高烈度区重力式挡墙基于性能的抗震设计方法研究①

韩鹏飞， 隋孝民

(铁道第三勘察设计院集团有限公司地质路基勘察设计研究院，天津 30025)

高烈度区重力式挡墙基于性能的抗震设计方法研究①

韩鹏飞， 隋孝民

(铁道第三勘察设计院集团有限公司地质路基勘察设计研究院，天津 30025)

介绍基于性能抗震设计的核心理念，以支挡结构震害调查分析为背景，阐述开展高烈度区重力式挡墙基于性能抗震设计研究的必要性；构建重力式挡墙基于性能的抗震设计框架，归类分析现行规范与基于性能抗震设计的关键技术问题；依据支挡结构震害调查及大型振动台模型试验，提出位移指数可作为衡量挡墙抗震性能的量化指标，确定重力式挡墙基于性能抗震设计的性能准则及流程；经对比计算基于性能与规范抗震设计的挡墙算例，显示基于性能抗震设计的优越性，为高烈度区重力式挡墙基于性能抗震设计的工程应用提出建议。

高烈度区； 性能设计； 重力式挡土墙； 位移指数； 性能准则

0 引言

近年来，先后在美国、日本、土耳其和中国发生的破坏性地震，对生命财产造成了巨大损失[1]。严重的地震灾害不仅暴露了我们对地震危害性认识的不足，还表明现有的抗震设计思想与方法存在问题，这促使地震工程学者们开始反思既有抗震设计体系。在这种背景下，基于性能的抗震设计思想受到各国地震工程领域专家和学者的广泛关注，并在20世纪90年代由美国科学家首先提出。我国在2010年的建筑抗震设计规范中也提出了“大震不倒、中震可修、小震不坏”的原则。基于性能的抗震设计理念可简要地概括为：构造物在不同的抗震设防水准下，满足相应的抗震目标要求。其具体内涵包括：抗震设防水准与性能目标对应、分级设防及性能目标定量化。随着经济水平和城市化程度的不断提高，构造物抗震的性能要求越来越受到人们的关注，这使基于性能的抗震设计理念在房屋建筑、桥梁、核电站及大坝等领域取得了发展。

在房屋建筑领域[2]，美国应用技术委员会颁布的ATC34针对房屋建筑物制定了具体的抗震设计方案：对低设防烈度区域的建筑物，采用单一水准“大震不倒”的性能目标；对中、高设防烈度区域的建筑物，应采用双水准“小震不坏、大震不倒”的性能目标。在桥梁设计领域[3]，Caltrans1994制定了基于性能的桥梁抗震准则：按重要性将桥梁进行分类，依据地震重现期将场地地面运动划分为两个等级，不同重要性的桥梁及地面运动等级对应不同的性能准则。在核电站、大坝等重要构造物设计领域[4]，核电站抗震设计提出了在发生运行基本地震及安全停堆地震下分级设防的抗震理念；国际大坝委员会于1988年发布的《大坝地震动参数选择导则》中，提出大坝按最大设计地震和运行基本地震两级设防。

基于性能的抗震设计理念及方法的应用与发展显示其对于提高构造物安全度、满足人们对构造物多层次需求的重要性。基于性能的抗震设计在岩土工程抗震领域的应用甚少，但随着岩土工程抗震技术的发展及人们对设防目标性能需求的不断提高，它必然成为未来岩土工程抗震发展的趋势。

1 支挡结构震害调查分析对基于性能抗震设计研究的启示

在我国基于性能的设计理念在岩土工程抗震领域尚处起步阶段，与具体岩土构造物对应的性能设计准则也属空白。汶川地震则强化了我们在这一领域探索研究的责任感和紧迫感，地震灾害不仅使川陕甘三省道路、桥梁及隧道损坏严重[5]，大量路基支挡结构的损毁也延误了抢险保通的进程，加大了抗震救灾的难度。因此，开展岩土工程抗震领域基于性能抗震设计的研究具有不容忽视的工程意义。汶川地震后就如何修编和改进现行路基支挡结构抗震设计规范，岩土工程师们面临3个实质性挑战：(1)保证新建的地震风险性评估是可接受的；(2)鉴定和纠正现行抗震规范不可接受的抗震设计标准；(3)研发和实施一个迅速、有效、经济的震后恢复支挡结构完整性的反应机制。为此，笔者等对四川省境内共345处支挡结构的震害数据进行归类分析[4]，根据烈度、结构形式、破坏类型、场地条件、砌筑方式、线路与断裂带的关系研究震害分布，为研究工作的推进提供支撑。

