第1章　绪论

1.1　研究背景和意义

近年来我国持续加大对交通基础设施的投资与建设，力争于2035年建成现代化高质量的交通体系。然而，当前我国人均基础设施投资额仅为发达国家的20％～30％，未来还有十分广阔的发展空间。特别是中西部地区公路、铁路交通体系还远落后于东部沿海地区，大力发展中西部地区交通设施将有力对接正在进行的“一带一路”建设、西部大开发、中部崛起、交通强国等国家发展战略，可以预计未来15～20年或将成为我国交通基础设施建设的高峰期。

我国是个多山地国家，山区面积占到国土面积的2/3以上。同时，我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，是地震频发的国家。这些客观条件都会给我国交通基础设施建设带来挑战。据不完全统计，20世纪以来，我国死于地震的人数达55万之多，该数量占全球地震死亡人数的53％；1949年以来，100多次破坏性地震袭击了全国22个省（自治区、直辖市），其中涉及东部地区14个省份，造成27万余人丧生，占全国各类灾害死亡人数的54％。地震受灾面积达30多万平方公里，房屋倒塌达700万间，地震及其他因地震引起的次生灾害重大威胁已构成我国的基本国情之一。统计数字表明，我国的陆地面积约占全球陆地面积的十五分之一，然而我国的陆地地震约占全球陆地地震的三分之一，而造成地震死亡的人数竟达到全球的1/2以上。

地震是岩土构筑物失稳滑动的重要诱导因素之一。位于公路、铁路设施或城市周围的边坡因地震而产生的失稳、滑坡常常会引起巨大的人员伤亡和财产损失，对人类社会造成的损害甚至有可能超过地震本身。以2008年汶川地震为例，汶川地震对道路交通的破坏特别严重，重灾区的阿坝、广元、绵阳、成都等市（州）、39个县（市）的各类交通设施都严重受损。通往汶川、北川、青川等重灾县以及254个乡镇公路交通一度完全中断。21条高速公路、16条国省干线公路、2.4×104km农村公路的路基路面、桥梁隧道等结构物不同程度受损。损坏桥梁670座、隧道24座、路面24011处，垮塌规模较大的路基挡墙1736处，受损较严重的铁路9条。道路交通的破坏造成了大量的震害边坡，这些边坡坡体松散、破碎，坡面植被也遭到破坏，形成裸露的不稳定边坡。在余震、降雨或外界扰动下，又会发生崩塌、落石、滑坡等次生灾害[1]。地震过程中地壳快速释放能量产生地震波，其夹带着巨大的能量从震源向远处传播，地震波传播过程中其巨大的能量诱导岩土边坡结构的滑裂面贯通，伴随着地质环境的作用会再次诱发各种次生灾害，不同的次生灾害之间相互作用、相互转换，从而形成完整的次生灾害链。次生灾害链的危险是潜在的，不易察觉，造成的影响以及破坏通常也是不可估量的。

现阶段，我国已经有非常多已建或在建的岩土构筑物处于高烈度地震带。在公路、铁路、水利、市政等基础设施建设过程中也难免会出现大量的高陡边坡，这些边坡的支护需求给现行的抗震设防技术带来巨大的考验。如：云桂（贵阳到南宁）铁路跨越了我国西南地区，横跨了8度以上的地震高烈度区。由于铁路沿线地形地貌以及地质状况的复杂多变，铁路沿线存在着数量巨大的厚覆盖层和基质边坡，工程建设中需要采取相应的工程措施对沿线的高陡边坡进行加固（图1-1）。传统的单一支挡结构能提高边坡的稳定性，且施工工艺简便，但也存在一定的局限性和不足，难以应用于高陡边坡或者异形边坡。分级组合支挡结构则更适应形式多变的山区环境，使不同支挡结构之间协同承担边坡土体荷载。这种相互作用可能是通过结构本身直接形成，也可能是通过岩土体间接形成，且进一步提高了支挡结构在强震作用下的支挡效果和抗震性能。不管是单一支挡结构，还是组合式支挡结构，锚固支护技术是边坡加固和支护最为实用和有效的技术之一。锚固支护是一种岩土主动加固和稳定技术，作为其技术主体的锚杆（索），一端锚入稳定的土（岩）体中，另一端与各种形式的支护结构物连接，通过杆体的受拉作用，调用深部地层的潜能，达到边坡稳定的目的。

