高烈度區重力式擋墻基于性能的抗震設計方法研究①

韓鵬飛， 隋孝民

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司地質路基勘察設計研究院，天津 30025)

高烈度區重力式擋墻基于性能的抗震設計方法研究①

韓鵬飛， 隋孝民

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司地質路基勘察設計研究院，天津 30025)

介紹基于性能抗震設計的核心理念，以支擋結構震害調查分析為背景，闡述開展高烈度區重力式擋墻基于性能抗震設計研究的必要性；構建重力式擋墻基于性能的抗震設計框架，歸類分析現行規范與基于性能抗震設計的關鍵技術問題；依據支擋結構震害調查及大型振動臺模型試驗，提出位移指數可作為衡量擋墻抗震性能的量化指標，確定重力式擋墻基于性能抗震設計的性能準則及流程；經對比計算基于性能與規范抗震設計的擋墻算例，顯示基于性能抗震設計的優越性，為高烈度區重力式擋墻基于性能抗震設計的工程應用提出建議。

高烈度區； 性能設計； 重力式擋土墻； 位移指數； 性能準則

0 引言

近年來，先后在美國、日本、土耳其和中國發生的破壞性地震，對生命財產造成了巨大損失[1]。嚴重的地震災害不僅暴露了我們對地震危害性認識的不足，還表明現有的抗震設計思想與方法存在問題，這促使地震工程學者們開始反思既有抗震設計體系。在這種背景下，基于性能的抗震設計思想受到各國地震工程領域專家和學者的廣泛關注，并在20世紀90年代由美國科學家首先提出。我國在2010年的建筑抗震設計規范中也提出了“大震不倒、中震可修、小震不壞”的原則。基于性能的抗震設計理念可簡要地概括為：構造物在不同的抗震設防水準下，滿足相應的抗震目標要求。其具體內涵包括：抗震設防水準與性能目標對應、分級設防及性能目標定量化。隨著經濟水平和城市化程度的不斷提高，構造物抗震的性能要求越來越受到人們的關注，這使基于性能的抗震設計理念在房屋建筑、橋梁、核電站及大壩等領域取得了發展。

在房屋建筑領域[2]，美國應用技術委員會頒布的ATC34針對房屋建筑物制定了具體的抗震設計方案：對低設防烈度區域的建筑物，采用單一水準“大震不倒”的性能目標；對中、高設防烈度區域的建筑物，應采用雙水準“小震不壞、大震不倒”的性能目標。在橋梁設計領域[3]，Caltrans1994制定了基于性能的橋梁抗震準則：按重要性將橋梁進行分類，依據地震重現期將場地地面運動劃分為兩個等級，不同重要性的橋梁及地面運動等級對應不同的性能準則。在核電站、大壩等重要構造物設計領域[4]，核電站抗震設計提出了在發生運行基本地震及安全停堆地震下分級設防的抗震理念；國際大壩委員會于1988年發布的《大壩地震動參數選擇導則》中，提出大壩按最大設計地震和運行基本地震兩級設防。

基于性能的抗震設計理念及方法的應用與發展顯示其對于提高構造物安全度、滿足人們對構造物多層次需求的重要性。基于性能的抗震設計在巖土工程抗震領域的應用甚少，但隨著巖土工程抗震技術的發展及人們對設防目標性能需求的不斷提高，它必然成為未來巖土工程抗震發展的趨勢。

1 支擋結構震害調查分析對基于性能抗震設計研究的啟示

在我國基于性能的設計理念在巖土工程抗震領域尚處起步階段，與具體巖土構造物對應的性能設計準則也屬空白。汶川地震則強化了我們在這一領域探索研究的責任感和緊迫感，地震災害不僅使川陜甘三省道路、橋梁及隧道損壞嚴重[5]，大量路基支擋結構的損毀也延誤了搶險保通的進程，加大了抗震救災的難度。因此，開展巖土工程抗震領域基于性能抗震設計的研究具有不容忽視的工程意義。汶川地震后就如何修編和改進現行路基支擋結構抗震設計規范，巖土工程師們面臨3個實質性挑戰：(1)保證新建的地震風險性評估是可接受的；(2)鑒定和糾正現行抗震規范不可接受的抗震設計標準；(3)研發和實施一個迅速、有效、經濟的震后恢復支擋結構完整性的反應機制。為此，筆者等對四川省境內共345處支擋結構的震害數據進行歸類分析[4]，根據烈度、結構形式、破壞類型、場地條件、砌筑方式、線路與斷裂帶的關系研究震害分布，為研究工作的推進提供支撐。

