《自然·通讯》在线刊发土木与水利工程学院苗雨教授课题组最新研究成果

2021-02-27 08:55:34

2月22日，土木与水利工程学院苗雨教授团队在《自然·通讯》(Nature Communications)在线发表题为“Near-surface softening and healing in eastern Honshu associated with the 2011 magnitude-9 Tohoku-Oki Earthquake ”的研究长文。本研究结合强震观测、室内试验和理论推导系统研究了由强震引起的近地表软化现象及随后的恢复过程，并发现由于震荡的水化作用，岩土颗粒间在纳米尺度存在多个亚稳态接触状态。该研究由我校、河海大学、中国地震局工程力学研究所及南京工业大学共同完成。我校为第一作者单位，土木与水利工程学院博士后王苏阳和南京工业大学庄海洋教授为论文共同第一作者，苗雨教授为论文通讯作者，博士生张昊和贺鸿俊参与了研究工作。

地壳的近地表部分，也被称为地球的皮肤，是人类生活的家园。近地表岩土材料的软化在许多地质灾害的演化及触发过程中也扮演了重要角色。然而，近地表岩土材料软化现象背后的物理学机制仍有待研究。论文以2011年3月11日东日本大地震引起的近地表软化现象及随后的恢复过程为研究对象开展研究。研究发现，近地表的恢复过程可以划分为两个阶段，包括一个持续几分钟的快速恢复阶段和一个长达数年甚至数十年的缓慢恢复阶段。此外，研究还提出了一种同时考虑兰纳-琼斯势能和水化力作用的岩土颗粒接触模型，从机理上解释了岩土材料恢复过程中出现多个阶段的原因。

该研究使用竖向台阵地震记录，利用超高精度地震波成像技术，发现在2011年东日本大地震主震期间，日本本州岛东部地区(如图1所示)在地表至一两百米深度范围内的地震剪切波速的最大下降幅度约为10%~50%，之后，剪切波速的下降幅度会在数分钟内快速下降至约为最大下降幅度的三分之一。随后，近地表剪切波速的恢复速度会急剧降低，导致近地表剪切波速需要数年甚至数十年才能恢复到震前水平。

基于上述强震观测结果，并结合室内试验数据，该研究在前人的理论基础上提出了一种新的岩土颗粒模型。通过理论推导，该模型不仅能够解释近地表软化后不同恢复阶段剪切波速恢复量之间的关系，还能够解释不同恢复阶段剪切波速恢复速度之间的关系。该接触模型有望为地球物理领域和岩土工程领域中岩土材料非线性力学性质的研究提供有力的理论支持与参考。