尼泊爾8.1級(jí)地震加德滿都—樟木沿線民居震害調(diào)查與分析

潘毅+王忠凱+時(shí)勝杰+袁雙

摘 要：為了分析尼泊爾地震中山區(qū)公路沿線自建民居的震害，在對(duì)加德滿都-樟木口岸公路沿線民居震害調(diào)查的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)自建民居的特點(diǎn)，按照地震直接災(zāi)害和次生災(zāi)害，總結(jié)了這2種自建民居結(jié)構(gòu)的震害特征，給出了其地震破壞比例.框架結(jié)構(gòu)基本完好的比例是砌體結(jié)構(gòu)的3倍多，而中等破壞、嚴(yán)重破壞和毀壞的比例約為砌體結(jié)構(gòu)的1/2.根據(jù)震害調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析，得到以下結(jié)論：自建框架結(jié)構(gòu)雖未經(jīng)過正規(guī)設(shè)計(jì)，不滿足尼泊爾建筑規(guī)范的相關(guān)要求，施工質(zhì)量也比較欠缺，但破壞程度小于自建砌體結(jié)構(gòu)；隨公路海拔的升高，沿線民居的震害程度有加重的趨勢(shì)；山區(qū)地震導(dǎo)致的次生災(zāi)害對(duì)沿線民居建筑的破壞比較嚴(yán)重.

關(guān)鍵詞：尼泊爾地震；震害調(diào)查；公路；框架結(jié)構(gòu)；砌體結(jié)構(gòu)；地震次生災(zāi)害；掉層結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：P315；TU362；TU375文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In order to analyze the seismic damages of the owner-built dwellings along mountainous highway in Nepal earthquake sequence， field investigation was performed along the highway from Kathmandu to Zhangmu port. Firstly， the structural characteristics of reinforced concrete （RC） frames and masonry structures in Nepal were described. Then， the characteristics of the seismic damages of the two types of residential structures were summarized， and the damage ratios of the structures were provided according to the direct disasters and secondary disasters. The proportion of basic intact of RC frame structures is over three times that of masonry structures， but the proportion of moderate and serious damages and destruction of RC frame structures is about a half of that of masonry structures. Based on the damage investigation and statistical analysis， it is concluded that many owner-built RC frame structures are not properly designed as the requirements of the building codes of Nepal， and their construction quality is poor， but the damage degree of the RC frame structures is much less than that of the masonry structures. Moreover， as the elevation increases along the highway， the seismic damage of the dwellings has a tendency of increase. Finally， secondary disasters resulted from the earthquake aggravated the seismic damage of dwellings.

Key words：Gorkha earthquake； seismic damage investigation； highway； frame structure； masonry structure；secondary disasters of earthquake； structures supported on stepped foundations

尼泊爾地處喜馬拉雅山脈南麓，位于地中海-喜馬拉雅地震帶上.由于印度板塊以每年25～30 cm的速度向亞歐板塊下俯沖[1]，引起2個(gè)板塊的擠壓和應(yīng)力集中，導(dǎo)致該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，是世界上最危險(xiǎn)的地震多發(fā)地帶之一.2015年4月25日當(dāng)?shù)貢r(shí)間11時(shí)56分，尼泊爾加德滿都西北方向約80 km處廓爾喀（Gorkha）發(fā)生Ms 8.1級(jí)地震，震源深度約20 km[2].主震發(fā)生后，又陸續(xù)發(fā)生多次強(qiáng)余震，如圖1所示.根據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心的數(shù)據(jù)，截至5月31日，共發(fā)生5級(jí)以上余震8次，其中7級(jí)以上3次，見表1.尼泊爾主余震共造成8 902人死亡，23 000多人受傷，近30萬人受災(zāi)[3].

尼泊爾地震發(fā)生后，作者受邀趕赴地震災(zāi)區(qū)，與尼泊爾方面的人員一道開展了建筑物的震害調(diào)查工作.震害調(diào)查工作沿尼泊爾加德滿都到我國樟木口岸的公路開展，行程約100 km，對(duì)公路沿線民居的結(jié)構(gòu)形式和震害特征進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì).這條公路是我國對(duì)尼泊爾進(jìn)行貿(mào)易和提供災(zāi)后援助的主要通道.加德滿都到刀拉爾卡特一段基本為谷地，公路比較平緩；自刀拉爾卡特始，公路進(jìn)入山區(qū).按照公路海拔高度和調(diào)查區(qū)域民居的實(shí)際分布情況，將刀拉爾卡特-樟木口岸的公路大致分為5個(gè)路段，如圖1所示.