震害調查顯示：重力式擋墻(一般稱為剛性支擋結構)的破壞數量占破壞總數的97%，加筋土擋墻、預應力錨索樁、錨索框架(一般稱為柔性支擋結構)的破壞數量僅占破壞總數的3%。該數據與周德培等[7]震害調查得出的規律基本吻合，即柔性支擋結構抗震性能優于剛性支擋結構。其原因是在地震引起的地面運動作用下，柔性支擋結構能夠與土體一致運動，兩者之間保持較好的變形協調，因此破壞數量較少；而剛性支擋結構在地震作用下其墻體與土體的變形不一致，導致墻體發生較大的不可恢復性位移，失去了原有的功能。地震作用下輕型柔性支擋結構雖具有較好的抗震優勢，但其設計施工繁瑣、抗震設計理論不夠完善，一時難以代替重力式擋墻等剛性支擋結構而被廣泛應用于工程實踐中。作為最常見的支擋結構，重力式擋墻具有體形簡單、受力明確、剛度和質量勻稱、重心低、抗震設計理論相對成熟等優點。因此完善及拓展重力式擋墻抗震技術仍具有重要意義。

汶川地震中，擋墻破壞工點主要分布在映秀—北川斷裂帶附近。該區域屬于Ⅸ度及以上烈度區，震害調查顯示該地區絕大部分擋墻按Ⅶ度進行抗震設防，遠小于實際烈度，這說明擋墻在此區域產生較嚴重的破壞具有客觀性。而區域內按Ⅷ度進行抗震設防的擋墻損毀案例較少，部分損壞工點僅產生一定的墻體位移或局部墻身裂縫，仍保持了較為完整的結構構造和功能。從性能設計的角度來看，對于設防烈度較高的區域(Ⅸ度及以上)進行擋墻抗震設計時，根據性能要求可允許墻體震后發生有限位移，而該位移并不影響擋墻正常使用功能的發揮，可在高烈度區適當降低原設防烈度進行設計。按現行規范，對設防烈度為Ⅸ度區域的重力式擋墻進行抗震設計時，只能采用增加墻身自重的方法來抵抗地震作用，這并不是最優選擇。而基于性能的抗震設計方法就能夠解決這一問題，擋墻抗震設計時既能滿足墻體穩定性要求，又能滿足所要求性能的位移限值，達到避免工程浪費的目的，這也是重力式擋墻基于性能抗震設計的優越性。

鑒于此，在設防烈度為Ⅸ度及以上的高烈度區，構建重力式擋墻基于性能的抗震設計方法是當前實現基于性能的抗震設計在巖土工程構造物中應用及推廣最可行的方案。

2 重力式擋墻基于性能抗震設計框架

2.1 現行規范

我國抗震設計規范對于路基支擋結構按照“單水準”進行抗震設防，其基本思路可概括為：單一地面運動水準，單一構造物性能目標，單一分析方法，單一檢驗準則。

例如《鐵路工程抗震規范GB5011-2006》(2009年版)[8]規定：鐵路工程根據鐵路等級及其在路網中的重要性和修復(搶修)的難易程度，分為A、B、C、D四個抗震設防類別；路基支擋構造物按地面運動水準為設計地震進行抗震設計，抗震設防目標應達到抗震性能要求Ⅱ(地震后可能損壞，經修補短期內能恢復其正常使用功能；結構處于非彈性工作階段)，分析方法為擬靜力法，檢驗準則為安全系數準則(剛性支擋結構驗算抗滑、抗傾覆穩定性系數，柔性支擋結構驗算外部穩定及內部穩定)。