图1-1　云桂高速铁路高边坡分级组合锚固支护结构

在抗震设计方面，国内外抗震设计规范通常采用“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计思想。由于地震的发生时间和地震级别很难提前预测，如果一味地增强结构强度，虽然能够提高结构的抗震安全性，但是也会大幅度增加建造成本，这显然不是一个合适的解决办法。设计师们从概率的角度出发使结构在不同级别地震作用下能够满足一定的可靠度要求。小型地震所产生的破坏效果较小，但是其出现的可能性较大，在构筑物的设计使用年限内大概率会遭遇，甚至可能会多次遭遇。对于这种频发的小型地震，构筑物要能够确保结构不会损坏，结构的反应处于弹性范围内。对于中型地震，由于其已经具备一定的破坏性，很难保证结构在中型地震作用下能够保存完整，故而允许结构出现局部损坏，但是经过修复处理后还能够正常使用。而至于罕见的大型地震，虽然具有极大的破坏能力，但是出现的可能性也较小，在这种强度的地震下要求结构不发生损坏是不经济的，所以往往只要求结构不会出现完全失效的情况就足够。

总结大量结构抗震设计的技术要点，并结合科研试验成果和实地震害调查经验统计，可提升和改进不同行业的抗震技术规范。尤其是2008年在我国四川省发生的8.0级汶川特大地震，对众多的房屋、桥梁、路基、边坡及其他工程结构物都造成了严重的破坏，也对现行的抗震设计规范提出了极大的挑战。此后的几年，科研人员总结震灾结构破坏机制，先后对多个国家和行业标准进行优化改进。目前，我国已颁布和实施的国家和行业抗震设计规范有：《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）、《构筑物抗震设计规范》（GB 50191—2012）、《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111—2006）、《公路工程抗震设计规范》（JTG B02—2013）、《水工建筑物抗震设计标准》（GB 51247—2018）和《水电工程水工建筑物抗震设计规范》（NB35047—2015）等。这些规范对地震场地类别划分、地震力的简化、容许应力和变形等抗震设计指标都给出了规定，但其中仍有部分指标依赖于工程经验，未明确力学作用机理，仍有待改进之处。如，我国的《铁路工程抗震设计规范》（GB 50111—2006）在汶川地震后进行了局部修订（即2009年修订版），但规范仅推荐了单级、均质边坡地震稳定性计算的圆弧条分法，而关于支挡结构抗震设计，其条文依据为1980年四川省建筑科学研究所的关于重力式挡墙振动台试验研究成果。我国的《公路工程抗震规范》（JTG B02—2013）在边坡与支挡结构抗震设计方面则沿用了铁路抗震规范的设计条文和条文依据。支挡结构的抗震分析理论水平已落后于工程实践。对于组合支挡结构而言，其理论研究工作，尤其是抗震设计理论方面，更是滞后于工程实践。揭示组合支挡结构的地震动力响应特性、力学作用机理和动力破坏模式，是进行合理抗震设防的首要条件。

由于地质结构与地形地貌条件的复杂性，加之地震波在地壳中传播的三维空间与时域的相互作用，地震高烈度区中岩土边坡及其锚固支挡结构的动力响应特征与相关的变形破坏机制是近年来岩土地震工程学的重点研究对象。为确保地震高烈度区岩土边坡及其支护结构设计的安全性、经济性和合理性，对边坡及支挡结构抗震设防技术进行改进和完善显得十分迫切。对边坡及其支挡结构的地震动力响应、支挡结构的变形规律与破坏机理的正确理解是确保上述工作顺利开展的前提。因此，研究多级边坡锚固支护结构的力学特性、地震动力响应及其抗震设计方法，确保多级边坡锚固支护结构的安全稳定及其设计的安全性、经济性和合理性，是当前岩土地震工程学亟待解决的关键问题。