本文對(duì)公路沿線民居的主要結(jié)構(gòu)形式做了說明，按照地震直接災(zāi)害和次生災(zāi)害2個(gè)方面，分析了尼泊爾獨(dú)特的框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的震害特征和破壞原因，并以我國《建（構(gòu)）筑物地震破壞等級(jí)劃分》（GB/T 24335—2009）[4]為依據(jù)，對(duì)民居房屋的地震破壞等級(jí)進(jìn)行了劃分和統(tǒng)計(jì)，以期為尼泊爾的災(zāi)后重建和地震災(zāi)害防治提供參考.

1 沿線民居主要結(jié)構(gòu)

公路沿線的村鎮(zhèn)民居主要為框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)，其中框架結(jié)構(gòu)約占62%，砌體結(jié)構(gòu)約占38%.其中，鎮(zhèn)上的民居多為框架結(jié)構(gòu)，村里的民居多為砌體結(jié)構(gòu).框架結(jié)構(gòu)為居民自建的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，具有層數(shù)少、跨度小、梁柱截面小和掉層結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)；而砌體結(jié)構(gòu)按照材料不同，大致分為片石砌體結(jié)構(gòu)、燒結(jié)普通磚砌體結(jié)構(gòu)、片石與燒結(jié)普通磚的混合砌體結(jié)構(gòu)，具有取材易、造價(jià)低、層數(shù)少、跨度小、墻體厚和強(qiáng)度低等特點(diǎn).

1.1 框架結(jié)構(gòu)

自20世紀(jì)80年代以來，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在尼泊爾得到了大力推廣，但超過90%的框架結(jié)構(gòu)為居民自建，沒有按照尼泊爾建筑設(shè)計(jì)規(guī)范《NBC-205：2012》進(jìn)行設(shè)計(jì)[5].根據(jù)文獻(xiàn)[1]和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，公路沿線的居民自建框架結(jié)構(gòu)一般多為2～3層，一般層高3 m，柱距為3～4 m.梁截面一般為230 mm×325 mm，上、下各配3根直徑為12 mm的鋼筋；柱截面一般為230 mm×230 mm，配6根直徑為12 mm的鋼筋；樓板一般為現(xiàn)澆，其厚度為115 mm，外墻和臨近樓梯的墻厚為230 mm，其他的隔墻厚為115 mm，如圖2所示.混凝土的抗壓強(qiáng)度約為20 MPa，鋼筋的屈服強(qiáng)度約為415 MPa.這種自建框架結(jié)構(gòu)不滿足尼泊爾建筑設(shè)計(jì)規(guī)范《NBC-205：2012》[5]中規(guī)定的“柱截面最小為300 mm×300 mm或者大于梁寬75 mm”的最低要求，也不滿足我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）[6]中梁柱截面尺寸和配筋率的最低要求.此外，自建框架結(jié)構(gòu)的混凝土澆筑質(zhì)量比較差，在梁柱節(jié)點(diǎn)及其周邊區(qū)域等關(guān)鍵部位有明顯的施工缺陷.很多自建框架結(jié)構(gòu)的頂部預(yù)留有懸臂柱，柱端留有長(zhǎng)度不等的縱筋，便于以后加層時(shí)鋼筋搭接，且對(duì)裸露在外的縱筋未采取任何保護(hù)措施.

由于公路沿線多為山地，存在大量依山而建的民居.例如，沿路1層、背路3層、局部2層，如圖2所示.這些民居的一個(gè)顯著特點(diǎn)為掉層結(jié)構(gòu)，即在同一單元內(nèi)有上、下2個(gè)不在同一平面的嵌固端，并根據(jù)上、下接地面高差設(shè)置樓層的結(jié)構(gòu)[7]，如圖3所示.

1.2 砌體結(jié)構(gòu)

1.2.1 片石砌體結(jié)構(gòu)

片狀石材是尼泊爾山區(qū)最容易獲得的天然材料，這些石材形狀不規(guī)則，大小不一，強(qiáng)度較低.在砌筑時(shí)，片石之間使用泥灰作為黏結(jié)材料，或不使用黏結(jié)材料，墻厚約40～50 cm，墻上的門窗洞口較小，約為1 m.片石砌體結(jié)構(gòu)多為1～2層，層高約為2 m，樓面為木樓蓋，屋面為木屋架和鐵皮波紋板，如圖4所示.由于墻體較重且剛度較大，承擔(dān)地震作用較大，而結(jié)構(gòu)的整體性較弱，其抗震能力較差.