2.2 重力式擋墻基于性能的抗震設計框架

基于性能的抗震設計對現有抗震設計理論和方式有所改變，但它并不排斥現有抗震技術規范和地震工程研究成果，而且新建的基于性能的抗震設計準則仍以現行抗震設計框架為基礎，其可按以下6步制定：

(1) 按建設標準或修復難易程度將擬設計的重力式擋墻分為普通擋墻和重要擋墻(鐵路工程可參照表1)，確定對應的性能評估水準。本文按照地震重現期將性能評估水準分為2類：功能評估、安全評估。功能評估即判定擋墻在設計地震(地震重現期為475年)下是否滿足相應的功能需求；安全評估即判定擋墻在罕遇地震(地震重現期為2 475年)下是否滿足相應的安全需求。

(2) 確定不同等級的擋墻在規定評估水準下可接受的抗震性能要求。在地震作用下，與普通擋墻相比，在滿足路基抗震安全需求的同時，運營標準較高的鐵路(高速鐵路、客運專線等)或修復困難的陡坡、深挖、高填的重要擋墻更注重路基抗震的功能需求。因此，建議普通擋墻按“單水準”性能要求進行設計，滿足安全評估準則；重要擋墻按“雙水準”性能要求進行設計，同時滿足功能評估準則和安全評估準則。依據震后搶險保通原則及支擋結構震害調查評估，本文以震后巖土工程構造物的使用水準、損傷水準來描述重力式擋墻的抗震性能要求(表2)。

表1 擋墻抗震等級劃分

表2 擋墻抗震性能要求

注：①立即使用水準(簡稱“立即”)：震后幾乎不影響交通，可立即(幾小時內)恢復正常通行；②有限使用水準(簡稱“有限”)：震后2天內開放有限交通，1個月內交通完全恢復；③最小損傷(簡稱“最小”)：擋墻局部變形及整體輕微變位。例如墻身表面微裂但無明顯裂縫或墻體震后發生微小位移；④可修復損傷(簡稱“可修”)：無需關閉線路通行，經修補，短期內能恢復正常使用功能。例如墻身局部裂縫，殘余位移較小的傾斜或滑移。

(3) 確定設計荷載、檢算荷載。普通擋墻及重要擋墻設計荷載均采用功能評估地面運動(設計地震)，安全評估地面運動(罕遇地震)僅作為檢算荷載。

(4) 建立檢驗準則，使其達到期望的性能要求。

普通擋墻按安全評估地面運動檢算擋墻位移幅度，判斷其是否超越許可位移，應滿足安全評估性能準則；按功能評估地面運動驗算擋墻Ⅷ度區第二組(0.3 g)的抗滑動穩定性和抗傾覆穩定性。重要擋墻分別按功能評估、安全評估地面運動驗算擋墻位移幅度，判斷其是否超越許可位移，必須同時滿足功能評估與安全評估性能準則；按照功能評估地面運動驗算擋墻在Ⅷ度區第二組(0.3 g)的抗滑動穩定性及抗傾覆穩定性。

盡管基于性能的抗震設計降低了原設防烈度，但映秀—北川斷裂帶附近(Ⅸ度及以上烈度區)的絕大部分擋墻震害工點多按Ⅶ度抗震設防，而按Ⅷ度抗震設防的擋墻損毀工點鮮少，震害僅以墻體位移或局部墻身裂縫為主。這表明按Ⅶ度抗震設防的擋墻在Ⅸ度及以上的高烈度區喪失了抗震性能；若允許有限位移(不影響擋墻的整體性及功能發揮)，按Ⅷ度抗震設防的擋墻能滿足其在Ⅸ度及以上高烈度區的抗震性能。基于擋墻震害規律的客觀性，在Ⅸ度及以上的高烈度區，按性能設計的重力式擋墻應保證其在Ⅷ區的抗震穩定性。

(5) 將反映擋墻抗震性能的量化指標與性能要求對應。

量化指標為抗滑動穩定性系數Kc、抗傾覆穩定性系數Ko及位移指數。Kc、Ko可參照現行抗震規范規定，鐵路工程抗震規范(2009年版)中，Kc不小于1.1，Ko不小于1.3。位移指數定義為震后墻頂位移與墻高比值，表征了擋墻的抗震性能，詳見第3節。