震害调查显示：重力式挡墙(一般称为刚性支挡结构)的破坏数量占破坏总数的97%，加筋土挡墙、预应力锚索桩、锚索框架(一般称为柔性支挡结构)的破坏数量仅占破坏总数的3%。该数据与周德培等[7]震害调查得出的规律基本吻合，即柔性支挡结构抗震性能优于刚性支挡结构。其原因是在地震引起的地面运动作用下，柔性支挡结构能够与土体一致运动，两者之间保持较好的变形协调，因此破坏数量较少；而刚性支挡结构在地震作用下其墙体与土体的变形不一致，导致墙体发生较大的不可恢复性位移，失去了原有的功能。地震作用下轻型柔性支挡结构虽具有较好的抗震优势，但其设计施工繁琐、抗震设计理论不够完善，一时难以代替重力式挡墙等刚性支挡结构而被广泛应用于工程实践中。作为最常见的支挡结构，重力式挡墙具有体形简单、受力明确、刚度和质量匀称、重心低、抗震设计理论相对成熟等优点。因此完善及拓展重力式挡墙抗震技术仍具有重要意义。

汶川地震中，挡墙破坏工点主要分布在映秀—北川断裂带附近。该区域属于Ⅸ度及以上烈度区，震害调查显示该地区绝大部分挡墙按Ⅶ度进行抗震设防，远小于实际烈度，这说明挡墙在此区域产生较严重的破坏具有客观性。而区域内按Ⅷ度进行抗震设防的挡墙损毁案例较少，部分损坏工点仅产生一定的墙体位移或局部墙身裂缝，仍保持了较为完整的结构构造和功能。从性能设计的角度来看，对于设防烈度较高的区域(Ⅸ度及以上)进行挡墙抗震设计时，根据性能要求可允许墙体震后发生有限位移，而该位移并不影响挡墙正常使用功能的发挥，可在高烈度区适当降低原设防烈度进行设计。按现行规范，对设防烈度为Ⅸ度区域的重力式挡墙进行抗震设计时，只能采用增加墙身自重的方法来抵抗地震作用，这并不是最优选择。而基于性能的抗震设计方法就能够解决这一问题，挡墙抗震设计时既能满足墙体稳定性要求，又能满足所要求性能的位移限值，达到避免工程浪费的目的，这也是重力式挡墙基于性能抗震设计的优越性。

鉴于此，在设防烈度为Ⅸ度及以上的高烈度区，构建重力式挡墙基于性能的抗震设计方法是当前实现基于性能的抗震设计在岩土工程构造物中应用及推广最可行的方案。

2 重力式挡墙基于性能抗震设计框架

2.1 现行规范

我国抗震设计规范对于路基支挡结构按照“单水准”进行抗震设防，其基本思路可概括为：单一地面运动水准，单一构造物性能目标，单一分析方法，单一检验准则。

例如《铁路工程抗震规范GB5011-2006》(2009年版)[8]规定：铁路工程根据铁路等级及其在路网中的重要性和修复(抢修)的难易程度，分为A、B、C、D四个抗震设防类别；路基支挡构造物按地面运动水准为设计地震进行抗震设计，抗震设防目标应达到抗震性能要求Ⅱ(地震后可能损坏，经修补短期内能恢复其正常使用功能；结构处于非弹性工作阶段)，分析方法为拟静力法，检验准则为安全系数准则(刚性支挡结构验算抗滑、抗倾覆稳定性系数，柔性支挡结构验算外部稳定及内部稳定)。

