汶川地震路基工程震害特征分析

汶川地震路基工程震害特征分析
2008年5月12日14时28分，四川省汶川（北纬31.0,东经103.4）发生了8.0级强烈地震，震源深度14千米，最大烈度11度，是建国以来破坏性最强、波及范围最广、救灾难度最大的一次地震。

遇难总人数已超过8万多人，直接经济损失达8451亿元。

影响范围包括震中50千米范围内的县城和200千米范围内的大中城市。

全国除黑龙江、吉林、新疆外均有不同程度震感。

泰国首都曼谷，越南首都河内，菲律宾、日本等地也有震感。

根据调查统计，此次地震造成四川、甘肃、陕西、重庆、云南、山西、贵州、湖北等8省市不同程度受灾。

汶川地震极重灾区有10个县（市），包括汶川县、北川县、绵竹市、什邡市、青川县、茂县、安县、都江堰市、平武县、彭州市，重灾区有41个县（市、区）；一般灾区有186个县（市、区）。

本次地震参数：
时间：2008年5月12日14时28分04秒
纬度：30.986°N
经度：103.364°E
深度：14km
震级：里氏震级8.0级，矩震级7.9级
最大烈度：11度
震中位置：四川省汶川县映秀镇
都江堰市西21km（267°）崇州市西北48km（327°）大邑县西北48km（346°）成都西北7 5km（302°）
一、本次地震特点及地质成因
本次地震震中位置：四川省汶川县，北纬 30.969，东经103.186，位于成都西北西方向90公里，绵阳西南西方向145公里处。

震级：8.0 震源深度：10.0公里（属浅层地震）。

根据中国地震调查局公布的信息，对本次地震有以下三个初步判断：
（1）印度板块向亚洲板块俯冲，造成青藏高原快速隆升。

高原物质向东缓慢流动，在高原东缘沿龙门山构造带向东挤压，遇到四川盆地之下刚性地块的顽强阻挡，造成构造应力能量的长期积累，最终在龙门山北川——映秀地区突然释放。

（2）逆冲、右旋、挤压型断层地震。

发震构造是龙门山构造带中央断裂带，在挤压应力作用下，由南西向北东逆冲运动；这次地震属于单向破裂地震，由南西向北东迁移，致使余震向北东方向扩张；挤压型逆冲断层地震在主震之后，应力传播和释放过程比较缓慢，可能导致余震强度较大，持续时间较长。

（3）浅源地震。

汶川地震不属于深板块边界的效应，发生在地壳脆-韧性转换带，震源深度为10~20千米，因此破坏性巨大
此次地震震级之大、余震之多、地表破裂带之长，次生山地灾害之严重，世所罕见。

重灾区14个县（市）主要公路全部瘫痪，主要铁路、通信、水库和城镇遭受严重破坏，特别是北川县城和汶川的映秀镇成为一片废墟，是继唐山地震之后我国又一个损失巨大的毁灭性地震。

汶川地震高烈度区位于四川西部青藏高原东缘的高山峡谷地区，山高谷深、地质条件复杂、断裂构造发育，该地区存在着大量深挖高填路基。

地震对山区路基工程造成了严重损毁，据统计灾害造成21条高速公路、15条国省干线公路、2795条农村公路的路基路面、桥梁隧道等结构物不同程度受损，受损近2.8万公里（其中高速公路近200公里、国省干线公路3849公里、农村公路23800公里）。

重灾区：阿坝、广元、绵阳、成都、德阳、雅安6个市（州）、50个县（市）和240个乡镇的各类交通设施严重受损。

位于震中附近的映秀—耿达、映秀—汶川公路因地震几乎全部损毁。

受损较严重的铁路包括成灌铁路、广岳铁路、
德天铁路、宝成铁路绵阳至广元段等9条铁路，仅成都铁路局管内既有铁路灾后重建经费初步估算就需上百亿元。

山区道路作为生命线工程，在震后救灾中起着巨大的作用，在本次地震中的大量路基损坏及大规模崩塌、滑坡灾害，对灾区公路造成严重损毁，不仅直接造成生命财产的巨大损失，而且阻断交通、极大地阻碍和延缓了救援队伍和工程机械进入灾区，加大了救援难度，严重延缓救援进度，并成为公路抢通保通工作的巨大障碍。

