汶川震區(qū)路肩墻抗震能力檢算與震害機理分析

王景梅，姚令侃，2，楊 明，2

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都610031;2.抗震工程技術四川省重點實驗室道路與鐵道工程抗震技術研究所，四川成都610031)

2008年5月12 日下午2點28分中國四川汶川發(fā)生8級地震，其震級之大、余震之多、地表破裂帶之長，次生山地災害之嚴重，世所罕見，是繼唐山地震之后我國又一個損失巨大的毀滅性地震［1－2］。

破壞性地震發(fā)生后，根據(jù)建筑物、構(gòu)筑物的破壞特點，對規(guī)范進行修正，這是抗震規(guī)范修訂的通常做法［3］。利用汶川地震的大批原型實驗資料，促進現(xiàn)行抗震設計規(guī)范的發(fā)展，具有重要的科學價值意義和現(xiàn)實意義，同時也具有重要的時效性［3］。

目前，路基工程設計主要采用安全系數(shù)法。安全系數(shù)法通過定值安全系數(shù)作為衡量構(gòu)筑物狀態(tài)的指標，將所有不確定因素的影響均包含在內(nèi)。安全系數(shù)法中安全系數(shù)的取值非常關鍵，如果取值過小，則會直接危害構(gòu)筑物的安全性;如果取值過大，則不具備經(jīng)濟性。關于擋土墻震害分析方面前人做了大量的工作［3－7］，但是甚少有關于擋土墻穩(wěn)定安全系數(shù)取值合理性的報告。

筆者以G213線都江堰至映秀段(抗震設計按場地基本烈度7度考慮［4］)為例，首先通過汶川地震現(xiàn)場震害調(diào)查，分析總結(jié)G213線路肩墻在不同地震烈度區(qū)的震害模式，歸納出路肩墻的實際抗震能力;再根據(jù)設計圖紙按規(guī)范對路肩墻進行抗震能力檢算，得其理論抗震能力;利用路肩墻實際抗震能力驗證其理論抗震能力，對比分析路肩墻的理論抗震能力和實際抗震能力;在此基礎上，進行路肩墻震害機理分析并提出相應的抗震優(yōu)化設計策略、最后對現(xiàn)行公路規(guī)范中擋土墻穩(wěn)定安全系數(shù)取值合理性及適用性進行分析探討。

1 汶川震區(qū)路肩墻實際抗震能力調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場震害調(diào)查，G213線路肩墻的結(jié)構(gòu)類型相對復雜，采用最多的是漿砌片石衡重式擋墻，其地基基本為砂巖，少數(shù)位于滑坡體上，路肩墻最普遍的震害模式是橫向傾斜［3－4］。

從工點數(shù)量的毀壞率來看，調(diào)查組所調(diào)查的26個路肩墻工點中，有5個毀壞，毀壞率接近20%。但按路肩墻長度統(tǒng)計，調(diào)查路段路肩墻總長8 508m，毀壞長度189m，毀壞率2.22%。

1.1 9 度地震區(qū)

路肩墻在9度地震烈度區(qū)的變形模式是以傾斜變形為主，基本上沒有發(fā)現(xiàn)整體穩(wěn)定性破壞的現(xiàn)象，但出現(xiàn)了大量的墻體傾斜變形的現(xiàn)象。按擋墻長度統(tǒng)計，9度地震烈度區(qū)路肩墻總長度5 354.5m，毀壞長度40m，毀壞率為0.75%。圖1所示路肩墻向外傾斜達20 cm，這不僅造成工程穩(wěn)定性降低，嚴重時會造成路基大變形。圖2所示工點就在路面形成70 cm的錯臺，造成車輛無法通行。

圖1 路肩墻傾斜達20 cmFig.1 20-cm inclination of the shoulder retaining wall

圖2 路面形成錯臺達70 cmFig.2 70-cm dislocation of the shoulder retaining wall

1.2 10 度地震區(qū)

路肩墻在10度地震烈度區(qū)最主要的變形模式是嚴重傾斜變形，并出現(xiàn)整體穩(wěn)定性破壞的現(xiàn)象，但毀壞工點不多。按擋墻長度統(tǒng)計，10度地震烈度區(qū)路肩墻總長度2 732m，毀壞長度114.5m，毀壞率為4.19%。其中巖基路肩墻沒有發(fā)生整體滑移現(xiàn)象，塊碎石土基路肩墻有部分出現(xiàn)整體滑移現(xiàn)象。圖3所示路肩墻向外傾斜達40 cm，嚴重降低工程穩(wěn)定性;圖4所示路肩墻整體滑移，直接危害路面安全;最嚴重的震害是支擋構(gòu)筑物完全破壞，如圖5，路肩墻毀壞后會造成公路斷道危害，嚴重阻礙搶險救援工作。

圖3 路肩墻傾斜達40 cmFig.3 40-cm inclination of the shoulder retaining wall

圖4 路肩墻整體推移Fig.4 Integral slippage of the shoulder retaining wall

圖5 路肩墻垮塌Fig.5 Collapse of the shoulder retaining wall

2 路肩墻理論抗震能力計算及分析

2.1 計算方法

擋土墻抗滑動穩(wěn)定系數(shù)Kc按式(1)計算［8］:

