地震作用下公路边坡结构抗震性能分析—以西南地区为例-中国期刊网

地震作用下公路边坡结构抗震性能分析—以西南地区为例

李松

云南第二公路桥梁工程有限公司昆明 650000

摘要：本文在前期调研的基础上搜集了不同类型边坡治理工程的应用范围，然后通过对挡土墙、抗滑桩和预应力锚索这几类典型边坡工程措施进行分类评价，并将相同地震作用下不同公路边坡工程措施抗震性能进行归纳分析，总结了抗滑桩、预应力锚索框架以及挡土墙类等边坡防护工程的抗震性能，对今后在地震频发区的公路边坡治理工程具有借鉴意义。关键词：公路边坡；工程措施；抗滑桩；锚索；地震

1 前言西部地区特别是四川、云南、西藏等省是我国强震和大震比较集中的区域，对地震灾害的防御是保障西部交通安全的关键环节。发生在山区的地震对边坡工程所造成的危害，在致灾机制和破坏形式方面具有鲜明的特征，因此，对于地震作用下公路边坡工程措施破坏模式的总结归纳非常重要。谢和平等 [1]在基于龙门山地质条件与断裂构造格局的基础上，对汶川地震震后重建工作提出一些建议，对于地震诱发地质灾害，以滑坡、崩塌为主，山区岸坡的崩塌、滑坡极易堵塞河流，形成滑坡坝和堰塞湖，公路边坡工程中崩塌、滑坡出现部位往往没有支护，或仅有简单的支护 (如防护网、喷层、低矮挡墙等 )。锚索支护、锚索格构支护、锚喷支护和抗滑桩的整体表现良好；周建培等 [2]以汶川大地震震后灾害调查为背景，以路堑边坡、路堤边坡、桥隧相连边坡分类进行分析和总结，得出一些有益的结论，锚索 (杆 )地梁或预应力锚索抗滑桩加固的边坡具有较好的抗震性能，铺设土工格栅或施加加筋材料的路堤边坡工程具有较好的抗震性能，一般填筑路堤特别是高路堤，其抗震性能较差；吉随旺等 [3]基于地震灾区的大量调查、检测、评估与抢通保通的成果，概括介绍了汶川大地震后四川省公路总体损毁情况，针对边坡指出，边坡震害与断层带距离和组成边坡的岩性、坡度等有关，断裂带附近花岗岩、石灰岩及砂岩等组成的高陡边坡崩塌、滑坡等次生地质灾害非常严重；唐胜传等 [4]调查了国道 317线汶川 -理县段边坡地震破坏模式，提出该段破坏类型主要为坡面碎屑流、崩塌落石。何义宏 [5]在紫坪铺水库左岸场内重载公路路肩挡土墙震害调查分析的基础上，分析了挡墙震害机理，提出高烈度地震区岩土工程稳定性分析需考虑局部场地条件的影响、挡土墙墙体材料应改为片石混凝土或混凝土等观点。并对工程的抗震设计及设防标准的修编提出了建议。可见，不同类型的边坡防护措施，抗震性能有所差异，本文将公路边坡不同工程措施在地震中的破坏模式进行总结，对于今后山区公路边坡设计和施工提供有益的参考和借鉴。 2 不同防治工程措施抗震性能评价为适应不同的工程需求，公路边坡工程治理方式多样，按工程措施分类，可概括为支挡、加固、防护三大类。各类工程措施的作用机理、优缺点、适用条件及抗震性能评价见表 1。

