玄武巖纖維增強復合材料錨固邊坡與無支護邊坡加速度響應對比研究

王秋懿， 吳紅剛， 武志信

(1.云南省交通投資建設集團投資有限公司，永靖 650228；2.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730030；3.中國中鐵滑坡工程 實驗室，蘭州 730000；4.西部環(huán)境巖土及場地修復技術工程實驗室，蘭州 730000；5.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070)

一般將人工開挖形成的、高度大于30 m的巖質邊坡和高度大于20 m的土質邊坡稱為高邊坡[1]。公路中路塹高邊坡病害伴隨著山區(qū)高速公路的發(fā)展而日益嚴重，同時，中國因地震導致的高邊坡失穩(wěn)-變形災害同樣非常嚴重，地震發(fā)生通常會導致通往重災區(qū)的交通線路全部中斷，大量公路邊坡震害對災后第一時間的救援造成了極大的阻礙。

對于路塹高邊坡而言，中外大多數(shù)學者的研究集中在其失穩(wěn)機制及數(shù)值模擬方面，提出了開挖松弛區(qū)、開挖擾動區(qū)、卸荷松弛帶等概念模型進行力學機制解釋，開展了較系統(tǒng)的研究[2-3]。近些年來，眾多專家對路塹高邊坡開挖卸荷過程和開挖松弛區(qū)演化規(guī)律及分布范圍的分析與模擬研究中，強度折減法和開挖有限元分析被廣泛地應用[4-8]。如李世文[9]以杭紹臺高速K129+320～K129+525段路塹高邊坡為研究對象，基于強度折減法，提出了采用抗滑樁加固的方案進行治理；林孝松等[10]以重慶市雙巫(巫山-巫溪)公路為研究區(qū)，采用物元開拓分析法對高速公路沿線高路塹邊坡安全等級進行了評價。

在路塹高邊坡的試驗研究方面，鄧宏艷[11]對萬梁高速公路張家坪滑坡的地質力學模型試驗進行了分析；高德彬等[12]通過現(xiàn)場模擬降雨，研究了降雨對黃土路塹高邊坡的侵蝕機制，分析了裸露邊坡和植被防護邊坡的破壞特征以及徑流特征、沖刷量的變化規(guī)律。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)中外學者對于路塹高邊坡的研究主要集中在路塹高邊坡的失穩(wěn)機制及數(shù)值模擬研究方面，而對于路塹高邊坡破壞特征方面的試驗研究較少，對路塹高邊坡動力學方面的研究就更加稀缺，且在實際錨固工程中，地震烈度較小的情形下常規(guī)預應力錨(索)桿能夠表現(xiàn)出良好的抗震效果，可以很好地限制巖體變形，提高邊坡的穩(wěn)定性[13-14]。但是在強震條件下，錨固巖體變形較大，常規(guī)預應力錨(索)桿一般難以繼續(xù)限制其變形，引發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞[15-16]，而應用玄武巖纖維增強復合材料(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)錨索可以有效地解決這個問題。

鑒于此，以云南省功東高速公路的大營盤(K39～K41)碎石土邊坡為典型工點，應用BFRP這一新材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋錨(索)桿，充分利用了其較高的抗拉強度和較低的彈性模量等優(yōu)點[17-19]，開展了BFRP錨索+框架結構加固邊坡及無支護邊坡的振動臺對比試驗，旨在為BFRP錨索加固高邊坡的動力合理性設計提供科學依據(jù)。

1 試驗工點概況

大營盤(K39～K41)邊坡所在坡體地勢整體較為平緩，坡體上樹木遍布，地層巖性由黏土、角礫與碎石組成，邊坡最高處為87 m。設計情況為左側邊坡分六級，一級、二級坡高10 m，設計坡率均為1∶0.75，三級～六級坡高10 m，坡率為1∶1.00，一級、六級坡面設錨桿框格梁防護，二級～五級坡面設錨索框格梁防護，一、三、五級平臺寬為2 m，二、四級平臺寬為5 m。一級坡設仰斜排水孔，坡腳處為片石混凝土擋墻。右側邊坡分三級，坡高10 m，坡率為1∶1.00，一級、三級設錨桿框格梁防護，二級設錨索框格梁防護，一、二級平臺寬為2 m，坡腳處為片石混凝土擋墻，本次振動臺試驗以大營盤工點左側邊坡為試驗原型，支護后效果如圖1所示。