式中:∑N為作用于基礎底面上的總垂直力，kN;∑Ex為地震主動土壓力的總水平分力，kN;α0為基礎底面傾斜角，(°);∑Eihw為擋土墻墻身的總水平地震力，kN;f為基礎底面與地基間摩擦系數(shù)。

擋土墻抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)KO按式(2)計算［8］:

式中:∑My為穩(wěn)定力系對墻趾的總力矩，kN·m;∑M0為傾覆力系對墻趾的總力矩，kN·m。

擋土墻第i截面以上墻身重心處的水平地震荷載，按式(3)計算［9］:

式中:Ci為重要性修正系數(shù);Cz為綜合影響系數(shù)，取Cz=0.25;Kh為水平地震系數(shù);Ψiw為水平地震荷載沿墻高的分布系數(shù);Giw為第i截面以上墻身圬工的重力。

JTG D 30—2004《公路路基設計規(guī)范》［10］規(guī)定在荷載組合Ⅰ及Ⅱ時，驗算擋土墻的抗滑動和抗傾覆穩(wěn)定時，抗滑動穩(wěn)定系數(shù)Kc不應小于1.3，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)KO不應小于1.5。該規(guī)范還規(guī)定當荷載情況為組合Ⅲ及施工荷載時，且基底容許承載力值大于150 kPa時，基底容許承載力值可提高25%［10］。地震工況時荷載情況為荷載組合Ⅲ，且本文所討論路肩墻的基底容許承載力值為300(墻高5～6m)/500(墻高7～12m)kPa＞150 kPa，故筆者所討論的所有地震工況中，基底容許承載力值均要提高25%，即為375(墻高5～6m)/625(墻高7～12m)kPa。JTJ 044—89《公路工程抗震設計規(guī)范》［9］規(guī)定擋土墻穩(wěn)定性驗算時，抗滑動穩(wěn)定系數(shù)Kc不應小于1.1，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)KO不應小于1.2。

JTG D 30—2004《公路路基設計規(guī)范》［10］中規(guī)定“車輛荷載與地震力不同時考慮”及JTJ 044—89《公路工程抗震設計規(guī)范》［9］中規(guī)定“驗算路基和擋土墻的抗震強度和穩(wěn)定性，只考慮垂直路線走向的水平地震荷載。地震荷載應與結(jié)構(gòu)重力、土的重力和水的浮力相組合，其它荷載均不考慮”。故地震工況時公路擋土墻穩(wěn)定性驗算不考慮車輛荷載。

本文中不同地震烈度區(qū)的水平地震系數(shù)如表1［9］，10 度地震烈度區(qū)水平地震系數(shù)Kh取 0.8。

表1 水平地震系數(shù)KhTab.1 Horizontal seismic coefficientKh

2.2 計算模型和參數(shù)

G213線沿線路肩墻基本上都是衡重式路肩墻，故以G213線衡重式路肩墻標準圖為研究對象，所得計算結(jié)果宏觀上能夠直接反應路肩墻真實情況。計算模型和主要參數(shù)如圖6、表2及表3，均依照該路段原設計地勘資料選取。

圖6 計算模型(單位:m)Fig.6 Calculation model

表2 計算模型尺寸Tab.2 Calculation model size/m

表3 主要計算參數(shù)Tab.3 Major calculation model parameter

(續(xù)表3)

2.3 計算結(jié)果

2.3.1 正常工況及8度地震工況

該部分包含正常工況和8度地震工況，擋墻地基按照原設計地勘資料選取，均為土質(zhì)地基。地勘資料表明G213線設計荷載為:汽車－20級(計算荷載)，掛車－100級(驗算荷載)，故正常工況分為計算荷載、驗算荷載兩組分別討論，其中驗算荷載工況計算結(jié)果見圖7、圖8。8度地震工況沒有考慮車輛荷載，結(jié)果見圖9、圖10。

圖7 正常工況計算結(jié)果1Fig.7 Calculation results 1 under normal condition

圖8 正常工況計算結(jié)果2Fig.8 Calculation results 2 under normal condition

圖9 8度地震工況計算結(jié)果1Fig.9 Calculation results 1 under 8 magnitude earthquake

圖10 8度地震工況計算結(jié)果2Fig.10 Calculation results 2 under 8 magnitude earthquake

由圖7及圖8可以看出，正常工況下路肩墻抗滑動穩(wěn)定系數(shù)Kc、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Ko及基底最大應力整體上均能滿足規(guī)范要求，且以抗滑動穩(wěn)定系數(shù)Kc值和基底最大應力為設計控制指標。這說明G213線衡重式路肩墻原設計合理。

由圖9及圖10可以看出，8度地震工況下路肩墻抗滑動穩(wěn)定系數(shù)Kc、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Ko及基底最大應力均能滿足規(guī)范要求，而且還有一定的富余量。這說明依照現(xiàn)行公路規(guī)范要求合理設計的G213線衡重式路肩墻能夠抵抗8度地震力。

