四川川北公路规划勘察设计有限责任公司
摘要：基于路基路面的典型震害形式及其内在的产生机理，对常见的路堤结构进行了地震响应数值模拟，研究了路堤结构的填土高度、边坡坡率及填土性质对地震响应的影响。主要结论：路堤填土高度较低时，位移响应将随着填土高度的增加而增加，加速度影响相对较小；路堤边坡坡率对地震响应的影响相对较小；路基填土性质对路基路面工程地震响应影响较大；路基填土材料应该综合考虑多方面的因素选择。
关键词：路基路面；地震作用；数值模拟
1 引言
公路交通作为交通运输系统的重要组成部分，在震后抢险救灾中起着重要作用，而公路路基路面工程则是公路交通的主要工程，如果在地震中遭受严重破坏，则会严重影响震后的交通状况，延误救灾物资的输入，给抗震救灾工作造成极大的影响。洛杉矶地震后，美国每5年对地震多发区的路基路面结构进行抗震性能检测，对不符合抗震要求的结构进行加固或者修复处理[1]。这是典型的震前对策研究，通过事先的安全性评估，可有效地减小结构在可能遭受的地震中的震害损失。公路路基路面震害的对策研究应包括两方面，其一是震后对策研究，其二是震前预防性对策研究。公路路基路面震害的震后对策研究是指针对已然存在的震害，选取合适的抢险、抢通和修复重建方案，依据安全性评估分析，制订科学合理、经济的震后对策。震前对策研究，是依据当地地质、地形、地震动参数条件，预测可能存在的地震灾害程度，并依据预测的地震模型，合理的选择路基路面布设形式、支挡结构的措施。
我国是地震多发国家，路基结构尺寸和填土材料的抗震特性研究可以直接指导路基的设计。本文以典型路基路面结构为研究对象，采用有限元计算软件建模，主要研究路堤结构的填土高度、边坡坡率及填土性质对地震响应的影响，以为工程设计提供参考。
2 路基地震作用
一般而言，地震波的传播以体波中的P波（纵波）最快，S波（横波）次之，面波最慢[3]。在任意一次地震波时序中，纵波最先到达，剪切波随后，而面波最晚到达，但就振幅或者说是破坏强度而言，面波占据了主要地位。历次地震现象表明，P波（纵波）在地面上产生上下颠簸的效应，S波（横波）在地面上产生水平方向晃动的效应，而面波由于存在Love波和Rayleigh波两种成分，则使得地面结构既有上下颠簸又有水平方向晃动。在地震波各种成分中由于面波的频率较低，振幅大，所遇地面结构的破坏一般以面波为主。
描述一次地震的大小可采用定性方法或者定量方法。一般情况下，定性描述地震大小采用地震烈度的概念；定量描述地震大小采用震级[3]。
我国目前采用的地震烈度表是中国地震烈度表（GBT 17742-2008）中规定的最新版地震烈度表。其中，新版地震烈度表较老版相比最明显的特征是地震烈度在5~10度范围加入了地震峰值加速度范围，新的地震烈度表不仅从定性的角度描述地震大小，也一定程度上将描述量化了。
3 路基路面数值模拟概述
3.1 路基填料
路基工程中常见的填土类别包括砂性土、粉性土、粘性土以及重粘土等。砂性土是修筑路基的良好材料。它既含有一定数量的粗颗粒，使路基获得足够的强度和水稳定性，又含有一定数量的细颗粒，使其具有一定粘结性，不致过分松散。粉性土是最差的筑路材料。因其含有较多粉土粒，干时稍有粘结，飞尘大，浸水后很快被湿透，易成流体状态（稀泥）。粘性土透水性差，粘结力大，因而干时坚硬，不易挖掘。重粘土是指塑性指数大于 25的粘土类。一般情况下，其工程性质与粘性土相似，但受粘土矿物成分影响较大。
另外还有一些具有特殊性质或含有害物质的土类，如泥炭、硅藻土、腐植土或含有石膏等易溶盐类的土等，这些土均不宜用于填筑路基。
3.2 阻尼
图1 路堤结构横断面示意图
（1）瑞利阻尼
瑞利阻尼最初应用于弹性连续体的动力计算中，用以减弱自然振动模式的振幅。在计算时，假设阻尼矩阵C与质量矩阵M和刚度矩阵K有关，表达式如下：
（1）
其中，α为与质量成比例的阻尼常数，β为与刚度成比例的阻尼常数。
（2）局部阻尼
局部阻尼是静力计算中通常采用的一种阻尼形式，也可以用来分析动力问题，它是通过在节点上减小或增加质量的方法达到收敛。△W/W是临界阻尼比的D函数：
（2）
其中，α为局部阻尼系数。
局部阻尼相对于瑞利阻尼而言不会减小时间步，且不用求解系统的自振频率，但实践证明设置局部阻尼不能有效的衰减复杂波形的高频部分，计算结果会产生一些高频噪声[5]。
3.3 地震荷载和路基路面