1.2.2 燒結(jié)普通磚砌體結(jié)構(gòu)

公路沿線的一些較富裕地區(qū)，砌體結(jié)構(gòu)則多采用燒結(jié)普通磚作為砌筑材料，使用泥灰或者水泥砂漿作為黏結(jié)材料，如圖5所示.燒結(jié)普通磚砌體結(jié)構(gòu)多為2～4層，層高一般約為3 m，墻厚一般為23 cm，采用現(xiàn)澆的樓板和屋面，通常設(shè)置有圈梁.由于這種結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量和整體性較好，其抗震能力較其他類型的砌體結(jié)構(gòu)強(qiáng).

1.2.3 混合砌體結(jié)構(gòu)

混合砌體結(jié)構(gòu)是一種同時(shí)采用片狀石材和燒結(jié)普通磚作為砌筑材料的結(jié)構(gòu)，通常第一層采用片石，而第二層采用老舊的燒結(jié)普通磚，如圖6所示.混合砌體結(jié)構(gòu)一般為2～3層，層高一般為3 m，墻厚為30～50 cm，樓面為木樓蓋或混凝土樓蓋，屋面為木屋架和鐵皮波紋板，多數(shù)房屋設(shè)置有圈梁.該結(jié)構(gòu)的抗震性能介于片石砌體結(jié)構(gòu)和燒結(jié)普通磚砌體結(jié)構(gòu)之間.

2 地震直接災(zāi)害

2.1 框架結(jié)構(gòu)的震害特征

1）倒塌：公路沿線調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在此次尼泊爾地震中有部分框架結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌，如圖7所示.

公路沿線的框架結(jié)構(gòu)沿山坡修建，多為掉層結(jié)構(gòu).由于掉層結(jié)構(gòu)存在上、下2個(gè)不同的接地面，上接地樓層柱受到上接地面的約束，導(dǎo)致其具有更大的側(cè)向剛度，承擔(dān)更大的水平地震作用[8].因此在強(qiáng)震作用下，上接地樓層柱根部易先發(fā)生破壞，造成結(jié)構(gòu)倒塌.同時(shí)，邊坡在地震作用下可能發(fā)生變形.即使邊坡發(fā)生微小變形時(shí)，在掉層框架結(jié)構(gòu)中亦會(huì)產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，邊坡變形引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力主要位于上接地第二層及以下各層，其中上接地第一層接地處梁和柱的內(nèi)力最大[9].調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，陡坡的掉層框架結(jié)構(gòu)倒塌概率要高于緩坡的.

2）框架柱破壞：由于自建框架結(jié)構(gòu)的梁、柱截面相差不大，且配筋基本相同，震后框架梁、節(jié)點(diǎn)的破壞較輕，震害主要集中在框架柱，其主要震害特征有柱端的彎剪破壞、短柱的剪切破壞等.地震中，框架柱端的混凝土被壓碎或崩落，柱縱筋被壓彎或呈燈籠狀外鼓，如圖8（a）（b）所示.由于填充墻和門窗洞口的布置導(dǎo)致框架柱形成短柱，在地震作用下容易發(fā)生剪切破壞，如圖8（c）所示.

3）填充墻破壞：在此次地震中，框架結(jié)構(gòu)填充墻的破壞比較普遍，其震害特征主要有墻面的交叉斜裂縫、門窗洞口處的斜裂縫、墻體與梁柱連接處的水平和豎向裂縫、平面外局部倒塌等.在水平地震作用下，交叉斜裂縫或斜裂縫多見于室內(nèi)隔墻、窗間墻或門窗洞口的角部，如圖9（a）（b）所示；水平裂縫多見于門窗的上、下標(biāo)高處，且由于框架柱沒有設(shè)置拉結(jié)筋，導(dǎo)致框架柱與墻體出現(xiàn)豎向裂縫，如圖9（c）所示，嚴(yán)重時(shí)墻體外閃，發(fā)生平面外局部倒塌.

2.2 砌體結(jié)構(gòu)震害特征

1）倒塌：此次尼泊爾地震中，公路沿線的砌體結(jié)構(gòu)整體或者局部倒塌的情況比較常見，如圖10所示.倒塌的砌體結(jié)構(gòu)多采用木樓板，沒有構(gòu)造柱和圈梁，砌體強(qiáng)度較低.其中，片石砌體結(jié)構(gòu)和混合砌體結(jié)構(gòu)采用泥漿黏結(jié)，材料強(qiáng)度較低，難以有效傳遞水平剪力，結(jié)構(gòu)整體性較差，在強(qiáng)烈地震中易發(fā)生倒塌.

