汶川地震近場區(qū)近20km路基擋墻震害調(diào)查分析

汶川地震近場區(qū)近20km路基擋墻震害調(diào)查分析

破壞性地震發(fā)生后，根據(jù)建筑物和構(gòu)筑物的破壞特征修改規(guī)范，是修訂振動(dòng)規(guī)范的一般方法。汶川地震強(qiáng)震區(qū)路基工程的震害資料,為研究近場區(qū)地震動(dòng)工程特性提供了罕有的條件。利用汶川地震的大批近場實(shí)震資料,促進(jìn)鐵路、公路抗震設(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。汶川地震后,對強(qiáng)震區(qū)公路的現(xiàn)場考察,主要包括國道213線紫坪鋪—汶川段三級公路、都江堰—映秀高速公路、映秀—汶川二級公路,此外還包括213線水磨支線、映秀鎮(zhèn)城區(qū)道路、紫坪鋪水利樞紐重載公路等。本文統(tǒng)計(jì)路段為213國道紫坪鋪水利庫區(qū)淹沒段改建工程。路線起于映秀中學(xué),止于都江堰馬鞍石隧道西端洞口,全長30.6km,為2005年竣工的三級公路(山嶺重丘區(qū)),抗震設(shè)計(jì)按場地基本烈度Ⅶ度考慮。該路段為山腰線方案,地面橫坡坡度陡、深挖和高填較多,考慮是重要旅游公路,采用了較高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),新型支擋工程多、工點(diǎn)密集。調(diào)查路段位于汶川地震Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ度3個(gè)地震烈度區(qū),斷層距均小于10km。調(diào)查區(qū)示意如圖1。調(diào)查工作內(nèi)容有對震區(qū)路基工程震前相關(guān)資料的收集,包括汶川震區(qū)1∶5萬地形圖、國道213沿線1∶2000地形圖、線路平縱面設(shè)計(jì)圖、路基工程橫斷面設(shè)計(jì)圖及竣工圖、地勘資料、震前工程照片等;震害調(diào)查,包括成災(zāi)模式的判別、變形測量以及震害成因分析等;以及關(guān)于震后搶通保通階段工程措施的測量和記錄等。目前,國際上公認(rèn)的抗震設(shè)防原則是“小震不壞”“中震可修”“大震不倒”,根據(jù)三級抗震設(shè)防原則,定義三級地震水平,這是國內(nèi)外規(guī)范理念發(fā)展的總趨勢。為了與三級抗震設(shè)防原則相對應(yīng),同時(shí)考慮到震害等級的評定也應(yīng)是制定搶修保通方案的基本依據(jù),將震害嚴(yán)重程度劃分為表1所示的5個(gè)等級,作為路基工程震害評定的標(biāo)準(zhǔn)。1高填方擋墻體結(jié)構(gòu)形式及力學(xué)性質(zhì)分析調(diào)查路段路肩墻總計(jì)8508m,材料有漿砌片石、片石混凝土、混凝土,主要為漿砌片石;結(jié)構(gòu)形式有衡重式、仰斜式、重力式,主要為衡重式;墻高在2～15.4m范圍內(nèi)。在高填方地段,地面橫坡較陡的采用樁基托梁衡重式擋墻;橫坡較平緩的采用加筋土擋墻。路塹墻總計(jì)11388.5m,材料有漿砌片石、片石混凝土、混凝土;結(jié)構(gòu)形式有仰斜式、重力式,主要為仰斜式;墻高在2～12m范圍內(nèi)。在力學(xué)上,影響擋墻震害程度的因素主要有地震震級、墻體材料、墻體結(jié)構(gòu)尺寸等;從地震動(dòng)效應(yīng)角度,場地條件、線路走向、局部地形等因素也會(huì)影響擋墻震害?；谶@兩類因素,確定了震害調(diào)查與分析的要點(diǎn)。1.1路塹墻破壞情況地震發(fā)生后,對于受災(zāi)嚴(yán)重的重要交通干線一般會(huì)經(jīng)歷搶通、保通以及災(zāi)后恢復(fù)重建3個(gè)階段。震害調(diào)查主要集中在前2個(gè)時(shí)段。在搶通階段,對倒塌的路肩墻,在原位填方搶筑或采用臨時(shí)便道繞道通行;倒塌的路塹墻清方并在原位用混凝土重新澆注。根據(jù)《震害等級評判標(biāo)準(zhǔn)》,筆者將由于擋墻震害引起斷道的擋墻判定為毀壞。在保通階段,變形過大或局部破壞的路肩墻,主要采用框架錨桿(索)橫向加固,也有采用鋼管樁、錨索樁、抗滑樁加固的。