地震作用下路基工程破坏机理及抗震技术

地震作用下路基工程破坏机理及抗震技术

刘若慨

中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司 云南 昆明  650200

摘要：本文主要针对路基工程的相关内容进行分析，并且探讨了在地震作用下相应的破坏机理和抗震技术，主要包含了路基土体的变形模式以及相关的破坏模式等，除此之外，还对地震序列作用下的沿途损伤情况进行了相应的阐述，本文论述了路基在地震作用下的研究状况，这些问题的实质是由于路堤、路堑边坡岩土受到强烈震动而引起的宏观变形和破坏。

关键词：路基工程；地震作用；破坏机理；抗震技术；分析探讨

引言

路基是道路的主要工程结构物，山区公路桥隧较多，平原地区道路基本为路基形式。路基应为道路提供结构承载能力，抵抗车辆荷载在路基结构内部产生的应力、应变及位移。在降水、高温、低温等恶劣环境下保持稳定性；在车辆荷载的反复作用于大气水温周期性的重复作用下保持耐久性。路基工程通过对路基不同层位制定不同的填料及压实度要求，设置完善的截排水和边坡防护措施可使新建路基在暴雨等极端天气作用下保持稳定。但因路基本体填料多为普通土，虽经压实，但土的抗剪强度有限，在遇到非竖向力的情况下，易发生破坏。地震发生时，地震作用传导在路基上有水平和竖向作用力，故路基在地震工况下较暴雨等其他工况更易发生破坏。为了确保地基在地震中不受严重的损伤，探讨如何改善地基工程，改善地基的稳定性和抗震性能，都是很有意义的。

1路基工程在地震作用下的机理破坏研究

路基岩土体材料具有压硬性、剪胀性和结构性等特征，路基变形破坏主要表现为沿结构面滑移引起的变形。在地震中，岩土和路基的变形可以划分为大变形（大于1米）和较小的变形（小于 lm）。从1965年开始，从评估土工建筑物的抗震安全性开始，研究地震永久滑移量的方法与模型，无论是在理论研究上，还是在实际工程中都有很大的发展。根据前人研究以及地震后对路基的踏勘调查，发现填方路基的地震变形破坏模式主要有3种，叙述如下：

1.1填挖交界处裂缝

一般情况下，路基最容易出现裂缝的位置是线路的填挖交界处，因填方为人工填筑土体和天然密实土体在土体抗剪强度上的区别，路基纵横向填挖交界处在地震作用下最易发生错动开裂。

1.2路基的侧向滑移变形

陡坡路堤或是基底有软弱土层一侧路基边坡，在地震作用下，路基本体会发生向一侧滑移的情况。该情况通常可见路肩或坡面的张拉裂缝，路面板有肉眼可见的横向位移。典型的特点是横向或纵向偏差为3~10厘米。陡坡路堤或基底有软弱土层路基，在自然工况下是稳定的，但稳定系数较低，在地震发生时，尤其是高烈度地震作用下， 路基就发生横向失稳，表现为路基拉裂，位移。

1.3沉降

强震发生后，填方路基有沉降现象发生，表现为局部段落的整体沉降和不均匀沉降。根据相关研究和调查，路基本体填料在地震作用下发生体积收缩性很小，不足以引起路基大范围沉降，地震作用下路基的沉降主要是地震动力引发了斜坡失稳和路基底部天然土体的变形，如沙土液化，软土震陷以及岩溶塌陷等。

2路基震害类型

2.1滑坡与崩塌落石

在地震的作用下，路基所处位置的地质环境也会受到相应的影响，当地震等级较高时地形、地质环境等都会发生不同程度的变化，这些因素都会导致路基工程出现问题，如位于斜坡上的路堤可能会出现整体滑坡，挖方段的土质边坡会发生溜坍，挖方岩质边坡在岩体破碎段很有可能会出现崩塌落石的现象，或上体上方的孤石及破碎岩体从山上滚落下来对公路设施造成破坏，对交通造成威胁。

2.2支挡结构的破坏

（1）破坏；在地震作用下，挖方段的路堑墙、护面墙等因边坡上部的斜坡崩塌、落石，倒塌的物体直接撞击破坏挡墙。

（2）崩塌；崩塌的原因有两个：一是由于地震波引起的上斜墙（护面墙）的主动土压力；另外，由于地震造成坡体稳定性恶化，坡底应力增加，崩塌物质撞击护壁（护面壁）等，造成斜坡崩塌；二是由于地震造成的边坡基础发生滑动，造成整个边坡失稳、坍塌。

（3）开裂和外倾等情况。挡墙坡体的稳定性会受到地震的影响，而有一定程度的下降，在该条件下，挡墙会出现开裂以及滑移等情况。防护网以及坡面挂网喷混凝土同样会受到影响，可能会面临相应的伤害。