铁路抗震设计规范在唐山地震前只有一个试用版；唐山、海城地震后，在总结这两次实震资料的基础上，于1987年颁布了《铁路工程抗震设计规范》GBJ111－87；为了与新修订的国家标准《中国地震动参数区划图》GB18306－2001相对应，2006年又颁布了《铁路工程抗震设计规范》GB50111－2006版。

但因在此期间未获得我国大陆发生大地震实震资料的支持，有关线路工程抗震设计计算的条文修订不大；汶川地震前，按现行规范设计的工程未得到实际地震的检验；尤其是由于缺乏9度烈度以上近场地震资料，现有公路、铁路抗震设计规范对抗震设防大于9度地区的构筑物抗震设计均未列入公路、铁路抗震设计规范。

5.12汶川特大地震强震区路基工程的震害资料，对研究强震区路基工程的抗震技术提供了罕有的条件，利用汶川地震的大批近场实震资料，促进铁路抗震设计规范的发展，具有重要的科学价值意义和现实意义，同时也具有重要的时效性。

二、调查区概况
5.12汶川大地震后，我们对强震区域公路的现场踏勘，主要包括国道213线紫坪铺—汶川段三级公路、都江堰—映秀高速公路、映秀—汶川二级公路，此外还包括213线水磨支线、映秀镇城区道路、紫坪铺水利枢纽重载公路等。

本文介绍的主要是都江堰至映秀地区的震害调查情况。

该区域位于四川盆地西北侧，龙门山地中南段，海拔一般在1000～3000米，地势自西北向东南倾斜。

岷江干流至北向南过漩口后折向北东流经该区域。

主要支流有古溪沟、寿江。

该区域覆盖层以粘性碎块石土、漂卵砾石土为主；基岩以砂岩、砂页岩夹煤层、灰岩为主，强风化层3～15米。

区内断裂基本构造格架为龙门山构造带，安县～灌县断裂；茅亭、龙溪断裂；发育断裂主要有：平武断裂～茂汶断裂；北川～映秀断裂；寿溪河断裂；纸厂沟断裂。

主要公路为国道213线，为三级公路，全长32公里。

从都江堰到马鞍石隧道进口为绕紫坪铺大坝绕坝公路，2003年建成运营。

从马鞍石隧道出口到映秀为2005年竣工修建的三级路。

公路抗震设计按场地基本烈度为Ⅶ度考虑。

调查区示意如图1所示。

图1 调查区域示意图
Fig.1 Sketch map of investigation area
我们的调查以东面平原、山区交界处为起点，向西沿岷江河谷溯流而上，直至发震断层，包括了Ⅷ、Ⅸ、Ⅹ、Ⅺ度四个地震烈度区，震中距均在20公里范围内。

工作内容有对震区路基工程震前相关资料的收集；震害调查，包括成灾模式的判别、变形测量以及震害成因分析等；以及关于震后修复抢通措施的记录等。

目前，国际上公认的抗震设防原则是“小震不坏”，“中震可修”，“大震不倒”，根据三级抗震设防原则，定义三级地震水平，这是国内外规范理念发展的总趋势。

岩土地震工程学是地震工程学中的薄弱环节，尚未提炼出明确的实施条例，但也应是发展目标。

由于震害等级的评定首先是制定抢修保通方案的基本依据，
同时也与三级抗震设防原则相对应，我们将震害严重程度划分成表1所示的5个等级，作为路基工程震害评定的标准。

表1 震害等级评判标准
Table 1Evaluation criterion of damage level
震害程度评判标准加固或修复措施
对应设防原则
的表述
完好无明显震害可正常使用不坏
基本完好构筑物出现裂缝掉块等现象或轻微变形。

可正常使用.按常规养护要求
修复即可。

不坏
损伤
有明显变形, 但主要受力构件基本完好,在
正常工况下构筑物整体能维持稳定。

可维持使用,在抢险阶段过后
逐步修复。

可修
严重损害
构筑物产生过大变形或局部破坏,但未出现
整体倒塌。

必须采取紧急抢险加固措施,
才能够保通运行。

可修
毁坏路基主体崩塌或滑动、挡墙倒毁。

重建倒毁
三、路基工程震害特征分析
(1)路堤工程震害调查分析
我们调查的典型路段G213三级公路路堤高度在9～42米范围内，地面横坡坡度在10°～34°之间，既包括一般路堤，又有高度大于20米的高路堤；既有缓斜坡路堤，又有地面横坡大于1:2.5的陡斜坡路堤[4]；既有护脚路堤，又有浸水路堤。

