汶川地震對(duì)村鎮(zhèn)建筑地基破壞模式分析

唐益群，楊 奇，周 潔

（1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092）

2008年5月12日14時(shí)28分，以四川省汶川縣為震中的地區(qū)發(fā)生里氏8級(jí)大地震，造成大批的人員傷亡，給國(guó)家和人民帶來(lái)了巨大的損失.同時(shí)，由于這次強(qiáng)震能量大，波及面廣，在強(qiáng)震發(fā)生后，引發(fā)了大量的次生地質(zhì)災(zāi)害，給災(zāi)后重建帶來(lái)了極大的困難.這次強(qiáng)震源于由三條斷裂帶組成的龍門(mén)山斷裂帶，屬于逆沖型地震.在這場(chǎng)大地震中，由于房屋破壞嚴(yán)重而造成大批人員傷亡，因此如何從地震震害響應(yīng)和破壞機(jī)理入手，結(jié)合房屋震害的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，總結(jié)分析汶川地震中房屋建筑地基破壞程度的影響因素和主要破壞模式，是本文試圖要討論的問(wèn)題.

“5.12”汶川大地震受災(zāi)最嚴(yán)重的北川縣、青川縣與映秀同處于龍門(mén)山脈斷裂帶的中心位置（見(jiàn)圖1），也是地震后引發(fā)的滑坡、崩塌、泥石流、堰塞湖與地下水污染等次生地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生、發(fā)育的地區(qū).往往地震引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害造成的損失與地震本身造成的損失相比要慘重得多.Bird等［1］分析認(rèn)為由土體破壞帶來(lái)的地震損失很大程度上都?xì)w咎于次生災(zāi)害.

汶川這個(gè)地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境極為脆弱，巖性多以板巖、砂巖、片巖、灰?guī)r為主，巖體破碎，而且多表現(xiàn)為高山峽谷的地貌特征，地形切割大，人口又相對(duì)密集，當(dāng)?shù)鼐用穹课荽蠖嘟ㄔ谏介g盆地或者山坡上，這些因素是本次地震災(zāi)害造成損失極為慘重的主要原因.這些損失不僅由地震直接導(dǎo)致，而且是由于地震誘發(fā)的山體滑坡、崩塌、泥石流、堰塞湖［2-8］等次生地質(zhì)災(zāi)害所導(dǎo)致或加重的，同時(shí)，地下水體也面臨著受污染的危險(xiǎn).這些崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等災(zāi)害沿地震帶和極震區(qū)帶狀分布，規(guī)模之大、數(shù)量之多、造成損失之重，舉世罕見(jiàn)，是改變汶川地區(qū)山河面貌特征的主要因素.

圖1 龍門(mén)山斷裂帶（來(lái)源：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局）Fig.1 Fault zone of Longmen Mountain（From：China Geological Survey）

Xie等［9］以及 Han等［10］通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和區(qū)域歸類(lèi)，分析了汶川地震對(duì)橋梁基礎(chǔ)設(shè)施的破壞模式.但是都不考慮地基的作用，而僅僅單獨(dú)考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式的不同來(lái)分析地震對(duì)其破壞是不全面的.因?yàn)橥嗤Y(jié)構(gòu)形式的橋梁在不同的地基基礎(chǔ)上對(duì)地震的響應(yīng)是不同的，最終造成的破壞也會(huì)非常迥異.另外國(guó)外對(duì)地震破壞模式的分析也比較集中在構(gòu)筑物本身結(jié)構(gòu)上.Hanshimoto等［11］從鋼筋混凝土的屈曲和剪切角度出發(fā)，將支柱的破壞進(jìn)行分類(lèi)并提出了響應(yīng)的防護(hù)措施.Tokida等［12］通過(guò)地震災(zāi)害分類(lèi)，如滑坡、泥石流、橋梁破壞，以及道路交通封閉等，對(duì)地震災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其分類(lèi)并不是根據(jù)不同破壞機(jī)理來(lái)進(jìn)行，因此很難得出非常全面和完整的結(jié)果.

Kanamori［13］介紹了一種實(shí)時(shí)地震破壞減緩措施，它是指嚴(yán)重地震發(fā)生后，立即快速地確定其地震源參數(shù)，估計(jì)其地震強(qiáng)度的分布信息給不同的用戶(hù)，包括緊急服務(wù)系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、水電煤公司以及媒體和公眾等.這些及時(shí)信息將對(duì)減輕地震災(zāi)害帶來(lái)很大幫助.

因此，本文主要針對(duì)汶川地區(qū)的地震災(zāi)害，從地震震害響應(yīng)和破壞機(jī)理入手，結(jié)合房屋震害的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，總結(jié)分析了汶川地震中房屋建筑的主要破壞模式；基于土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的理念提出了地基分類(lèi)地震震害預(yù)防和緩解措施；同時(shí)從經(jīng)濟(jì)可行性的角度提出鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城區(qū)分型而治、分區(qū)預(yù)防的系統(tǒng)構(gòu)想.