2.2 重力式挡墙基于性能的抗震设计框架

基于性能的抗震设计对现有抗震设计理论和方式有所改变，但它并不排斥现有抗震技术规范和地震工程研究成果，而且新建的基于性能的抗震设计准则仍以现行抗震设计框架为基础，其可按以下6步制定：

(1) 按建设标准或修复难易程度将拟设计的重力式挡墙分为普通挡墙和重要挡墙(铁路工程可参照表1)，确定对应的性能评估水准。本文按照地震重现期将性能评估水准分为2类：功能评估、安全评估。功能评估即判定挡墙在设计地震(地震重现期为475年)下是否满足相应的功能需求；安全评估即判定挡墙在罕遇地震(地震重现期为2 475年)下是否满足相应的安全需求。

(2) 确定不同等级的挡墙在规定评估水准下可接受的抗震性能要求。在地震作用下，与普通挡墙相比，在满足路基抗震安全需求的同时，运营标准较高的铁路(高速铁路、客运专线等)或修复困难的陡坡、深挖、高填的重要挡墙更注重路基抗震的功能需求。因此，建议普通挡墙按“单水准”性能要求进行设计，满足安全评估准则；重要挡墙按“双水准”性能要求进行设计，同时满足功能评估准则和安全评估准则。依据震后抢险保通原则及支挡结构震害调查评估，本文以震后岩土工程构造物的使用水准、损伤水准来描述重力式挡墙的抗震性能要求(表2)。

表1 挡墙抗震等级划分

表2 挡墙抗震性能要求

注：①立即使用水准(简称“立即”)：震后几乎不影响交通，可立即(几小时内)恢复正常通行；②有限使用水准(简称“有限”)：震后2天内开放有限交通，1个月内交通完全恢复；③最小损伤(简称“最小”)：挡墙局部变形及整体轻微变位。例如墙身表面微裂但无明显裂缝或墙体震后发生微小位移；④可修复损伤(简称“可修”)：无需关闭线路通行，经修补，短期内能恢复正常使用功能。例如墙身局部裂缝，残余位移较小的倾斜或滑移。

(3) 确定设计荷载、检算荷载。普通挡墙及重要挡墙设计荷载均采用功能评估地面运动(设计地震)，安全评估地面运动(罕遇地震)仅作为检算荷载。

(4) 建立检验准则，使其达到期望的性能要求。

普通挡墙按安全评估地面运动检算挡墙位移幅度，判断其是否超越许可位移，应满足安全评估性能准则；按功能评估地面运动验算挡墙Ⅷ度区第二组(0.3 g)的抗滑动稳定性和抗倾覆稳定性。重要挡墙分别按功能评估、安全评估地面运动验算挡墙位移幅度，判断其是否超越许可位移，必须同时满足功能评估与安全评估性能准则；按照功能评估地面运动验算挡墙在Ⅷ度区第二组(0.3 g)的抗滑动稳定性及抗倾覆稳定性。

尽管基于性能的抗震设计降低了原设防烈度，但映秀—北川断裂带附近(Ⅸ度及以上烈度区)的绝大部分挡墙震害工点多按Ⅶ度抗震设防，而按Ⅷ度抗震设防的挡墙损毁工点鲜少，震害仅以墙体位移或局部墙身裂缝为主。这表明按Ⅶ度抗震设防的挡墙在Ⅸ度及以上的高烈度区丧失了抗震性能；若允许有限位移(不影响挡墙的整体性及功能发挥)，按Ⅷ度抗震设防的挡墙能满足其在Ⅸ度及以上高烈度区的抗震性能。基于挡墙震害规律的客观性，在Ⅸ度及以上的高烈度区，按性能设计的重力式挡墙应保证其在Ⅷ区的抗震稳定性。

(5) 将反映挡墙抗震性能的量化指标与性能要求对应。

量化指标为抗滑动稳定性系数Kc、抗倾覆稳定性系数Ko及位移指数。Kc、Ko可参照现行抗震规范规定，铁路工程抗震规范(2009年版)中，Kc不小于1.1，Ko不小于1.3。位移指数定义为震后墙顶位移与墙高比值，表征了挡墙的抗震性能，详见第3节。