路堤边坡多为在中部设平台的阶梯形边坡，上部坡率为1:1.5，下部为1:1.75，护坡道宽度均为2.0米，一般每隔8米高度分级设置。

我们对16个路堤工点的震害调查结果列于表2。

表2 路堤震害调查表
Table 2 Road embankment investigation
编号震中距
/km
地震
烈度
路堤断面
型式
路堤高
度/m
地面横
坡坡率
路堤
填料
平面
线形
震害模式
震害
程度
备注
1 17.00 Ⅷ2级台阶护坡34 1:3.73 块碎石土直线骨架护坡开裂
或折断
基本
完好
2 15.67Ⅸ1级台阶护坡14 1:2.90砂砾石换填凸曲线
路基边坡滑坡，
路肩错落1m 严重损害
3 15.25Ⅸ3级台阶护坡42 1:5.67块碎石土直线骨架护坡开裂
或折断
基本
完好
4 14.13Ⅸ1级台阶护坡2
5 1:5.67块碎石土凸曲线骨架护坡开裂
或折断
基本
完好
5 13.95Ⅸ1级台阶护坡9 1:2.25砂砾石换填直线
骨架护坡开裂
或折断基本完好
6 13.55Ⅸ1级台阶护坡20 1:2.61块碎石土直线骨架护坡开裂
或折断
基本
完好
7 12.58Ⅸ1级台阶护坡14 1:2.36块碎石土凸曲线
上边坡坡脚处
严重凸出变形
损伤
8 12.27Ⅸ1级台阶护坡25 1:5.67块碎石土直线骨架护坡开裂
或折断
基本
完好
9 11.53Ⅸ1级台阶护坡13 1:2.48块碎石土直线
上边坡坡脚处严重
凸出变形，涵洞开裂
损伤
10 10.01Ⅸ1级台阶护坡10 1:2.25块碎石土直线骨架护坡开裂基本震前因弃
由表2可知，路堤震害模式主要有骨架护坡开裂或折断、上边坡坡脚凸出变形、路基边坡开裂或坍滑，如图2、图3所示。

其中以边坡上部拉裂、下部鼓张变形这种损害模式为主，震害破坏部位基本限于路堤边坡，无完全毁坏的工点。

路堤震害模式随地震力作用强度增加的发展趋势是，由边坡水平开裂到局部坍塌再发展为滑动面延深至路基本体的滑坡。

路堤震害严重程度与地震烈度、本体加固措施有关，与路堤高度和地面横坡坡度关系不明显，其中有42米的高路堤在IX 地震烈度区基本完好确属罕见，对该特例的认识可能大大突破在强震区修建高路堤的限制，如图5所示。

需要说明的是填土路基震陷是震区普遍存在的现象，其沉陷量多为几厘米～二三十厘米，明显小于现行规范条文说明中所罗列的其它老线路的路堤震害下沉量。

汶川地震中沉陷震害对汽车通行未造成严重障碍，但这种数量级的竖向变形对铁路已构成严重问题。

我们认为在路基压实技术和地基处理技术明显提高的阶段，有效控制和减轻路基下沉震害是可以实现的，但要完全避免震陷可能难度过大.因此在强震区不宜修建对变形要求极高的无砟轨道体系。

图2 路堤边坡上部的水平张拉裂缝 Fig.2 Horizontal crack of road embankment
或折断
完好 土加宽 11
9.25
Ⅹ
1级台阶护坡
14
1:1.88
块碎石土
直线
边坡上部水平拉裂，
涵洞开裂 损伤
12
9.39
Ⅹ
1级台阶护坡
20
1:2.75
块碎石土
直线
上边坡坡脚处严重
凸出变形，涵洞开裂 损伤
13
9.47
Ⅹ
1级台阶护坡
20
1:1.48
块碎石土
直线
路基边坡滑坡，滑坡
部位错落1m 严重 损害
14 10.50 Ⅺ 1级台阶护坡 14 1:2.75 块碎石土 直线
—
—
震时被崩塌体掩埋
15 10.68 Ⅺ 1级台阶护坡 14 1:2.75 块碎石土 直线
道路中线严重拉裂，出现
路基本体滑坡趋势 严重 损害
16 11.10 Ⅺ 1级台阶护坡 16 1:2.75 块碎石土 直线 路基边坡局部被落石砸毁
基本
完好
图3 路堤边坡滑坡后壁
Fig.3 Back of the sliding of embankment
图4 路堤边坡下部错落达1米
The slippage in the bottom of a embankmen is 1 m
图5 42米的高路堤地震后基本完好
Fig.4 High road embankment of 42m after earthquake
(2) 路肩墙震害调查分析
路肩墙采用最多的是浆砌片石衡重式挡墙，也有桩基托梁+衡重式挡墙，砌块式加筋土挡墙、锚索桩板式挡墙等新型结构。