1 汶川地震破壞程度的影響因素

該區(qū)是一個(gè)地震活動(dòng)頻繁的地區(qū)，根據(jù)四川省地震烈度分區(qū)圖，調(diào)查區(qū)地震基本烈度為Ⅵ～Ⅷ度區(qū)，屬地震強(qiáng)烈和鄰區(qū)強(qiáng)震波及區(qū).有關(guān)證據(jù)表明該區(qū)斷層至今仍在活動(dòng).

地層除缺失奧陶系外從元古界到第四系均有出露，總厚度達(dá)2萬(wàn)余米.

汶川強(qiáng)震地區(qū)巖體與第四系松散堆積物的分布特征，以及土-結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力相互作用構(gòu)成村鎮(zhèn)房屋建筑和地基的主要破壞模式.

1.1 建筑物的形式和材料對(duì)建筑結(jié)構(gòu)與房屋地基的影響

首先需要說(shuō)明的是，房屋地基土質(zhì)地軟硬不同對(duì)上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)有著明顯的影響，由于地基所處巖土質(zhì)地軟硬不同，上部框架的內(nèi)力發(fā)生了重分布，硬度大的地基，底層框架柱普遍加載，而軟地基，底層框架柱則普遍卸載，框架中的次應(yīng)力由低層向高層傳遞；地基由硬變軟基礎(chǔ)內(nèi)力同樣增大.所以，在不同地基上建造建筑物時(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮這些附加內(nèi)力所帶來(lái)的不利影響.一般構(gòu)筑物的分析會(huì)考慮目前經(jīng)常提到的土-結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力相互作用（soil-structure interaction）.這種地上地下一體化的設(shè)計(jì)思想在軟土地區(qū)已經(jīng)非常成熟，在汶川地區(qū)由于斷裂構(gòu)造非常發(fā)育，山體巖體破碎，坡積物、洪積物、沉積物等不同成因形成的土層相互交錯(cuò)，造成地基土不均性嚴(yán)重，對(duì)于分析汶川地震的震害，必須考慮房屋地基的類(lèi)型和分布.因此，非常有必要分析汶川地區(qū)地基與基礎(chǔ)還有上部結(jié)構(gòu)的共同作用對(duì)于震害影響的模式.

汶川地震的最大損失是房屋倒塌所致人員傷亡.該地區(qū)房屋結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要為多層砌體結(jié)構(gòu)、多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、底層框架結(jié)構(gòu)、單層工業(yè)廠(chǎng)房（單廠(chǎng)）以及建設(shè)年代較早的低矮民居等.多層砌體結(jié)構(gòu)房屋最多，占53.2%［14］；其次為底層框架建筑房屋，單層廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)數(shù)量最少.按照建筑用途分類(lèi)主要包括住宅、商業(yè)、商業(yè)和住宅兩用建筑、政府和醫(yī)療建筑、學(xué)校等教育用建筑，另外還有廠(chǎng)房和其他用途的建筑等，存在明顯的房屋結(jié)構(gòu)體系混亂，甚至還有很多簡(jiǎn)易木質(zhì)屋頂以及抗震構(gòu)造措施缺失等嚴(yán)重問(wèn)題，使得汶川地震震害響應(yīng)程度提高了很多.

地震中受災(zāi)最為嚴(yán)重的是磚混結(jié)構(gòu)的農(nóng)村民居［15］.近年富裕起來(lái)的農(nóng)民大量興建低層（2～3層）磚混結(jié)構(gòu)住宅.其豎向多為單磚墻（甚至為半磚墻或空斗墻），且墻體多數(shù)未設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱，樓層之間也不設(shè)封閉圈梁；水平向則為預(yù)制預(yù)應(yīng)力圓孔板浮擱在磚墻上形成樓板、屋蓋，也未采取加強(qiáng)整體性的連接構(gòu)造措施；甚至還有樓板出挑，形成懸挑陽(yáng)臺(tái).這種裝配式磚混結(jié)構(gòu)房屋多數(shù)未經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)、施工，多為鄉(xiāng)村工匠建造的農(nóng)民私有房屋.地震時(shí)多發(fā)生墻體傾覆，造成預(yù)制樓板脫落、斷裂而下墜，引發(fā)整體或局部倒塌.在重災(zāi)區(qū)，往往以這類(lèi)結(jié)構(gòu)形式建造房屋的整座村莊都被夷為平地，造成了巨大的人員傷亡（見(jiàn)圖2）.

圖2 非規(guī)范建造的磚混結(jié)構(gòu)房屋倒塌Fig.2 The collapsed masonry-concrete building in non-standard construction

其次就是村鎮(zhèn)地區(qū)教學(xué)樓和學(xué)生宿舍樓，90年代以前建筑多為裝配式樓蓋的多層磚混結(jié)構(gòu)房屋，倒塌的原因基本同前.而且由于教室的跨度更大、荷載更重、樓層更高、結(jié)構(gòu)體型更不穩(wěn)固、傳力途徑更單薄、連接構(gòu)造措施更缺失，因此在地震中更容易倒塌而造成重大傷亡（見(jiàn)圖3a，b）.