(6) 對重力式擋墻基于性能的抗震設計進行規范化，提高基于性能抗震設計的工程應用。

2.3 現行規范與基于性能抗震設計方法對比

對于重力式擋墻，現行規范與基于性能的抗震設計方法的區別主要體現在設計理念上。現行規范抗震設計采用“單水準”一級設防；基于性能的抗震設計采用分級設防：普通擋墻按“單水準”設防，重要擋墻按“雙水準”設防。本文以《鐵路工程抗震設計規范》為例，從性能準則、設計荷載、檢算荷載、檢算準則、量化指標及分析方法6方面對現行規范與基于性能抗震設計的區別與聯系進行了歸納，見表3。

表3 現行規范與基于性能抗震設計方法的對比

3 性能準則

性能設計一直是結構和巖土工程抗震設計最前沿的研究方向，基于位移的設計方法是目前最重要的性能設計理論之一。位移設計方法的基本理念是：結構設計按照位移控制，位移是反映結構破壞最直觀的參數。在結構工程抗震設計中，為描述強震作用下的抗震性能，建筑結構通過樓層的層間位移(位移與層高的比)來控制結構的性能狀態。例如美國BSSC[9]規定：當層間位移小于1%時，結構處于彈性階段；當層間位移為2%時，結構處于彈塑性階段；當層間位移為4%時，結構處于破壞階段。在巖土工程抗震設計中，國內外學者已充分認識到在不影響公路、鐵路使用功能的情況下，應允許支擋結構有一定的位移量。例如歐洲抗震設計規范Eurocode8[10]規定：擋土墻在地震作用下的永久性位移包括滑移位移與傾覆位移，為不影響墻體的美觀和正常使用功能的發揮，必須使其震后的位移控制在合理的范圍內。例如在計算墻背地震土壓力時，地震系數kh=αS/r。α為巖質場地峰值地震系數；S為土壤系數，r的取值則應考慮墻體位移的影響，例如r=2對應擋土墻最大位移容許值為300%αS(mm)，r=1.5對應擋土墻最大位移容許值為200αS(mm)。新西蘭抗震設計規范[11]規定：在設計地震下可允許支擋結構保持彈性狀態；在強地震下可允許支擋結構具備有限的永久性位移，例如對于剛性支擋結構允許的墻體位移是100 mm。

汶川地震支擋結構震害調查及重力式擋墻大型振動臺模型試驗均證實，擋墻在大震后產生較明顯的不可恢復性位移，并以墻頂處的殘余位移最為顯著，這表明位移指數可作為衡量重力式擋墻抗震性能的直觀參數。

3.1 基于震害調查的性能準則

支擋結構震害調查及大型振動臺模型試驗是開展擋墻震害評估及機理分析的重要手段，不僅為研究重力式擋墻基于性能的抗震設計搭建了平臺，也為基于性能抗震設計體系的構建提供了支撐。要使重力式擋墻基于性能的抗震設計有效實施，必須將擋墻抗震性能狀態與位移指數對應起來。本文依據汶川地震擋墻震害調查及重力式擋墻大型振動臺模型試驗的研究成果，綜合確定了擋墻性能狀態(使用水準+損傷水準)與位移指數的對應關系(即性能準則)。

在交通部西部交通建設科技計劃的支撐下，筆者針對汶川地震四川境內的一般災區、重災區和極重災區約3 000 km公路和鐵路支擋結構的破壞類型、破壞模式及與地震動的關系展開了全面的調查(圖1)。

基于震害的調查分析，張建經等[12]提出支擋結構抗震設計應考慮位移的影響，并確定了支擋結構的抗震性能要求：性能要求1：地震后墻體不損壞或輕微損壞(損傷標準——最小)，能夠保持正常使用功能(使用標準——立即)，位移指數在1.0%以內；性能要求2：地震后墻體可能出現局部損壞(損傷標準——可修)，需修補，短期內可以恢復正常使用功能(使用標準——有限)，位移指數在3.5%以內；性能要求3：地震后墻體出現較大變形，但不出現整體倒塌，經搶修后可以限速通車，位移指數在6.0%以內。