根據(jù)震后立即開展的震害調(diào)查記錄,同時(shí)參考震后保通階段修建的工程措施,判定了嚴(yán)重?fù)p害的路肩墻工點(diǎn)。路肩、路塹墻震害統(tǒng)計(jì)如表2。地震烈度是影響擋墻震害程度的重要因素,隨著地震烈度的增加,震害程度顯著增大,但Ⅸ、Ⅹ度地震區(qū)擋墻毀壞率仍低于5%,嚴(yán)重?fù)p害率遠(yuǎn)高于毀壞率;在Ⅺ度極震區(qū),毀壞率與嚴(yán)重?fù)p害率之和已接近100%。1.2漿砌片石擋墻震害機(jī)理及表現(xiàn)調(diào)查路段擋墻材料主要有混凝土、片石混凝土、漿砌片石,在震害程度上,依次加重。擋墻的毀壞有3種情況:整體性失穩(wěn)破壞、墻體材料解體破壞(圖2)以及由前二者共同作用造成的破壞。后2種毀壞情況一般僅發(fā)生在漿砌片石擋墻中,因而漿砌片石擋墻震害最為嚴(yán)重。在毀壞和嚴(yán)重?fù)p害的擋墻中,漿砌片石擋墻分別占82%和87%,可見擋墻材料也是影響震害程度的重要因素。1.3路塹墻整體間擋墻對比為了考察擋墻毀壞率與墻高的關(guān)系,將路塹墻劃分為2～3.9,4～5.9,6～7.9,8～9.9,10～11.9m5個(gè)高度段,各高度段長度依次為2921.5,4724,2512,557.5,672.5m,各高度段路塹墻在不同地震烈度區(qū)均勻分布。按長度統(tǒng)計(jì)各高度段內(nèi)擋墻的毀壞情況,如圖3。毀壞率隨著擋墻高度的增加而增加。2～3.9m墻高的路塹墻沒有毀壞,從4～9.9m,擋墻的毀壞率隨墻高增加相對平穩(wěn),當(dāng)擋墻高度達(dá)到10m時(shí),毀壞率有一個(gè)明顯的拐點(diǎn),毀壞率突然數(shù)倍增大。1.4ew、ns擋墻工點(diǎn)分析近斷層地震動(dòng)(通常斷層距小于20km)具有不同于普通地震動(dòng)的顯著特征,如近斷層地震動(dòng)存在方向性效應(yīng),即兩水平方向地震動(dòng)峰值加速度有差異。這樣導(dǎo)致強(qiáng)震引起的破壞作用具有一定的優(yōu)勢方向,如線路走向垂直于地震動(dòng)大的方向時(shí),該地段的擋墻震害應(yīng)更嚴(yán)重。汶川地震記錄到的主震記錄中,距調(diào)查路段最近的是汶川臥龍臺,其EW、NS方向的峰值加速度分別為957.8g、658.1g,EW方向占優(yōu)勢。表3用ES-WN和EN-WS兩走向,將路段內(nèi)擋墻工點(diǎn)分為EW、NS兩組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較。垂直地震動(dòng)優(yōu)勢方向的NS方向擋墻震害嚴(yán)重,毀壞率是EW方向的1.76倍,這比臥龍臺兩方向峰值加速度之比大。近斷層地震波高頻成分多,路基擋墻等短周期結(jié)構(gòu)對加速度敏感,當(dāng)近斷層地震動(dòng)加速度有方向時(shí),路基工程會(huì)表現(xiàn)出方向性效應(yīng)。2地基基礎(chǔ)類型路塹墻的整體變形模式有傾斜和滑移,變形大小與地震震級、擋墻材料、墻高、局部地形等因素有關(guān),但變形模式與地基基礎(chǔ)關(guān)系最為密切。調(diào)查路段路塹墻地基基礎(chǔ)主要是砂巖地基,也有一部分位于老滑坡體、沖洪積物、崩坡積體處的挖方路段擋墻地基基礎(chǔ)為土基?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)這兩類基礎(chǔ)在毀壞和變形模式上均有較大區(qū)別,故對巖基和土基分別討論如下。2.1擋墻體的傾斜調(diào)查巖基路塹墻工點(diǎn)中相當(dāng)一批都產(chǎn)生了傾斜變形,形成沿變形縫的錯(cuò)位(圖4),傾斜幅度在3～30cm之間,傾斜量與擋墻的斷層距和擋墻材料有關(guān)。傾斜量隨斷層距的增大而減小;同一場地,漿砌片石擋墻變形量一般大于混凝土擋墻。2.2土基路塹墻的整體疊置結(jié)構(gòu)土基路塹墻的變形模式除了傾斜變形外,還有整體滑移變形(圖5),甚至有擋墻下部向外滑移,而上部位移不明顯的變形模式。其中,75%的土基路塹墻發(fā)生整體推移變形,大于傾斜變形的工點(diǎn)。