汶川震區(qū)路肩墻抗震能力檢算與震害機(jī)理分析

王景梅，姚令侃，2，楊 明，2

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都610031;2.抗震工程技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室道路與鐵道工程抗震技術(shù)研究所，四川成都610031)

2008年5月12 日下午2點(diǎn)28分中國(guó)四川汶川發(fā)生8級(jí)地震，其震級(jí)之大、余震之多、地表破裂帶之長(zhǎng)，次生山地災(zāi)害之嚴(yán)重，世所罕見(jiàn)，是繼唐山地震之后我國(guó)又一個(gè)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(diǎn)，對(duì)規(guī)范進(jìn)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(shí)驗(yàn)資料，促進(jìn)現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的發(fā)展，具有重要的科學(xué)價(jià)值意義和現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也具有重要的時(shí)效性［3］。

目前，路基工程設(shè)計(jì)主要采用安全系數(shù)法。安全系數(shù)法通過(guò)定值安全系數(shù)作為衡量構(gòu)筑物狀態(tài)的指標(biāo)，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(guān)鍵，如果取值過(guò)小，則會(huì)直接危害構(gòu)筑物的安全性;如果取值過(guò)大，則不具備經(jīng)濟(jì)性。關(guān)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(guān)于擋土墻穩(wěn)定安全系數(shù)取值合理性的報(bào)告。

筆者以G213線都江堰至映秀段(抗震設(shè)計(jì)按場(chǎng)地基本烈度7度考慮［4］)為例，首先通過(guò)汶川地震現(xiàn)場(chǎng)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(shí)際抗震能力;再根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙按規(guī)范對(duì)路肩墻進(jìn)行抗震能力檢算，得其理論抗震能力;利用路肩墻實(shí)際抗震能力驗(yàn)證其理論抗震能力，對(duì)比分析路肩墻的理論抗震能力和實(shí)際抗震能力;在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行路肩墻震害機(jī)理分析并提出相應(yīng)的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)策略、最后對(duì)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(jìn)行分析探討。

1 汶川震區(qū)路肩墻實(shí)際抗震能力調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)震害調(diào)查，G213線路肩墻的結(jié)構(gòu)類型相對(duì)復(fù)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(diǎn)數(shù)量的毀壞率來(lái)看，調(diào)查組所調(diào)查的26個(gè)路肩墻工點(diǎn)中，有5個(gè)毀壞，毀壞率接近20%。但按路肩墻長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)，調(diào)查路段路肩墻總長(zhǎng)8 508m，毀壞長(zhǎng)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(méi)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(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)，9度地震烈度區(qū)路肩墻總長(zhǎng)度5 354.5m，毀壞長(zhǎng)度40m，毀壞率為0.75%。圖1所示路肩墻向外傾斜達(dá)20 cm，這不僅造成工程穩(wěn)定性降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成路基大變形。圖2所示工點(diǎn)就在路面形成70 cm的錯(cuò)臺(tái)，造成車輛無(wú)法通行。

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

圖2 路面形成錯(cuò)臺(tái)達(dá)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(yán)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(diǎn)不多。按擋墻長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)，10度地震烈度區(qū)路肩墻總長(zhǎng)度2 732m，毀壞長(zhǎng)度114.5m，毀壞率為4.19%。其中巖基路肩墻沒(méi)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(dá)40 cm，嚴(yán)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(yán)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(huì)造成公路斷道危害，嚴(yán)重阻礙搶險(xiǎn)救援工作。

圖3 路肩墻傾斜達(dá)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(jì)算及分析

2.1 計(jì)算方法

擋土墻抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc按式(1)計(jì)算［8］:

式中:∑N為作用于基礎(chǔ)底面上的總垂直力，kN;∑Ex為地震主動(dòng)土壓力的總水平分力，kN;α0為基礎(chǔ)底面傾斜角，(°);∑Eihw為擋土墻墻身的總水平地震力，kN;f為基礎(chǔ)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(jì)算［8］:

式中:∑My為穩(wěn)定力系對(duì)墻趾的總力矩，kN·m;∑M0為傾覆力系對(duì)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(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范》［10］規(guī)定在荷載組合Ⅰ及Ⅱ時(shí)，驗(yàn)算擋土墻的抗滑動(dòng)和抗傾覆穩(wěn)定時(shí)，抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc不應(yīng)小于1.3，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)KO不應(yīng)小于1.5。該規(guī)范還規(guī)定當(dāng)荷載情況為組合Ⅲ及施工荷載時(shí)，且基底容許承載力值大于150 kPa時(shí)，基底容許承載力值可提高25%［10］。地震工況時(shí)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(shè)計(jì)規(guī)范》［9］規(guī)定擋土墻穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc不應(yīng)小于1.1，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)KO不應(yīng)小于1.2。