2）承重墻破壞：砌體結(jié)構(gòu)中墻體的破壞與框架結(jié)構(gòu)類似，此處不再贅述.砌體結(jié)構(gòu)中承重墻的主要震害特征有層狀剝離、山墻倒塌、豎向通縫和窗角斜裂縫等.其中，片石砌體結(jié)構(gòu)由于墻體較厚，且采用形狀不同、大小不一的片石來砌筑，且片石與內(nèi)部填充的碎石之間缺乏有效的黏結(jié)和咬合，易發(fā)生層狀剝離，如圖11（a）所示.尼泊爾砌體結(jié)構(gòu)在墻角處缺乏有效的約束，拐角處相鄰的墻體缺乏有效的連接，在強(qiáng)烈地震作用下，導(dǎo)致山墻平面外脫落，如圖11（b）所示.一些公路沿線的砌體結(jié)構(gòu)沿著山坡修建或毗鄰河流，且自建民居的基坑開挖較淺，地基土又比較松軟，在地震過程中可能產(chǎn)生地基的不均勻沉降，導(dǎo)致墻體出現(xiàn)豎向通縫，如圖11（c）所示.由于片石砌體結(jié)構(gòu)的承重墻體以黏土勾縫，導(dǎo)致其抗剪承載力較低，在水平地震的往復(fù)作用下，門、窗洞口的角部易出現(xiàn)剪切斜裂縫，如圖11（d）所示.

3）結(jié)構(gòu)薄弱層破壞：建筑物豎向布置不合理造成剛度突變，這種突變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形集中在剛度較弱的樓層[10].公路沿線某砌體結(jié)構(gòu)的底層門洞較多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向剛度不連續(xù)，形成結(jié)構(gòu)薄弱層.在地震作用下，一層磚柱與地面的傾角平均達(dá)到75°，處于倒塌的邊緣，如圖12（a）所示.左側(cè)角部的磚柱與二層的圈梁完全脫開，而右側(cè)角部的磚柱已完全倒塌.該磚砌體結(jié)構(gòu)一、二層的山墻已倒塌，右側(cè)頂部的山墻也開裂和即將外閃，如圖12（b）（c）所示.盡管該結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，瀕臨倒塌，但由于設(shè)置了圈梁，且采用水泥砂漿作為磚塊的勾縫材料，結(jié)構(gòu)的整體性較好，并未完全倒塌，為室內(nèi)人員留出了逃生的空間和時(shí)間.

3 地震次生災(zāi)害

強(qiáng)烈地震不僅造成大量建（構(gòu)）筑物破壞，導(dǎo)致大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，還可能引發(fā)一系列的次生災(zāi)害.此次尼泊爾地震引發(fā)了山體滑坡、山體落石、泥石流和堰塞湖等次生災(zāi)害，阻斷道路、破壞房屋和橋梁，在某些路段的次生災(zāi)害所造成的房屋破壞甚至超過了地震直接災(zāi)害，并且給災(zāi)區(qū)的救援工作帶來了很大困難.

3.1 山體滑坡

山體滑坡通常發(fā)生在一些巖土比較酥松的陡坡，而強(qiáng)烈地震導(dǎo)致這些山體的巖石和土體發(fā)生松動(dòng)或破裂，誘發(fā)山體滑坡.若在滑坡附近有民居或者道路、橋梁，則會(huì)造成其破壞.此次尼泊爾地震中一些沿山坡修建的房屋被大規(guī)模的山體滑坡所掩埋，如圖13所示.房屋的第一層已被完全掩埋，第二層也有部分被掩埋，僅有陽臺(tái)露出.

3.2 山體落石

強(qiáng)烈地震導(dǎo)致山體崩塌，引發(fā)落石.巨大的落石順著陡峭的山坡滾下，對(duì)沿山坡修建的房屋造成嚴(yán)重的破壞.在靠近樟木口岸的路段，雖然房屋的地震直接災(zāi)害并不嚴(yán)重，但多處發(fā)生的山體落石對(duì)房屋造成了較大的破壞，如圖14所示.在圖14（a）中，框架結(jié)構(gòu)的直接震害較輕，但巨大的落石卻直接撞毀了一層的柱、填充墻和樓板；在圖14（b）中，落石不僅將靠山一側(cè)房屋的二樓墻體擊穿，而且巨大的能量使其沖到了街對(duì)面的房屋，砸毀了其臺(tái)階.

3.3 泥石流

由于地震及其余震的多次作用，一些山體的整體性被破壞，部分山體的后緣出現(xiàn)破裂或裂縫，當(dāng)雨季來臨時(shí)，這些不穩(wěn)定的邊坡在強(qiáng)降雨下極易失穩(wěn)，形成泥石流[11].此次調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，公路沿線有多處泥石流發(fā)生，不僅掩埋了大量民居，而且泥石流中蘊(yùn)含的較大石塊還沖擊民居，加重了房屋的破壞，如圖15所示.

