AH09014xiu平原地區(qū)公路路基震害類型及機理分析最終修改稿.doc

文章編號：1009-6094(2010)01-0000-00平原地區(qū)公路路基震害類型及機理分析 * 收稿日期：20090205 作者簡介：侯超群，講師，從事道路工程、巖土工程研究，。侯超群1,2，王曉謀1，周志軍1，李海濱1（1 長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710064；2 合肥工業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院，合肥 230009）摘 要：根據(jù)資料分析和現(xiàn)場調(diào)查，對平原區(qū)公路路基常見震害進行分類。結(jié)合庫侖強度理論和有效應(yīng)力原理分析平原區(qū)公路路基震害機理。研究表明：地震作用引起土體中超靜孔隙水壓力上升、有效應(yīng)力降低，從而弱化了土體的強度；水平地震力是誘發(fā)路堤、邊坡破壞的因素；同水平地震力相似，豎向地震力同樣會造成土體強度的削弱。最后，針對平原區(qū)公路路基震害的特點和機理，在平原區(qū)道路的選線、施工、質(zhì)量控制等方面給出防治措施。關(guān)鍵詞：道路工程；震害；水平地震力；豎向地震力；地基液化中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：Adoi: 10.3969/j.issn.1009-6094.2010.01.0000 引 言2008年5月12日發(fā)生的汶川大地震（8.1級）給人民的生命財產(chǎn)造成巨大損失。汶川地震中，公路遭到嚴重破壞，極大的影響了救援工作的開展，增加了救援難度。我國是一個地震活動頻繁、強度大、震源淺、分布廣的震災(zāi)嚴重國家，據(jù)國家防震減災(zāi)規(guī)劃（20062020年），中國50%的國土面積位于度以上的地震烈度區(qū)域。因此，研究公路整體的抗震穩(wěn)定性、確保公路的正常運行尤顯重要。本文以平原地區(qū)道路路基（路塹）的地震穩(wěn)定性為研究對象，通過對公路路基（路塹）震害的調(diào)查與分析，探索平原區(qū)道路震害的機理，進一步提出震害的防治措施。1 常見的公路路基震害平原地區(qū)由于地下水埋藏淺、土質(zhì)松軟，地震時容易引發(fā)地基土液化、震陷等災(zāi)害。地震造成道路變形，引起路面開裂、路線扭曲、路基沉陷。嚴重時地震能使局部地形改變，產(chǎn)生或隆起或沉降，使道路坼裂、鐵軌扭曲、橋梁折斷1。平原地區(qū)公路以路基為主，橋梁隧道所占比例小。因此，地震時平原地區(qū)的路基病害較為嚴重。平原地區(qū)地震時常見的路基病害有以下幾種。1）地基震陷。地基在地震作用下產(chǎn)生的附加變形稱為震陷。震陷多發(fā)生在軟土地基和黃土地基中。軟土路基受震動荷載后，易產(chǎn)生側(cè)向滑動、沉陷、不均勻沉降及基底向兩側(cè)擠出的現(xiàn)象，不利于路基的穩(wěn)定2。于洪治等3通過靜力軟化試驗和動三軸震陷試驗研究了軟土的震陷特性，并指出震陷包括軟化變形和慣性變形兩部分，飽和軟黏土隨孔隙水壓力的增長而逐漸軟化。黃土地區(qū)也會出現(xiàn)震陷，但其產(chǎn)生的原因不同于軟土地基。黃土的微結(jié)構(gòu)以支架大孔膠結(jié)結(jié)構(gòu)為主，具有結(jié)構(gòu)性強、空隙大的特點。地震時，在地震慣性力作用下原先黃土顆粒間的膠結(jié)力遭到破壞，骨架脫離約束而重新排列，這便形成震陷。圖1為2005年11月26日江西瑞昌地震中某農(nóng)場的一條小路產(chǎn)生的震陷變形。圖1 震陷變形Fig.1 Seismic distortion2）地基液化、噴砂、冒水。在強烈地震作用下，若地基土為飽和欠密實砂土、粉土等無黏性土，就會表現(xiàn)出類似液體特性的現(xiàn)象，稱為液化災(zāi)害現(xiàn)象。其主要原因是地震力作用引起地基土體內(nèi)孔隙水壓力增加，依據(jù)有效應(yīng)力原理，當孔隙水壓力增大到一定程度時，土體強度喪失、呈液體狀態(tài)。地基土液化常常造成路基失穩(wěn)，路面開裂等病害。若地裂縫切過地下含水層，地下水受到擠壓，則會沿著裂縫夾帶著泥砂涌出地表，形成噴砂、冒水現(xiàn)象。3）地裂縫。地震會造成地層斷裂，并反射到地表，以地裂縫形式出現(xiàn)。地裂縫會導(dǎo)致路基和路面的開裂，形成縱向或橫向裂縫；嚴重時會造成路基的失穩(wěn)破壞。2005年10月8日在巴基斯坦北部地區(qū)發(fā)生7.8級地震，圖3為該次地震造成的路面橫向開裂。4）路堤、路塹邊坡的失穩(wěn)滑塌。