0 引言

近年来都市区震害情景构建研究颇受重视。国内外多个研究团队进行都市区建筑群震害情景构建研究，如：东京大学Hori教授团队采用并行计算技术数值仿真东京市区建筑群的地震灾害场景 (Hori and Ichimura, 2008)；美国地质调查局和南加州地震中心组织科研团队模拟San Andreas断层M_L 7.8地震的地震动影响场，并针对加州南部地区开发一套地震演习系统Shakeout (Field et al，2008)；清华大学陆新征教授团队采用CPU—GPU混合技术进行清华校园建筑群震害模拟 (韩博等，2013)。交通网络系统是生命线工程中运输系统的重要组成部分，当强烈地震发生后，公路交通网络是人员疏散、派遣营救人员及工程队伍和运送抗灾物资的通道，是生死攸关的抗震救灾生命线。一般经济越发达，社会生产和生活对交通运输的依赖程度越高，而交通系统一旦瘫痪，所造成的损失也越大。因而在进行都市区震害情景构建时，交通系统的震害情景构建研究很有必要。历史地震破坏资料表明，当强烈地震发生后，震区交通系统 (尤其是地面交通系统) 容易遭受不同程度的破坏。如：1994年1月17日Northridge M_W 6.7地震致7座公路桥倒塌，多处公路坍塌，5号洲际高速公路和14号国道交汇处严重破坏，交通中断；1995年1月日本阪神M_L 7.3地震中4条主干公路有3条遭受严重破坏；1999年9月21日中国台湾集集M_W 7.6地震，震中区3个县市的交通系统遭到严重破坏；2008年5月12日汶川M_S 8.0地震造成灾区道路严重损毁，在震后调查的10余条道路中，路面主要震害24 011处，合计长度1 792 km，占检测项目的42.24%，路基严重震害、边坡挡墙垮塌规模较大的有1 736处，合计长度1 687 km，占检测项目的39.76%(吉随旺等，2009)，导致进入映秀、汶川、北川的道路中断，给震后救援工作带来极大困难。

在地震等动力作用下，不论是路基本身，还是支挡结构、挡土墙等，其力学过程复杂，国内外研究人员对路基路面等结构物的动力学特性进行大量研究，如：王丽霞等 (2004)对冻土场地路基开展地震响应动应力形状研究，并与不含冻土层路基地震应力幅值、频率的变化进行对比，得出冻土层存在可能加剧路基震害响应的结论；秦旗等 (2008)利用ANSYS对铁路无碴轨道桩网路基建立分析模型，并以1976年宁河天津地震记录作为输入，对路基的地震响应进行数值模拟，获得路基结构的一些动力响应规律；杨雄 (2009)利用Adina对填方路基结构建立二维平面模型，并对其进行地震响应分析，重点研究填方路基结构在单向地震动作用下，不同地震动荷载强度、不同路基断面形状、不同路基填土特性等情况下填方路基的地震反应，根据分析结果，提出相应路基减震措施。上述研究均对单体结构进行研究，当对某城市路网路段进行地震灾害评价时，由于公路网络内路段众多，若对每一路段均建立相应模型进行仿真分析是不现实的，因而国内外专家更多采用易损性曲线法。以往路基路面震害评价方法多基于烈度展开，随着强震记录增多，使利用其他地震动参数 (如PGA、PGV、PGD等) 研究路基路面的地震破坏成为可能。本文在太原市潜在地震动模拟基础上，基于PGA，通过对比经验易损性曲线和理论易损性曲线，对城市路基路面的震害评价方法进行研究。

1 路基路面地震破坏特征

根据以往震害经验，地震造成路基路面直接震害主要有以下类型：整体断裂、错动、滑移；整体坍塌；整体沉陷；隆起、挤压；路面碎裂；路面脱空；被掩埋；地震造成滑坡堵塞河道造成路基路面水毁；地震造成路面纵横向裂缝；边坡典型震害；支挡结构典型震害等 (吉随旺等，2009；曾超等，2009)。部分典型震害特征见图 1、图 2。

2 研究现状

易损性曲线法可以预测结构在不同等级地震作用下发生各级破坏的概率，一般包括3种方法：① 专家判断法；② 经验统计法；③ 理论分析法。

(1) 专家判断方法。通过专家意见或经验方式获取易损性曲线，方法比较灵活，可以相对快速得到易损性曲线，如ATC-13(1985) 和HAZU中路堤、边坡、路面等易损性曲线正是通过专家判断方法获得，但该方法没有相应科学依据，仅依赖专家个人经验，可靠性值得怀疑 (Carigliano，2007)。

