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摘要：近年地震频发，造成道路毁损，阻碍应急救援，震后修复加固难度高、耗资大。以震后路堤破坏形态为依据，总结高路堤在地震作用下的破坏规律，并通过ABAQUS有限元软件分析其地震响应机理，提出防护对策。研究结论：在震区道路工程设计中，应采用较好的级配材料，宜采用缓坡，具体坡度根据路堤材料的力学性能研究确定，且应适当增加路基底层边缘材料的强度。
关键词：路基；地震响应；抗震设防
中图分类号：U213文献标识码： A
1 绪论
我国近年特大地震频发，如汶川、玉树、雅安地震，7.0级以下主震及余震更是连绵不断，带来无法估计的损失。总结历次特大地震，歸纳为四个特点[1]：(1)受损范围广；(2)灾害程度重；(3)抢通难度大；(4)保通工作艰巨。汶川地震后，李乔、赵世春[2]等许多学者深入震区，做了大量现场调研分析。震后道路的毁损主要分为两个方面，第一，路堤边坡的滑移造成路面结构的破坏，如路基隆起断板、角隅断裂、错台、纵向开裂、侧向滑移等；第二，路堑边坡的岩崩落石和土体滑移，阻断交通。
以震后路堤破坏形态为依据，总结高路堤在地震作用下的破坏规律，分析其地震响应机理，并提出防护对策，为地震易发区的高路堤设计提供参考。
2 高路堤地震作用的破坏规律
近几年发生的地震主要集中在西部山区。这些地区由于地形高低起伏大、蜿蜒曲折等特点，几乎每一条道路的设计都包含了路基、路堑、高架桥、隧道四大组成部分，其中不可避免出现高填方路基，即高路堤。
地震作用下，动荷载从基岩传递到路基底层，地震波在土体进一步传递到路基顶层以及路面，带动土体的水平向和竖直向的振动。当振动引起的拉应力或剪应力大于土体的粘聚力时，路堤发生滑移，造成路面拉裂破坏。另一方面，路堤施工时，由于山区岩石多，底基层级配控制不严格，往往含有粒径很大的岩石块。地震作用时，岩石块周围土体松散脱离，路基发生不均匀沉降，造成路面开裂或错台。
3 震响应机理数值分析
3.1 动力分析有限元模型
地震动力响应分析包含静力分析和动力分析两个部分[3]。边坡在自重作用下的初始应力即静力，对于地震作用下的动力反应就较大影响。为了准确模拟地震作用，岩土特性采用摩尔-库仑塑性模型。岩土属于非线性材料，其动力分析采用显式Newmark法，考虑了时间积分效应[4]。
结合路堤设计中的一般结构形式和构造特点，建立在地震作用下的平面应变模型，见图1。坡体内含有基岩，地震作用以最不利方向即垂直于道路走向，水平作用在基岩，然后传递到边坡，震级为7级。模型采用8节点平面应变网格。
图1高路堤计算模型图
该路堤填方高度为10米，宽度为30米，坡度为1:1.5。上部为土体，下部为基岩。岩土材料物理参数见表1。
表1 边坡岩土材料物理参数
3.2 数值模拟结果分析
由于土体对高频地震波的过滤、对低频地震波的放大作用，从激励处到路面，动力响应呈现不同的规律。选取坡脚A点、坡中B点、坡顶C点为研究对象，如图1所示，分析位移、速度和加速度响应规律。
3.2.1 位移响应分析
点A、B 及C的位移响应时程曲线分别见图2（a）（b）（c）所示。在地震作用下，边坡前缘各位置位移响应明显，并随着地震左右晃动，但整体呈现朝向凌空面即坡面变形的趋势。通过对比可以看出，坡脚由于产生塑性应变，滑移趋势最明显，位移响应幅度最大；从坡脚到坡顶，位移响应幅度逐渐降低，这是由于岩土塑性体具有很强的耗能作用，吸收了能量，地震从基岩传递到坡顶后，能量部分得到消散。
图2 水平位移响应时程曲线
（a）坡脚A点；（b）坡中B点；（c）坡顶C点
3.2.2 加速度响应分析
点A、B 及C的位移响应时程曲线分别见图3（a）（b）（c）所示。由图3（a）可见，由于坡脚离激励源即基岩较近，加速度响应规律最接近地震加速度，但由于岩土对地震的放大作用，加速度幅度响应扩大1.7倍，与文献[4,5]研究成果一致。坡中和坡顶的加速度响应明显，在12s之后，振动较大，这是由于坡顶土体受到的约束力小，运动未受到严格约束。
图3 水平加速度响应时程曲线
（a）坡脚A点；（b）坡中B点；（c）坡顶C点
3.2.3 速度响应分析
点A、B及C的位移响应时程曲线分别见图4（a）（b）（c）所示。坡面各处的速度响应与加速度响应规律类似，坡脚靠近激励源，速度变化规律与激励地震波加速度规律相近。但坡中和坡顶，由于约束力较小，12s之后的速度响应幅值仍然很大。
图4 水平速度响应时程曲线图
（a）坡脚A点；（b）坡中B点；（c）坡顶C点
4 抗震设防措施
结合在地震作用下的位移、加速度、速度响应规律的研究，针对震区高路堤的设计提出以下设防措施：
（1）震区边坡的设计坡度应采取较缓的坡度，具体设计值应以地质情况为依据做针对性的研究决定；