90年代前我國(guó)中小城市興建了許多磚混結(jié)構(gòu)裝配式樓蓋的多層住宅，其中有不少未經(jīng)正規(guī)的設(shè)計(jì)、施工，缺乏圈梁-構(gòu)造柱體系及配套的連接構(gòu)造措施.這些樓房往往在地震中嚴(yán)重受損或倒塌（見(jiàn)圖4）.另外一些抗震設(shè)計(jì)較差的框架結(jié)構(gòu)式住宅，缺乏剪力墻的抗震設(shè)計(jì)，遇到地震時(shí)梁或柱結(jié)構(gòu)斷裂受損非常嚴(yán)重（見(jiàn)圖5）.

1.2 地形、地貌與地層特征對(duì)地基穩(wěn)定性影響

整個(gè)地震區(qū)地勢(shì)西北部高，東南部低，跨成都平原與龍門(mén)山山區(qū)兩個(gè)不同的自然地理區(qū)域，高山、中山、低山、丘陵和平原呈階梯狀分布.區(qū)內(nèi)海拔最高與最低相差4000m左右，地形切割嚴(yán)重.區(qū)域內(nèi)的地貌特征，明顯地反映出受到地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造的控制（見(jiàn)圖6a，b），按其成因和形態(tài)可分為侵蝕堆積地貌、構(gòu)造侵蝕地貌和構(gòu)造侵蝕溶蝕地貌三大類(lèi)，這些不同的地形、地貌與地層特征、山體構(gòu)造帶在地震中對(duì)房屋地基穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響，分述如下：

1.2.1 侵蝕堆積地貌

主要為沖洪積、冰磧、冰水堆積平原，如都江堰東部地區(qū)由黃褐色粉砂質(zhì)土、黏質(zhì)砂土及砂卵石組成.當(dāng)發(fā)生地震作用時(shí)，此類(lèi)地形地貌地區(qū)的房屋地基在地震作用下都發(fā)生了不同程度的破壞，而且由于地下水埋深的問(wèn)題，此類(lèi)地層沒(méi)有給地基任何減震作用，同時(shí)松散的堆積土層，造成大部分農(nóng)村地區(qū)非均勻柔性地基，地震放大效應(yīng)很明顯（見(jiàn)圖7a）.

1.2.2 構(gòu)造侵蝕地貌

（1）褶皺低山

海拔高程在700～1000m左右，一般高差200～300m左右，局部形成丘狀低山，切割深度50～100m左右，山頂平緩，起伏不大.由三疊系、侏羅系、白堊系及第三系砂巖、泥巖、頁(yè)巖、礫巖組成.褶皺低山巖體破碎，泥巖、頁(yè)巖雨后容易崩解破碎，造成地基土出現(xiàn)節(jié)理分叉裂隙很多，不利于地基整體穩(wěn)定性.對(duì)于城區(qū)剛性基礎(chǔ)地基，地震時(shí)由于巖體松動(dòng)，容易造成地基局部?jī)A斜影響建筑的穩(wěn)定性.

（2）斷裂構(gòu)造中山

海拔高程在700～2100m左右，高差200～900 m左右，由震旦系、三疊系、侏羅系及白堊系的砂巖、泥巖、頁(yè)巖、礫巖組成.深切溝谷發(fā)育，坡陡坡長(zhǎng)，厚層砂巖及厚層礫巖常形成陡坎或陡崖，斜坡穩(wěn)定性較差，規(guī)模不大的崩塌、滑坡較發(fā)育，處于斷裂構(gòu)造部位有大型的滑坡或崩塌發(fā)生；支溝口常發(fā)育規(guī)模不等的洪積錐、泥石流扇等.斷裂構(gòu)造山體巖體破碎，基本處于無(wú)人區(qū)，是震后次生地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)密集區(qū).此區(qū)居民較少，山坡處建、構(gòu)筑物的地基基本都處于凌空似穩(wěn)定狀態(tài)，地震發(fā)生時(shí)由于巖體破碎、松動(dòng)，其上的建筑物或道路路基因整體失穩(wěn)而滑塌.圖7b顯示地震后誘發(fā)山體整體滑坡破壞公路路基.

（3）斷塊構(gòu)造高山

海拔高程在2000～4582m左右，高差1100～2000m左右，由花崗巖、閃長(zhǎng)巖、安山巖、凝灰?guī)r、安山玄武巖及部分變質(zhì)巖組成.由于地殼抬升強(qiáng)烈，高差大，常形成不對(duì)稱(chēng)“V”型谷，坡麓地段常形成巖屑坡積錐，局部坡面上有小型坡面泥石流，支溝支谷中時(shí)有泥石流（或水石流）發(fā)生，山高坡陡，巖土破碎，極易產(chǎn)生滑塌.此區(qū)居民很少，房屋分散，地震發(fā)生時(shí)，由于山體巖土破碎，山坡上的民居房屋基本都是隨著整體破碎的巖質(zhì)和土質(zhì)滑坡而破壞.

