唐益群，楊 奇，周 潔

（1.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092；2.同濟大學 土木工程學院，上海 200092）

2008年5月12日14時28分，以四川省汶川縣為震中的地區(qū)發(fā)生里氏8級大地震，造成大批的人員傷亡，給國家和人民帶來了巨大的損失.同時，由于這次強震能量大，波及面廣，在強震發(fā)生后，引發(fā)了大量的次生地質(zhì)災害，給災后重建帶來了極大的困難.這次強震源于由三條斷裂帶組成的龍門山斷裂帶，屬于逆沖型地震.在這場大地震中，由于房屋破壞嚴重而造成大批人員傷亡，因此如何從地震震害響應和破壞機理入手，結(jié)合房屋震害的現(xiàn)場調(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題.

“5.12”汶川大地震受災最嚴重的北川縣、青川縣與映秀同處于龍門山脈斷裂帶的中心位置（見圖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］分析認為由土體破壞帶來的地震損失很大程度上都歸咎于次生災害.

汶川這個地區(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，人口又相對密集，當?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)災害所導致或加重的，同時，地下水體也面臨著受污染的危險.這些崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等災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，是改變汶川地區(qū)山河面貌特征的主要因素.

圖1 龍門山斷裂帶（來源：中國地質(zhì)調(diào)查局）Fig.1 Fault zone of Longmen Mountain（From：China Geological Survey）

Xie等［9］以及 Han等［10］通過現(xiàn)場踏勘和區(qū)域歸類，分析了汶川地震對橋梁基礎設施的破壞模式.但是都不考慮地基的作用，而僅僅單獨考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式的不同來分析地震對其破壞是不全面的.因為往往相同結(jié)構(gòu)形式的橋梁在不同的地基基礎上對地震的響應是不同的，最終造成的破壞也會非常迥異.另外國外對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)，將支柱的破壞進行分類并提出了響應的防護措施.Tokida等［12］通過地震災害分類，如滑坡、泥石流、橋梁破壞，以及道路交通封閉等，對地震災害進行統(tǒng)計分析，其分類并不是根據(jù)不同破壞機理來進行，因此很難得出非常全面和完整的結(jié)果.

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

因此，本文主要針對汶川地區(qū)的地震災害，從地震震害響應和破壞機理入手，結(jié)合房屋震害的現(xiàn)場調(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)動力相互作用的理念提出了地基分類地震震害預防和緩解措施；同時從經(jīng)濟可行性的角度提出鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城區(qū)分型而治、分區(qū)預防的系統(tǒng)構(gòu)想.

1 汶川地震破壞程度的影響因素

該區(qū)是一個地震活動頻繁的地區(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)，屬地震強烈和鄰區(qū)強震波及區(qū).有關(guān)證據(jù)表明該區(qū)斷層至今仍在活動.

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2萬余米.

汶川強震地區(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建筑結(jié)構(gòu)與房屋地基的影響

首先需要說明的是，房屋地基土質(zhì)地軟硬不同對上部結(jié)構(gòu)及基礎有著明顯的影響，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，框架中的次應力由低層向高層傳遞；地基由硬變軟基礎內(nèi)力同樣增大.所以，在不同地基上建造建筑物時，設計過程中要考慮這些附加內(nèi)力所帶來的不利影響.一般構(gòu)筑物的分析會考慮目前經(jīng)常提到的土-結(jié)構(gòu)體系的動力相互作用（soil-structure interaction）.這種地上地下一體化的設計思想在軟土地區(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，造成地基土不均性嚴重，對于分析汶川地震的震害，必須考慮房屋地基的類型和分布.因此，非常有必要分析汶川地區(qū)地基與基礎還有上部結(jié)構(gòu)的共同作用對于震害影響的模式.

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)廠房（單廠）以及建設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，單層廠房結(jié)構(gòu)數(shù)量最少.按照建筑用途分類主要包括住宅、商業(yè)、商業(yè)和住宅兩用建筑、政府和醫(yī)療建筑、學校等教育用建筑，另外還有廠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，甚至還有很多簡易木質(zhì)屋頂以及抗震構(gòu)造措施缺失等嚴重問題，使得汶川地震震害響應程度提高了很多.