(6) 对重力式挡墙基于性能的抗震设计进行规范化，提高基于性能抗震设计的工程应用。

2.3 现行规范与基于性能抗震设计方法对比

对于重力式挡墙，现行规范与基于性能的抗震设计方法的区别主要体现在设计理念上。现行规范抗震设计采用“单水准”一级设防；基于性能的抗震设计采用分级设防：普通挡墙按“单水准”设防，重要挡墙按“双水准”设防。本文以《铁路工程抗震设计规范》为例，从性能准则、设计荷载、检算荷载、检算准则、量化指标及分析方法6方面对现行规范与基于性能抗震设计的区别与联系进行了归纳，见表3。

表3 现行规范与基于性能抗震设计方法的对比

3 性能准则

性能设计一直是结构和岩土工程抗震设计最前沿的研究方向，基于位移的设计方法是目前最重要的性能设计理论之一。位移设计方法的基本理念是：结构设计按照位移控制，位移是反映结构破坏最直观的参数。在结构工程抗震设计中，为描述强震作用下的抗震性能，建筑结构通过楼层的层间位移(位移与层高的比)来控制结构的性能状态。例如美国BSSC[9]规定：当层间位移小于1%时，结构处于弹性阶段；当层间位移为2%时，结构处于弹塑性阶段；当层间位移为4%时，结构处于破坏阶段。在岩土工程抗震设计中，国内外学者已充分认识到在不影响公路、铁路使用功能的情况下，应允许支挡结构有一定的位移量。例如欧洲抗震设计规范Eurocode8[10]规定：挡土墙在地震作用下的永久性位移包括滑移位移与倾覆位移，为不影响墙体的美观和正常使用功能的发挥，必须使其震后的位移控制在合理的范围内。例如在计算墙背地震土压力时，地震系数kh=αS/r。α为岩质场地峰值地震系数；S为土壤系数，r的取值则应考虑墙体位移的影响，例如r=2对应挡土墙最大位移容许值为300%αS(mm)，r=1.5对应挡土墙最大位移容许值为200αS(mm)。新西兰抗震设计规范[11]规定：在设计地震下可允许支挡结构保持弹性状态；在强地震下可允许支挡结构具备有限的永久性位移，例如对于刚性支挡结构允许的墙体位移是100 mm。

汶川地震支挡结构震害调查及重力式挡墙大型振动台模型试验均证实，挡墙在大震后产生较明显的不可恢复性位移，并以墙顶处的残余位移最为显著，这表明位移指数可作为衡量重力式挡墙抗震性能的直观参数。

3.1 基于震害调查的性能准则

支挡结构震害调查及大型振动台模型试验是开展挡墙震害评估及机理分析的重要手段，不仅为研究重力式挡墙基于性能的抗震设计搭建了平台，也为基于性能抗震设计体系的构建提供了支撑。要使重力式挡墙基于性能的抗震设计有效实施，必须将挡墙抗震性能状态与位移指数对应起来。本文依据汶川地震挡墙震害调查及重力式挡墙大型振动台模型试验的研究成果，综合确定了挡墙性能状态(使用水准+损伤水准)与位移指数的对应关系(即性能准则)。

在交通部西部交通建设科技计划的支撑下，笔者针对汶川地震四川境内的一般灾区、重灾区和极重灾区约3 000 km公路和铁路支挡结构的破坏类型、破坏模式及与地震动的关系展开了全面的调查(图1)。

基于震害的调查分析，张建经等[12]提出支挡结构抗震设计应考虑位移的影响，并确定了支挡结构的抗震性能要求：性能要求1：地震后墙体不损坏或轻微损坏(损伤标准——最小)，能够保持正常使用功能(使用标准——立即)，位移指数在1.0%以内；性能要求2：地震后墙体可能出现局部损坏(损伤标准——可修)，需修补，短期内可以恢复正常使用功能(使用标准——有限)，位移指数在3.5%以内；性能要求3：地震后墙体出现较大变形，但不出现整体倒塌，经抢修后可以限速通车，位移指数在6.0%以内。

