灾害现象。震后野外调查发现,砂土液化点主要分布于地下水位只有几米深的山前河流的低阶地处,以大面积砾性土液化为特征,约58%的液化点位于距北川断层20~35km的范围内。对喷水高度及喷水过程进行了详细记录,喷水高度与峰值加速度并没有明显的相关性,喷水高度异常点(>2m)集中于山前断裂系统近地表投影处。汶川地震中喷水高度异常、砾性土液化的位置与山前断裂系统的吻合性说明,沉积盆地内的地质构造可能在砂土液化强度和与震动相关的地震灾害方面起到促进作用,所以在类似的地质和水文环境中,除主震的断层错动外,应考虑地质构造在地震危险性评估和建筑物抗震设计中的重要作用。
关键词: 汶川地震    砂土液化    山前断裂系统    砾性土液化    地震危险性    
The role of blind fault in soil liquefaction during strong earthquake: A case study of the 2008 Wenchuan Mw7.9 earthquake
WANG Peng1, LIU Jing1, ZHANG Zhihui2, LI Zhigang3, ZHANG Jinyu1, WANG Wei1, XING Xiuchen1     
1. State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China;
2. Key Laboratory of Continental Collision and Plateau Uplift, Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;
3. School of Earth Science and Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, Guangdong, China
Abstract: Strong ground shaking during the 2008 Wenchuan Mw7.9 earthquake caused widespread seismic hazard phenomena, such as sand liquefaction and water ejection, in the foothills of the Longmen Mountain in southwestern China. The results of field investi-gation after the earthquake showed that the majority of liquefaction sites occurred along major alluvial fan-building rivers, where the water table was a few meters below the surface and the earthquake was characterized by widespread gravely sand liquefaction, with ~58% of liquefaction sites located 20~35km from the Beichuan fault. The authors recorded the water ejection height and the process of water ejection for the first time, and there was no clear correlation between water ejection height and peak ground acceleration, and clusters of sites with anomalously high (>2m) water ejections were located near the surface projection of the piedmont fault system. The fact that the positions of anomalously high water ejections and gravely sand liquefaction during the Wenchuan earthquake were in line with the piedmont fault system indicates that the geological structure in a sedimentary basin is likely to play a role in augmenting liquefaction intensity and shaking-related seismic hazards, and hence in similar geological and hydrological environments, researchers should consider the geological structure playing an important role in seismic hazard evaluation and earthquake resistance design of buildings in addition to the primary earthquake-producing fault.
Key words: Wenchuan earthquake    soil liquefaction    piedmont fault system    gravely sand liquefaction    seismic hazard    

砂土液化是一种与地震伴生的常见地质灾害现象[1-6]。一般认为,砂土液化是地震波的周期性震动增大了近地表土壤的孔隙压力,使周围未固结沉积物强度和刚度降低的结果。世界范围内的多次大地震都伴随同震砂土液化的现象,如1964年的Mw 7.5日本Niigata地震[7],1976年的Mw 7.8中国唐山地震[8],1989年的Mw 6.9美国Loma Prieta地震[9],1994年的Mw 6.7美国Northridge地震[10],1999年的Mw 7.5台湾集集地震[11-12],以及2010—2011年的Mw 7.1新西兰Canterbury地震序列[13-15]等。对同震砂土液化的详细记录和深入研究可以为地震过程的多样性和复杂性提供大量信息,同时为评估建筑物结构的潜在破坏提供重要依据。

前人对地震造成的砂土液化的野外调查主要包括液化点分布、场地条件、地下结构、液化物质的粒径大小,以及沙涌直径随震中距的变化等[1, 2, 6, 7, 16-19]。通过基于标准贯入试验(SPT)和圆锥静力触探试验(CPT)得到的经验[4]或半经验[20]方法可以评估地震中砂土液化的潜在可能性,进而预防或减轻砂土液化对建筑物的破坏。目前针对砂土液化的研究主要集中于地震导致的液化过程,特别是地震波的加载、地面震动强弱及地震导致区域应力变化与液化形成之间的关系,但沉积层能否形成液化与其所在的沉积环境、沉积物的年龄、地下水深度等地质、水文条件密切相关[21],需要对砂土液化形成的地质和构造环境进行深入研究。