1.2.3 構(gòu)造侵蝕溶蝕地貌

海拔高程在800～1700m左右，高差400～700 m左右，由泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系下統(tǒng)的灰?guī)r組成.深切溝谷發(fā)育，斷崖峭壁常見(jiàn)，坡陡坡長(zhǎng)，一般斜坡穩(wěn)定性較好，坡腳有崩坡積，處于斷裂構(gòu)造破碎帶上，有滑坡或崩塌發(fā)生.溶蝕形態(tài)有：洼地、平臺(tái)、漏斗及落水洞、溶洞、峰叢等.該區(qū)的民居房屋地基在地震發(fā)生時(shí)由于下部很多溶洞塌陷而發(fā)生地基沉陷或在破碎帶容易發(fā)生房屋地基整體崩塌.

2 地震響應(yīng)和破壞機(jī)理以及對(duì)建筑結(jié)構(gòu)與地基穩(wěn)定性的影響

地震響應(yīng)因地基土的軟硬、斷層的分布、地貌的不同而有所不同，主要表現(xiàn)有地表斷層和隆起、液化和側(cè)向擴(kuò)張，以及滑坡、崩塌、泥石流、堰塞湖等.地表斷層和隆起主要分布在褶皺低山和斷裂構(gòu)造中山帶，地表地層破裂的高值區(qū)是地下破裂的最大靜態(tài)滑動(dòng)位移區(qū)在地表的響應(yīng).而液化和側(cè)向擴(kuò)張主要發(fā)生在鄉(xiāng)鎮(zhèn)沒(méi)有正規(guī)規(guī)劃的剛性地基基礎(chǔ)覆蓋地區(qū)，一般該區(qū)地處殘積礫、砂土層，基巖埋深較斷裂活動(dòng)中心帶要深，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，首先響應(yīng)的是房屋地基液化帶來(lái)的影響.

2.1 地表斷層和隆起與次生地質(zhì)災(zāi)害

地表地層破裂，是地表斷層位移的體現(xiàn)，一般在震級(jí)大于6級(jí)的地震中經(jīng)常發(fā)生.地表斷層破裂對(duì)建筑物以及重大工程設(shè)施具有毀滅性的作用.因此，在大多數(shù)情況下，一些重大公共項(xiàng)目，如天然氣、石油管道、埋藏水管等項(xiàng)目，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)要考慮一定的破裂位移量，以緩解地層位移造成的破壞.

四川汶川8級(jí)地震發(fā)生在我國(guó)南-北地震構(gòu)造帶的中段、青藏高原東緣的北東向龍門(mén)山斷裂帶上.地震后除地表破裂外［16-17］，還引發(fā)土體液化現(xiàn)象.地表破裂帶沿映秀-北川斷裂帶的走向斷續(xù)分布，破裂帶切割了多種類(lèi)型的地貌單元，包括基巖、河流階地、沖洪積扇、公路、橋梁等，同時(shí)也使道路路基發(fā)生彎曲與破壞、房屋地基的破壞與民居建筑的倒塌，以及橋梁垮塌或移位.

地表破裂位移量的影響因素有很多，包括震級(jí)、震源深度、斷層幾何構(gòu)造、地震破裂過(guò)程、近地表土壤性質(zhì)、斷層蠕變等，發(fā)生在鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村郊區(qū)，雖然對(duì)房屋破壞沒(méi)有造成直接明顯的結(jié)果，但是對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響卻很大，使得如滑坡、崩塌、泥石流、堰塞湖等潛在次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率提高了很多，大部分次生地質(zhì)災(zāi)害都是沿著地表斷層破裂帶發(fā)生（見(jiàn)圖8，9）.如果發(fā)生在城區(qū)住宅密集區(qū)，輕則房屋與地基裂縫頻生（見(jiàn)圖10a），重則地基破壞，房屋張裂倒塌（見(jiàn)圖10b）.

2.2 液化和側(cè)向擴(kuò)張與液化震害

地震時(shí)，由于瞬間突然受到巨大地震力的強(qiáng)烈作用，砂土層中的孔隙水來(lái)不及排出，孔隙水壓力突然升高，致使砂土層突然呈現(xiàn)出液態(tài)的物理形態(tài)，導(dǎo)致地基承載力大大下降，使地面建筑物地基在形成的流沙中下沉，產(chǎn)生極大的破壞.一般認(rèn)為，地震時(shí)的噴砂冒水現(xiàn)象，也是埋在地下的砂土層產(chǎn)生液化的結(jié)果.

本次地震中某些地區(qū)噴水冒砂、地表裂縫、地面沉降等液化宏觀(guān)現(xiàn)象普遍，同時(shí)液化也對(duì)農(nóng)田、公路、橋梁、居民住宅、工廠(chǎng)、學(xué)校等造成了不少破壞，一些房屋建筑、學(xué)校教學(xué)樓、廠(chǎng)房和水井等因液化而廢棄.

據(jù)曹振中等［18］在震后的統(tǒng)計(jì)調(diào)查和研究，目前在成都、德陽(yáng)、綿陽(yáng)、眉山、樂(lè)山、遂寧及雅安等七個(gè)地區(qū)中已有118個(gè)液化點(diǎn)（帶）被發(fā)現(xiàn)，涉及長(zhǎng)約500 km、寬約200km的區(qū)域，但分布很不均勻，液化集中在長(zhǎng)約160km、寬約60km的長(zhǎng)方形區(qū)域內(nèi).