（2）坡脚应力集中明显，地震作用下易首先发生破坏，在工程设计中应选用强度较高的材料。规范[7,8]中弱化地基层的思想在边坡抗震设计和施工中值得商榷；
（3）边坡的抗震设防，应采取柔性加固措施，使之与岩土协同变形，充分发挥岩土的耗能作用；
5 结论
本文结合近年的地震后道路毁损状况，分析了高路堤地震作用的破坏规律，采用ABAQUS有限元软件模拟分析了地震响应机理，并提出了抗震设防措施。研究表明：
（1）当路堤材料级配较差时，易发生局部不均匀沉降，且无明显规律，抗震设计难度大；当路堤材料级配较好时，地震主要造成高路堤的坡体滑移，进而引发路面破坏。在震区道路工程设计中，应采用较好的级配材料，宜采用缓坡，具体坡度根据路堤材料的力学性能研究确定。
（2）高路堤在地震作用下，从路基底层到面层呈现明显不同的响应规律。土体对高频地震波具有过滤作用，对低频地震波具有放大作用。最大位移出现在路基顶部，但相对容易保持稳定；最大应力出现在路堤边坡的坡脚，宜发生破坏并诱发路堤整体滑移。抗震边坡设计时，应增加路基底层边缘材料的强度。
（3）交通量大或人口密集区，应配合柔性设防措施，使得防护结构能与岩土体协同变形，进一步增强高路堤抗震能力。
参考文献
[1] 吉随旺,唐永建,胡德贵等.四川省汉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(6):1250-1260.
[2] 李乔,赵世春.汶川大地震工程震害分析[M].西南交通大学出版社,2008.9.
[3] 李海波,蒋会军,赵坚,等.动荷载作用下岩体工程安全的几个问题[J].岩石力学与工程学报,2003,22(1):1887-1891.
[4] 刘汉龙,费康,高玉峰.边坡地震稳定性时程分析方法[J].岩土力学,2003,24(4):553-560.
[5] 徐光兴,姚令侃,高召宁,等.边坡动力特性与动力响应的大型振动台模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(3):624-632.
[6] 秋仁东,石玉成,付长华.高边坡在水平动荷载作用下的动力响应规律研究[J].世界地震工程,2007,32(2):131-138
[7] JTG D30-2004,公路路基设计规范[S],2004.
[8]JTG F10-2006 公路路基施工技术规范,2006
Research on the mechanism earthquake response and seismic fortification of high fill embankment
XuXing1,2
（1.Jiang Xia Building Design Institute in Wu Han,
2. civil engineering and architecture college Hubei University of Technology
Wu Han, 430200,China）
Abstract: More and more earthquake occurred in recent years, which caused road damage. Emergency rescue was blocked because of damaged roads, at the same time, the repair and reinforcement were difficult and expensive. Through researching on the mechanism earthquake response by ABAQUS finite element analysis software on the basis of earthquake damage form, the failure regularity and the protection countermeasure of high embankment under the action of earthquake are summarized in the paper. It should be using the graded material good and the gentle slope, the slope is determined according to the study on mechanical properties of embankment material, and should be increasing the strength of the road base material in layer edge in the earthquake zone road engineering design.