圖1 大營盤工點支護后效果Fig.1 Effect diagram of large camp site after support

2 振動臺試驗模型設計

試驗使用的是甘肅省地震局蘭州地震研究所的大型地震模擬振動臺。該振動臺可輸入規(guī)則波和不規(guī)則波，有效頻率范圍為0.1～50 Hz，最大承載力為25 t，最大加速度為1.7g，振動臺臺面尺寸為4 m×6 m。

2.1 試驗相似比及材料的選取

根據(jù)此次振動臺試驗條件和目的，相似關系借助因次分析法進行推導，選取幾何尺寸l(Cl=30)和容重γ(Cγ=1)為基本控制量，其余物理量利用相似“π定理”導出，相似關系如表1所示。

根據(jù)多組材料配比試驗結果和模型設計參數(shù)，坡體的材料以石膏粉、黏性土為輔助材料，以河砂為主要材料，水為黏結材料?；布盎w部分均以黏性土、河沙、石膏及水為材料制作而成，其質量配

表1 振動臺試驗模型相似參數(shù)Table 1 Similar parameters of vibration table test model

注：表中下標p和m分別表示原形量和模型量。

合比為5∶10∶1∶1，其中，滑床部分土體壓實度較高。有支護側試驗錨索為BFRP錨索，其直徑為4 mm，坡面上的框格梁采用松木條模擬，其尺寸為2 cm(寬)×2 cm(高)。

2.2 模型的設計與制作

模型箱體內槽尺寸為2 800 mm(長)×1 400 mm(寬)×1 850 mm(高)，箱體框架為20 mm厚鋼板焊接等邊角鋼而成。水平振動方向后邊為50 mm厚聚苯乙烯防震泡沫，前邊為30 mm厚鋼板，高為900 mm，長邊為20 mm厚透明有機玻璃，可便于觀察試驗過程中的模型變化情況，振動邊界上的減震層采用50 mm厚的聚苯乙烯泡沫。在該試驗模型中左幅為無支護邊坡，右幅為BFRP錨索+框架結構對邊坡進行支護。制作完成的試驗模型如圖2所示。

圖2 制作完成的模型箱Fig.2 Completed model box

2.3 測試斷面及原件布置

考慮到模型箱邊界效應的影響，將加速度傳感器分別布置在左右兩幅邊坡的主斷面1—1和2—2斷面上，如圖3所示。其中，在右幅支護側邊坡和左幅無支護側邊坡的三級坡、四級坡、五級坡和六級坡坡中距離坡面豎向距離為5 cm位置處各布置一個加速度傳感器，其對應的編號分別為A1、A2、A3、A4和N1、N2、N3、N4，支護側邊坡中一級坡～五級坡坡中各布置一根長度為70 cm的錨索，其中錨固段為30 cm，在六級坡坡中位置布置一根長度為35 cm的錨索，其中錨固段為15 cm。右幅支護側邊坡中加速度傳感器及錨索布置圖如圖4所示，左幅邊坡中傳感器布置的位置及編號跟右幅邊坡中的相對應。

圖3 左右兩幅傳感器布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of left and right sensors layout

圖4 右幅支護側邊坡結構布置圖Fig.4 Right side slope structure layout

2.4 加載制度設計

本次試驗對加載時間和頻率含量按照模型的相似系數(shù)，通過相似關系對地震波進行了修正：加載波形的頻率為原始波形頻率的λ0.5倍，即5.48；加載波形的加載時間為原始波形頻率的1/λ0.5倍,即0.18，加載波形的振幅不變。關于加載工況，以地震波形+正弦掃頻的方式進行。地震波相似關系如表2所示。

本次試驗輸入的地震波分別為埃爾森特羅(El-Centro)波和魯?shù)?LD)波，加載按照先X向、后Z向，最后為XZ向(由X向與Z向的單向地震波按照一定時間差施加合成而來)的順序施加。加載過程按輸入峰值加速度0.1g→0.2g→0.4g→0.6g→0.8g的順序加載，其中El-Centro波和LD波的加速度時域曲線如圖5所示。

試驗開始前先進行白噪聲(WN)激勵的微振試驗，以測定模型的動力特性。在加速度峰值及時間壓縮比改變時，均輸入微幅白噪聲激勵，觀察模型動力特性的變化情況。具體加載制度如表3所示。

表2 相似關系Table 2 Similarity relation table

圖5 El波和LD波加速度時域曲線Fig.5 Time-domain curves of EI wave and LD wave acceleration

表3 加載制度Table 3 loading system table

3 試驗現(xiàn)象分析

在輸入峰值加速度為0.4g之前(即加載工況16之前)，模型坡體的變形較小，工況16的LD地震波作用下坡體的變形情況如圖6所示，從圖中可以看出模型坡體表面未見明顯的裂縫產生現(xiàn)象。

