平原地区公路路基震害类型及机理分析最终修改稿

1、文章编号：1009-6094(2010)01-0000-00平原地区公路路基震害类型及机理分析* 收稿日期：20090205 作者简介：侯超群，讲师，从事道路工程、岩土工程研究，。侯超群1,2，王晓谋1，周志军1，李海滨1（1 长安大学公路学院，西安 710064；2 合肥工业大学资环学院，合肥 230009）摘要：根据资料分析和现场调查，对平原区公路路基常见震害进行分类。结合库仑强度理论和有效应力原理分析平原区公路路基震害机理。研究表明：地震作用引起土体中超静孔隙水压力上升、有效应力降低，从而弱化了土体的强度；水平地震力是诱发路堤、边坡破坏的因素；同水平地震力相似，竖向地震力同样会造成土体强

2、度的削弱。最后，针对平原区公路路基震害的特点和机理，在平原区道路的选线、施工、质量控制等方面给出防治措施。关键词：道路工程；震害；水平地震力；竖向地震力；地基液化中图分类号：U416.1文献标识码：Adoi:0 引言2008年5月12日发生的汶川大地震（8.1级）给人民的生命财产造成巨大损失。汶川地震中，公路遭到严重破坏，极大的影响了救援工作的开展，增加了救援难度。我国是一个地震活动频繁、强度大、震源浅、分布广的震灾严重国家，据国家防震减灾规划（20062020年），中国50%的国土面积位于度以上的地震烈度区域。因此，研究公路整体的抗震稳定性、确保公路的正常运行尤显重要。本文以平原地区道路路基

3、（路堑）的地震稳定性为研究对象，通过对公路路基（路堑）震害的调查与分析，探索平原区道路震害的机理，进一步提出震害的防治措施。1 常见的公路路基震害平原地区由于地下水埋藏浅、土质松软，地震时容易引发地基土液化、震陷等灾害。地震造成道路变形，引起路面开裂、路线扭曲、路基沉陷。严重时地震能使局部地形改变，产生或隆起或沉降，使道路坼裂、铁轨扭曲、桥梁折断1。平原地区公路以路基为主，桥梁隧道所占比例小。因此，地震时平原地区的路基病害较为严重。平原地区地震时常见的路基病害有以下几种。1）地基震陷。地基在地震作用下产生的附加变形称为震陷。震陷多发生在软土地基和黄土地基中。软土路基受震动荷载后，易产生侧向滑动

4、、沉陷、不均匀沉降及基底向两侧挤出的现象，不利于路基的稳定2。于洪治等3通过静力软化试验和动三轴震陷试验研究了软土的震陷特性，并指出震陷包括软化变形和惯性变形两部分，饱和软黏土随孔隙水压力的增长而逐渐软化。黄土地区也会出现震陷，但其产生的原因不同于软土地基。黄土的微结构以支架大孔胶结结构为主，具有结构性强、空隙大的特点。地震时，在地震惯性力作用下原先黄土颗粒间的胶结力遭到破坏，骨架脱离约束而重新排列，这便形成震陷。图1为2005年11月26日江西瑞昌地震中某农场的一条小路产生的震陷变形。图1 震陷变形Fig.1Seismic distortion2）地基液化、喷砂、冒水。在强烈地震作用下，若地

5、基土为饱和欠密实砂土、粉土等无黏性土，就会表现出类似液体特性的现象，称为液化灾害现象。其主要原因是地震力作用引起地基土体内孔隙水压力增加，依据有效应力原理，当孔隙水压力增大到一定程度时，土体强度丧失、呈液体状态。地基土液化常常造成路基失稳，路面开裂等病害。若地裂缝切过地下含水层，地下水受到挤压，则会沿着裂缝夹带着泥砂涌出地表，形成喷砂、冒水现象。3）地裂缝。地震会造成地层断裂，并反射到地表，以地裂缝形式出现。地裂缝会导致路基和路面的开裂，形成纵向或横向裂缝；严重时会造成路基的失稳破坏。2005年10月8日在巴基斯坦北部地区发生7.8级地震，图3为该次地震造成的路面横向开裂。4）路堤、路堑边坡的