图1 支挡结构震害调查路线Fig.1 Investigation route of seismic damage to retaining walls

3.2 基于振动台模型实验的性能准则

地震作用下挡墙-土是一个复杂的动力系统，挡墙的地震反应与土体动力特性息息相关，当前采用的安全系数法、位移法均属定值设计范畴，很难准确地反映土体参数及外部荷载等设计变量的不确定性。因此，以支挡结构震害调查为依托，开展重力式挡墙大型振动台模型试验，再现墙-土体系动力破坏失稳机制，对正确进行挡墙抗震设计、指导岩土工程实践具有重要意义。

实验模拟的是位于Ⅷ度烈度区的9.6 m高的重力式路肩挡土墙[6]。根据相似关系，挡墙模型尺寸为：1.6 m(高)×1.5 m(宽)，墙顶宽0.33 m，墙底宽0.55 m，墙趾高0.204 m，墙趾宽0.102 m；模型材料采用微粒混凝土，刚性模型箱内空尺寸为3.7 m×1.5 m×2.1 m(长×宽×高)；墙后填土水平，墙后填料为干砂，基底填料为按一定配合比调制且满足重度、抗剪强度、剪切波速等相似比关系的模型土，分别模拟岩石及土质地基。试验模型全貌见图2。试验中采集的数据，包括：位移、加速度、土压力，仪器布置见图3。

图4显示了由振动台模型试验得到的不同地基条件下挡墙位移指数随地震系数的变化规律：在相同的地震动加速度下，岩石地基挡墙抗震性能优于土质地基挡墙。当地震动加速度小于0.3 g时，地基条件对墙体抗震性能的影响不显著；当地震动加速度大于0.3 g时，墙体抗震性能受地基条件影响显著。这表明在设防烈度为Ⅷ度以上的区域进行挡墙抗震设计时，应考虑地基条件对墙体抗震性能的影响。

图2 试验模型全貌Fig.2 The whole picture of experiment model

图3 仪器布置及位移传感器安装图Fig.3 Layout of equipment and installation of displacement sensor

图4 位移指数随地震系数变化Fig.4 Variation of displacement index with seismic coefficient

图5 不同位移指数下的性能状态Fig.5 Performance staes with different displacementindexed

无论地基条件如何，位移指数都是反映挡墙震后性能状态的量化指标。图5显示了土质地基上的挡墙在不同位移指数下的性能状态，为基于振动台模型实验性能准则的提出提供了支撑。图5(a)墙体轻微位移，不影响正常使用；图5(b)墙体显著位移，墙后填料下沉，经修补后短期可恢复正常使用；图5 (c)墙体大幅度位移，墙后填料大面积沉陷，严重影响结构整体性及功能发挥。经综合考虑地震烈度、地震波特性、墙体几何特性、地基条件、填料性质等因素对模型试验结果的影响，客观评价挡墙在不同位移指数下对应的性能状态，确定了基于振动台模型实验的抗震性能准则：

性能要求1：墙体轻微位移(损伤标准——最小)，不影响正常使用(使用标准——立即)，位移指数≤0.5%；

性能要求2：墙体显著位移(损伤标准——可修)，经修补后短期可恢复正常使用(使用标准——有限)，0.5%<位移指数≤3.0%；

性能要求3：位移指数>3.0%，墙体整体倾覆，但不出现倒塌。

3.3 性能准则的确定

震害调查及振动台模型实验得出的性能准则均真实反映了挡墙的抗震性能。性能要求3实际上是基于“大震不倒”的理论提出的，而本文论述的重力式挡墙基于性能的抗震设计仅允许墙体产生有限位移，过大的墙体位移将加剧墙-土体系的损毁程度，难以保障挡墙的整体性及功能发挥。随着技术水平和对交通安全。舒适要求程度的不断提高，构造物的抗震性能越来越受到人们的关注。挡墙在震后即使能做到“大震不倒”，但一次地震、甚至中等强度地震造成的损失，就可能远远超过社会和业主可接受的程度，从而造成巨大的经济损失，严重影响社会生活。基于这种认识，综合震害调查及振动台模型实验结论，重力式挡墙基于性能的抗震设计准则为：