圖6 工況16地震波作用下坡體Fig.6 Schematic diagram of slope under the action of seismic waves in working condition 16

當加載到工況18后，左邊無支護側邊坡在五級坡坡面出現(xiàn)了一條細小裂縫，其長度約為20 cm，其走向為從五級坡坡頂位置斜向向下擴展，形狀呈現(xiàn)弧形，同時，無支護側邊坡在六級坡底部靠近模型箱側壁的位置出現(xiàn)了輕微的土體散落現(xiàn)象，坡體變形情況如圖7所示。上述變形產生的原因是左邊無支護側邊坡五級坡及六級坡在0.4g的LD(XZ向)地震波作用下發(fā)生了剪切變形。

圖7 工況18地震波作用下坡體變形情況Fig.7 Schematic diagram of slope under the action of seismic waves in working condition 18

當加載到工況23后，左邊無支護側邊坡在五級坡坡頂位置和六級坡坡頂位置處出現(xiàn)了明顯地土體拋射現(xiàn)象，其中五級坡坡面的土體在地震波的作用下成塊狀拋射出來，而六級坡的坍落的土體顆粒較小。與無支護側坡體變形情況對比，右側支護側邊坡坡體未見明顯的土體坍落現(xiàn)象，只是在四級坡坡腳位置和六級坡靠近坡頂位置處各出現(xiàn)了一條橫向裂縫，如圖8右幅邊坡紅色圓圈中所示。

圖8 工況23地震波作用下坡體變形情況Fig.8 Schematic diagram of slope under the action of seismic waves in working condition 23

當加載到工況26后，左邊無支護側邊坡坡面土體滑坍嚴重，五級坡和六級坡坡面土體基本上已經出現(xiàn)了坡面流現(xiàn)象，滑落的土體堆積在四級坡的馬道位置處，同時，在三級坡坡腳的位置處，也出現(xiàn)了部分土體掉落的現(xiàn)象。與無支護側坡體變形情況對比，支護側邊坡坡體變形情況較輕微，在四級坡坡腳位置、五級坡坡中位置和六級坡靠近坡頂位置處出現(xiàn)了掉土現(xiàn)象，如圖9所示。

圖9 工況26地震波作用下坡體變形情況Fig.9 Schematic diagram of slope under the action of seismic waves in working condition 26

4 試驗結果分析

由于水平向地震波作用是導致支護結構變形、引起坡體破壞的主要原因[20]，因此，只對水平向加載的LD波和El波作用下，有支護一側與無支護一側坡體的加速度響應情況進行對比分析，從而明確新型錨固技術在地震作用下對于路塹高邊坡的加固效果。

4.1 水平向LD波地震作用下無支護側與支護側邊坡坡面處加速度響應情況對比

由表3可知，LD地震波水平向加載的工況主要有工況2、工況9和工況16，其所對應的加速度分別為0.1g、0.2g和0.4g，現(xiàn)分別選取有支護和無支護側三級坡～六級坡坡面位置處的加速度傳感器來研究，每級坡坡面所對應的傳感器編號有支護側的為A1、A2、A3、A4，無支護側的為N1、N2、N3、N4。

提取出有支護側和無支護側三級坡～六級坡坡面處加速度峰值，如表4所示，同時，利用表中的數(shù)據(jù)分別做出有支護側和無支護側三級坡～六級坡坡面處加速度峰值的分布情況，如圖10所示。

圖10 LD波作用下無支護和支護側邊坡坡面加速度峰值分布Fig.10 Distribution of peak acceleration of slope without support and side of support under LD wave action

表4 LD波作用下有支護及無支護側坡面各測點加速度峰值Table 4 Peak acceleration of each measurement point on slope with and without support under LD wave action

由圖10(a)可知，在LD地震波的作用下，無支護側坡面加速度的峰值隨著高程的增大呈現(xiàn)“鋸齒形”形狀，在四級坡和五級坡的坡面測點處，加速度曲線明顯出現(xiàn)了反折點，結合試驗現(xiàn)象分析這種現(xiàn)象產生的原因是在四級坡和五級坡之間可能出現(xiàn)了潛在的滑面，從而使得四級坡坡面處的加速度峰值產生了明顯減小的趨勢。在圖10(a)中，也可以清楚地看到，六級坡坡面處的加速度值較五級坡處的加速度值也出現(xiàn)了明顯減小的趨勢，導致這種現(xiàn)象的原因是，在靠近坡體頂部位置處可能土體的夯實度不夠，即上部土體較下部土體疏松，在地震波的傳播過程中吸收了部分地震波的能量，同時從圖10(a)可以得到，隨著加載工況的增大，其坡面處各個側點的加速度值也在增大。