2008年5月12日发生于龙门山断裂带的汶川地震伴随大量的砂土液化现象,给当地造成了大量的人员伤亡和财产损失。由于该地震发生在当地时间的下午14:28分,震中区域人口密集,所以当地村民目击了大量与液化有关的地质过程,为研究转瞬即逝的砂土液化相关现象(如喷水高度和持续时间)提供了很好的机会。地震发生后,不同学者对汶川地震砂土液化进行了考察[22-27],然而多数研究主要集中于砂土液化的宏观描述、工程意义及建筑物的抗震设计,对控制汶川地震砂土液化分布的机理涉及较少。

地震发生后,笔者对汶川地震砂土液化点进行了详细的野外调查,共收集216个砂土液化点,其中可能包括了Chen等[23]和Cao等[22]的研究点位。这些观测结果对液化点分布方式、喷水高度等与沉积盆地中地质构造的关系进行了详细阐述。对比已有的成果,本文主要从地质和深部构造角度解释汶川地震砂土液化的特殊性。

1 地质、水文和地震构造背景

龙门山断裂带位于青藏高原与四川盆地之间,长约500km,宽30~50km,呈NE向延伸(图 1)。龙门山前地区覆盖有中生代—新生代陆生碎屑沉积岩,包括砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩,其中大部分来源于河流相沉积,局部地区为湖相沉积。四川盆地西南部的成都平原以第四纪沉积为主(图 2),钻井资料显示,该地区第四纪地层的特点是鹅卵石或砾石、砂砾石上覆盖一层1~5m厚的填土或粘土,而在砾石层夹层间偶尔能见到分选性较好的砂土层[30]。研究区的地下水位整体较浅(1~4m),但是在空间分布上变化很大,局部地区甚至达到7~8m(图 3)。

图 1 青藏高原及周边地区构造地貌、主要活动断裂图(a)和龙门山地区构造地貌与主要活动断裂图(b) Fig.1 Topography and major active faults in and around the Tibetan Plateau (a), and topographic and tectonic map of the Longmen Mountain area (b) (红色实线为汶川地震同震地表破裂带[28];PGA等值线值为峰值加速度的水平分量[29])
MJF—岷江断层;QCF—青川断层;WMF—汶川-茂汶断层;BCF—北川断层;PGF—彭灌断层;RFBT—山前隐伏断层;PZF—彭州断层;MZF—绵竹断层;LQF—龙泉断层
图 2 汶川地震砂土液化点分布及区域地质图(a)和区域地震地质剖面A-A′(b) Fig.2 Distribution of sand liquefaction in Wenchuan earthquake and regional geological map (a) and regional seismic geology profile A-A'(b) (虚线方框为砂土液化次级剖面的位置(见图 4);b揭示龙门山地区深部断层结构和沉积地层特征[31],断层代号说明同图 1;gkf—关口断层)
图 3 研究区地下水位等值线图(m) Fig.3 Contour map of underground water table depth in the study area (三角形代表含有地下水位测量值的钻孔位置[29],断层代号说明见图 1)

龙门山断裂带主要由4个叠瓦状逆冲推覆系统构成,自西向东分别为汶川-茂汶断层、北川断层、彭灌断层和山前隐伏断层[31-36]。山前隐伏断层及其分支断层(如彭州断层、绵竹断层、龙泉断层等)组成山前断裂系统[31, 33-34, 36]图 2-b)。2008年发生于龙门山断裂带的汶川地震地表破裂为NE向,其同震断层包括北川断层、彭灌断层及其之间的小鱼洞断层[28, 37-40]。该地震引起明显的地面震动,影响范围达到1500km左右,PGA等值线以同震地表破裂带为中心呈椭圆状分布[29],显示强地面震动强度随距地表破裂带距离增大而逐渐衰减(图 1)。龙门山前四川盆地西部,PGA的范围为20%g~70%g,局部地区达到80%g,地震中最大的PGA(峰值加速度)记录达到96%g[41]