(1) 基于性能的抗震设计适用于设防烈度为Ⅸ度及以上抗震区域的挡墙。

(2) 重要挡墙：按“双水准”进行抗震设计，同时满足功能评估及安全评估性能标准。功能评估性能标准：要求挡墙在震后必须满足使用水准——立即，损伤水准——最小的性能要求，位移指数≤0.5%。安全评估性能标准：要求挡墙在震后必须满足使用水准——有限，损伤水准—可修的性能要求，0.5%<位移指数≤3%。

(3) 普通挡墙：按“单水准”进行抗震设计，即满足安全评估性能标准，要求挡墙在震后必须满足使用水准——有限，损伤水准——可修的性能要求，0.5%<位移指数δ≤3%。

(4) 按性能设计的挡墙应检算其在Ⅷ度区第二组(0.3 g)的安全系数，使其满足现行抗震规范要求。

3.4 基于性能抗震设计流程

为增强基于性能抗震设计的工程实用性，本文归纳了重力式挡墙基于性能的抗震设计流程(图6)：

图6 性能设计流程图Fig.6 Flow chart of the performance-based design

(1) 按工程类别将挡墙进行重要性分类，依据重要性及性能准则确定挡墙在地震作用下应达到的性能目标，根据性能目标确定墙体震后允许的位移指数。

(2) 按现行抗震设计规范对挡墙进行初步设计，计算墙体滑动及转动临界加速度(在地震作用下挡墙的抗滑或抗倾覆安全系数等于1时，即可求得滑动或转动临界加速度[13])，采用位移模型估算初始位移指数。

张建经等[14]在充分总结挡墙位移计算理论及试验的基础上建立地震位移估算模型，比较了振动台模型试验与既有滑移位移经验公式结果，提出Whitman和Liao均值拟合法[15]适合用于计算重力式挡土墙的震后滑移位移量：

(1)

当5.3≤M≤7.4时，峰值地震动速度Vm的计算参照Williamb.Joyner和Davidm.Boore的速度衰减模型[16]：

lgVm=-0.67+0.489M-lgγ-0.002 56r

(2)

(3)

式(1)～式(3)中：d为震后墙体滑移位移；Vm为地震峰值速度；km为峰值地震动加速度系数；kc为滑动临界加速度系数；M为地震震级；d1为震源深度，单位km；S=0为岩石场地，S=1为土质场地；P=0时预测误差为50%，P=1时预测误差为84%。

Zeng和Steedman转动块模型[17]虽能估算墙体转动位移，但其繁琐的计算过程降低了该模型应用于挡墙设计的效率，因此有必要对如何简化计算墙体转动位移开展进一步的研究。例如选取多条地震波，采用Zeng和Steedman模型计算挡墙转动位移，将转动位移与地运动参数拟合，得到合理的计算转动位移的经验公式。

(3) 按性能准则对初始位移指数进行评估。

(4) 调整初步设计，重复步骤(2)、(3)，直至墙体位移指数满足性能需求为止。

4 重力式挡墙基于性能的抗震设计算例

地震作用下，与计算挡墙转动位移相比，滑移位移的计算理论及方法相对成熟，而振动台模型试验也验证了Whitman和Liao均值拟合法计算滑移位移的合理性。因此，为便于计算，展现重力式挡墙基于性能抗震设计的优越性，本文假设挡墙在地震作用下只产生滑移位移(即具备足够的抗倾覆能力)。

基础设计资料：地震震级M=7，震源深度d1=15 km，预测误差为50%，抗震设防烈度为Ⅸ度。挡墙算例模型见图7。按《铁路工程抗震规范》抗震设计：抗滑动安全系数Kc=1.25>1.1，抗倾覆安全系数K0=2.15>1.3；墙体截面积22.4 m2。