Keywords: Embankment; earthquake response; seismic fortification
关键词：路基；地震响应；抗震设防
中图分类号：U213文献标识码： A
1 绪论
我国近年特大地震频发，如汶川、玉树、雅安地震，7.0级以下主震及余震更是连绵不断，带来无法估计的损失。总结历次特大地震，歸纳为四个特点[1]：(1)受损范围广；(2)灾害程度重；(3)抢通难度大；(4)保通工作艰巨。汶川地震后，李乔、赵世春[2]等许多学者深入震区，做了大量现场调研分析。震后道路的毁损主要分为两个方面，第一，路堤边坡的滑移造成路面结构的破坏，如路基隆起断板、角隅断裂、错台、纵向开裂、侧向滑移等；第二，路堑边坡的岩崩落石和土体滑移，阻断交通。
以震后路堤破坏形态为依据，总结高路堤在地震作用下的破坏规律，分析其地震响应机理，并提出防护对策，为地震易发区的高路堤设计提供参考。
2 高路堤地震作用的破坏规律
近几年发生的地震主要集中在西部山区。这些地区由于地形高低起伏大、蜿蜒曲折等特点，几乎每一条道路的设计都包含了路基、路堑、高架桥、隧道四大组成部分，其中不可避免出现高填方路基，即高路堤。
地震作用下，动荷载从基岩传递到路基底层，地震波在土体进一步传递到路基顶层以及路面，带动土体的水平向和竖直向的振动。当振动引起的拉应力或剪应力大于土体的粘聚力时，路堤发生滑移，造成路面拉裂破坏。另一方面，路堤施工时，由于山区岩石多，底基层级配控制不严格，往往含有粒径很大的岩石块。地震作用时，岩石块周围土体松散脱离，路基发生不均匀沉降，造成路面开裂或错台。
3 震响应机理数值分析
3.1 动力分析有限元模型
地震动力响应分析包含静力分析和动力分析两个部分[3]。边坡在自重作用下的初始应力即静力，对于地震作用下的动力反应就较大影响。为了准确模拟地震作用，岩土特性采用摩尔-库仑塑性模型。岩土属于非线性材料，其动力分析采用显式Newmark法，考虑了时间积分效应[4]。
结合路堤设计中的一般结构形式和构造特点，建立在地震作用下的平面应变模型，见图1。坡体内含有基岩，地震作用以最不利方向即垂直于道路走向，水平作用在基岩，然后传递到边坡，震级为7级。模型采用8节点平面应变网格。
图1高路堤计算模型图
该路堤填方高度为10米，宽度为30米，坡度为1:1.5。上部为土体，下部为基岩。岩土材料物理参数见表1。
表1 边坡岩土材料物理参数
3.2 数值模拟结果分析
由于土体对高频地震波的过滤、对低频地震波的放大作用，从激励处到路面，动力响应呈现不同的规律。选取坡脚A点、坡中B点、坡顶C点为研究对象，如图1所示，分析位移、速度和加速度响应规律。
3.2.1 位移响应分析
点A、B 及C的位移响应时程曲线分别见图2（a）（b）（c）所示。在地震作用下，边坡前缘各位置位移响应明显，并随着地震左右晃动，但整体呈现朝向凌空面即坡面变形的趋势。通过对比可以看出，坡脚由于产生塑性应变，滑移趋势最明显，位移响应幅度最大；从坡脚到坡顶，位移响应幅度逐渐降低，这是由于岩土塑性体具有很强的耗能作用，吸收了能量，地震从基岩传递到坡顶后，能量部分得到消散。
图2 水平位移响应时程曲线
（a）坡脚A点；（b）坡中B点；（c）坡顶C点
3.2.2 加速度响应分析
点A、B 及C的位移响应时程曲线分别见图3（a）（b）（c）所示。由图3（a）可见，由于坡脚离激励源即基岩较近，加速度响应规律最接近地震加速度，但由于岩土对地震的放大作用，加速度幅度响应扩大1.7倍，与文献[4,5]研究成果一致。坡中和坡顶的加速度响应明显，在12s之后，振动较大，这是由于坡顶土体受到的约束力小，运动未受到严格约束。
图3 水平加速度响应时程曲线
（a）坡脚A点；（b）坡中B点；（c）坡顶C点
3.2.3 速度响应分析
点A、B及C的位移响应时程曲线分别见图4（a）（b）（c）所示。坡面各处的速度响应与加速度响应规律类似，坡脚靠近激励源，速度变化规律与激励地震波加速度规律相近。但坡中和坡顶，由于约束力较小，12s之后的速度响应幅值仍然很大。
图4 水平速度响应时程曲线图
（a）坡脚A点；（b）坡中B点；（c）坡顶C点
4 抗震设防措施
结合在地震作用下的位移、加速度、速度响应规律的研究，针对震区高路堤的设计提出以下设防措施：
（1）震区边坡的设计坡度应采取较缓的坡度，具体设计值应以地质情况为依据做针对性的研究决定；
（2）坡脚应力集中明显，地震作用下易首先发生破坏，在工程设计中应选用强度较高的材料。规范[7,8]中弱化地基层的思想在边坡抗震设计和施工中值得商榷；
（3）边坡的抗震设防，应采取柔性加固措施，使之与岩土协同变形，充分发挥岩土的耗能作用；
5 结论