推移變形量在4～80cm之間,其值隨斷層距的增大而減小,與擋墻材料無關(guān)。變形模式的發(fā)展也決定了破壞方式。巖基路塹墻中出現(xiàn)了漿砌片石墻體只在上部崩解,而下部基本完好的破壞現(xiàn)象(圖6)。土基路塹墻中也出現(xiàn)了漿砌片石墻體只在下部崩解破壞,而上部還能殘留部分完整墻體的現(xiàn)象(圖2)。3關(guān)于路塹墻最大變形點(diǎn)與地板壓力的聯(lián)合作用點(diǎn)的高度3.1擋墻最大變形點(diǎn)相對位置的測量與分析在“5.12”汶川地震中,一批路塹墻沿墻高出現(xiàn)了不均勻變形,一般發(fā)生在擋墻中部。主要形式有墻體鼓出變形、中部水平剪斷或水平開裂(圖7)。其中混凝土擋墻以水平剪斷和水平開裂為主;漿砌片石擋墻以墻體凸出和水平開裂為主。擋墻土壓力作用點(diǎn)是為簡化計(jì)算將墻后分布土壓力簡化為一個(gè)集中力,理論上導(dǎo)出的一個(gè)合力作用點(diǎn)。由于土壓力作用點(diǎn)與最大變形點(diǎn)在物理概念上有內(nèi)在聯(lián)系,可認(rèn)為實(shí)震作用下?lián)鯄Φ淖畲笞冃吸c(diǎn)在一定程度上反映了地震土壓力的分布和土壓力作用點(diǎn)的部位。排除墻體本身的薄弱環(huán)節(jié)變形(如施工縫、排水孔等),對擋墻最大變形點(diǎn)的高度進(jìn)行現(xiàn)場測量,同時(shí)校核竣工圖,確定擋墻總高度,從而獲得墻體最大變形點(diǎn)相對墻高的位置。36個(gè)調(diào)查工點(diǎn)中,土基擋墻有17個(gè),巖基為19個(gè),工點(diǎn)的最小地震峰值加速度為0.634g(各工點(diǎn)汶川地震加速度峰值,根據(jù)汶川地震烈度圖,用加速度衰減模型進(jìn)行修正后確定)。擋墻最大變形點(diǎn)主要分布在墻高的35%～65%之間,平均為50%,豎向最大變形點(diǎn)部位與地基基礎(chǔ)、墻高及地震峰值加速度均有關(guān)系。巖基擋墻最大變形點(diǎn)位置比土基偏高,巖基擋墻最大變形點(diǎn)主要分布在墻高的45%～65%之間;土基擋墻主要分布在墻高的35%～55%之間。圖8為不同高度段擋墻最大變形點(diǎn)相對位置平均值的變化趨勢。由圖8可見,隨著墻高的增加,最大變形點(diǎn)相對位置降低,但最大變形點(diǎn)距墻底的絕對距離仍在增大。地震峰值加速度與最大變形點(diǎn)的分布如圖9。從圖9中可以看出,巖基擋墻最大變形點(diǎn)相對位置隨地震峰值加速度的增加有相對明顯的趨勢,而土基擋墻最大變形點(diǎn)相對位置與峰值加速度點(diǎn)據(jù)分布散亂。3.2墻后填土作用為了解釋上述現(xiàn)象,筆者對巖基擋墻進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。數(shù)值模擬采用基于彈-塑性理論的巖土專業(yè)分析軟件。計(jì)算模型(圖10)分為3部分:擋墻、墻后填土和基巖。擋墻與填土、擋墻與基巖之間分別設(shè)置了接觸面,模擬擋墻與墻后填土的相互作用;墻后填土運(yùn)用摩爾-庫侖彈塑性模型計(jì)算,這種模型的破壞包絡(luò)線對應(yīng)于摩爾-庫侖判據(jù)(剪切屈服函數(shù))加上拉伸分離點(diǎn)(拉應(yīng)力屈服函數(shù)),與拉應(yīng)力法則相關(guān)聯(lián)而與剪切流動(dòng)不相關(guān)聯(lián),能夠很好的反映土的特性;墻體和基巖采用各向同性彈性模型。計(jì)算參數(shù)見表4。用上述模型計(jì)算了5種墻高(4,8,12,16,20m)的擋墻分別在5種不同量級(0.1g,0.2g,0.4g,0.6g,0.8g)的汶川地震波作用下的動(dòng)力響應(yīng)。對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和處理,得到墻背在地震作用下所受的土壓力分布圖示,通過對該圖進(jìn)行面積積分得到地震土壓力的作用點(diǎn)位置,除以墻高得到其作用點(diǎn)的相對位置。不同墻高地震土壓力相對作用點(diǎn)隨地震峰值加速度變化趨勢見圖11。