2 研究方法

汶川地震砂土液化的野外调查主要集中在地震之后的3个月内。调查区域集中于约520km2的龙门山前的成都冲积平原上,共覆盖400多个村庄。调查范围包括3个主要流域,由南向北分别为岷江、沱江和涪江(图 1)。根据详细调查,系统记录了冲击平原上同震砂土液化的信息,包括液化点位坐标、所属行政单位、喷出物覆盖的尺寸及周围裂缝的长度、宽度和走向,通过当地村民的描述或量取液化点喷出物留在墙上的泥沙痕迹确定喷水高度(图版Ⅰ-a)。通过对同一个点位不同目击者的采访使误差最小化,并将观测结果平均以提高观测精度。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a.液化点喷出物保留在墙上,形成泥沙痕迹;b、c.砂土液化点形成的沙涌;d.位于拱星镇一个9m深的水井中充填了沙土;e.砂土液化对建筑物的破坏;f.伴随砂土液化形成的地表裂隙;g、h.部分砂土液化点喷出物含砾石成分
3 观测结果与分析 3.1 砂土液化点和喷水高度

本次研究共得到216个砂土液化点数据,其中的150个点有喷水高度数据。砂土液化形成的沙涌是最常见的液化喷出物保存形式(图版Ⅰ-bc)。由南向北沿岷江、沱江和涪江,将砂土液化密度较大的区域划分为次级剖面A~G(图 4;剖面位置见图 2),同时补充了曹振中等[30]报道的喷水高度点。

图 4 次级剖面(A-G)区域地质图及液化点分布情况 Fig.4 Map view distribution of investigated liquefaction sites and geological map for sub-regions A through G (图中加入了曹振中等[30]报道的含有喷水高度数据的点位;红色虚线代表山前隐伏断层及其分支断层近地表的投影位置,灰色阴影区域为断层投影两侧3km的不确定区,断层代号说明见图 1
3.1.1 岷江流域砂土液化

最南部的砂土液化点位于岷江流域低阶地和冲积平原处,且主要集中于岷江支流江岸河和走马河最低阶地处的狭窄区域内(剖面A,图 4-ab)。砂土液化点位由全新统覆盖,地下水位平均深度为2~6m,局部地区达到1m[30]图 3)。沙涌主要由黄色泥浆及灰色、深灰色沙粒组成。该区域的喷水高度整体上小于2m,而曹振中等[30]记录到当地人见到的喷水高度约为10m,并认为其中特别大的喷出物代表深部液化层被液化(图 4-b)。喷水高度异常值的位置距北川断层20~26km,地震反射剖面显示,该位置位于山前隐伏断层前翼活动轴面近地表投影3km范围内[31]图 4-b)。

3.1.2 沱江流域砂土液化

沱江流域包括自北西向南东的湔江、鸭子河、石亭江、绵远河和开江支流。沿这5条支流的砂土液化点分别分布剖面B~F。

沿湔江流域分布的液化点(剖面B,图 4-cd)喷出物主要为黄色-黑色泥浆及黄沙。据当地村民描述,部分液化过程分为2个明显不同的阶段:第一阶段喷出物主要为泥浆;第二阶段以粒径较大的沙子为主。蒲阳镇附近的液化点的喷出过程持续了5~8min。驾虹镇附近的液化点位分布呈线性特征却又偏离主河道,这可能是古河道存在的证据,有可能是河道在洪水后迁移的结果。该地区报道的喷水高度范围为0.15~2m。