2.3.2 9 度地震工況

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，G213線路肩墻基礎為砂巖或碎石土，9度地震工況按碎石土地基進行討論，結(jié)果見圖11及圖12。

圖11 9度地震工況計算結(jié)果1Fig.11 Calculation results 1 under 9 magnitude earthquake

圖12 9度地震工況計算結(jié)果2Fig.12 Calculation results 2 under 9 magnitude earthquake

由圖11可以看出，路肩墻地基依照現(xiàn)場調(diào)查取為碎石土后，9度地震工況下路肩墻抗滑動穩(wěn)定系數(shù)Kc和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Ko均能滿足規(guī)范設計要求。由圖12可知，基底最大應力基本上都不滿足要求，超過基底容許承載力值約10% ～66%。

2.3.3 10 度地震工況

10度地震工況路肩墻地基按照現(xiàn)場調(diào)查取為砂巖和碎石土，故分為巖石地基和碎石土地基2組進行討論，結(jié)果見圖13～圖15。

圖13 巖石地基計算結(jié)果Fig.13 Calculation results of the rock foundation

圖14 碎石土地基計算結(jié)果Fig.14 Calculation results of the gravelly soil foundation

圖15 10度地震工況計算結(jié)果Fig.15 Calculation results under 10 magnitude earthquake

由圖13可以看出，10度地震工況中巖石地基路肩墻抗滑動穩(wěn)定系數(shù)Kc和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Ko基本上都小于規(guī)范要求值，但其Kc值卻都在1以上，且基本接近規(guī)范要求值，其Ko值基本上都在1以上。由圖15可知，巖石地基路肩墻基底最大應力遠遠超過基底容許承載力值。

由圖14可以看出，10度地震工況中碎石土地基路肩墻抗滑動穩(wěn)定系數(shù)Kc和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Ko均小于規(guī)范要求值，且其Kc值都小于1，但其Ko值基本上都在1以上。由圖15可知，碎石土地基路肩墻基底最大應力遠遠超過基底容許承載力值。

3 結(jié)論及討論

1)依照現(xiàn)行公路規(guī)范設計擋土墻時正常工況要考慮車輛荷載［10－11］，而由于地震力是偶然荷載，JTG D 30—2004《公路路基設計規(guī)范》及JTJ 044—89《公路工程抗震設計規(guī)范》中有關規(guī)定表明地震工況時公路擋土墻穩(wěn)定性驗算不考慮車輛荷載［9－10］，那么就相當于按正常工況設計的擋土墻在地震工況時含有一定的富余量，故按現(xiàn)行公路規(guī)范要求設計的擋土墻具有抵抗8度地震的抗震能力。而汶川實震調(diào)查中確實也沒有發(fā)現(xiàn)由于車輛荷載與地震力同時作用而導致?lián)鯄Πl(fā)生破壞的案例。

2)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，路肩墻在9度地震烈度區(qū)以傾斜變形為主，理論計算結(jié)果表明這種傾斜變形的原因是擋墻基底應力超過基底容許承載力值，而非抗傾覆安全系數(shù)不足，故9度地震烈度區(qū)建議加強擋土墻基底應力條件。

3)路肩墻在10度地震烈度區(qū)以嚴重傾斜變形為主，并出現(xiàn)毀壞現(xiàn)象，理論計算結(jié)果表明這種嚴重傾斜變形及出現(xiàn)毀壞現(xiàn)象的原因是抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不滿足規(guī)范要求和擋墻基底應力遠遠超過基底容許承載力值，碎石土基路肩墻還有抗滑動穩(wěn)定系數(shù)不足的原因。其中，巖基路肩墻的抗滑動穩(wěn)定系數(shù)均大于1，且基本接近規(guī)范要求值，這是汶川地震中10度地震區(qū)巖基路肩墻沒有發(fā)生整體滑移現(xiàn)象的原因;碎石土基路肩墻抗滑動穩(wěn)定系數(shù)均小于1，這是10度地震區(qū)有部分塊碎石土基路肩墻出現(xiàn)整體滑移現(xiàn)象的原因所在。綜上，10度地震烈度區(qū)建議提高擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性及加強其基底應力條件，對于碎石土基擋土墻除以上兩點外，還應提高其抗滑動穩(wěn)定性。

4)9度地震工況中路肩墻抗滑動穩(wěn)定安全系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求值，而汶川實震中9度地震區(qū)路肩墻確實基本上沒有發(fā)現(xiàn)整體穩(wěn)定性破壞的現(xiàn)象;10度地震工況中路肩墻抗滑動穩(wěn)定安全系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)基本上都小于規(guī)范要求值，而汶川實震中10度地震區(qū)部分路肩墻確實出現(xiàn)了整體穩(wěn)定性破壞的現(xiàn)象。穩(wěn)定安全系數(shù)反映的抗震能力與汶川實震震害宏觀現(xiàn)象基本對應。由此可見，現(xiàn)行公路規(guī)范中擋土墻穩(wěn)定安全系數(shù)取值合理，在9度地震烈度區(qū)是適用的，并且可以延伸到10度地震烈度區(qū)。

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