4注重墻身抗剪強(qiáng)度檢算按長度統(tǒng)計(jì),路肩墻在Ⅸ、Ⅹ度區(qū)的毀壞率分別為0.75%、4.19%;路塹墻的毀壞率分別為1.09%、3.07%;毀壞比率均小于在可靠性設(shè)計(jì)中常采用的5%的控制指標(biāo)。毀壞擋墻工點(diǎn),多為沿構(gòu)造縫(10～15m設(shè)構(gòu)造縫),在1～2條構(gòu)造縫間的長度毀壞,未發(fā)現(xiàn)大段擋墻整體破壞現(xiàn)象。即在Ⅸ度地震烈度區(qū),毀壞的擋墻只有零星分布,在Ⅹ度區(qū)也是局部現(xiàn)象;這與調(diào)查路段兩側(cè)房屋大范圍倒毀現(xiàn)象形成鮮明對比。表明:常用的重力式、衡重式擋墻具有很好的抗震性能,在高烈度地震區(qū)線路工程選型時(shí),應(yīng)該是優(yōu)選的工程類型。影響擋墻震害程度的因素中,最重要因素是地震烈度和擋墻材料;擋墻高度、線路走向也對擋墻震害程度有一定影響。據(jù)此對個(gè)體工程抗震設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)提出以下建議:1)高地震烈度區(qū)需重視墻身截面抗剪強(qiáng)度檢算。對鐵路正線及高等級公路,盡量采用整體性好的材料。一般工況下重力式擋土墻設(shè)計(jì)時(shí),通常認(rèn)為墻身截面尺寸受整體穩(wěn)定控制(抗滑移、抗傾覆、地基承載力),墻體內(nèi)部安全度大于整體穩(wěn)定安全度,因而擋土墻設(shè)計(jì)中一般不進(jìn)行墻身抗剪強(qiáng)度檢算。震害調(diào)查表明,有部分擋土墻在地震工況下未出現(xiàn)整體變形跡象,僅因材料解體就造成毀壞的工點(diǎn)(圖2)。故抗震設(shè)計(jì)需要重視對墻身截面抗剪強(qiáng)度的檢算。漿砌片石、漿砌條石擋墻存在砂漿層抗剪薄弱面,高烈度地震區(qū)的鐵路正線和高等級公路工程不宜采用。2)高烈度地震區(qū)慎用高墻?，F(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范將擋土墻的高度以12m為界,劃分為高墻和低墻。低墻不考慮水平地震作用沿高度的增大;高墻取墻頂水平加速度為地面的2倍,沿墻高直線分布。但高墻低墻劃分的依據(jù)僅是四川省建筑科學(xué)研究院1980年作的6m高振動(dòng)臺模擬地震試驗(yàn)。圖3中,擋墻高度達(dá)到10m時(shí),毀壞率有一個(gè)明顯的突變。此外,根據(jù)用Ansys對擋墻基本周期的數(shù)值模擬分析,10m高仰斜式標(biāo)準(zhǔn)擋墻頻率為9.029Hz,已很接近地震近場區(qū)的卓越周期,因此建議在高烈度地震區(qū)修建高墻要慎重。3)巖基擋墻抗震設(shè)計(jì)需重視抗傾覆穩(wěn)定性檢算,土基擋墻可考慮合理滑移變形量。一般工況下重力式擋土墻設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性驗(yàn)算,是由抗滑穩(wěn)定性起控制作用,即在抗滑穩(wěn)定性能通過時(shí),抗傾覆穩(wěn)定性也能通過。而震害調(diào)查發(fā)現(xiàn),影響巖基擋墻穩(wěn)定性的主要是傾覆問題、而影響土基擋墻穩(wěn)定性的既有傾覆又有整體滑移問題。地震工況下,抗滑穩(wěn)定性能通過時(shí),抗傾覆穩(wěn)定性不一定能通過。因此在抗震設(shè)計(jì)時(shí),巖基擋墻需重視抗傾覆穩(wěn)定性性檢驗(yàn)。土基擋墻滑移變形會(huì)耗散地震能量,所以出現(xiàn)滑移量達(dá)80cm時(shí)擋墻本體仍未毀壞的現(xiàn)象。因此對需嚴(yán)格控制變形的工點(diǎn),應(yīng)重視抗滑動(dòng)穩(wěn)定性檢算;一般情況,則可在罕遇地震時(shí)考慮允許一定的滑移變形量,作為一種耗能減震措施。4)在大于0.4g高地震烈度區(qū),擋墻土壓力作用點(diǎn)位置宜適當(dāng)提高。在0.4g以下地區(qū),我國現(xiàn)行規(guī)范對地震作用下剛性擋土墻墻背的土壓力用庫侖理論按M-O公式計(jì)算,其合力作用點(diǎn)位于1/3墻高處,這與其它國家規(guī)范比相對較