3.4 堰塞湖

地震導(dǎo)致的山體滑坡和泥石流往往堵塞河道，形成堰塞湖，淹沒上游的村鎮(zhèn)、農(nóng)田和房屋[11].此次尼泊爾地震中堰塞湖數(shù)量較少，規(guī)模也相對(duì)較小，但仍有一些房屋被堰塞湖部分或者完全淹沒，如圖16所示.

4 震害統(tǒng)計(jì)與分析

由于加德滿都-刀拉爾卡特這一段的地勢(shì)相對(duì)平坦，民居較多，但地震破壞較輕，為了不對(duì)震害統(tǒng)計(jì)結(jié)果造成干擾，未將該段列入統(tǒng)計(jì)范圍.沿刀拉爾

卡特至樟木口岸的公路，分為A～E共5個(gè)路段，共調(diào)查民居289棟，其中框架結(jié)構(gòu)178棟，砌體結(jié)構(gòu)111棟.民居破壞等級(jí)的劃分以我國《建（構(gòu)）筑物地震破壞等級(jí)劃分》（GB/T 24335—2009）為依據(jù).按5個(gè)路段一起統(tǒng)計(jì)，框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)不同破壞等級(jí)的破壞比，如圖17所示.根據(jù)《中國地震烈度表》（GB/T 17742—2008）[12]確定相應(yīng)的震害指數(shù)，按5個(gè)路段分布統(tǒng)計(jì)，框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的破壞比和平均震害指數(shù)，見表2和表3.2種結(jié)構(gòu)的平均震害指數(shù)與平均海拔的關(guān)系，如圖18所示.

由上述震害統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，可以得出：

1）從地震破壞等級(jí)來看，框架結(jié)構(gòu)基本完好的比例是砌體結(jié)構(gòu)的3倍多，而中等破壞、嚴(yán)重破壞和毀壞的比例約為砌體結(jié)構(gòu)的1/2.可見，盡管自建的框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)未經(jīng)過正規(guī)設(shè)計(jì)，不滿足尼泊爾相關(guān)規(guī)范的要求，施工質(zhì)量也比較欠缺，但框架結(jié)構(gòu)的震害比砌體結(jié)構(gòu)的輕，因此框架結(jié)構(gòu)具有更好的整體性和抗震性.

2）隨著公路沿線的海拔升高，框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的平均震害指數(shù)也逐漸增加.即隨海拔的升高，民居的震害程度有加重的趨勢(shì).但需要說明的是，在靠近樟木口岸的E路段，很多民居是由于地震次生災(zāi)害導(dǎo)致了其嚴(yán)重破壞，如滑坡、落石等.

5 結(jié) 論

1）公路沿線的尼泊爾民居以自建框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)為主，多數(shù)不滿足尼泊爾建筑規(guī)范的相關(guān)要求，且施工質(zhì)量也較差.但框架結(jié)構(gòu)的整體震害比砌體結(jié)構(gòu)的輕，其抗震能力好于砌體結(jié)構(gòu)，特別是遠(yuǎn)優(yōu)于片石砌體結(jié)構(gòu)和混合砌體結(jié)構(gòu).

2）由于公路沿線多為山區(qū)，框架結(jié)構(gòu)沿著山坡修建，多為掉層結(jié)構(gòu)，在地震中該類結(jié)構(gòu)的震害較普通框架的嚴(yán)重.因此，應(yīng)加強(qiáng)該類結(jié)構(gòu)的專門研究，加強(qiáng)其薄弱部位，并宜盡量在緩坡處建造房屋.

3）隨公路海拔的升高，沿線框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的震害程度有加重的趨勢(shì).但由于次生災(zāi)害對(duì)震害程度有一定的貢獻(xiàn)，因此這種趨勢(shì)還有待進(jìn)一步研究.

4）此次尼泊爾地震引發(fā)了多種次生災(zāi)害，對(duì)沿線民居造成了很大破壞，加重了地震災(zāi)情.因此，災(zāi)后重建中應(yīng)該進(jìn)行山地災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，放棄那些存在嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)的居民點(diǎn)，并加強(qiáng)山地災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，做好相應(yīng)的預(yù)防措施，如修建擋土墻、架設(shè)防落石網(wǎng)等.

致謝：感謝特里布汶大學(xué)工學(xué)院（Tribhuvan University）、國際山地綜合開發(fā)中心ICIMOD（International Center for Integrated Mountain Development）、陸地交通地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室和西南交通大學(xué)建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院對(duì)本研究項(xiàng)目的支持和幫助.

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