本文结合近年的地震后道路毁损状况，分析了高路堤地震作用的破坏规律，采用ABAQUS有限元软件模拟分析了地震响应机理，并提出了抗震设防措施。研究表明：
（1）当路堤材料级配较差时，易发生局部不均匀沉降，且无明显规律，抗震设计难度大；当路堤材料级配较好时，地震主要造成高路堤的坡体滑移，进而引发路面破坏。在震区道路工程设计中，应采用较好的级配材料，宜采用缓坡，具体坡度根据路堤材料的力学性能研究确定。
（2）高路堤在地震作用下，从路基底层到面层呈现明显不同的响应规律。土体对高频地震波具有过滤作用，对低频地震波具有放大作用。最大位移出现在路基顶部，但相对容易保持稳定；最大应力出现在路堤边坡的坡脚，宜发生破坏并诱发路堤整体滑移。抗震边坡设计时，应增加路基底层边缘材料的强度。
（3）交通量大或人口密集区，应配合柔性设防措施，使得防护结构能与岩土体协同变形，进一步增强高路堤抗震能力。
参考文献
[1] 吉随旺,唐永建,胡德贵等.四川省汉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(6):1250-1260.
[2] 李乔,赵世春.汶川大地震工程震害分析[M].西南交通大学出版社,2008.9.
[3] 李海波,蒋会军,赵坚,等.动荷载作用下岩体工程安全的几个问题[J].岩石力学与工程学报,2003,22(1):1887-1891.
[4] 刘汉龙,费康,高玉峰.边坡地震稳定性时程分析方法[J].岩土力学,2003,24(4):553-560.
[5] 徐光兴,姚令侃,高召宁,等.边坡动力特性与动力响应的大型振动台模型试验研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(3):624-632.
[6] 秋仁东,石玉成,付长华.高边坡在水平动荷载作用下的动力响应规律研究[J].世界地震工程,2007,32(2):131-138
[7] JTG D30-2004,公路路基设计规范[S],2004.
[8]JTG F10-2006 公路路基施工技术规范,2006
Research on the mechanism earthquake response and seismic fortification of high fill embankment
XuXing1,2
（1.Jiang Xia Building Design Institute in Wu Han,
2. civil engineering and architecture college Hubei University of Technology
Wu Han, 430200,China）
Abstract: More and more earthquake occurred in recent years, which caused road damage. Emergency rescue was blocked because of damaged roads, at the same time, the repair and reinforcement were difficult and expensive. Through researching on the mechanism earthquake response by ABAQUS finite element analysis software on the basis of earthquake damage form, the failure regularity and the protection countermeasure of high embankment under the action of earthquake are summarized in the paper. It should be using the graded material good and the gentle slope, the slope is determined according to the study on mechanical properties of embankment material, and should be increasing the strength of the road base material in layer edge in the earthquake zone road engineering design.
Keywords: Embankment; earthquake response; seismic fortification