圖1 支擋結構震害調查路線Fig.1 Investigation route of seismic damage to retaining walls

3.2 基于振動臺模型實驗的性能準則

地震作用下擋墻-土是一個復雜的動力系統，擋墻的地震反應與土體動力特性息息相關，當前采用的安全系數法、位移法均屬定值設計范疇，很難準確地反映土體參數及外部荷載等設計變量的不確定性。因此，以支擋結構震害調查為依托，開展重力式擋墻大型振動臺模型試驗，再現墻-土體系動力破壞失穩機制，對正確進行擋墻抗震設計、指導巖土工程實踐具有重要意義。

實驗模擬的是位于Ⅷ度烈度區的9.6 m高的重力式路肩擋土墻[6]。根據相似關系，擋墻模型尺寸為：1.6 m(高)×1.5 m(寬)，墻頂寬0.33 m，墻底寬0.55 m，墻趾高0.204 m，墻趾寬0.102 m；模型材料采用微粒混凝土，剛性模型箱內空尺寸為3.7 m×1.5 m×2.1 m(長×寬×高)；墻后填土水平，墻后填料為干砂，基底填料為按一定配合比調制且滿足重度、抗剪強度、剪切波速等相似比關系的模型土，分別模擬巖石及土質地基。試驗模型全貌見圖2。試驗中采集的數據，包括：位移、加速度、土壓力，儀器布置見圖3。

圖4顯示了由振動臺模型試驗得到的不同地基條件下擋墻位移指數隨地震系數的變化規律：在相同的地震動加速度下，巖石地基擋墻抗震性能優于土質地基擋墻。當地震動加速度小于0.3 g時，地基條件對墻體抗震性能的影響不顯著；當地震動加速度大于0.3 g時，墻體抗震性能受地基條件影響顯著。這表明在設防烈度為Ⅷ度以上的區域進行擋墻抗震設計時，應考慮地基條件對墻體抗震性能的影響。

圖2 試驗模型全貌Fig.2 The whole picture of experiment model

圖3 儀器布置及位移傳感器安裝圖Fig.3 Layout of equipment and installation of displacement sensor

圖4 位移指數隨地震系數變化Fig.4 Variation of displacement index with seismic coefficient

圖5 不同位移指數下的性能狀態Fig.5 Performance staes with different displacementindexed

無論地基條件如何，位移指數都是反映擋墻震后性能狀態的量化指標。圖5顯示了土質地基上的擋墻在不同位移指數下的性能狀態，為基于振動臺模型實驗性能準則的提出提供了支撐。圖5(a)墻體輕微位移，不影響正常使用；圖5(b)墻體顯著位移，墻后填料下沉，經修補后短期可恢復正常使用；圖5 (c)墻體大幅度位移，墻后填料大面積沉陷，嚴重影響結構整體性及功能發揮。經綜合考慮地震烈度、地震波特性、墻體幾何特性、地基條件、填料性質等因素對模型試驗結果的影響，客觀評價擋墻在不同位移指數下對應的性能狀態，確定了基于振動臺模型實驗的抗震性能準則：

性能要求1：墻體輕微位移(損傷標準——最小)，不影響正常使用(使用標準——立即)，位移指數≤0.5%；

性能要求2：墻體顯著位移(損傷標準——可修)，經修補后短期可恢復正常使用(使用標準——有限)，0.5%<位移指數≤3.0%；

性能要求3：位移指數>3.0%，墻體整體傾覆，但不出現倒塌。

3.3 性能準則的確定

震害調查及振動臺模型實驗得出的性能準則均真實反映了擋墻的抗震性能。性能要求3實際上是基于“大震不倒”的理論提出的，而本文論述的重力式擋墻基于性能的抗震設計僅允許墻體產生有限位移，過大的墻體位移將加劇墻-土體系的損毀程度，難以保障擋墻的整體性及功能發揮。隨著技術水平和對交通安全。舒適要求程度的不斷提高，構造物的抗震性能越來越受到人們的關注。擋墻在震后即使能做到“大震不倒”，但一次地震、甚至中等強度地震造成的損失，就可能遠遠超過社會和業主可接受的程度，從而造成巨大的經濟損失，嚴重影響社會生活。基于這種認識，綜合震害調查及振動臺模型實驗結論，重力式擋墻基于性能的抗震設計準則為：