表1 常用边坡治理工程类型及抗震性能评价

类型		作用机理	优缺点	适用条件	抗震性能评价
支挡	挡土墙	靠墙底摩阻力和墙前被动土压力平衡边坡破坏力，利用自身重量或部分土体保持墙体不会倾倒	施工简便，取材容易，大多为石料和少量水泥，个别用混凝土代替。需跳槽开挖，施工不当会造成坍塌，抗滑能力有限	边坡病害破坏较浅，破坏力不大的较矮边坡	挡土墙的抗震性能与其砌筑方法紧密相关。干砌砌筑、浆砌片石砌筑、片（卵）石混凝土砌筑抗震性能依次提高。整体来说，挡土墙抗震性能较差
	抗滑桩	为侧向受荷，是将边坡破坏力通过桩身传递到下部锚固段，由锚固段的桩周抗力来平衡，类似于一种悬臂受力结构。	桩位设置灵活，可集中设置在滑体某一部位，可单独使用或与其它结构联合使用，施工安全；施工过程中可验证地质资料。外露式影响环境美观，截面较大。	适用于松散、软弱、地下水丰富而不易产生锚固力或对锚索有腐蚀作用的地层。	抗滑桩作为治理大型滑坡的主要措施，因其整体性好，抗滑力大，具备良好的抗震性能。
	锚索桩	上端类似绞支，下端类似弹性固结的梁式结构，由锚索拉力和桩身抗力抵抗边坡破坏力。	与抗滑桩相比施工较复杂，机械化程度高，工期短，节约材料，成本低。	适用于变形位置在路基面以下较深的路堑边坡或桥隧地段深层滑动，在路基面以上时要与其它措施比较。	与抗滑桩一样具备良好抗震性能。锚索作为主动受力构件，与抗滑桩相比，在地震作用下更易破坏。
锚固	锚杆框架	框架对坡体起框箍作用，锚杆锚于稳定岩体中。靠锚固力提供抗滑力，灌浆对岩体强度有一定加固作用。	结构轻颖，机械化程度高，框架（地梁）内可绿化，但钢筋锚杆的锚固力有限，可采用自上而下的分层施工法，对边坡的扰动小。	适用于多级路堑边坡和自然斜坡的浅层变形的加固，变形体的厚度一般不超过10m。变形破坏力不宜太大。	锚杆锚索框架类工程措施在地震中破坏较少，即便遭受破坏其防护工程并未完全失效，抗震性能较好。但与抗滑桩比较，往往锚索框架结构破坏要先于抗滑桩。
锚固	锚索框架	框架起框箍作用，锚索锚于深层岩体中，提供较大抗滑力，预应力改善了边坡岩体的受力状态。	框架地梁可贴刷方边坡施工，框架内覆土植草，较缓的土质边坡可镶嵌在边坡内。可分层施工，减少扰动。施工机械化程度高	适用于加固变形位置在路基面以上或较浅的路堑边坡或自然边坡的深层变形，可加固具有较大变形破坏力的边坡。
防护	封闭式防护	采用浆砌片石、喷浆（纯水泥浆、水泥砂浆、混凝土），有时采用锚杆挂网喷浆。	这类措施给植物生长做了“绝育术”，且喷浆措施易开裂、剥落，耐久性差。	适用于对环境要求低的工程。	由于封闭防护工程主要功能是防止边坡遭受风化影响，对提高边坡稳定性作用不大，抗震性能差，在强震作用下容易失效导致边坡失稳垮塌。
防护	植物防护	传统的方法有人工撒种草籽、点种、栽培、喷播植草；新技术如三维网植草、客土喷播、六棱砖植草。利用植物根系固地表土，利用植物的枝叶减缓雨水的冲刷作用。	既对边坡起到了防护作用，又美化了环境。技术先进、施工机械化程度越来越高。	对于河岸防护沟蚀比较严重的或有特殊要求的场合适用。	植物防护的作用在于防止坡面水土流失，调节坡体湿度，确保边坡稳定。其抗震性差，边坡抗震性能主要受自身条件和地震动的控制，种草或植树对地震条件下边坡稳定没有明显的差异。

3 不同防治工程措施在地震中的破坏类型

由于公路边坡防护形式多样，对于不同工程措施在地震中的破坏类型，本文重点说明应用最多、最具有代表性的挡土墙、抗滑桩及锚索框架。

3.1 挡土墙在地震中的破坏类型

挡墙震害类型主要包括：垮塌、变形开裂、倾斜、掩埋、砸坏等。将挡土墙的几种破坏模式总结如下表：

表2 墙体破坏分类表

挡土墙震害类型	破坏现象	墙体材料	可能原因	代表性照片
垮塌类	挡墙墙身垮塌，墙后土体滑移或墙后边坡滑塌。	圬工	墙背土压力增加、动力放大效应、墙体鼓胀开裂、砂浆强度不足、反复地剪切弯拉作用、圬工材料疲劳破坏、墙体倾覆。
变形开裂类	横裂缝、竖裂缝、斜向裂缝、鼓胀裂缝	圬工、混凝土	墙背土压力增加、动力放大效应、墙体剪切开裂、弯拉作用开裂、墙体折断、墙体鼓胀开裂
倾斜类	墙顶外倾未垮塌、墙体倾覆垮塌、墙体整体滑移倾覆。	垮塌的为圬工；未垮塌的为混凝土	墙背土压力增加、动力放大效应、地基土力学性质差、圬工材料强度低。
掩埋类	挡墙墙体被碎石或土体全部掩埋。	圬工、混凝土	墙后边坡发生整体滑坡崩塌等震害。	挡墙掩埋典型照片（昭通至彝良公路K5+402~K5+440段）
砸坏类	砸垮墙顶或墙体整体垮塌。	圬工、混凝土	路堑坡岩体破碎、地震动作用。	挡墙砸坏典型照片