2.3路基路面纵横向裂缝

在地震作用下，路面出现纵、横向裂缝。这种裂缝出现的原因为路面下部路基本体发生了位移和变形。如陡坡段路堤的横向位移，软土段路堤的下沉等。也出现在填挖交界段落，因填方段路基填料压实不足，路基处于不固结状态，而开挖路基为超同结，两段土体的沉降变形差异较大。地震的影响使这一差别更加明显，在道路上出现了许多纵向、横向的狭长裂缝。

2.4泥石流

由于山间峡谷多沟多，地势陡峭，又因地震毁坏山间的堤防，加之震后的暴雨，造成了山体滑坡。泥石流的破坏性是非常大的，并且其速度以及流量非常的大，物料的体积同样是惊人的。发生泥石流时，往往会冲垮公路、铁路等交通设施，乃至村庄，造成重大的破坏。

3路基抗震性能提升的方法

3.1科学合理的对路线的方案和相应的标高进行确定

在对路基工程进行设计时，要科学合理的对路线进行分析，尽可能的绕开，地震断层破碎带以及上山坡基层等地段，这些地段都存在着很多的不利因素，除此之外，还要平衡线纵坡降低了高填深开挖的路基，避免了悬崖下面的明线。尽量使线路在设防烈度较低、抗震性能良好的区段通行。

3.2科学合理的对路基支挡结构进行选择

轻型柔性结构的抗震安全性能是比较好的。如桩锚结构这重力式挡土墙相比较，其抗震安全性能是占有优势的。在对路基支挡工程进行设计时，要科学合理的选择结构简单以及受力明确的构筑物，除此之外还要考虑到自重问题以及高度等问题，确保其抗震变形协调能力是比较强的。同时，高烈度地震区的挡墙结构应避免选用干砌等结合差的结构，如干切挡墙、加筋土挡墙等。

尽量避免或减少半填半挖路基及陡坡路堤；如果无法避免，需要加强设计。路基填方采用碎石土等抗震较好的填料进行填筑，边坡形式采用阶梯型，路堤上部分级高度≤8m，坡率不陡于1:1.5，下部分级高度≤12m，坡率不陡于1:1.75，边坡分级处设置2m宽平台，坡脚设置1m宽护坡道；斜坡路基基底采用挖台阶处理，台阶宽度不小于2m，坡脚处设置支挡构筑物等防护措施；路堤、斜坡路基加强对基底的处理，对表层软弱土层进行换填处理。路堤本体内设置土工格栅、坡脚设置支挡结构物等措施加强路基的抗震稳定性。

在6度以上的地区，必须对挡土墙进行抗震强度及稳定性的验算。

3.3加强排水设施的养护工作

在很多方面，水对路基的影响是主要的，也是引起病害的主要原因。淤积、损坏、以及地表水漫流和下渗等情况都是水对路基所造成的影响，并且这些现象是普遍存在的，岩石土体在水中容易软化、使其物理指标性能明降，雨水下渗至土石分界面或岩层结构面，更易发生滑坡、溜坍等现场。

3.4科学合理的应用减震和隔震技术

在我国现行的建筑物、桥梁结构抗震设计规范中，均有减震、隔震等方面的规定，同时，对近年来的大地震灾害进行了研究，结果表明，采用隔震技术可以有效地改善建筑物的抗震性能。在路基工程中，可以参考有关技术，对路基各部位进行减振、隔振和延性的设计。

   3.5应急抢险通道的设计

    当地震发生时，路基工程的抗震目标为大震不倒，中震可休、小震不坏。但高等级的地质带来的破坏是无法抵抗的，抗震危险段在遭受强烈地震作用时可能会发生大规模的地表错动、滑坡、崩塌等严重震害，严重的破坏公路构筑物，及使采取了一定的抗震措施，也是难以抗御的。这时震后的救援工作就显得极其重要。位于活动断裂带附近或地震发生时为抗震危险段的深挖方、高填方路基，在设计时应考虑预留抗震救援通道，当地震发生时，挖方段出现边坡溜坍、堵塞道路，填方段出现路基沉降、位移时能做到快速修复，迅速贯通，为救援提供绿色通道。如可在深挖方段落加宽坡脚碎落台，高填方段落设置反压护坡或加宽路基的方式，便于震后的抢修。

结束语

综上所述，路基是道路组成中的重要部分，相较于桥梁、隧道，其更易受周围地形地质条件变化的影响，但相较于桥梁、隧道，路基也是更易于修复的结构。研究路基在地震作用下的破坏模式和机理，根据破坏机理加强对路基的抗震设计对路基工程的建设具有重要意义，对地质灾害的预防、恢复、救援也具有重要意义。本文通过对路基工程的各种震害进行了分析，以期为今后的路基抗震设计工作提供参考。

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