表3所列为都汶路比较高大的典型工点震害统计，高度在2米～15.4米范围内，地
基基本为砂岩，少数位于滑坡体上。

表3 路肩墙震害调查表
Table 3 Investigation of the shoulder of embankment
编号震中距
/km
路肩墙类型
墙高
/m
平面
线形
地震
烈度
震害情况震害程度备注
1 9.14 浆砌片石挡墙 4.6凸曲线Ⅺ垮塌毁坏
2 9.06 浆砌片石（卵石）挡墙 5.8直线Ⅺ严重开裂、濒于破坏严重损坏
3 8.37 浆砌片石挡墙8.3直线Ⅺ基本完好
4 8.13
浆砌片石挡墙（震前已用
锚索框架加固）
8.4直线Ⅹ局部裂缝基本完好
5 7.49 浆砌片石挡墙2直线Ⅹ横向外倾损伤
6 5.50 浆砌片石衡重式挡墙 5.9直线Ⅹ横向外倾损伤
7 5.08 浆砌片石衡重式挡墙8.9直线Ⅹ横向外倾损伤
8 4.49 浆砌片石衡重式挡墙11.3直线Ⅹ横向外倾严重损坏
9 3.82 10.9直线Ⅹ
10 3.82 桩基托梁衡重式挡墙12.5凸曲线Ⅹ垮塌毁坏
11 4.01 浆砌片石挡墙 5.7直线Ⅹ横向外倾严重损害
12 4.10 浆砌片石挡墙 6.6直线Ⅹ横向外倾严重损害
13 4.47 浆砌片石挡墙8.2直线Ⅹ垮塌14.8米毁坏
14 4.89 浆砌片石挡墙 6.1凹曲线Ⅹ基本完好
15 5.90 加筋土挡墙 6.8直线Ⅸ挡墙砌块错位明显，
濒于垮塌
严重损害
16 5.90 混凝土挡墙 6.7直线Ⅸ挡墙外倾，局部外凸损伤
17 5.87 桩板式挡墙（锚索桩）8.4凸曲线Ⅸ无完好
18 6.04 混凝土挡墙7.9凸曲线Ⅸ横向外倾，局部破坏严重损害
19 6.16 加筋土挡墙14.1凸曲线Ⅸ无完好
20 7.14 浆砌片石挡墙 4.7直线Ⅸ横向外倾严重损伤震前已用框架锚
杆加固
21 7.24 浆砌片石挡墙 6.3直线Ⅸ
横向外倾、局部线路
外凸
严重损害22 7.64 加筋土挡墙15.4直线Ⅸ垮塌毁坏
23 7.99 加筋土挡墙9.7直线Ⅸ无完好震前已用框架锚
索加固
24 9.56 浆砌片石挡墙8.4直线Ⅸ
伸缩沉降缝扩展至
7--12厘米
损伤
25 14.17 混凝土挡墙8.7凸曲线Ⅸ挡墙濒于倾覆，路面
错台断道
毁坏
26 14.56 浆砌片石挡墙8凹曲线Ⅸ横向外倾损伤
从震害统计资料来看，路肩支挡工程震害相对轻微而又最普遍的现象是路肩墙和填料部分脱离，如图5所示，原因其一是路肩墙横向外倾所致，其二，由于填料部分在地震作用下会产生沉陷，也会导致路肩墙和路堤分离；更严重的震害是支挡工程向外倾斜，这不仅造成工程稳定性降低，严重时会造成路基大变形，如图7所示工点就在路面形成70厘米的错台，车辆无法通行；最严重的震害是支挡构筑物完全破坏，如图8、图9两个工点，支挡工程毁坏后都造成公路断道震害。