路堤结构是最常见的路基工程结构，其典型的横断面布设如图1所示。
考虑路基路面沿纵向为无限长模型，因此可采用平面应变假设来建立其平面有限元模型。采用ANSYS建立对应的路基路面有限元模型。
模型采用plane42型4节点平面单元，采用DP理想弹塑性本构关系。参照《公路工程技术标准》[6]的限定，设定边坡坡率H/b=1：1.5。路基与地基交界面采用全约束的方式进行约束。路面部分考虑四层结构，见表1。
表1 路面材料表
路基结构顶部的位移响应和加速度响应均方根值和的变化趋势和前述峰值响应一致。
4.3.4 震后残余应力和变形
选择粗砂和粘土两种填土材料作为砂性土和粘性土路基填土材料的代表，分别研究其地震加载后的水平向和垂直向残余变形以及Mises残余应力。可知：
相对粘土路基，砂土路基残余变形的绝对量要大得多；砂土路基的残余变形成块状分布，并且变形梯度较大；粘土路基的残余变形成条带状分布，变形梯度较小；震后粘土路基内部的Mises应力较砂土路基大，Mises应力最大值均出现在路面结构的中间位置；震后的路基路面由于内部挤压效应，路面在水平方向上出现波浪型的残余变形，与路面结构实际地震损坏特征相符。
通过对不同填土类型下路基路面结构的地震响应分析，发现填土材料粘聚力对路基结构顶部的响应有着重要的影响。粘聚力高的材料（如粘性土）屈服应力较高，对应的路基顶部的位移响应较小，而加速度响应较大。基于这个分析结果，如果地震灾害中路基路面结构的破坏是位移控制型的，则可认为高粘聚力的填土更加利于抗震，砂性土等低粘聚力的反而不利于抗震，当然这仅从抗震角度进行分析，实际应用中，路基填土材料的选择应该综合考虑包括强度、水稳定性等多方面因素。
5 结论
以常见的路堤为研究对象，分别研究了路堤填土高度、路堤边坡坡率和路堤填土性质对结构地震响应的影响，得出如下结论：
（1）路堤填土高度与其结构动力响应具有反相关关系；随着路堤填土高度增加，路堤顶部的位移响应峰值和均方根值均呈现出单波峰形的分布，且位移响应峰值和均方根值出现在填土高度为8 m 左右；地形条件允许时，不应单纯地对路基进行“控制高度”。
（2）路基边坡坡率与路基顶部的位移响应峰值和均方根值均呈现正相关关系；当振幅幅度很小时，坡率对路基路面结构动力响应的影响非常有限；路基顶部的加速度响应峰值和均方根值与路基边坡坡率呈现反相关关系。
（3）路基填土性质对路基路面结构动力响应的影响较大，粘土较于砂土震害更轻。若仅考虑地震响应中位移分量，粘土反而更有利于抗震。
参考文献
[1] Shinozuka Masanobu, Feng Maria Qing, Dong Xuejiang, Uzawa Tetsushi, Ueda Takayuki. Damage assessment of a highway network under scenario earthquakes for energy response decision support[J]. Proceeding of SPIE-The International Society for Optimal Engineering，2000，39(88)：264-275.
[2] Udias,A. Principles of Seismology[M]. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1999.
[3] Amr S. Elnashai, Luigi Di Sarno. Fundamentals of earthquake engineering[M]. England：Antony Rowe Ltd，2008.
[4] 工程地质手册编委会. 工程地质手册（第四版）. 中国建筑工业出版社：2006.
[5] 李金贝.公路填方路基抗震性能研究[D].北京：北京交通大学，2012,98-100.
[6] 公路工程技术标准(JTG_B01-2014)，2015.
[7] 公路路基设计规范 （JTG D30-2015），2015.
论文作者:罗通钊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/23
标签：路基论文; 路堤论文; 路面论文; 阻尼论文; 结构论文; 填土论文; 粘土论文; 《防护工程》2018年第23期论文;