6、失稳滑塌。平原地区公路虽然高填方、深路堑的路段较少，但地震同样会造成路堤、路堑边坡造成破坏。在没有侧向限制的条件下，地震波中的剪切波是产生这种破坏的直接原因。由于临空面一侧土体强度低，加之地震惯性力的影响，在剪切波到来时，首先在临空路堤、路堑边坡发生破坏。地震时，非但路基的变形、失稳会引起路面的破坏，路面自身在地震中也会出现翘曲、断裂等破坏。由于路面（特别是刚性路面）刚度大，协调变形能力差，因此，地震造成的地面运动引发公路面层的开裂、隆起等。图2 地基震陷、冒水Fig.2Ground collapse and water burst图3 地裂缝引起的横向裂缝Fig.3Cross fractur

7、e caused byground fissure图4 路堤边坡失稳破坏Fig.4Side destruction in roadbed2平原区公路路基震害机理分析2.1 地震对土体强度的影响土坝、路堤等填方边坡以及天然边坡等的稳定性问题，其实质是土体的强度问题。岩土工程中，土体强度指的是土体的抗剪强度。对于饱和状态土，由于土中的水不能提供抗剪力，所以根据库伦强度理论及有效应力原理，由下式来确定土体的抗剪强度。 （1）从式（1）可以看出，影响土体强度的因素是有效应力、黏聚力和内摩擦角。其中（为土中总应力）。地震的作用引起土体内部孔隙水压力上升，即超静孔隙水压力。一般地震历时几秒至十几秒，如此短

8、的时间内，地震产生水压力来不及消散，便降低了土体中的有效应力；同时，土体含水量的增大还会削弱黏聚力和内摩擦角。以上便是地震造成土体抗剪强度降低的原因。2.2 水平地震力对土体应力条件的影响已有研究表明，地震力是比较复杂的，在计算时可以将其用简谐波的形式来定量表达，见图5。分别为水平地震力和竖向地震力图5 简谐波形式的地震力Fig.5Seismic force in simple harmonic wave对于简单土坡，地震前一般条件下如图6，土体内某单元的受力条件为：第1主应力为，第3主应力为（g为土体容重、h为土体单元埋深；k0为土体侧向压力系数）。此时的应力莫尔圆为图7中的实线圆。地震时，

9、该土体单元在t2时刻水平地震力作用下的受力条件为，见图7中的虚线圆。从图7可以看出，水平地震力使土体的应力状态更接近破坏强度线。在靠近路基边坡顶部，由于较小，当地震强烈时，有可能在坡顶部位出现拉应力。这便是地震时路基边坡首先在坡面和坡顶处出现开裂破坏的原因。于玉贞等4通过离心模型试验研究砂土边坡地震动力响应，得出与本文分析相同的结果：地震输入作用下，边坡的动力响应自下而上逐渐放大；边坡上部响应大于底部，靠近边坡斜面的响应大于内部。图6 土体内某单元的应力状态Fig.6Stress state of a soil element图7 水平地震力对土体单元应力状态的影响Fig.7Effecton

10、stress state of soil elementfromhorizontal seismic force 2.3 竖向地震力对土体应力条件的影响竖向地震力由地震波中的纵波引起，是客观存在的，其破坏力是惊人的。钱培风5早在1979年便开始对竖向地震力的破坏性展开调查，多年的研究表明，地震时既有水平方向的地面运动加速度，也有竖直方向的地面运动加速度，竖向加速度一般可达到水平加速度的30%60%，有时甚至会超过水平方向的运动。陈念英等6对水平地震力的破坏性进行了大量的调查和分析，并建议成立竖向地震力研究专题，将竖向地震力写入规范。根据前述水平地震力对土体单元受力状态影响的分析，竖向地震力也存

11、在相同的作用。竖向地震力随时间的变化也可以表示为图1所示的简谐波形式。地震前某土体单元的应力状态如图4中的实线圆：，。地震时，t1时刻竖向地震力作用下的受力条件为，见图8中的虚线圆。第1主应力的增大同样会引起土体单元濒临破坏状态（更接近实线表示的强度线）。t2时刻，与重力反向，该条件下土体单元的抗剪强度为，如图8中的虚直线所示。可见t2时刻的竖向地震力同样导致了土体强度的降低，造成土坡的失稳破坏。因此，在地震边坡稳定性分析时应充分考虑竖向地震力的影响。图8 竖向地震力对土体单元应力状态的影响Fig.8Effects ofvertical seismic force on stress stat