沿鸭子河分布的液化点见剖面C(图 4-ef)。据当地村民回忆,该地区液化过程同样分为2个阶段:第一阶段喷出泥浆;第二阶段喷出沙子。该地区的喷水高度大体小于2m,但有2个点位的喷水高度大于2m,且都位于山前隐伏断层前翼活动轴面在近地表投影处的3km范围内。位于湔底镇和四平桥附近的部分液化点的喷出物包含砾石成分,最大砾石直径约为4cm,并被喷出地面1.2~1.3m。

沿石亭江分布的液化点(剖面D,图 4-gh)形成的沙涌与前边描述的有很大不同。该地区液化点的喷出物主要由中砂-细砂组成,其中部分液化点喷出砾石,砾石粒径达到6~7cm。在板桥镇附近,当地居民描述,喷出物为黑色和红色的砂,根据打井时获得的深部地层信息,推测喷出物主要来自于地下3~4m处。在该地区观测到的主要喷水高度小于2m,最大达到4~5m。这些喷水高度点位于距北川断层31~38km范围内,与山前隐伏断层的分支绵竹断层投影3km范围区吻合。

沿绵远河流域(剖面E,图 4-ij),约三分之一的液化点喷出物包含中砾-粗砾粒径的砾石。喷出物砾石粒径大体小于1cm,但个别地点的粒径达到20~25cm(拱星镇附近)。该区域的喷水高度达到1.5m左右。其中1个液化点位的喷出物是随时间变化的:从清水到泥浆,最后到泥沙的混合物。在该地区的液化强度较大,如在拱星镇一个9m深水井的井盖和抽水管都被甩出,且井中充填了7m厚的沙土(图版Ⅰ-d)。砂土液化对拱星镇部分建筑物造成了破坏,如建筑物内部钢筋的弯曲、房屋水泥墙的裂缝及倒塌等(图版Ⅰ-e)。该地区的喷水高度在0.4~5.5m之间,其中有一个极端情况是约10m[30]图 4-j)。喷水高度异常点集中分布在距北川断层18~23km范围内的山前隐伏断层上盘。

开江是沱江最北边的支流,沿开江砂土液化点喷水高度在0.2~4m之间(剖面F,图 4-kl)。这些砂土液化点的喷出物主要是泥和沙,包括少量直径小于2cm的砾石。喷出的沙类似于现代河道中的泥沙,而该地区喷出物的最深来源可能为较深的含水层,如在秀水镇附近,据当地民众基于挖水井过程中积累的深部地层信息,推测该点的喷出物来自地下10m处。该点液化喷出物主要为黄色沙土和泥浆,并伴随有7km长的南北向裂隙(图版Ⅰ-f)。该地区的最大喷水高度约为4m,且喷水高度峰值点在平面上限定在一个距北川断层25~30km的条带状范围内。这些液化点位于距南东部山前隐伏断裂地表投影处的5~8km范围内(图 4-l)。

3.1.3 涪江流域砂土液化

涪江是研究区最北部的河流系统(剖面G,图 4-mn),该区域部分液化点同样存在2个阶段的喷水过程:第一个阶段喷出黑色或黄色的泥,第二个阶段为黄色的沙。多个液化点的喷出物含砾石成分(图版Ⅰ-gh)。砂土液化同时伴随地面下陷,多处出现1~2m的深洞。在一个村庄,直径为25~30cm的鹅卵石在液化过程中被抛到空中2m,当地居民推测石头可能来自10m深的地下。大多数液化点的喷水高度为0.1~2m(图 4-n),但有1个液化点喷水高度从水井井底测量为8m。

3.2 喷水高度

本文共收集了192个喷水点的高度,包括本次调查的结果及曹振中等[30]报道的数据,其中喷水高度小于等于2m的点达到84%(图 5)。图 5显示了液化点喷水高度与地下水位深度、PGA及与北川断层距离的关系。其中,砂土液化点的地下水深度值是基于地下水位等值线(图 3)的推测值,PGA值是基于PGA等值线(图 1)的推测值。82%的砂土液化点的地下水位小于等于4m,其中60%的液化点地下水位为2~4m,喷水高度与地下水位之间没有明显的对应关系(图 5-a)。同样喷水高度与峰值加速度之间也没有正相关关系(图 5-b),液化点均匀分布于PGA值为20%g~80%g的范围内,其中,约50%的砂土液化点的PGA值在30%g~50%g之间。