图6 挡墙与路基脱离
Fig.5 Retaining wall damage
图7 支挡工程倾斜达20厘米Fig.6 Rotation of the retaining wall
图8 加筋土挡墙垮塌
Fig.7 Geogrid retaining wall collapsed
图9 浆砌片石挡墙垮塌导致断道
Fig.8 Mortar flagstone wall collapsed
(3)路堑墙震害调查分析
调查路段路堑墙多采用浆砌片石重力式挡墙，其余为混凝土挡墙，我们主要调查挡墙高度在3米以上的工点，对3米以下的只调查了震害比较严重的挡墙，这样共调查了总计59个工点。

其中浆砌片石挡墙占54%，高度最高为10.4米（不包括基础埋深），混凝土挡墙占46%，高度最高为8米，只有2处桩板式挡墙工点。

表4所列为59个工点中震害严重工点的调查情况。

从59个调查工点的统计资料看，Ⅺ度和Ⅹ度区有25个工点，其中被毁坏的工点为8个（占32%），严重损坏的工点为1个（占0.04%）；Ⅸ度区有34个工点，其中被毁坏的工点为2个（占0.06%），严重损坏的工点为1个（占0.03%）。

可见影响路堑挡墙震害严重程度的主要是地震烈度，而与挡墙高度的关系并不明显，如浆砌片石挡墙被毁坏的工点高度从3.3~9.8米均有分布。

表4 路堑墙震害调查表
Table 4 Damage of road cutting
编号震中距/km 路堑墙类形墙高/m
线路走
向/o 平面
线形
地震烈
度
震害模式
震害程
度
备注
(边坡类型)
18.54浆砌片石挡墙7.817 凸曲线Ⅺ整体垮塌36米毁坏河流阶地
27.58浆砌片石挡墙 3.615 直线Ⅹ
整体推移30-80
米严重损
害
滑坡体
37.27浆砌片石挡墙 3.6330 直线Ⅹ整体垮塌24米毁坏砂岩削坡47.18浆砌片石挡墙 5.414 凸曲线Ⅹ垮塌13.3米毁坏砂岩上覆崩坡积体5 6.95浆砌片石挡墙 5.3 22 直线Ⅹ垮塌25米毁坏
老滑坡体（地基也在
滑坡体上）
6 6.91浆砌片石挡墙 5.9 22 直线Ⅹ
垮塌，用砼
补强毁坏
老滑坡体（地基也在
滑坡体上）
7 5.82浆砌片石挡墙 5.165 直线Ⅹ垮塌6米毁坏砂岩削坡
8 4.08片石（卵石）混凝 3.5 96 凹曲线Ⅹ映秀端中上部垮毁坏坡积体
土挡墙塌
9 5.19浆砌片石挡墙8158凸曲线Ⅹ挡墙垮塌长度68
米
毁坏砂岩削坡
10 6.63浆砌片石挡墙9.840直线Ⅸ两段挡墙垮塌毁坏砂岩削坡117.26浆砌片石挡墙5243凸曲线Ⅸ
挡墙垮塌长度近
30米
毁坏老滑坡体
127.96混凝土挡墙 3.110直线Ⅸ挡墙中部水平剪
出24厘米
严重损
害
砂岩滑坡体
1316.46浆砌片石挡墙 3.362凸曲线Ⅸ被落石砸毁长度
18米
毁坏砂岩挖方
1416.96浆砌片石挡墙 3.5286凸曲线Ⅸ
被落石砸毁长度
8.6米
毁坏块碎石坡积物
浆砌片石挡墙与混凝土挡墙相对轻微而又最普遍的震害是外倾，形成沿伸缩沉降缝的错位如图10所示。

混凝土挡墙更严重的震害是在中部被剪出，如图11就在中部被剪出24厘米。

浆砌片石挡墙最严重的震害是沿砌缝开裂后挡墙解体，导致完全垮塌，如图12所示。

从混凝土挡墙无一完全垮塌的现象来看，混凝土挡墙的抗震性能明显优于浆砌片石挡墙。

图10 混凝土挡墙错位
Fig.9 Concrete retaining wall pushed
图11 混凝土挡墙在中部被剪出
Fig.10 Concrete retaining wall sheared
图12 浆砌片石挡墙垮塌
Fig.11 Mortar flagstone wall collapsed
四、汶川实地考察。