地震中受災最為嚴重的是磚混結(jié)構(gòu)的農(nóng)村民居［15］.近年富裕起來的農(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)未設置鋼筋混凝土構(gòu)造柱，樓層之間也不設封閉圈梁；水平向則為預制預應力圓孔板浮擱在磚墻上形成樓板、屋蓋，也未采取加強整體性的連接構(gòu)造措施；甚至還有樓板出挑，形成懸挑陽臺.這種裝配式磚混結(jié)構(gòu)房屋多數(shù)未經(jīng)正規(guī)設計、施工，多為鄉(xiāng)村工匠建造的農(nóng)民私有房屋.地震時多發(fā)生墻體傾覆，造成預制樓板脫落、斷裂而下墜，引發(fā)整體或局部倒塌.在重災區(qū)，往往以這類結(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)教學樓和學生宿舍樓，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（見圖3a，b）.

90年代前我國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)的設計、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重受損或倒塌（見圖4）.另外一些抗震設計較差的框架結(jié)構(gòu)式住宅，缺乏剪力墻的抗震設計，遇到地震時梁或柱結(jié)構(gòu)斷裂受損非常嚴重（見圖5）.

1.2 地形、地貌與地層特征對地基穩(wěn)定性影響

整個地震區(qū)地勢西北部高，東南部低，跨成都平原與龍門山山區(qū)兩個不同的自然地理區(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，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.當發(fā)生地震作用時，此類地形地貌地區(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題，此類地層沒有給地基任何減震作用，同時松散的堆積土層，造成大部分農(nóng)村地區(qū)非均勻柔性地基，地震放大效應很明顯（見圖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、頁巖、礫巖組成.褶皺低山巖體破碎，泥巖、頁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.對于城區(qū)剛性基礎地基，地震時由于巖體松動，容易造成地基局部傾斜影響建筑的穩(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、頁巖、礫巖組成.深切溝谷發(fā)育，坡陡坡長，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，基本處于無人區(qū)，是震后次生地質(zhì)災害誘發(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)生時由于巖體破碎、松動，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.由于地殼抬升強烈，高差大，常形成不對稱“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，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，坡陡坡長，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、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 地震響應和破壞機理以及對建筑結(jié)構(gòu)與地基穩(wěn)定性的影響

地震響應因地基土的軟硬、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)滑動位移區(qū)在地表的響應.而液化和側(cè)向擴張主要發(fā)生在鄉(xiāng)鎮(zhèn)沒有正規(guī)規(guī)劃的剛性地基基礎覆蓋地區(qū)，一般該區(qū)地處殘積礫、砂土層，基巖埋深較斷裂活動中心帶要深，當?shù)卣鸢l(fā)生時，首先響應的是房屋地基液化帶來的影響.

2.1 地表斷層和隆起與次生地質(zhì)災害

地表地層破裂，是地表斷層位移的體現(xiàn)，一般在震級大于6級的地震中經(jīng)常發(fā)生.地表斷層破裂對建筑物以及重大工程設施具有毀滅性的作用.因此，在大多數(shù)情況下，一些重大公共項目，如天然氣、石油管道、埋藏水管等項目，在規(guī)劃設計時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級地震發(fā)生在我國南-北地震構(gòu)造帶的中段、青藏高原東緣的北東向龍門山斷裂帶上.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、震源深度、斷層幾何構(gòu)造、地震破裂過程、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)，雖然對房屋破壞沒有造成直接明顯的結(jié)果，但是對土體結(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)災害發(fā)生率提高了很多，大部分次生地質(zhì)災害都是沿著地表斷層破裂帶發(fā)生（見圖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（見圖10a），重則地基破壞，房屋張裂倒塌（見圖10b）.

2.2 液化和側(cè)向擴張與液化震害

地震時，由于瞬間突然受到巨大地震力的強烈作用，砂土層中的孔隙水來不及排出，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.一般認為，地震時的噴砂冒水現(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現(xiàn)象普遍，同時液化也對農(nóng)田、公路、橋梁、居民住宅、工廠、學校等造成了不少破壞，一些房屋建筑、學校教學樓、廠房和水井等因液化而廢棄.

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

侯龍清等［19］通過各液化調(diào)查點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，液化等級高的地區(qū)液化震害不一定最嚴重，這和當?shù)氐匦?、地質(zhì)構(gòu)造、地貌形態(tài)以及周圍建筑物地基形式密切相關(guān).