平原地區(qū)公路雖然高填方、深路塹的路段較少，但地震同樣會造成路堤、路塹邊坡造成破壞。在沒有側(cè)向限制的條件下，地震波中的剪切波是產(chǎn)生這種破壞的直接原因。由于臨空面一側(cè)土體強度低，加之地震慣性力的影響，在剪切波到來時，首先在臨空路堤、路塹邊坡發(fā)生破壞。地震時，非但路基的變形、失穩(wěn)會引起路面的破壞，路面自身在地震中也會出現(xiàn)翹曲、斷裂等破壞。由于路面（特別是剛性路面）剛度大，協(xié)調(diào)變形能力差，因此，地震造成的地面運動引發(fā)公路面層的開裂、隆起等。圖2 地基震陷、冒水Fig.2 Ground collapse and water burst圖3 地裂縫引起的橫向裂縫Fig.3 Cross fracture caused by ground fissure圖4 路堤邊坡失穩(wěn)破壞Fig.4 Side destruction in roadbed2 平原區(qū)公路路基震害機理分析2.1 地震對土體強度的影響土壩、路堤等填方邊坡以及天然邊坡等的穩(wěn)定性問題，其實質(zhì)是土體的強度問題。巖土工程中，土體強度指的是土體的抗剪強度。對于飽和狀態(tài)土，由于土中的水不能提供抗剪力，所以根據(jù)庫倫強度理論及有效應(yīng)力原理，由下式來確定土體的抗剪強度。 （1）從式（1）可以看出，影響土體強度的因素是有效應(yīng)力、黏聚力和內(nèi)摩擦角。其中（為土中總應(yīng)力）。地震的作用引起土體內(nèi)部孔隙水壓力上升，即超靜孔隙水壓力。一般地震歷時幾秒至十幾秒，如此短的時間內(nèi)，地震產(chǎn)生水壓力來不及消散，便降低了土體中的有效應(yīng)力；同時，土體含水量的增大還會削弱黏聚力和內(nèi)摩擦角。以上便是地震造成土體抗剪強度降低的原因。2.2 水平地震力對土體應(yīng)力條件的影響已有研究表明，地震力是比較復(fù)雜的，在計算時可以將其用簡諧波的形式來定量表達，見圖5。分別為水平地震力和豎向地震力圖5 簡諧波形式的地震力Fig.5 Seismic force in simple harmonic wave對于簡單土坡，地震前一般條件下如圖6，土體內(nèi)某單元的受力條件為：第1主應(yīng)力為，第3主應(yīng)力為（g為土體容重、h為土體單元埋深；k0為土體側(cè)向壓力系數(shù)）。此時的應(yīng)力莫爾圓為圖7中的實線圓。地震時，該土體單元在t2時刻水平地震力作用下的受力條件為，見圖7中的虛線圓。從圖7可以看出，水平地震力使土體的應(yīng)力狀態(tài)更接近破壞強度線。在靠近路基邊坡頂部，由于較小，當?shù)卣饛娏視r，有可能在坡頂部位出現(xiàn)拉應(yīng)力。這便是地震時路基邊坡首先在坡面和坡頂處出現(xiàn)開裂破壞的原因。于玉貞等4通過離心模型試驗研究砂土邊坡地震動力響應(yīng)，得出與本文分析相同的結(jié)果：地震輸入作用下，邊坡的動力響應(yīng)自下而上逐漸放大；邊坡上部響應(yīng)大于底部，靠近邊坡斜面的響應(yīng)大于內(nèi)部。圖6 土體內(nèi)某單元的應(yīng)力狀態(tài)Fig.6 Stress state of a soil element圖7 水平地震力對土體單元應(yīng)力狀態(tài)的影響Fig.7 Effect on stress state of soil element from horizontal seismic force 2.3 豎向地震力對土體應(yīng)力條件的影響豎向地震力由地震波中的縱波引起，是客觀存在的，其破壞力是驚人的。錢培風5早在1979年便開始對豎向地震力的破壞性展開調(diào)查，多年的研究表明，地震時既有水平方向的地面運動加速度，也有豎直方向的地面運動加速度，豎向加速度一般可達到水平加速度的30%60%，有時甚至會超過水平方向的運動。陳念英等6對水平地震力的破壞性進行了大量的調(diào)查和分析，并建議成立豎向地震力研究專題，將豎向地震力寫入規(guī)范。根據(jù)前述水平地震力對土體單元受力狀態(tài)影響的分析，豎向地震力也存在相同的作用。豎向地震力隨時間的變化也可以表示為圖1所示的簡諧波形式。地震前某土體單元的應(yīng)力狀態(tài)如圖4中的實線圓：，。地震時，t1時刻豎向地震力作用下的受力條件為，見圖8中的虛線圓。第1主應(yīng)力的增大同樣會引起土體單元瀕臨破壞狀態(tài)（更接近實線表示的強度線）。t2時刻，與重力反向，該條件下土體單元的抗剪強度為，如圖8中的虛直線所示?？梢妕2時刻的豎向地震力同樣導(dǎo)致了土體強度的降低，造成土坡的失穩(wěn)破壞。因此，在地震邊坡穩(wěn)定性分析時應(yīng)充分考慮豎向地震力的影響。