侯龍清等［19］通過(guò)各液化調(diào)查點(diǎn)的液化情況與地層關(guān)系的分析，發(fā)現(xiàn)與液化發(fā)生有直接關(guān)系的地層為全新統(tǒng)層，該層下部為礫石層，頂部為砂層.

另外曹振中等［20］又分析了不同地區(qū)的液化震害分布與砂土液化的條件.

因此，液化震害分布與液化分布有一定關(guān)系，但兩者有所不同，液化分布和液化震害不能等同而語(yǔ)，液化等級(jí)高的地區(qū)液化震害不一定最嚴(yán)重，這和當(dāng)?shù)氐匦?、地質(zhì)構(gòu)造、地貌形態(tài)以及周?chē)ㄖ锏鼗问矫芮邢嚓P(guān).

對(duì)于汶川地震，地震液化主要發(fā)生在農(nóng)村地區(qū)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)像日本新瀉地震那樣整棟大樓因液化而整體下沉、傾覆的現(xiàn)象.液化伴隨地裂縫導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，幾乎所有液化場(chǎng)地均伴隨地裂縫，這與成都平原地層分布不均勻密切相關(guān).同時(shí)液化伴隨地裂縫幾乎使所有液化震害被加重，我國(guó)的通海地震、海城地震、唐山地震中，都有液化減輕上部結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象［21］，特別是在海城地震中，群眾中普遍有 “濕震不重，干震重”，即有很多實(shí)例說(shuō)明發(fā)生液化的地方，建筑物破壞反而相對(duì)較輕，到目前為止汶川地區(qū)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)液化減震實(shí)例，只要液化出現(xiàn)的地方，震害均比周?chē)?這和汶川的地形和房屋建筑分布有很大關(guān)系.液化減震是由于場(chǎng)地一旦發(fā)生液化，一方面固然會(huì)造成上述各種震害，但另一方面也會(huì)使地震波到達(dá)地面后能量減弱，這是因?yàn)橐夯瘜訉?duì)剪切波自下而上的傳遞起一定的阻隔作用，并且由于液化與相隨的噴水冒砂消耗比較多的能量，使分配到地面運(yùn)動(dòng)的能量減少，從而縮短地面運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)歷時(shí).很重要一點(diǎn)就是液化減震作用在基礎(chǔ)密集處體現(xiàn)明顯，因?yàn)閯傂栽酱螅夯瘜訉?duì)剪切波的減弱程度就明顯.但是汶川地震由于地層分布和建筑物的分布，使得液化區(qū)和液化震害區(qū)并不同一，液化減震就更加不明顯了，反而液化所相隨的地裂縫等對(duì)后期地質(zhì)災(zāi)害起到了誘發(fā)作用.

2.3 滑坡、崩塌、泥石流、堰塞湖［2-8］等次生地質(zhì)災(zāi)害的破壞影響

汶川強(qiáng)震發(fā)生期間，在地質(zhì)環(huán)境脆弱的中-高山區(qū)地震觸發(fā)了大量的滑坡、崩塌等次生地質(zhì)災(zāi)害，大量的滑坡把山體“剃”成了“癩子頭”，破碎斑駁.據(jù)成都理工大學(xué)黃潤(rùn)秋教授估計(jì)，地震誘發(fā)不同規(guī)模的滑坡、崩塌，滑坡最少有3萬(wàn)處，公路2／3是由于地質(zhì)災(zāi)害損壞的，山區(qū)房屋的損毀約1／3是滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害所致.根據(jù)災(zāi)后的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，災(zāi)區(qū)主要的次生地質(zhì)災(zāi)害有滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡、泥石流、堰塞湖等地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型.

在地震災(zāi)區(qū)的滑坡數(shù)量眾多，種類(lèi)齊全，規(guī)模大小不等.具體有以下幾種形式：順層滑坡（沿層面或結(jié)構(gòu)面）、切層滑動(dòng)、均質(zhì)滑坡（多為覆蓋層滑坡）.其中規(guī)模較大的滑坡往往是順層滑坡.

地震引起山體松動(dòng)有時(shí)伴隨著降雨引發(fā)泥石流，往往給人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成危害.泥石流沖進(jìn)鄉(xiāng)村，摧毀村鎮(zhèn)住宅，淹沒(méi)人畜，毀壞土地，殃及人民生命；泥石流可以在毫無(wú)征兆的情況下發(fā)生，能夠?qū)ζ溥\(yùn)動(dòng)路徑上的物體施加巨大的沖擊荷載.即使小型泥石流也可以剝蝕植被，阻塞排水通道，破壞房屋住宅，危及人類(lèi)生命.