對于汶川地震，地震液化主要發(fā)生在農(nóng)村地區(qū)，沒有發(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.液化伴隨地裂縫導致工程結(jié)構(gòu)嚴重破壞，幾乎所有液化場地均伴隨地裂縫，這與成都平原地層分布不均勻密切相關(guān).同時液化伴隨地裂縫幾乎使所有液化震害被加重，我國的通海地震、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”，即有很多實例說明發(fā)生液化的地方，建筑物破壞反而相對較輕，到目前為止汶川地區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)液化減震實例，只要液化出現(xiàn)的地方，震害均比周圍重.這和汶川的地形和房屋建筑分布有很大關(guān)系.液化減震是由于場地一旦發(fā)生液化，一方面固然會造成上述各種震害，但另一方面也會使地震波到達地面后能量減弱，這是因為液化層對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，使分配到地面運動的能量減少，從而縮短地面運動的振動歷時.很重要一點就是液化減震作用在基礎密集處體現(xiàn)明顯，因為剛性越大，液化層對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后期地質(zhì)災害起到了誘發(fā)作用.

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

汶川強震發(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)成都理工大學黃潤秋教授估計，地震誘發(fā)不同規(guī)模的滑坡、崩塌，滑坡最少有3萬處，公路2／3是由于地質(zhì)災害損壞的，山區(qū)房屋的損毀約1／3是滑坡、崩塌等地質(zhì)災害所致.根據(jù)災后的地質(zhì)災害調(diào)查，災區(qū)主要的次生地質(zhì)災害有滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡、泥石流、堰塞湖等地質(zhì)災害類型.

在地震災區(qū)的滑坡數(shù)量眾多，種類齊全，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、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.

地震引起山體松動有時伴隨著降雨引發(fā)泥石流，往往給人類生命財產(chǎn)構(gòu)成危害.泥石流沖進鄉(xiāng)村，摧毀村鎮(zhèn)住宅，淹沒人畜，毀壞土地，殃及人民生命；泥石流可以在毫無征兆的情況下發(fā)生，能夠?qū)ζ溥\動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，危及人類生命.

地震后引發(fā)的大量不穩(wěn)定邊坡如定時炸彈，如不及時處理，隨時還有失穩(wěn)的危險.大量的崩滑體為后續(xù)的災害創(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，特別是雨季是否會發(fā)生潰壩，其后果是不堪設想的.地震引發(fā)山體滑塌后的堆積體，本身是個極限平衡體，處理不當會再次發(fā)生坍滑.

滑坡、泥石流、堰塞湖［2-8］等次生地質(zhì)災害對房屋的破壞影響是顯而易見的.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)災害，做好有關(guān)防范工作.

3 汶川地震對建筑地基破壞模式分析

土-結(jié)構(gòu)體系的動力相互作用（soil-structure interaction）是指震源引起的地震波通過場地土的傳播輸入到結(jié)構(gòu)體系，使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，同時振動的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生慣性力如同新震源又反過來作用于場地，引起新的場地振動再作用于結(jié)構(gòu)體系.土-結(jié)構(gòu)動力相互作用一般包含兩個方面：一是剛體運動相互作用忽略上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量時，土體在地振動作用下的運動.對明置基礎的結(jié)構(gòu)，該運動為自由場反應的結(jié)果；對埋置剛性基礎的結(jié)構(gòu)，該運動為開挖后土體的運動；對埋置柔性基礎的結(jié)構(gòu)，該運動計算較復雜.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，進而改變結(jié)構(gòu)運動.慣性相互作用部分的荷載為剛性運動相互作用的結(jié)果.在強烈地震作用下，結(jié)構(gòu)和與基礎相鄰的地基土會進入塑性狀態(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)相互作用動力特性的不同導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)地基基礎相應劃分為剛性地基區(qū)和柔性地基區(qū)，同時根據(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)體系的動力相互作用角度分析，城區(qū)房屋建筑密集區(qū)，基礎部分可視為剛性連接，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的地基基礎連接則應為柔性連接（文獻［22-24］中明確寫明農(nóng)村磚混房屋都沒有設置正規(guī)基礎，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，基礎剛度的增大會導致地基土中附加應力擴散在基礎下面地基中的程度.往往在基礎和地基某一深度處會存在一道應力比較大的“應力拱”，尤其是基礎由柔性基礎轉(zhuǎn)變?yōu)閯傂曰A，基礎邊緣受力最大，基礎中心受力最小，形成應力擴散現(xiàn)象.當?shù)卣鸢l(fā)生時，剛性連接對地震的響應最直接反映在上部建、構(gòu)筑物上.而柔性連接對地震的響應有減震作用，但由于地下斷層構(gòu)造的影響，次生地質(zhì)災害的發(fā)生，使得城區(qū)房屋密集建筑區(qū)主要以建筑結(jié)構(gòu)破壞的災害為主，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要是次生地質(zhì)災害，如滑坡、泥石流等帶來的各種人員、經(jīng)濟損失為主.