综上所述，浆砌块石等圬工挡墙的抗震性能较差，不如混凝土挡墙，通常以垮塌的形式破坏，还有些即使没有垮塌，墙体也有严重的鼓胀裂缝和剪切裂缝，稳定性严重不足，需要补强或重建。混凝土挡土墙在地震中的稳定性能够很好保持，破坏形式多为倾斜、滑移，整体稳定性较好。高挡墙的抗震性能不如矮挡墙好，容易倾斜，放大效应明显。

3.2抗滑桩在地震中的破坏类型

抗滑桩抗震性能良好，地震作用下很少有失稳破坏的案例。因此本文对抗滑桩震害类型的总结，主要是理论分析。

抗滑桩震害类型主要包括：桩体破坏类、变形过大类、土拱效应失效类及越顶。将挡土墙的几种破坏模式总结如下表：

表3 抗滑桩震害破坏分类表

抗滑桩震害类型	破坏现象	发生地层	可能原因
桩体破坏类	抗滑桩剪断或折断	地基锚固条件较好的岩质地段	桩后土压力增加、动力放大效应、桩体强度不足、材料疲劳破坏
变形过大类	抗滑桩推歪或推倒	地基锚固条件不好的土质滑坡地段	桩后土压力增加、动力放大效应、锚固深度不足、桩前土体强度不足
土拱效应失效类	滑体呈塑流状态，从两桩间挤出	边坡表层为松散土体	震动液化效应、表层土体松散或含水量高、桩间距过大
越顶类	变形体局部土体从桩顶剪出滑至桩前	边坡存在多级滑动出口	坡体存在多级滑面、地震作用

综上所述，抗滑桩抗震性能良好，桩体破坏类震害很少发生，变形过大类震害发生后抗滑桩仍具有部分承载能力，对震害的危害有显著限制作用。而土拱效应失效类震害与越顶类更多取决于桩后边坡地质条件与坡体结构。

3.3预应力锚索框架在地震中的破坏类型

锚索框架抗震性能较好，其原因是这些结构已与坡体联接在一起而形成一个整体，在地震波作用下结构与坡体的位移和变形能够很好地协调一致。目前关于地震作用下锚索的破坏机理及锚固力传递模式的研究很少。本小节对预应力锚索框架震害类型的总结，以锚索各构件的破坏来区分，分为锚索破坏类、框架破坏类、边坡地基破坏类。将锚索框架的几种破坏模式总结见表5：

表4 预应力锚索框架破坏分类表

锚索框架震害类型	破坏现象	可能原因
锚索破坏类	锚头承压板压坏或锚索拉断	地震荷载使锚索产生过大拉拔力拉断锚索、地震剪切作用使锚索剪断
框架破坏类	框架梁横裂缝、竖裂缝、斜裂缝、鼓胀裂缝等；框架梁局部或整体垮塌	地震作用使边坡下滑力增大
边坡地基破坏类	滑体呈塑流状态，框架梁整体下滑	震动液化效应、边坡表层土体松散或含水量高

4 结论

从上述分析来看，在地震作用下，抗滑桩抗震性能良好，桩体破坏类震害很少发生，变形过大类震害发生后抗滑桩仍具有部分承载能力，对震害的危害有显著限制作用。预应力锚索框架抗震性能也较好，地震发生时能和周围山体很好的结合成整体，与山体整体移动。而挡土墙类措施，由于大量使用圬工建造，抗剪、抗弯性能本就是其薄弱环节，再经过地震的放大作用，极易失稳破坏；少数混凝土挡土墙在地震中稳定性能够很好保持，破坏形式多为倾斜、滑移，整体稳定性较好。此外，高挡墙的抗震性能不如矮挡墙好，容易倾斜，放大效应明显。

参考文献

[1]谢和平,邓建辉,台佳佳,何昌荣,魏进兵,陈继平,李小余.汶川大地震灾害与灾区重建的岩土工程问题[J].岩石力学与工程学报,2008(09):1781-1791.

[2] 周德培, 张建经, 汤涌. 汶川地震中道路边坡工程震害分析[J].岩石力学与工程学报, 2010, 29(3): 565-576.

[3]吉随旺,唐永建,胡德贵,汪军,陶双江.四川省汶川地震灾区干线公路典型震害特征分析[J].岩石力学与工程学报,2009,28(06):1250-1260.

[4] 唐胜传, 杨伟, 张昌林.国道317线汶川-理县段边坡地震破坏模式研究[J].地下空间与工程学报,2009,4(6): 1036-1040.

[5] 何义宏.紫坪铺水库左岸重载公路挡土墙震害调查分析[J].路基工程, 2009 (3): 192-193.

[6] 罗宏川.5.12汶川地震灾区典型路堑边坡重力式挡墙破坏机理研究[D].西南交通大学, 2011.

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