由圖10(b)可知，在LD地震波的作用下，有支護側坡面加速度的峰值隨著高程的增大呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，這也正符合加速度沿著高程存在著放大效應的常理。此處，以工況16為例來分析隨著高程的增大，其加速度值的增大情況，從圖中可知，三級坡、四級坡、五級坡和六級坡坡面處加速度的值分別為0.438、0.455、0.484、0.818 m/s2，其加速度峰值增幅分別為前者的1.039、1.064、1.690倍。

4.2 水平向El波地震作用下無支護側與支護側坡面處加速度響應情況對比

El地震波水平向加載的工況主要有工況5、工況12和工況19，其所對應的加速度分別為0.1g、0.2g和0.4g，現(xiàn)分別選取無支護和有支護側三級坡～六級坡坡面位置處的加速度傳感器來研究，每級坡坡面所對應的傳感器編號有支護側的為A1、A2、A3、A4，無支護側的為N1、N2、N3、N4。

同上述LD地震波的處理情況相同，分別提取出有支護側和無支護側各級坡坡面在EI地震波作用下的加速度峰值，如表5所示，同時，利用表中的數(shù)據(jù)分別做出無支護側和支護側各級坡坡面處加速度峰值的分布情況，如圖11所示。

同LD地震波作用情況下的坡面加速度值變化情況一樣，由圖11(a)可知，在El地震波的作用下，無支護側坡面加速度的峰值隨著高程的增大呈現(xiàn)“鋸齒形”形狀，在四級坡和五級坡的坡面測點處，加速度曲線明顯出現(xiàn)了反折點，同時，六級坡坡面處的加速度值較五級坡處的加速度值也出現(xiàn)了明顯減小的趨勢，這種現(xiàn)象同LD波作用下無支護側坡面加速度峰值的變化規(guī)律相似，故其原因此處不再復述。

圖11 El波作用下無支護和支護側邊坡坡面加速度峰值分布圖Fig.11 Distribution of peak acceleration of slope without support and supporting side under the action of El wave

由圖11(b)可知，在El地震波的作用下，有支護側坡面加速度的峰值隨著高程的增大整體上呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，但在工況5和工況19的El地震波作用下，四級坡坡面處的加速度峰值相較于五級坡有略微減小的趨勢，其原因可能是在逐級加載的過程中，有支護側坡體在四級坡坡面位置處出現(xiàn)了變形累加的過程，從而導致加速度出現(xiàn)了減小的現(xiàn)象。

綜上可得，在水平向的LD和El地震波作用下，BFRP錨索支護側和無支護側坡面加速度變化規(guī)律分別對應相似，呈現(xiàn)出強烈的規(guī)律性，且可以看出BFRP錨索加固措施對高邊坡的整體穩(wěn)定性具有明顯的提高作用。

表5 El波作用下有支護及無支護側坡面各測點加速度峰值Table 5 Acceleration peaks of each measurement point on slope with and without support under the action of El wave

5 結論

通過本次大型振動臺試驗，對左右兩幅無支護側及BFRP錨索支護側邊坡坡面的加速度峰值分布規(guī)律進行了分析，旨在為BFRP新型錨固結構在高邊坡防護中的動力合理性設計提供依據(jù)，所得結論如下：

(1)通過試驗現(xiàn)象分析可得，相較于無支護側邊坡而言，BFRP錨索在高邊坡的加固過程中可以有效地提高邊坡的整體穩(wěn)定性。

(2)無支護側坡面加速度的峰值隨著高程的增大呈現(xiàn)“鋸齒形”形狀，且在四級坡和五級坡之間可能出現(xiàn)了潛在的滑面。

(3)有支護側坡面加速度的峰值隨著高程的增大整體上呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，加速度隨著高程放大的效應明顯存在。

BFRP錨索+框架結構對地震區(qū)高邊坡的加固可以起到理想的作用，但是對于試驗過程中支護側框架中坡體偶爾出現(xiàn)土體散落的現(xiàn)象，在實際工程中可以通過框格中坡表植草等措施來解決。