地震后引發(fā)的大量不穩(wěn)定邊坡如定時(shí)炸彈，如不及時(shí)處理，隨時(shí)還有失穩(wěn)的危險(xiǎn).大量的崩滑體為后續(xù)的災(zāi)害創(chuàng)造了條件，植被的破壞為雨水的入滲提供了條件，同時(shí)使巖體的本身穩(wěn)定性也降低了許多.地震后堆積于溝谷、坡角的土石體，為大規(guī)模的泥石流發(fā)生創(chuàng)造了條件.地震引發(fā)山體崩塌，滑體在狹窄的溝谷中堵江，形成了大大小小的堰塞湖，這些天然堤壩是否經(jīng)得起考驗(yàn)，特別是雨季是否會(huì)發(fā)生潰壩，其后果是不堪設(shè)想的.地震引發(fā)山體滑塌后的堆積體，本身是個(gè)極限平衡體，處理不當(dāng)會(huì)再次發(fā)生坍滑.

滑坡、泥石流、堰塞湖［2-8］等次生地質(zhì)災(zāi)害對(duì)房屋的破壞影響是顯而易見(jiàn)的.規(guī)模小的，破壞房屋地基或單棟房屋屋毀人亡，規(guī)模大的，淹埋整個(gè)村莊.因此，在地震發(fā)生后必須高度重視由其引發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害，做好有關(guān)防范工作.

3 汶川地震對(duì)建筑地基破壞模式分析

土-結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力相互作用（soil-structure interaction）是指震源引起的地震波通過(guò)場(chǎng)地土的傳播輸入到結(jié)構(gòu)體系，使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，同時(shí)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生慣性力如同新震源又反過(guò)來(lái)作用于場(chǎng)地，引起新的場(chǎng)地振動(dòng)再作用于結(jié)構(gòu)體系.土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用一般包含兩個(gè)方面：一是剛體運(yùn)動(dòng)相互作用忽略上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量時(shí)，土體在地振動(dòng)作用下的運(yùn)動(dòng).對(duì)明置基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，該運(yùn)動(dòng)為自由場(chǎng)反應(yīng)的結(jié)果；對(duì)埋置剛性基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，該運(yùn)動(dòng)為開(kāi)挖后土體的運(yùn)動(dòng)；對(duì)埋置柔性基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，該運(yùn)動(dòng)計(jì)算較復(fù)雜.二是慣性相互作用，即作用在結(jié)構(gòu)上的慣性力使土體產(chǎn)生變形，進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng).慣性相互作用部分的荷載為剛性運(yùn)動(dòng)相互作用的結(jié)果.在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)和與基礎(chǔ)相鄰的地基土?xí)M(jìn)入塑性狀態(tài)，而結(jié)構(gòu)和地基接觸面上可能發(fā)生提離、滑移現(xiàn)象.彈塑性狀態(tài)下地基與結(jié)構(gòu)相互作用動(dòng)力特性的不同導(dǎo)致了汶川地震房屋建筑與地基破壞模式的不同.

根據(jù)第2節(jié)地震響應(yīng)的分析可以把汶川地震區(qū)的城區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)地基基礎(chǔ)相應(yīng)劃分為剛性地基區(qū)和柔性地基區(qū)，同時(shí)根據(jù)地表以下地基土的分布和上部建筑物構(gòu)造的區(qū)分，城區(qū)主要分布在沖、洪積物堆積的盆地，由黃褐色粉砂質(zhì)土、黏質(zhì)砂土及砂卵石組成，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)主要分布在褶皺低山和斷裂構(gòu)造中山地帶.從土-結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力相互作用角度分析，城區(qū)房屋建筑密集區(qū)，基礎(chǔ)部分可視為剛性連接，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的地基基礎(chǔ)連接則應(yīng)為柔性連接（文獻(xiàn)［22-24］中明確寫(xiě)明農(nóng)村磚混房屋都沒(méi)有設(shè)置正規(guī)基礎(chǔ)，直接和地基相連，可謂100%柔性連接），在上部結(jié)構(gòu)共同作用下，基礎(chǔ)剛度的增大會(huì)導(dǎo)致地基土中附加應(yīng)力擴(kuò)散在基礎(chǔ)下面地基中的程度.往往在基礎(chǔ)和地基某一深度處會(huì)存在一道應(yīng)力比較大的“應(yīng)力拱”，尤其是基礎(chǔ)由柔性基礎(chǔ)轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂曰A(chǔ)，基礎(chǔ)邊緣受力最大，基礎(chǔ)中心受力最小，形成應(yīng)力擴(kuò)散現(xiàn)象.當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，剛性連接對(duì)地震的響應(yīng)最直接反映在上部建、構(gòu)筑物上.而柔性連接對(duì)地震的響應(yīng)有減震作用，但由于地下斷層構(gòu)造的影響，次生地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，使得城區(qū)房屋密集建筑區(qū)主要以建筑結(jié)構(gòu)破壞的災(zāi)害為主，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要是次生地質(zhì)災(zāi)害，如滑坡、泥石流等帶來(lái)的各種人員、經(jīng)濟(jì)損失為主.

