《Journal of Destination Marketing & Management》：Centrifuge shaking table tests on the bidirectional seismic response of buried nuclear structures in saturated sites
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王欣|赵米|赵旭|杨杰|丁珍坤|张国亮|高志东|杜秀丽中国北京工业大学教育部城市安全与灾害工程重点实验室，北京100124摘要在饱和非岩质场地中，埋藏式核电结构（如小型模块化反应堆SMRs）的抗震安全性是一个关键且新兴的研究课题。目前的相关知识缺乏足够的实验数据来了解其在典型场地
王欣|赵米|赵旭|杨杰|丁珍坤|张国亮|高志东|杜秀丽
中国北京工业大学教育部城市安全与灾害工程重点实验室，北京100124
摘要
在饱和非岩质场地中，埋藏式核电结构（如小型模块化反应堆SMRs）的抗震安全性是一个关键且新兴的研究课题。目前的相关知识缺乏足够的实验数据来了解其在典型场地条件下复杂双向（水平和垂直）地震载荷下的抗震响应。本文通过对比分析两个离心振动台试验，系统研究了埋藏式核电结构在两种典型饱和场地（均匀粘土层和可液化夹层）中的抗震性能。试验在1:50的原型比例模型上进行，施加了50g的加速度。两种模型均经历了强度逐渐增加的双向神户地震运动序列，同时全面监测了场地-结构系统的运动和内部响应。试验结果表明，饱和砂夹层显著减弱了水平地面运动，同时将垂直加速度放大到了超过粘土层的情况。两种地层中都观察到了明显的结构抬升现象，其成因可能不同：粘土层中的摇摆引起的累积塑性变形以及可液化夹层中的动态浮力作用。值得注意的是，软粘土层中的累积抬升幅度超过了可液化夹层。尽管发生了这些位移，整体上的净抬升和倾斜幅度都很小。结构在两种地层中都保持了严格的弹性，证实了其高抗震稳定性和安全性。这些发现为理解埋藏式结构的抗震设计提供了高质量的基准数据集。
引言
核能以其低碳和高效的优势正在重塑全球能源格局。根据中国国家核安全管理局的数据，2025年上半年，我国大陆有58座核电站投入运行，总装机容量为61,007.74兆瓦。这些核电站发电量为2300.9亿千瓦时，占全国总发电量的5.08%。与燃煤发电相比，这相当于减少了6498万吨标准煤的燃烧，并减少了1.7026亿吨二氧化碳的排放。这些数据凸显了核能在实现清洁能源转型和达成《巴黎协定》目标方面的不可替代的重要性。
然而，适合建设核电站的沿海场地日益稀缺，促使核能向内陆地区扩展（例如沿主要河流）。这些内陆场地通常位于冲积平原上，不可避免地存在地质条件复杂的问题，如软土、高地下水位，甚至可液化土层（如匈牙利Paks核电站的情况，Katona等人，2015年）。虽然传统的大型反应堆（如AP1000）通常采用浅埋方式，但当前业界的发展趋势更倾向于小型模块化反应堆（SMRs），后者通常优先选择深埋或全埋方式（Kurt和Spears，2021年；Li等人，2026年；Lo Frano，2018年；Zhao等人，2021年），利用周围土体来增强抗震隔离并提供额外的物理保护。因此，了解内陆场地中埋藏式结构的抗震响应已成为一个具有前瞻性的关键研究课题。在这种环境下，SSI（土-结构-地基相互作用）决定了地下和埋设设施的抗震行为，其复杂性远高于传统地表结构。此外，现实世界中的场地很少由均匀的土层构成，而是通常具有复杂的多层地层结构，包括刚度、渗透性和饱和度的变化。当可液化的饱和砂层嵌入相对不透水的粘土层之间时，会形成一种可液化夹层系统，该系统对地震波传播和孔隙水压力发展产生深远影响。