图 5 喷水高度与地下水位(a)、PGA(b)、距北川断层的垂直距离(c)关系图 Fig.5 Plots of water ejection height versus water table depth (a), PGA(b), and distance to the Beichuan fault (c) (菱形代表本次研究结果,方形为曹振中等[30]的喷水高度点;同时给出砂土液化点数量统计结果直方图;图c中灰色矩形区域为山前隐伏断层(RFBT)及彭州断层(PZF))

砂土液化点在空间上相对集中分布。约58%的砂土液化点位于距北川断层20~35km处,整体与山前断裂系统在近地表的投影位置吻合;如果将2m及小于2m作为喷水高度的背景值,70%的喷水高度异常点位于20~35km范围内(图 5-c)。图 6将喷水高度的等值线与地质结构叠加,揭示喷水高度异常区域与深部断层密切相关,其中位于都江堰、绵竹和江油的喷水高度异常区域位于山前隐伏断层及其分支彭州断层、绵竹断层的地表投影处,另一个异常区域位于龙泉山逆断层处(图 6-a)。图 6-b揭示了什邡市附近的砂土液化喷水高度与深部地质构造的空间关系,从图中可以看出,喷水高度异常点集中分布于深部变形强烈区域,如山前隐伏断层前翼活动轴面处,彭州断层近地表投影和什邡背斜处。然而,大量喷水高度异常点,如研究区域北东端喷水高度7~8m的点,没有相应的地质构造与之对应(图 6-a)。

图 6 喷水高度与深部地质构造的空间相互关系 Fig.6 Spatial correlation between water ejection height and geological structures (断层代号说明同图 1
a—喷水高度等值线图(m);b—沿剖面A-A’5km范围内砂土液化点的喷水高度值;c—山前断裂系统深部断层结构[31]
4 讨论 4.1 汶川地震砂土液化主要特征

通过对汶川地震后情况的详细野外调查,总结出汶川地震砂土液化的3个主要特征。

(1)汶川地震同震砂土液化呈现先泥后沙的二阶段特点。笔者首次对大地震中的喷水高度及喷水过程进行了详细调查。有关大地震中的同震喷水高度鲜有报道,主要是因为喷砂冒水是一个短暂的过程,很难直接观测到。2008年Mw 7.9汶川地震发生在下午且位于人口密集区域,所以为获得同震喷水高度数据提供了难得的机会。汶川地震中喷水高度主要为0~2m,部分点的喷水高度达4~6m,报道的最大喷水高度为10m[23, 30]。汶川地震中的液化喷水持续时间较短,大多为1~10min,有些点位持续几个小时,而井水的变化时间较长(4~20天)。在液化过程中,沿湔江和涪江流域的多个液化点出现了2个阶段的喷水过程,每个阶段喷出不同尺度的粒径物质,典型的情况是第一个阶段喷出泥,第二个阶段喷出沙。虽然在探槽中[9]或震后的野外调查中[14]能区分出重复液化的证据,但已有研究都与余震而不是主震相关,汶川地震也许是世界上第一个在主震中发生同震重复液化的震例。同震重复液化可能暗示汶川地震包括2个次级事件[37, 39, 42],每一个次级事件都有地震能量的释放,相应的地震波辐射可能导致一些点位的重复液化。