3.1 城區(qū)房屋建筑密集區(qū)地震時(shí)剛性地基與上部結(jié)構(gòu)震害分析

城區(qū)主要分布在沖、洪積物堆積盆地，海拔高程在800～1700m左右，高差400～700m左右，由泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系下統(tǒng)的灰?guī)r組成.根據(jù)地質(zhì)資料分析此區(qū)基巖埋深較淺，屬于硬性地基土，剛性基礎(chǔ)連接.地震破壞模式以房屋震害為主.

在剛性地基區(qū)，地震時(shí)土體與上部結(jié)構(gòu)是相互作用的.地震時(shí)，結(jié)構(gòu)受到地基傳來(lái)的地震波影響產(chǎn)生地震作用，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析時(shí)，一般都假定地基是剛性的，實(shí)際上地基并非為剛性，故當(dāng)上部的地震作用通過(guò)基礎(chǔ)反饋給地基時(shí)，地基將產(chǎn)生局部變形，從而引起結(jié)構(gòu)的移動(dòng)和擺動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為地基與結(jié)構(gòu)的相互作用.

地震是橫縱波同時(shí)出現(xiàn)，所以地基與結(jié)構(gòu)同時(shí)存在著剪力和軸力兩種荷載，基礎(chǔ)的強(qiáng)度可以保證整個(gè)建筑物在地震中的安全性.

汶川地震的最大損失是房屋倒塌所致人員傷亡.財(cái)產(chǎn)的損失可以由人的勞動(dòng)重新創(chuàng)造，而人的脆弱生命一旦消逝就再也不能復(fù)生.汶川地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要包括多層砌體結(jié)構(gòu)、多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、低層框架結(jié)構(gòu)、單層工業(yè)廠(chǎng)房（單廠(chǎng)）以及建設(shè)年代較早的低矮民居等.城區(qū)震害中各類(lèi)房屋倒塌最多的有多層磚混結(jié)構(gòu)住宅、低層框架結(jié)構(gòu)房屋、多層現(xiàn)澆純框架房屋和大跨工業(yè)廠(chǎng)房.從倒塌現(xiàn)場(chǎng)分析可得：

建筑結(jié)構(gòu)方案存在缺陷［25-26］：?jiǎn)为?dú)大跨布置，結(jié)構(gòu)剛度不勻，質(zhì)量分布頭重腳輕，體型曲折蜂腰瓶頸，底層端角構(gòu)件軟弱，豎向構(gòu)件抗側(cè)力能力差，缺乏分縫控制倒塌范圍.連接構(gòu)造存在缺陷：構(gòu)件間連接薄弱、預(yù)制-裝配節(jié)點(diǎn)缺陷、砌體缺乏圍箍 約束、各類(lèi)結(jié)構(gòu)（鋼、砌體、混凝土）匹配不良、預(yù)制構(gòu)件浮置、箍筋薄弱、預(yù)埋件不牢.材料性能不良：鋼筋及混凝土強(qiáng)度不足，脆性砌體未采取改善性能的措施，冷加工鋼筋（冷軋帶肋、冷軋扭、冷拔絲）脆斷，致使構(gòu)件變形能力差而折斷解體.

城區(qū)房屋破壞基本都屬于剛性基礎(chǔ)應(yīng)力集中導(dǎo)致的房屋裂縫破裂和倒塌，主要破裂點(diǎn)基本都發(fā)生在建筑一層靠近基礎(chǔ)1m內(nèi)，屬于梁柱構(gòu)建震害現(xiàn)象，也有房屋屬部分樓層垮塌型，但是總體上都屬于剛性破壞.汶川地震中位于重災(zāi)區(qū)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的梁柱破壞極為普遍，柱子的破壞在柱頂、柱身、柱底等部位都有發(fā)生，有些柱出現(xiàn)水平裂縫或斜裂縫、局部鋼筋保護(hù)層脫落主筋外露，有些出現(xiàn)混凝土脫落、壓碎、壓酥、主筋壓曲外露、箍筋崩落等破壞現(xiàn)象.現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)有些破壞的框架柱的箍筋設(shè)置存在嚴(yán)重缺陷，箍筋間距過(guò)大和箍筋過(guò)細(xì)，不少混凝土骨料基本都是大直徑卵石，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度無(wú)法保證，在往復(fù)荷載作用下強(qiáng)度和變形能力更差，有些梁的端部出現(xiàn)近45°的斜裂縫及交叉剪切裂縫.

3.2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)次生災(zāi)害集中區(qū)地震時(shí)柔性地基與上部結(jié)構(gòu)震害分析

汶川鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要海拔高程在700～1000m左右，一般高差200～300m左右，局部形成丘狀低山，切割深度50～100m左右，山頂平緩，起伏不大.由三疊系、侏羅系、白堊系及第三系砂巖、泥巖、頁(yè)巖、礫巖組成；同時(shí)部分屬于斷裂構(gòu)造山帶，深切溝谷發(fā)育，坡陡坡長(zhǎng)，厚層砂巖及厚層礫巖常形成陡坎或陡崖，斜坡穩(wěn)定性較差，規(guī)模不大的崩塌、滑坡較發(fā)育，處于斷裂構(gòu)造部位有大型的滑坡或崩塌發(fā)生；支溝口常發(fā)育規(guī)模不等的洪積錐、泥石流扇等，部分地區(qū)海拔高程在2000～4582m左右，高差1100～2000m左右，由花崗巖、閃長(zhǎng)巖、安山巖、凝灰?guī)r、安山玄武巖及部分變質(zhì)巖組成.由于地殼抬升強(qiáng)烈，高差大，常形成不對(duì)稱(chēng)“V”型谷，坡麓地段常形成巖屑坡積錐.