针对核电站，关于在饱和场地中考虑SSI的结构的抗震响应的研究仍然较少。Zelikson等人（1983年）在饱和砂中进行了简化核框架结构的离心试验。Finn等人（1988年）为了验证TARA-3分析程序，在干燥和饱和砂中对简化重力结构进行了动态离心试验。Ghosh和Madabhushi（2007年）也使用离心机测试了饱和砂中的简化安全壳结构。这些研究的共同特点是结构被简化，主要是为了提供等效的重力载荷，而没有关注结构本身的响应。其他研究则在饱和粘土中进行，例如Li等人（2022年）和Yang等人（2022年）研究了粘土场地中的桩筏基础的核岛结构，为这种基础类型提供了宝贵的见解。为了进一步探索复杂地质条件下桩支撑系统的抗震性能，Liang等人（2025年）在由砂和粉砂粘土交替组成的分层地基中，对核安全壳容器进行了大型振动台试验。
数值模拟也是重要的研究工具。Lv（2025年）基于Biot理论开发了一种适用于饱和土壤的SSI分区算法，用于分析不同地下水位下核电站的动态响应。Wang等人（2026年）对粉砂粘土中的桩支撑核电站进行了时域非线性SSI分析，特别研究了倾斜入射角的影响。作为参考，对于其他地下结构（如饱和土壤中的地铁站），实验和数值研究已经考虑了可液化夹层（Wang等人，2025b年；Yan等人，2024b年，2025年）、倾斜地面（An等人，2024年；Hu等人，2024年；Zhuang等人，2019年）、相邻结构（Bao等人，2025年；Li等人，2023年；Miranda等人，2023年；Zhu等人，2021年）、主震-余震序列（Chen等人，2013年；Cui等人，2024年）以及垂直或双向地面运动（Hu等人，2025年；Liu和Song，2005年；Wang等人，2022年）等因素。然而，对于核结构来说，仍存在两个重要研究空白：（1）关于在饱和非岩质场地（尤其是复杂可液化土壤）中建成的结构的系统实验研究不足。（2）现有的大多数实验工作仅使用单向水平振动，严重缺乏解释双向（水平和垂直）地面运动对液化和SSI响应影响的实验数据。
上述文献综述表明，关于复杂饱和场地中核结构的研究严重不足。迫切需要大量的实验和数值研究来理解抗震响应机制、研究结构损伤特性，并为场地选择提供依据。本文介绍了在双向（水平和垂直）地震载荷下对埋藏式核电结构进行的两次离心振动台试验结果，以填补这些空白。本研究的核心目的是分析和比较该结构在两种典型饱和非岩质场地条件下的抗震响应：均匀粘土层和可液化夹层。我们主要关注以下方面：（1）场地加速度响应（包括时间历史、峰值和时间-频率特性），（2）结构动态响应（加速度和应变），（3）孔隙水压力响应、结构垂直位移和倾斜，以研究土体软化和液化引起的不同地基不稳定机制。本研究的结果为理解饱和非岩质场地中核结构的SSI行为提供了直接的实验证据，并为高保真数值模型的校准和验证提供了高质量的数据集。
部分摘要
试验设计
原型场地位于一个内陆的山前缓坡冲积-沉积平原上。根据地质调查，该场地具有复杂的地质条件，包括厚厚的软土层和多个潜在的可液化砂层。结构的基础位于一个稳定层上，这意味着上覆土层包含了这些具有挑战性的软土和可液化区域。
基于这些典型的场地特征，进行了两次离心振动台试验
场地的加速度响应
图6a和图6b展示了每次地震事件的加速度放大倍数。总体而言，粘土层（Test-C）的水平放大倍数高于夹层层（Test-I）。两种层型的加速度幅值随深度增加而减小的趋势相似，尽管夹层层在夹层内部的変化更为明显，其加速度明显低于相邻的上下粘土层
水平波衰减的不同机制
尽管粘土层（Test-C）和夹层层（Test-I）都表现出明显的水平地面运动衰减（图6a、图6b和图9），但其背后的物理机制本质不同。
在夹层层（Test-I）中，波的衰减是由液化引起的隔离效应控制的。当砂夹层中的孔隙水压力比接近1.0时，有效应力几乎消失，导致土壤的抗剪切刚度几乎完全丧失
总结与结论
本文开展了一项对比离心振动台研究，研究了两种典型饱和场地（均匀粘土层和含有可液化夹层的场地）中埋藏式核电结构的双向抗震响应。主要研究结果总结如下：
（1）场地响应机制：两种层型的波传播特性不同。可液化夹层有效地起到了天然剪切波滤波器的作用
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究由上海核工程研究设计研究院有限公司资助。
