路基挡土墙震害统计分析及其加固方法

由挡土墙震害调查可知：受损的103处挡土墙中，重力式挡土墙87处，占84%；加筋土挡土墙3处，占3%；锚杆框架挡土墙、桩板式挡土墙等13处，占13%。震害调查概况见表1.14所示。

根据震害挡土墙的墙身材料、基础持力层岩土类别、震害破坏类型、挡土墙高度、挡土墙与断裂带夹角等不同作以下分类分析。

1.挡土墙墙身材料分类

挡土墙墙身材料主要有钢筋混凝土、素混凝土和浆砌片（块）石三种。在震害挡土墙中锚杆框架挡土墙、桩板式挡土墙等13处，墙身全部采用钢筋混凝土；加筋挡土墙3处，采用装配式素混凝土面板、复合加筋带；重力式挡土墙采用浆砌片（块）石砌筑的64处，素混凝土砌筑的23处。所占比例如图1.74所示。

图1.74　震害挡土墙墙身材料百分比

抗剪强度与材料性质密切相关，钢筋混凝土的抗剪强度最高，素混凝土其次，浆砌片（块）石受砌缝砂浆强度控制其抗剪强度最低。重力式挡土墙因其圬工体积大，便于就地取材，施工中常常使用，但在强地震作用下，浆砌片（块）石墙身在砌缝处发生初始破坏，进而扩展为垮塌。为提高重力式挡土墙抗震性能，墙身材料应优选混凝土，如需采用浆砌片（块）石材料，建议砂浆强度应提高，采用10号以上。

2.挡土墙基础持力层岩土类别分类

挡土墙基础持力层岩土类别可以分为第四系堆积物、基岩、人工换填基础三类。挡土墙施工时首先考虑的因素是地基承载力和基底摩擦系数，一旦满足设计要求，一般均可作为持力层。震害调查路段挡土墙基础为第四系堆积之碎（块）石土的有57处，为花岗岩、砂岩、泥岩等基岩的有36处；为人工换填处理的地基有10处，所占比例如图1.75所示。

图1.75　震害挡土墙基础持力层岩土类别百分比

地震发生时在纵波和横波作用下，挡土墙发生上下和水平运动，对于近场地震上下振动尤为明显。基础置于第四系堆积物中的挡土墙震害较基岩中的多，分析其原因为：在抗震设计分类中第四系堆积物属Ⅱ、Ⅲ类场地土，基岩属Ⅰ类场地土，前者地震反应谱动力放大系数β较大，也就是所受地震力较大；第四系堆积物其物理力学指标与基岩相比较差，特别是具体工点的碎（石）土密实度不均匀，会因地震而丧失或降低承载力，产生过大竖向和水平位移，导致墙体破坏。至于人工换填基础震害较少可能与该类挡土墙总数较少有关。为提高重力式挡土墙抗震性能，在高烈度地震区建议基础持力层优选完整基岩，若基岩埋置深度较大时可采用人工换填基础。

3.挡土墙震害破坏类型分类

挡土墙震害主要分为墙体垮塌、墙身变形、开裂、墙体倾斜以及墙身剪切，五类震害所占比例如图1.76所示。引起震害的最根本原因为地震动造成墙背土压力增大或地基失稳。

图1.76　挡土墙震害破坏类型百分比

1）变形、开裂类震害

经调查，变形开裂类挡土墙震害有23处。此类震害也伴随其他类型的震害特征，产生变形开裂挡墙中伴随发生倾斜震害5处，剪断震害2处，墙顶位移震害3处，局部外鼓1处。

该类震害主要表现为挡土墙墙身出现裂缝、鼓胀现象。其主要原因是墙后土压力作用增大，导致挡土墙墙身变形，砌筑砂浆的强度与质量也是重要原因之一。

2）垮塌类震害

经调查，垮塌类挡墙震害有20处。挡墙发生垮塌震害的同时也伴随其他类型的震害特征。

该类震害主要表现为挡土墙墙身垮塌。其主要原因是墙后土体在地震作用下使土压力急剧增大，超过挡土墙材料强度以及抗倾极限，从而发生垮塌。(www.xing528.com)

3）倾斜类震害

经调查，倾斜类挡土墙震害有53处。

该类震害主要表现为挡土墙墙身向外倾斜，墙顶产生位移等现象。其主要原因是地震中墙后土压力作用增大，超出挡土墙抗倾力矩，从而导致震害。

4）剪切类震害

经调查，剪切类挡土墙震害有5处。

该类震害主要表现为挡墙墙身被剪断，墙体上半部分移出错位。其主要原因是墙后土压力作用超出墙体抗剪强度极限，从而导致震害。

5）其他类震害

其他类震害有2处，具体包括1处挡土墙面板脱落和1处挡土墙施工缝错台。

在高烈度地震区，如何提高挡土墙抗震性能，减少各类震害破坏现象是地震后设计上急需研究的问题。设计上对于垮塌、变形开裂和剪切震害处理方案较为简单，主要是高烈度地震区墙身材料采用混凝土结构，慎用浆砌结构，挡土墙基础应置于稳定的地基中（以中风化基岩为宜）。而对于占震害破坏50%以上的重力式挡土墙倾斜破坏，依据现行《公路工程抗震设计规范》（JTG B02—2013）主要采用增大挡土墙截面来提高重力式挡土墙的抗倾覆能力，即通过增大挡土墙自重来抵抗地震作用，这样的抗震设计因其自重增加，地震惯性力也会随之增大，使得高烈度地震区挡土墙的抗震性能得不到有效保证，同时会造成圬工数量多、造价高、施工进度慢等问题。对于使用极为广泛的重力式挡土墙，针对其抗倾覆能力差的特性，需要进一步研究减震构造措施，既提高抗震性能又节约工程造价。

4.挡土墙高度与震害数量的关系

调查中发现，震害挡土墙占挡土墙总数的长度比（或者数量比）随着挡墙高度的增加而增大，如图1.77和图1.78所示。

图1.77　震害挡土墙墙高长度比

图1.78　震害挡土墙墙高数量比

挡土墙高度越高越易发生震害，是因为随着墙身高度增加，地震动峰值加速度放大，使得墙体所受水平惯性力增加，同时墙后填土地震土压力增加伴随力作用点升高。

5.挡土墙和断裂带走向夹角与震害数量关系

龙门山断裂带近似为一条穿过映秀和北川，方向为北偏东32°的直线。它与挡土墙震害工点结构走向的夹角与震害数量的统计关系见图1.79所示。

根据直方图可以看出0～12°夹角范围之内挡土墙结构震害较多，在0～36°夹角范围内的累计震害百分比在70%以上，震害数量随着与发震断裂夹角的增大而减少，成整体下降趋势，即地震动在垂直于断裂带方向最大，导致支挡结构的临空面法线方向与断裂带垂直时破坏严重。

图1.79　挡土墙结构和断层所成夹角与震害数量关系

垂直和平行断裂的地震动特性往往是许多工程师和研究人员的重要研究课题。根据卧龙记录的垂直和平行断裂的加速度谱比较，垂直断裂地震动的加速度谱较大，而平行断裂地震动的加速度谱较小，说明垂直断裂的地震动完全控制着对结构物的影响，原因是卧龙台站非常接近断裂，上述结果主要适用于近场地震记录。地震时，震源释放的优势应变能以弹性波的形式垂直于发震断裂向外传播，无论是体波还是面波，其传波过程中会产生强烈的振动，由挡土墙地基将力传递给墙身，墙身横向受力最为不利，故易发震害。