(1) 基于性能的抗震設計適用于設防烈度為Ⅸ度及以上抗震區域的擋墻。

(2) 重要擋墻：按“雙水準”進行抗震設計，同時滿足功能評估及安全評估性能標準。功能評估性能標準：要求擋墻在震后必須滿足使用水準——立即，損傷水準——最小的性能要求，位移指數≤0.5%。安全評估性能標準：要求擋墻在震后必須滿足使用水準——有限，損傷水準—可修的性能要求，0.5%<位移指數≤3%。

(3) 普通擋墻：按“單水準”進行抗震設計，即滿足安全評估性能標準，要求擋墻在震后必須滿足使用水準——有限，損傷水準——可修的性能要求，0.5%<位移指數δ≤3%。

(4) 按性能設計的擋墻應檢算其在Ⅷ度區第二組(0.3 g)的安全系數，使其滿足現行抗震規范要求。

3.4 基于性能抗震設計流程

為增強基于性能抗震設計的工程實用性，本文歸納了重力式擋墻基于性能的抗震設計流程(圖6)：

圖6 性能設計流程圖Fig.6 Flow chart of the performance-based design

(1) 按工程類別將擋墻進行重要性分類，依據重要性及性能準則確定擋墻在地震作用下應達到的性能目標，根據性能目標確定墻體震后允許的位移指數。

(2) 按現行抗震設計規范對擋墻進行初步設計，計算墻體滑動及轉動臨界加速度(在地震作用下擋墻的抗滑或抗傾覆安全系數等于1時，即可求得滑動或轉動臨界加速度[13])，采用位移模型估算初始位移指數。

張建經等[14]在充分總結擋墻位移計算理論及試驗的基礎上建立地震位移估算模型，比較了振動臺模型試驗與既有滑移位移經驗公式結果，提出Whitman和Liao均值擬合法[15]適合用于計算重力式擋土墻的震后滑移位移量：

(1)

當5.3≤M≤7.4時，峰值地震動速度Vm的計算參照Williamb.Joyner和Davidm.Boore的速度衰減模型[16]：

lgVm=-0.67+0.489M-lgγ-0.002 56r

(2)

(3)

式(1)～式(3)中：d為震后墻體滑移位移；Vm為地震峰值速度；km為峰值地震動加速度系數；kc為滑動臨界加速度系數；M為地震震級；d1為震源深度，單位km；S=0為巖石場地，S=1為土質場地；P=0時預測誤差為50%，P=1時預測誤差為84%。

Zeng和Steedman轉動塊模型[17]雖能估算墻體轉動位移，但其繁瑣的計算過程降低了該模型應用于擋墻設計的效率，因此有必要對如何簡化計算墻體轉動位移開展進一步的研究。例如選取多條地震波，采用Zeng和Steedman模型計算擋墻轉動位移，將轉動位移與地運動參數擬合，得到合理的計算轉動位移的經驗公式。

(3) 按性能準則對初始位移指數進行評估。

(4) 調整初步設計，重復步驟(2)、(3)，直至墻體位移指數滿足性能需求為止。

4 重力式擋墻基于性能的抗震設計算例

地震作用下，與計算擋墻轉動位移相比，滑移位移的計算理論及方法相對成熟，而振動臺模型試驗也驗證了Whitman和Liao均值擬合法計算滑移位移的合理性。因此，為便于計算，展現重力式擋墻基于性能抗震設計的優越性，本文假設擋墻在地震作用下只產生滑移位移(即具備足夠的抗傾覆能力)。

基礎設計資料：地震震級M=7，震源深度d1=15 km，預測誤差為50%，抗震設防烈度為Ⅸ度。擋墻算例模型見圖7。按《鐵路工程抗震規范》抗震設計：抗滑動安全系數Kc=1.25>1.1，抗傾覆安全系數K0=2.15>1.3；墻體截面積22.4 m2。