图7 挡墙算例模型(单位：m)Fig.7 Retaining wall example model (unit：m)

4.1 按普通挡墙设计

功能评估地面运动(设计地震)为0.4 g，安全评估地面运动(罕遇地震)为0.64 g。挡墙设计满足安全评估标准下的性能准则：损伤标准——可修，使用标准——有限，0.5%<位移指数≤3.0%。

性能设计如下：

(1) 对规范设计的挡墙进行安全评估验算，计算墙体初始位移指数。

经计算，滑动临界加速度kc=0.235 g，初始位移指数为0.57%。按规范设计的挡墙位移指数虽满足安全评估标准下的性能准则，但从性能设计的角度出发，位移指数仍具备可提高的空间，也就是说挡墙设计偏于保守。因此，可通过调整墙体尺寸适当增大位移指数，使调整尺寸后的挡墙位移指数仍满足性能准则要求，最终达到经济适用的目的。

(2) 按性能准则对初始位移指数进行评估，调整墙体位移指数。

按性能设计调整后的墙身尺寸：墙顶宽1.5 m，面坡倾斜破率1∶0.2，墙体截面积18.4 m2(与规范设计相比，挡墙截面积减小17.86%)。经计算，滑动临界加速度kc=0.186 g，位移指数为1.16%(与规范设计相比，位移指数得到适当提高，且满足安全评估“单水准”下的性能准则要求)。

(3) 检算按性能设计的挡墙在设防烈度为Ⅷ度第二组(0.3 g)的安全系数。

经稳定性检算：抗滑动安全系数Kc=1.19>1.1，抗倾覆安全系数K0=1.88>1.3。

4.2 按重要挡墙设计

功能评估地面运动(设计地震)为0.4 g，安全评估地面运动(罕遇地震)为0.64 g，同时满足功能评估及安全评估性能标准。功能评估性能标准：要求挡墙在震后必须满足使用水准——立即，损伤水准——最小的性能要求，位移指数≤0.5%；安全评估性能标准：要求挡墙在震后必须满足使用水准——有限，损伤水准——可修的性能要求，0.5%<位移指数≤3%。

性能设计如下：

(1) 对规范设计的挡墙分别进行功能评估、安全评估验算，计算墙体初始位移指数。

经计算，功能评估初始位移指数为0.11%(满足位移指数≤0.5%)，安全评估初始位移指数为0.57%(满足0.5%<位移指数≤3%)，满足安全评估性能水准，从性能设计的角度出发，位移指数亦具备上调的空间。在地震作用下，与普通铁路相比，在满足路基抗震安全需求的同时，建设及运营标准较高的铁路(高速铁路、客运专线等)或修复困难的陡坡、深挖、高填路基更关注构造物抗震的功能需求。因此，墙体设计应按功能评估性能准则进行控制，按安全评估性能准则进行检算。

(2) 按性能准则对初始位移指数进行评估，调整墙体位移指数。

按性能设计调整后的墙身尺寸：墙顶宽1.7m，面坡倾斜坡度1∶0.2，墙背垂直，墙底水平，墙体截面积20 m2(与规范设计相比，挡墙截面积减小10.71%)。经计算，滑动临界加速度，功能评估位移指数为0.22%，安全评估位移指数为0.84%(与规范设计相比，位移指数得到适当提高，且满足功能评估、安全评估“双水准”下的性能准则要求)。

(3) 检算按性能设计的挡墙在设防烈度为Ⅷ度第二组(0.3 g)的安全系数。

稳定性验算：抗滑动安全系数Kc=1.27>1.1，抗倾覆安全系数K0=2.09>1.3。

4.3 基于性能抗震设计的工程应用建议

经前文所述，在设防烈度为Ⅸ度及以上的高烈度区进行挡墙抗震设计时，与现行规范设计方法相比，性能设计显示了经济节约、安全适用等优点，但其繁琐的设计流程仍给工程师们造成了很大不便，使其难以在工程实践中被大范围的推广及适用。因此，搜集有代表性的公路、铁路在高烈度区的挡墙设计实例，开展性能设计与规范设计的对比研究，绘制位移指数-安全系数关系图，将性能设计与规范设计联系起来。在性能设计时，按照性能准则→性能目标→位移指数→位移指数-安全系数关系图的步骤确定与拟定性能指标对应的安全系数，然后按照拟静力法进行抗震设计，未详尽的设计细节仍参照现行规范。该方法能大大提高效率，使基于性能抗震设计的工程应用得以实现。