(2)汶川地震喷水高度较大的点主要沿山前断裂系统地表投影附近的狭窄范围分布(图 6)。杨晓平等[43]在彭州师古镇南的肖家院-庆云庵发现一条长7.5km、走向30°的建筑物严重破坏、水渠跌水、地表褶皱、喷砂和地裂缝集中地带。另外,开挖的探槽地表地震褶皱陡坎下的地层发生弯曲变形,产生不同程度的地层褶皱隆起;探槽中出露张裂隙,其中一条裂缝宽约10cm并充填有中粗砂,似乎是砂土液化形成的通道[43]。该区域大体位于绵竹断层、彭州断层附近,而且之后的浅层地震勘探显示,浅部呈现清晰的断裂构造和地层褶皱特征[31, 43-44],据此推断山前隐伏断层在汶川地震中可能也发生了同震变形,这也被后来的InSAR研究所证实[45]

(3)中国大陆地区首次大面积观测到砾性土液化这种特殊现象[22-27, 30]。在以往的地震中,大多数记录到的是泥土和细沙的液化[3, 7-11, 14],砾性土液化仅在个别地震中被观测到,如1976年意大利的Priul地震[46]、1994年日本的Hokkaido-Nansei-Oki地震[47]、1995年日本的Kobe地震[48]和1999年中国台湾Chi–Chi地震[49]等。在汶川地震中砾性土液化相当普遍,液化喷出物粒径范围包括中砾(pebble)-粗砾(cobble)。钻孔资料显示,喷出的砾石不仅仅是砂土液化夹带出来的,也是深部砾石层液化的结果[30]

4.2 汶川地震喷水高度异常和砾性土液化的可能原因

同震液化过程中喷水高度的变化可能是多个因素共同作用的结果,包括特定站点因素,如地下水位、土壤类型、沉积厚度等,也可能是人工建筑物造成的上覆压力的增大。同时,在大地震中很少看到砾性土的液化,主要是由于砾性土含较多的砾石成分,具有较高的渗透率,可以将孔隙压力快速消耗掉。来自深部含水层高孔隙压力流体的向上传导使浅部异常喷出物具有足够大的动力,进而形成较高的喷水高度。Wang[5]认为,地震导致的强震动打开了先存的裂隙,增加了垂向渗透率,使深部含水层的流体向上迁移,导致浅部土壤液化的发生。而龙门山前断裂系统可能为深部高孔隙压力流体的迁移提供了通道,促进了浅部、高渗透性砾石层为主的含水层的液化。

第二个可能促进砾性土液化及喷水高度异常分布的机制是隐伏断层区域地震波的放大效应。规模较大的断层在结构上往往是一个力学破坏的区域,大多由流体、破碎的岩石、断层泥、裂隙等组成,能够削减地震波的传播速度[50-52]。断层周围由地震波速较高的断层岩组成,强地面运动的谱分析[53-56]和断层区域的围陷波研究[57-59],证明该区域能明显放大地面运动。当断层区域被软沉积物覆盖时,围陷波的放大效应会明显增强[53],这或许可以解释汶川地震喷水高度异常值在山前断裂系统近地表投影区域集中分布的成因。

5 结语

汶川地震后,笔者对砂土液化点进行了系统的野外调查,发现这些点主要位于龙门山前的冲积平原上,以大面积砾性土液化为特征,其喷水过程具有先泥后沙的二阶段特点。大约58%的液化点位于距北川断层地表破裂带20~35km范围内。喷水高度异常点(>2m)集中于龙门山前断裂系统近地表投影处。汶川地震中喷水高度异常、砾性土液化的位置与山前断裂系统吻合,可能主要受2种机制影响:①先存的构造裂隙为深部含水层高孔隙压力水提供了上升的通道,促进浅部砾性土层的液化;②隐伏构造内地震波的放大效应也会对震动强度的大小起到重要作用,进一步增大了砂土液化的量级。总之,平原区隐伏的地质构造对砂土液化的强度及其破坏性有放大作用,因此在地质工程和地震灾害评价中应予以重视。

致谢: 成文过程中得到中国地震局工程力学研究所曹振中副研究员和中国地震局地质研究所任治坤研究员的有益讨论与帮助,在此表示衷心的感谢。

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