(2) 经验统计法。经验易损性曲线是基于以往震害资料调查基础上得到的结构在某地震动作用下的破坏概率分布曲线，所需资料包括结构破坏状态、结构所在场地条件、结构所在地的地震动特性等信息。该方法直接考虑土—结构相互作用效应影响、地形场地效应、震源特性等，在公路路基路面易损性分析中运用较多，如：美国生命线联盟 (ALA，2001) 提出相应经验易损性曲线；Maruyama等 (2010)根据日本2003年Northern-Miyagi地震和Tokachi-oki地震、2004年Niigata Chuetsu地震、2007年Niigata Chuetsu-oki地震的高速公路道路震害资料，建立PGV与每千米破坏点数之间的关系曲线。为了使得到的经验易损性曲线可靠，震害资料需涵盖范围较广的地震动、场地土类型及路基路面结构类型。但目前震害资料仍不够丰富，当对这些震害资料按震害程度、场地土类型等进行分类后，有些样本数量很少或基本没有，从而导致在使用经验易损性曲线来评估道路的破坏时存在较大风险 (Rossetto，2003)。在国内，陈一平 (1994)选择基本烈度、路基土、场地类别、地基失效、路基类型、路基高差及设防烈度等重要影响因素，并对其进行量化，以此进行公路路基路面的地震破坏预测，但该方法涉及因素众多，当对路网内大量路基路面结构震害进行评价时，需要收集大量数据，工作量相当大。

(3) 理论分析法。与专家判断法和经验统计法相比，理论分析法得到的易损性曲线可靠度较高，可减少偏差 (Rossetto，2003)，如：Salmon (2003)利用理论分析方法获得挡土墙的易损性曲线，但其只是把破坏分成轻微破坏和严重破坏2种状态，而未给出破坏分类的具体方法；Lagaros等 (2009)利用蒙特卡洛和神经网络方法，并以峰值加速度为参数对梯形路堤进行稳定性分析，得到相应理论易损性曲线；Pitilakis (2010)在Bray & Travasarou模型基础上，以峰值加速度为参数，对HAZUS边坡的易损性曲线进行修正；Pitilakis (2011)采用双参数的对数正态分布函数作为易损性曲线函数，分别对路基、路面、桥台处路面等建立二维分析模型并进行有限元计算，形成相应理论易损性曲线。

3 路基路面灾害评价方法

为了建立都市区震害情景构建的整体技术框架，中国地震局地球物理研究所组织项目，以太原市区为示范区，对强震危险区大城市地震灾害情景构建方法进行研究，项目整体思路见图 3。项目组在对太原盆地三维介质结构模型、太原断陷盆地浅层速度结构及震源模型等研究基础上，获得太原市区潜在强地面运动，并开展房屋结构、公路交通系统、给排水管道等建构筑物的灾害情景构建研究 (图 3)。限于篇幅，本文仅就公路交通系统灾害情景构建项目的路基路面震害评价方法进行研究。

以往研究资料显示，不同研究人员选择不同地震动参数作为结构易损性曲线的输入，如：HAZUS (NIBS，2004) 选用PGD、Maruyama等 (2010)选用PGV、Pitilakis (2011)选用PGA等。在以往路基路面震害评价中，以PGV为参数的震害资料不足，有待深入研究，但太原项目地震动模拟的输出是PGA参数，故在此仍选用PGA作为路基路面易损性曲线的输入。假设路基路面的易损性曲线服从式 (1) 的对数正态分布，采用最大似然法对均值和方差等参数进行估计。为了避免各种破坏状态曲线发生交叉现象，假设每一破坏状态的方差相等。为了与桥梁破坏状态相对应，规定路基路面的破坏状态分为5级，即：基本完好 (D₁)、轻微破坏 (D₂)、中等破坏 (D₃)、严重破坏 (D₄) 及毁坏 (D₅)。

$ {F_j}\left({{a_j}, {\mu _j}, {\sigma _j}} \right) = \mathit{\Phi} \left[ {\frac{{\ln ({a_j}/{\mu _j})}}{{{\sigma _j}}}} \right] $

(1)