圖7 擋墻算例模型(單位：m)Fig.7 Retaining wall example model (unit：m)

4.1 按普通擋墻設計

功能評估地面運動(設計地震)為0.4 g，安全評估地面運動(罕遇地震)為0.64 g。擋墻設計滿足安全評估標準下的性能準則：損傷標準——可修，使用標準——有限，0.5%<位移指數≤3.0%。

性能設計如下：

(1) 對規范設計的擋墻進行安全評估驗算，計算墻體初始位移指數。

經計算，滑動臨界加速度kc=0.235 g，初始位移指數為0.57%。按規范設計的擋墻位移指數雖滿足安全評估標準下的性能準則，但從性能設計的角度出發，位移指數仍具備可提高的空間，也就是說擋墻設計偏于保守。因此，可通過調整墻體尺寸適當增大位移指數，使調整尺寸后的擋墻位移指數仍滿足性能準則要求，最終達到經濟適用的目的。

(2) 按性能準則對初始位移指數進行評估，調整墻體位移指數。

按性能設計調整后的墻身尺寸：墻頂寬1.5 m，面坡傾斜破率1∶0.2，墻體截面積18.4 m2(與規范設計相比，擋墻截面積減小17.86%)。經計算，滑動臨界加速度kc=0.186 g，位移指數為1.16%(與規范設計相比，位移指數得到適當提高，且滿足安全評估“單水準”下的性能準則要求)。

(3) 檢算按性能設計的擋墻在設防烈度為Ⅷ度第二組(0.3 g)的安全系數。

經穩定性檢算：抗滑動安全系數Kc=1.19>1.1，抗傾覆安全系數K0=1.88>1.3。

4.2 按重要擋墻設計

功能評估地面運動(設計地震)為0.4 g，安全評估地面運動(罕遇地震)為0.64 g，同時滿足功能評估及安全評估性能標準。功能評估性能標準：要求擋墻在震后必須滿足使用水準——立即，損傷水準——最小的性能要求，位移指數≤0.5%；安全評估性能標準：要求擋墻在震后必須滿足使用水準——有限，損傷水準——可修的性能要求，0.5%<位移指數≤3%。

性能設計如下：

(1) 對規范設計的擋墻分別進行功能評估、安全評估驗算，計算墻體初始位移指數。

經計算，功能評估初始位移指數為0.11%(滿足位移指數≤0.5%)，安全評估初始位移指數為0.57%(滿足0.5%<位移指數≤3%)，滿足安全評估性能水準，從性能設計的角度出發，位移指數亦具備上調的空間。在地震作用下，與普通鐵路相比，在滿足路基抗震安全需求的同時，建設及運營標準較高的鐵路(高速鐵路、客運專線等)或修復困難的陡坡、深挖、高填路基更關注構造物抗震的功能需求。因此，墻體設計應按功能評估性能準則進行控制，按安全評估性能準則進行檢算。

(2) 按性能準則對初始位移指數進行評估，調整墻體位移指數。

按性能設計調整后的墻身尺寸：墻頂寬1.7m，面坡傾斜坡度1∶0.2，墻背垂直，墻底水平，墻體截面積20 m2(與規范設計相比，擋墻截面積減小10.71%)。經計算，滑動臨界加速度，功能評估位移指數為0.22%，安全評估位移指數為0.84%(與規范設計相比，位移指數得到適當提高，且滿足功能評估、安全評估“雙水準”下的性能準則要求)。

(3) 檢算按性能設計的擋墻在設防烈度為Ⅷ度第二組(0.3 g)的安全系數。

穩定性驗算：抗滑動安全系數Kc=1.27>1.1，抗傾覆安全系數K0=2.09>1.3。

4.3 基于性能抗震設計的工程應用建議

經前文所述，在設防烈度為Ⅸ度及以上的高烈度區進行擋墻抗震設計時，與現行規范設計方法相比，性能設計顯示了經濟節約、安全適用等優點，但其繁瑣的設計流程仍給工程師們造成了很大不便，使其難以在工程實踐中被大范圍的推廣及適用。因此，搜集有代表性的公路、鐵路在高烈度區的擋墻設計實例，開展性能設計與規范設計的對比研究，繪制位移指數-安全系數關系圖，將性能設計與規范設計聯系起來。在性能設計時，按照性能準則→性能目標→位移指數→位移指數-安全系數關系圖的步驟確定與擬定性能指標對應的安全系數，然后按照擬靜力法進行抗震設計，未詳盡的設計細節仍參照現行規范。該方法能大大提高效率，使基于性能抗震設計的工程應用得以實現。