12、e of soil elements2.4 地震次生灾害的影响地震引起滑坡、崩塌、泥石流等次生地质灾害，这些次生震害会破坏公路路基的稳定性，引起路基路面的破损，影响公路的正常运营。滑坡和崩塌造成局部路段路基整体式失稳破坏，其破坏特点是影响范围小，破坏性强，不易修复。3路基震害的防治措施平原地区道路在选线上应注意湿陷性黄土、软土、膨胀土等的影响，还要在填料选择、压实质量和防排水方面采取措施。平原地区道路震害的一个主要影响因素是地下水。地下水产降低了岩土体的抗剪强度，使高陡路堑边坡变形失稳加速。因此，道路设计中必须考虑地下水对路堤稳定性的影响。1）尽量避免在地势低洼地带、沿河或水渠修筑路基，不得已

13、时，也应尽量远离河岸、水渠。2）在软弱地基上修筑路基时，要注意鉴别地基中可液化砂土、易触变黏土的埋藏范围与厚度，并采取相应的加固措施。同时，还要加强路基排水，避免路侧积水。3）严格控制路基压实质量，特别是高路堤的分层压实以及构造物台后路堤段的填土。尽量使路肩与行车道部分具有相同的密实度。4）旧路加宽时，应在老路基边坡上开挖台阶，并注意对新填土的压实。5）尽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结论本文以平原区公路路基的震害特点、破坏机理和防治为研究对象，得到以下结论。1）根据地震破坏特点，平原地区公路路基的常见震害类型有：路基沉陷、地基液化、地裂缝以及路基路堑边坡失稳。2

14、）地震作用引起超净孔隙水压力上升，造成土体强度降低是路基震害的内在因素；水平地震力造成坡面、坡顶首先出现破坏；竖向地震力的破坏作用不用忽视。3）平原区公路建设应在道路选线、填料选择、施工质量等方面加强震灾的防治措施。References(参考文献):1HOU Chaoqun(侯超群), WANG Xiaomou(王晓谋), SHI Hengjun(石恒俊). Research onearthquake hazards along roadway and countermeasuresJSubgrade Engineering(路基工程),2008(5): 193195.2LIU Ruming(

15、刘汝明).Environmental geological hazards along Yunnan highway and engineering countermeasuresJ.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control(中国地质灾害与防治学报), 2002, 13(1):57603YU Hongzhi(于洪治), HE Guangna(何广讷), YANG Bin(杨斌). Experimental investigation of soil seismic deformation propertyJ. Journal of

16、 Dalian University of Technology(大连理工大学学报). 1996, 36(1): 7682.4YU Yuzhen(于玉贞), DENG Lijun(邓丽军), LI Rongjian(李荣建).Centrifuge model test of the seismic response behavior of a sand slopeJ. Journal of Tsinghua University: Sci & Tech(清华大学学报：自然科学报), 2007, 47(6): 7897925 QIAN Peifeng(钱培风). Vertical seismic

17、 load and earthquake resistant block building(竖向地震力和砌块抗震研究)M. Beijing: China Land Press, 1997:5126CHEN Nianying(陈念英), ZENG Dundi(曾敦弟). Vertical seismic load and its hazardsJ. Journal of Chengdu University: Natural Science(成都大学学报：自然科学版), 1998, 17(2): 4750.Classification of earthquake damage along roa

18、dbed in plain country and analyses of its mechanismHOU Chao-qun, WANG Xiao-mou, ZHOU Zhi-jun, LI Hai-bin(School of Highway, Changan University,Xian 710064, China)Abstract:China is an earthquake-prone country.Earthquake brings great loss of life and property, for example, the Ms8.0 Wenchuan Earthquak

19、e which happened on May 12, 2008 inSichuanprovince of China. As an important lifeline engineering, highway transportation system is destroyed severely in this deadly disaster. The earthquake destroys side slope, roadbed, and pavement of highroad, impacts normal operating system of transportation in

20、the disaster region, and increases the difficulty of post-disaster rescue work. 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 his

21、torical 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 stres

22、s 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 weakthe strengthof soil;2) Horizontal earthquake force is the major factor of Earthquake damage, which leads to destroys of embankme