JTG D 30—2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］中規(guī)定“車輛荷載與地震力不同時(shí)考慮”及JTJ 044—89《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］中規(guī)定“驗(yàn)算路基和擋土墻的抗震強(qiáng)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(yīng)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(shí)公路擋土墻穩(wěn)定性驗(yàn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)圖為研究對(duì)象，所得計(jì)算結(jié)果宏觀上能夠直接反應(yīng)路肩墻真實(shí)情況。計(jì)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(shè)計(jì)地勘資料選取。

圖6 計(jì)算模型(單位:m)Fig.6 Calculation model

表2 計(jì)算模型尺寸Tab.2 Calculation model size/m

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

(續(xù)表3)

2.3 計(jì)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(shè)計(jì)地勘資料選取，均為土質(zhì)地基。地勘資料表明G213線設(shè)計(jì)荷載為:汽車－20級(jí)(計(jì)算荷載)，掛車－100級(jí)(驗(yàn)算荷載)，故正常工況分為計(jì)算荷載、驗(yàn)算荷載兩組分別討論，其中驗(yàn)算荷載工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8。8度地震工況沒(méi)有考慮車輛荷載，結(jié)果見(jiàn)圖9、圖10。

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

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

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

圖10 8度地震工況計(jì)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(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Ko及基底最大應(yīng)力整體上均能滿足規(guī)范要求，且以抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc值和基底最大應(yīng)力為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。這說(shuō)明G213線衡重式路肩墻原設(shè)計(jì)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(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Ko及基底最大應(yīng)力均能滿足規(guī)范要求，而且還有一定的富余量。這說(shuō)明依照現(xiàn)行公路規(guī)范要求合理設(shè)計(jì)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(chǎng)調(diào)查，G213線路肩墻基礎(chǔ)為砂巖或碎石土，9度地震工況按碎石土地基進(jìn)行討論，結(jié)果見(jiàn)圖11及圖12。

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

圖12 9度地震工況計(jì)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(chǎng)調(diào)查取為碎石土后，9度地震工況下路肩墻抗滑動(dòng)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(shè)計(jì)要求。由圖12可知，基底最大應(yīng)力基本上都不滿足要求，超過(guò)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(chǎng)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(jìn)行討論，結(jié)果見(jiàn)圖13～圖15。

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

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

圖15 10度地震工況計(jì)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(dòng)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(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(dòng)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(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(shè)計(jì)擋土墻時(shí)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(shè)計(jì)規(guī)范》及JTJ 044—89《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定表明地震工況時(shí)公路擋土墻穩(wěn)定性驗(yàn)算不考慮車輛荷載［9－10］，那么就相當(dāng)于按正常工況設(shè)計(jì)的擋土墻在地震工況時(shí)含有一定的富余量，故按現(xiàn)行公路規(guī)范要求設(shè)計(jì)的擋土墻具有抵抗8度地震的抗震能力。而汶川實(shí)震調(diào)查中確實(shí)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)由于車輛荷載與地震力同時(shí)作用而導(dǎo)致?lián)鯄Πl(fā)生破壞的案例。

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)算結(jié)果表明這種傾斜變形的原因是擋墻基底應(yīng)力超過(guò)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(qiáng)擋土墻基底應(yīng)力條件。

3)路肩墻在10度地震烈度區(qū)以嚴(yán)重傾斜變形為主，并出現(xiàn)毀壞現(xiàn)象，理論計(jì)算結(jié)果表明這種嚴(yán)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(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)基底容許承載力值，碎石土基路肩墻還有抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)不足的原因。其中，巖基路肩墻的抗滑動(dòng)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(méi)有發(fā)生整體滑移現(xiàn)象的原因;碎石土基路肩墻抗滑動(dòng)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(qiáng)其基底應(yīng)力條件，對(duì)于碎石土基擋土墻除以上兩點(diǎn)外，還應(yīng)提高其抗滑動(dòng)穩(wěn)定性。

4)9度地震工況中路肩墻抗滑動(dòng)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(shí)震中9度地震區(qū)路肩墻確實(shí)基本上沒(méi)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(dòng)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(shí)震中10度地震區(qū)部分路肩墻確實(shí)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(shí)震震害宏觀現(xiàn)象基本對(duì)應(yīng)。由此可見(jiàn)，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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