5 結論

高烈度區重力式擋墻基于性能的抗震設計方法以現行抗震設計框架為基礎，首次將“分級設防”理念應用在擋墻抗震設計中，實現了路基支擋構造物由基于力法向基于性能抗震設計理念的轉變，經與規范設計對比，顯示了基于性能抗震設計的優越性。本文主要結論如下：

(1) 在設防烈度為Ⅸ度及以上的高烈度區構建重力式擋墻基于性能的抗震設計方法，是實現基于性能的抗震設計在巖土工程構造物中應用及推廣最可行的方案。

(2) 重力式擋墻基于性能的抗震設計準則：

①重要擋墻：按“雙水準”進行抗震設計，同時滿足功能評估及安全評估性能標準。功能評估性能標準：要求擋墻在震后必須滿足使用水準——立即，損傷水準——最小的性能要求，位移指數δ≤0.5%。安全評估性能標準：要求擋墻在震后必須滿足使用水準——有限，損傷水準——可修的性能要求，0.5%<位移指數δ≤3%。

②普通擋墻：按“單水準”進行抗震設計，即滿足安全評估性能標準，要求擋墻在震后必須滿足使用水準——有限，損傷水準——可修的性能要求，0.5%<位移指數δ≤3%。

③檢算按性能設計的擋墻在Ⅷ度區第二組(0.3 g)的安全系數，使其滿足現行抗震規范要求。

(3) 基于性能的抗震設計流程：

①按工程類別將擋墻進行重要性分類，依據重要性及性能準則確定擋墻在地震作用下應達到的性能目標，依據性能目標確定墻體震后允許的位移指數。

②按現行抗震規范對擋墻進行初步設計，計算初始位移指數。

③按性能準則對初始位移指數進行評估。

④調整初步設計，重復步驟②、③，直至墻體位移指數滿足性能需求為止。

擋墻抗震性能不僅受地震烈度、線路與斷裂帶的關系、場地條件、地震波特性等外界因素影響，還與砌筑方式、墻體材料、墻體幾何特性、填料性質等內部因素息息相關。這表明基于性能的抗震設計方法是一項系統工程，仍有大量的研究工作亟待開展。

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Performance-based Seismic Design of Gravity Retaining Walls in High Intensity Regions

HAN Peng-Fei， SUI Xiao-min

(GeologyandSubgradeDesignDepartmentofTheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation，Tianjin300251，China)

In this paper，the core idea behind seismic performance-based design is first introduced.Based on a seismic damage survey of retaining walls，the research necessities of seismic performance-based design for gravity retaining walls in high seismic intensity areas are explained.For establishing a framework for seismic performance-based design methods，key technical problems of current specifications and seismic performance-based design methods are summarized.According to large-scale shaking Tabletests of retaining walls，conclusions about which displacement index can be used as a measure of the seismic performance of retaining walls are presented，along with the criteria and flows of seismic performance-based design methods.Through comparisons between seismic performance-based design methods and specifications of retaining wall examples，the advantages of seismic performance-based design methods are demonstrated.Finally，engineering application suggestions for seismic performance-based design of gravity retaining walls in high seismic intensity areas are proposed.

high seismic intensity area； performance-based design； gravity retaining wall； displacement index； performance criteria

2014-08-20

國家西部課題(200831800098)

韓鵬飛，男，工程師，主要從事鐵路工程地質路基勘察設計及巖土工程抗震領域的工作與研究.E-mail：305904420@qq.com

TU352.11；TU476.+4

A

1000-0844(2015)02-0585-009

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0585