5 结论

高烈度区重力式挡墙基于性能的抗震设计方法以现行抗震设计框架为基础，首次将“分级设防”理念应用在挡墙抗震设计中，实现了路基支挡构造物由基于力法向基于性能抗震设计理念的转变，经与规范设计对比，显示了基于性能抗震设计的优越性。本文主要结论如下：

(1) 在设防烈度为Ⅸ度及以上的高烈度区构建重力式挡墙基于性能的抗震设计方法，是实现基于性能的抗震设计在岩土工程构造物中应用及推广最可行的方案。

(2) 重力式挡墙基于性能的抗震设计准则：

①重要挡墙：按“双水准”进行抗震设计，同时满足功能评估及安全评估性能标准。功能评估性能标准：要求挡墙在震后必须满足使用水准——立即，损伤水准——最小的性能要求，位移指数δ≤0.5%。安全评估性能标准：要求挡墙在震后必须满足使用水准——有限，损伤水准——可修的性能要求，0.5%<位移指数δ≤3%。

②普通挡墙：按“单水准”进行抗震设计，即满足安全评估性能标准，要求挡墙在震后必须满足使用水准——有限，损伤水准——可修的性能要求，0.5%<位移指数δ≤3%。

③检算按性能设计的挡墙在Ⅷ度区第二组(0.3 g)的安全系数，使其满足现行抗震规范要求。

(3) 基于性能的抗震设计流程：

①按工程类别将挡墙进行重要性分类，依据重要性及性能准则确定挡墙在地震作用下应达到的性能目标，依据性能目标确定墙体震后允许的位移指数。

②按现行抗震规范对挡墙进行初步设计，计算初始位移指数。

③按性能准则对初始位移指数进行评估。

④调整初步设计，重复步骤②、③，直至墙体位移指数满足性能需求为止。

挡墙抗震性能不仅受地震烈度、线路与断裂带的关系、场地条件、地震波特性等外界因素影响，还与砌筑方式、墙体材料、墙体几何特性、填料性质等内部因素息息相关。这表明基于性能的抗震设计方法是一项系统工程，仍有大量的研究工作亟待开展。

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Performance-based Seismic Design of Gravity Retaining Walls in High Intensity Regions

HAN Peng-Fei， SUI Xiao-min

(GeologyandSubgradeDesignDepartmentofTheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCorporation，Tianjin300251，China)

In this paper，the core idea behind seismic performance-based design is first introduced.Based on a seismic damage survey of retaining walls，the research necessities of seismic performance-based design for gravity retaining walls in high seismic intensity areas are explained.For establishing a framework for seismic performance-based design methods，key technical problems of current specifications and seismic performance-based design methods are summarized.According to large-scale shaking Tabletests of retaining walls，conclusions about which displacement index can be used as a measure of the seismic performance of retaining walls are presented，along with the criteria and flows of seismic performance-based design methods.Through comparisons between seismic performance-based design methods and specifications of retaining wall examples，the advantages of seismic performance-based design methods are demonstrated.Finally，engineering application suggestions for seismic performance-based design of gravity retaining walls in high seismic intensity areas are proposed.

high seismic intensity area； performance-based design； gravity retaining wall； displacement index； performance criteria

2014-08-20

国家西部课题(200831800098)

韩鹏飞，男，工程师，主要从事铁路工程地质路基勘察设计及岩土工程抗震领域的工作与研究.E-mail：305904420@qq.com

TU352.11；TU476.+4

A

1000-0844(2015)02-0585-009

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0585