圖8 豎向地震力對土體單元應(yīng)力狀態(tài)的影響Fig.8 Effects of vertical seismic force on stress state of soil elements2.4 地震次生災(zāi)害的影響地震引起滑坡、崩塌、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，這些次生震害會破壞公路路基的穩(wěn)定性，引起路基路面的破損，影響公路的正常運營?；潞捅浪斐删植柯范温坊w式失穩(wěn)破壞，其破壞特點是影響范圍小，破壞性強，不易修復(fù)。3 路基震害的防治措施平原地區(qū)道路在選線上應(yīng)注意濕陷性黃土、軟土、膨脹土等的影響，還要在填料選擇、壓實質(zhì)量和防排水方面采取措施。平原地區(qū)道路震害的一個主要影響因素是地下水。地下水產(chǎn)降低了巖土體的抗剪強度，使高陡路塹邊坡變形失穩(wěn)加速。因此，道路設(shè)計中必須考慮地下水對路堤穩(wěn)定性的影響。1）盡量避免在地勢低洼地帶、沿河或水渠修筑路基，不得已時，也應(yīng)盡量遠離河岸、水渠。2）在軟弱地基上修筑路基時，要注意鑒別地基中可液化砂土、易觸變黏土的埋藏范圍與厚度，并采取相應(yīng)的加固措施。同時，還要加強路基排水，避免路側(cè)積水。3）嚴格控制路基壓實質(zhì)量，特別是高路堤的分層壓實以及構(gòu)造物臺后路堤段的填土。盡量使路肩與行車道部分具有相同的密實度。4）舊路加寬時，應(yīng)在老路基邊坡上開挖臺階，并注意對新填土的壓實。5）盡量采用黏性土做填筑路堤的材料，避免使用低塑性的粉土或砂土。4 結(jié) 論本文以平原區(qū)公路路基的震害特點、破壞機理和防治為研究對象，得到以下結(jié)論。1）根據(jù)地震破壞特點，平原地區(qū)公路路基的常見震害類型有：路基沉陷、地基液化、地裂縫以及路基路塹邊坡失穩(wěn)。2）地震作用引起超凈孔隙水壓力上升，造成土體強度降低是路基震害的內(nèi)在因素；水平地震力造成坡面、坡頂首先出現(xiàn)破壞；豎向地震力的破壞作用不用忽視。3）平原區(qū)公路建設(shè)應(yīng)在道路選線、填料選擇、施工質(zhì)量等方面加強震災(zāi)的防治措施。References(參考文獻):1 HOU Chaoqun(侯超群), WANG Xiaomou(王曉謀), SHI Hengjun(石恒俊). 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Therefore, it is of important engineering significance to study the mechanism of damages along roadbed occurred in earthquake and to put forward the countermeasures for highway construction in plain country. Based on historical data and field investigation, Earthquake damages along roadbed in plain country are sorted. Some common types of earthquake damage along roadbed in plain country are ground collapse, seismic liquidation, ground fracture and destabilization of side slope. Applying principle of effective stress and Coulomb theory of strength, mechanism of Earthquake damages is studied. Through the investigation and analyses, some conclusions can be got: 1) Earthquake induces increasing of excess hydrostatic pressure, which could reduce the effective stress in soil and weak the strength of soil; 2) Horizontal earthquake force is the major factor of Earthquake damage, which leads to destroys of embankment and road in side