式中：μ_j和σ_j分别表示轻微破坏、中等破坏、严重破坏、毁坏4种状态的均值和方差 (j分别等于1、2、3、4)。

为了提高太原市区路基路面破坏状态评价的可靠性，选择经验易损性曲线和理论易损性曲线，分别对2种方法的评价结果进行对比，验证其适用性及可靠性。在验易损性曲线方面，张建经课题组 (廖燚，2009) 在汶川地震后，对四川地震灾区约2 661 km长的国省干道和部分县乡道路进行路基震害详细调查，并根据修正的Zhao衰减模型，得到公路路基路面所在位置的PGA，对路基路面根据结构形式进行分类，得到路基整体经验易损性曲线，见图 4(a)；在理论易损性曲线方面，选择Pitilakis (2011)对路面的研究结果，作为本文的理论易损性曲线模型，见图 4(b)。

城市路基路面在潜在地震动作用下破坏状态的评价过程见图 5，根据路段所在位置的地面峰值加速度值，结合图 4中的路基路面易损性曲线，可得到各路段各种破坏状态下的破坏概率，由Monte Carlo方法获得路段的破坏状态。

4 研究结果

以太原市区环城高速以内的主干道路系统中路基路面作为研究对象，主要包括：绕城高速路、中环路、国道、县道和乡道或辅路等。太原市位于山西地震带中部太原盆地内，据太原市地震局提供的数据，1970年1月1日至2004年12月31日，太原盆地共发生1级以上地震4 692次，2级以上地震1 843次，3级以上地震234次，4级以上地震23次，5级以上地震3次。就地质结构而言，太原市周边有几条活动断层，包括交城断裂、太谷断裂、系丹山山前断裂等。根据中国地震局地球物理研究所付长华项目组对交城断裂的地震动数值模拟研究结果，交城断裂断层长110 km，宽20 km，潜在地震震级为M_W 7.5，倾角60°，主要表现为正断层性质，破裂以倾滑为主。根据其模拟得到的地震动峰值加速度结果，文中利用克里金插值方法，得到在潜在地震作用下东西向和南北向地震动峰值加速度分布图，见图 6。

在图 6所示潜在地震动峰值加速度作用下，利用图 4中路基路面易损性曲线，估计太原市区各路基路面各种破坏状态概率，并基于Monte Carlo方法模拟10 000次，获得各路基路面的破坏状态。2种方法评价结果见图 7。

由图 7可见：① 在潜在地震动作用下，理论易损性曲线模拟计算结果表明，基本无毁坏现象，破坏状态主要集中在基本完好、轻微破坏和中等破坏，占比分别为21.6%、27.8%、45.6%，少量出现严重破坏现象，占比5%；② 经验易损性模型计算结果表明，毁坏占比4.1%，中等破坏所占比重较大，占比61.9%；③ 经验易损性模型的评价数据较大，主要表现为中等破坏以上的破坏状态所占比重较大，而理论易损性曲线的评价结果较小。

对比图 4中的2种易损性模型，当PGA＜0.4 g时，经验易损性模型中大部分路段处于轻微破坏或中等破坏状态，与以往实际震害经验不太一致，而理论易损性模型中，大多数路段还处于基本完好或轻微破坏中，比较符合以往震害经验。综合分析认为，理论易损性曲线模型更符合以往震害经验，因而本文采用理论易损性曲线模型，评估太原市区路段在潜在地震动作用下的破坏状态。太原市区路段的评价结果见图 8(b)，具体细节见图 9。从图 8(b)可见，沿汾河两侧道路受中等破坏较多，而此路段是太原市交通疏散主干道，各有关单位应该予以重视。

5 结束语

当强烈地震发生后，交通网络系统容易遭受地震破坏，而交通网络是震后人员疏散、派遣营救人员及工程队伍和运送抗灾物资的必要通道，是生死攸关的抗震救灾生命线。为了更准确地评价大城市公路交通网络震害，本文对路基路面震害评价方法进行了研究。为了确保评价结果的可靠性，选择经验易损性曲线和理论易损性曲线进行对比分析，并基于模拟得到的太原市潜在地震动峰值加速度分布图，对太原市区路基路面的震害进行评价。

目前可利用的路基路面易损性模型仍然较少，且以往研究经验表明，路基路面的破坏对地震动参数PGV或PGD比较敏感，但目前已有关于PGV或PGD作为输入的震害资料较少，在今后的研究或调查中，可进一步关注PGV或PGD对路基路面的震害敏感性。

感谢中国地震局地球物理研究所付长华博士提供太原地区地震动模拟结果图。