3.1 城區(qū)房屋建筑密集區(qū)地震時剛性地基與上部結(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)，地震時土體與上部結(jié)構(gòu)是相互作用的.地震時，結(jié)構(gòu)受到地基傳來的地震波影響產(chǎn)生地震作用，在進行結(jié)構(gòu)地震反應分析時，一般都假定地基是剛性的，實際上地基并非為剛性，故當上部的地震作用通過基礎反饋給地基時，地基將產(chǎn)生局部變形，從而引起結(jié)構(gòu)的移動和擺動，這種現(xiàn)象稱為地基與結(jié)構(gòu)的相互作用.

地震是橫縱波同時出現(xiàn)，所以地基與結(jié)構(gòu)同時存在著剪力和軸力兩種荷載，基礎的強度可以保證整個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.財產(chǎn)的損失可以由人的勞動重新創(chuàng)造，而人的脆弱生命一旦消逝就再也不能復生.汶川地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)類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)廠房（單廠）以及建設年代較早的低矮民居等.城區(qū)震害中各類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)廠房.從倒塌現(xiàn)場分析可得：

建筑結(jié)構(gòu)方案存在缺陷［25-26］：單獨大跨布置，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、預制-裝配節(jié)點缺陷、砌體缺乏圍箍 約束、各類結(jié)構(gòu)（鋼、砌體、混凝土）匹配不良、預制構(gòu)件浮置、箍筋薄弱、預埋件不牢.材料性能不良：鋼筋及混凝土強度不足，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應力集中導致的房屋裂縫破裂和倒塌，主要破裂點基本都發(fā)生在建筑一層靠近基礎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)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)有些破壞的框架柱的箍筋設置存在嚴重缺陷，箍筋間距過大和箍筋過細，不少混凝土骨料基本都是大直徑卵石，導致混凝土強度無法保證，在往復荷載作用下強度和變形能力更差，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)次生災害集中區(qū)地震時柔性地基與上部結(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、頁巖、礫巖組成；同時部分屬于斷裂構(gòu)造山帶，深切溝谷發(fā)育，坡陡坡長，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.由于地殼抬升強烈，高差大，常形成不對稱“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)生時導致松散的礫、砂層建筑地基破壞，公路滑塌，隧、橋倒塌，同時誘發(fā)多種次生地質(zhì)災害.由于該地區(qū)的基礎連接為柔性連接，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)災害造成的，包括滑坡、崩塌、泥石流、堰塞湖等.鄉(xiāng)鎮(zhèn)震害嚴重的地區(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)教學樓等.該類建筑群大部分都沒有正規(guī)施工的基礎結(jié)構(gòu)，地震發(fā)生時，主要破壞模式屬于房屋整體垮塌型，和傳言的“豆腐渣工程”其實沒有很大的關(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)災害且災害多發(fā).沒有基礎的鄉(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)災害和現(xiàn)場房屋震害的詳細調(diào)研，從地震響應和破壞機理入手，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)災害過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)改進房屋結(jié)構(gòu)性和整體剛度協(xié)調(diào)性來提高城區(qū)房屋抗震性能.后一種屬于柔性地基區(qū)地震震害，從震害房屋本身來改造功效不大，而且在鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)從經(jīng)濟可行性來說也不合適，花錢不得力，對于此種情況主要從防護方面來考慮比較有效，如采用一些柔性防護系統(tǒng)，經(jīng)濟而簡單，因為次生地震災害很大程度上無法避免，但是采取一些相應的防護系統(tǒng)，對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.一般采用柔性防護系統(tǒng)的目標在于提高防護能力，減少材料消耗，提高施工速度和降低維護需求，如泥石流柔性壩.總之，城區(qū)防護宗旨是以剛性防護為主，而鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)震害防護措施則是以柔性防護為主.

5 結(jié)論

（1）房屋地基類型的不同是導致汶川地震過程中不同構(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)災害過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和柔性防護系統(tǒng)措施的分區(qū)防治理念方可達到防治效果最大化.

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