該地區(qū)大部分面積上分布有侵蝕地貌堆積物，地基土主要為松散的礫、砂層夾少量黏性土堆積物，地震發(fā)生時(shí)導(dǎo)致松散的礫、砂層建筑地基破壞，公路滑塌，隧、橋倒塌，同時(shí)誘發(fā)多種次生地質(zhì)災(zāi)害.由于該地區(qū)的基礎(chǔ)連接為柔性連接，上部構(gòu)筑物剛度不大，基本都屬于整體倒塌型，即為發(fā)生破壞性裂縫之前就已經(jīng)由于地基的破壞而產(chǎn)生整體倒塌破壞（見(jiàn)圖11）.

圖11 殘積層上整體倒塌破壞的建筑物Fig.11 The integer collapse of construction in eluvium soils

震害模式主要是地震次生地質(zhì)災(zāi)害造成的，包括滑坡、崩塌、泥石流、堰塞湖等.鄉(xiāng)鎮(zhèn)震害嚴(yán)重的地區(qū)房屋多為磚混結(jié)構(gòu)的農(nóng)村民居、90年代以前的村鎮(zhèn)地區(qū)教學(xué)樓等.該類(lèi)建筑群大部分都沒(méi)有正規(guī)施工的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，地震發(fā)生時(shí)，主要破壞模式屬于房屋整體垮塌型，和傳言的“豆腐渣工程”其實(shí)沒(méi)有很大的關(guān)系.由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的地形地貌背景，地震容易誘發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害且災(zāi)害多發(fā).沒(méi)有基礎(chǔ)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)磚混結(jié)構(gòu)房屋，還有木頂蓋的單砌房屋，破壞程度直接由下部地基和房屋所在位置的地形來(lái)決定.

4 汶川地震各破壞模式的防治措施

結(jié)合野外次生地質(zhì)災(zāi)害和現(xiàn)場(chǎng)房屋震害的詳細(xì)調(diào)研，從地震響應(yīng)和破壞機(jī)理入手，分析了地震破壞程度的影響因素，總結(jié)出汶川地震中房屋建筑的主要破壞模式分為兩種：一種是城區(qū)房屋結(jié)構(gòu)的梁柱剛性破壞，另一種就是鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)次生地質(zhì)災(zāi)害過(guò)程中的整體倒塌破壞（包括液化區(qū)）.前面一種屬于剛性地基區(qū)的結(jié)構(gòu)性破壞，可以根據(jù)改進(jìn)房屋結(jié)構(gòu)性和整體剛度協(xié)調(diào)性來(lái)提高城區(qū)房屋抗震性能.后一種屬于柔性地基區(qū)地震震害，從震害房屋本身來(lái)改造功效不大，而且在鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)從經(jīng)濟(jì)可行性來(lái)說(shuō)也不合適，花錢(qián)不得力，對(duì)于此種情況主要從防護(hù)方面來(lái)考慮比較有效，如采用一些柔性防護(hù)系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)而簡(jiǎn)單，因?yàn)榇紊卣馂?zāi)害很大程度上無(wú)法避免，但是采取一些相應(yīng)的防護(hù)系統(tǒng)，對(duì)地震震害的減輕有很大的改善.如早期的鋼絲繩網(wǎng)系統(tǒng)（因山體上的錨桿布置施工困難，無(wú)法恰到好處地發(fā)揮作用），可以采用鋼絲繩錨桿改善這一點(diǎn).一般采用柔性防護(hù)系統(tǒng)的目標(biāo)在于提高防護(hù)能力，減少材料消耗，提高施工速度和降低維護(hù)需求，如泥石流柔性壩.總之，城區(qū)防護(hù)宗旨是以剛性防護(hù)為主，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)震害防護(hù)措施則是以柔性防護(hù)為主.

5 結(jié)論

（1）房屋地基類(lèi)型的不同是導(dǎo)致汶川地震過(guò)程中不同構(gòu)筑物破壞模式的最根本原因.

（2）次生地質(zhì)災(zāi)害是震后防治的關(guān)鍵所在.

（3）汶川地震中房屋建筑的主要破壞模式歸結(jié)分為兩種：一種是城區(qū)也是剛性連接區(qū)結(jié)構(gòu)的梁柱剛性破壞；另一種就是鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)也是柔性連接區(qū)的次生地質(zhì)災(zāi)害過(guò)程中的整體倒塌破壞（包括液化區(qū)）.

（4）根據(jù)破壞模式的不同需采取剛性防護(hù)和柔性防護(hù)系統(tǒng)措施的分區(qū)防治理念方可達(dá)到防治效果最大化.

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