地震作用下NPR錨索固坡效應(yīng)振動臺試驗(yàn)研究

陶志剛，王 璇，郭愛鵬，陳佳鈺，舒 昱

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.自然資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071051)

我國多山川、丘陵，且位于環(huán)太平洋地震帶和地中海-喜馬拉雅地震帶兩大地震帶之間，地震災(zāi)害頻發(fā)。2008-05-12T14：28：00，位于地中海-喜馬拉雅地震帶上的四川省汶川縣發(fā)生里氏8.0級大地震。地震作用誘發(fā)邊坡土體產(chǎn)生的滑坡災(zāi)害等對當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成不可逆的損害，也對當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全造成極大威脅。地震作用下邊坡的動力穩(wěn)定性問題亟待解決。

邊坡土體支護(hù)中常用的結(jié)構(gòu)形式有擋土墻、土釘墻、錨桿、錨索等，其中錨索以其經(jīng)濟(jì)、施工方便、力學(xué)性能優(yōu)良、支護(hù)效果卓越等優(yōu)點(diǎn)成為支護(hù)設(shè)備的首選。在實(shí)際工程中，預(yù)應(yīng)力錨索在地震烈度較小時(shí)，錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出可靠的抗震性能；但在強(qiáng)震作用下，巖體變形量增大，此時(shí)預(yù)應(yīng)力錨索極易因其變形能力不足而被拉斷，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。自適應(yīng)錨索的錨固能力受預(yù)設(shè)恒阻力大小的影響，恒阻力過小或過大時(shí)均不利于發(fā)揮自適應(yīng)錨索的優(yōu)勢。壓力型錨索在地震荷載作用下錨索外端頭處的注漿體會向承壓板方向產(chǎn)生位移，使注漿體壓應(yīng)力變大，其加固效果受注漿體強(qiáng)度等級和錨索孔直徑影響很大。上述錨索無法應(yīng)對強(qiáng)震作用的主要原因是其均屬傳統(tǒng)泊松比材料，難以適應(yīng)邊坡巖體的瞬間大變形。2011年，何滿潮針對這一問題研發(fā)出一種具有負(fù)泊松比效應(yīng)、恒阻、吸能、大變形量的NPR錨索。

筆者利用HWL-2000 NPR錨索靜力拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)證實(shí)了NPR錨索在靜力拉伸過程中能保持較高的恒阻力和大變形量。何滿潮等將理論分析與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究發(fā)現(xiàn)NPR錨索的現(xiàn)場安裝方式對其錨固效果有較大影響。呂謙等建立NPR錨索三維彈塑性力學(xué)模型并通過室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型可估算各種型號NPR錨索的恒阻力值。

以上研究揭示了NPR錨索的力學(xué)特性，加速了其應(yīng)用于露天礦邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測和變形控制的進(jìn)程。何滿潮等基于NPR錨索開發(fā)出滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)，筆者將這一系統(tǒng)成功應(yīng)用于南芬露天鐵礦以及羅山礦區(qū)的滑坡監(jiān)測與預(yù)警中。但有關(guān)NPR錨索在地震荷載作用下的變形控制效果以及吸能特性的研究幾近空白，有待進(jìn)一步探索。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上借助振動臺相似模型試驗(yàn)，研究邊坡NPR錨索在地震作用下的動力響應(yīng)、吸能特性、抗震性能，開展有無NPR錨索支護(hù)下的邊坡振動臺對比試驗(yàn)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

2008-05-12T14：28：00，四川省汶川縣發(fā)生里氏8.0級大地震。寶興縣唐包滑坡處位于高烈度區(qū)。震后對寶興縣轄區(qū)內(nèi)唐包滑坡進(jìn)行現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)多處已經(jīng)出現(xiàn)較明顯的變形破壞特征，如圖1所示。

圖1 滑坡體變形破壞特征

唐包滑坡所在區(qū)域地處金湯弧形構(gòu)造帶中部與龍門山北東向構(gòu)造帶結(jié)合部位，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺斷裂發(fā)育，為高山峽谷地區(qū)。該區(qū)域位于龍門山斷裂帶南段，寶興背斜西北部，受構(gòu)造影響較大的主要構(gòu)造為趕羊溝沖斷層、五龍沖斷層、鹽井沖斷層、中壩沖斷層和金棚山弧形沖斷層等，如圖2所示。

圖2 寶興縣構(gòu)造體系

唐包滑坡位于寶興縣西北部，寶興河的直流西河流經(jīng)滑坡體前緣，滑坡體坡面分布有寶興-永富公路及清江村村通公路。

根據(jù)“5·12”汶川地震的震后應(yīng)急勘查結(jié)果，唐包滑坡由滑坡體及欠穩(wěn)定斜坡體組成，即Ⅰ號滑坡體和Ⅱ號欠穩(wěn)定斜坡體(圖3)。筆者以寶興—永富公路所傍Ⅰ號滑坡體部分為主要研究對象。

圖3 唐包滑坡全貌

Ⅰ號滑坡體呈長舌狀，前緣寬約450 m，呈南北向，縱向斜長約1 100 m，呈東西向，坡向53°，滑體面積約228 700 m，體積約4 785 900 m，主滑方向53°。該滑坡體后緣發(fā)育錯落洼地，具有集水條件；前緣及中部坡腳緊鄰河邊，可能遭受河流的強(qiáng)烈侵蝕。“5·12”汶川地震發(fā)生后，Ⅰ號滑坡體變形明顯加快，不斷的蠕動使位于前緣坡體的寶興—永富公路內(nèi)側(cè)擋墻裂縫加寬加大，路面出現(xiàn)不均勻沉陷，外側(cè)路基出現(xiàn)局部滑塌。

2 振動臺模型試驗(yàn)

本次振動臺試驗(yàn)依托中國地震局工程力學(xué)研究所恢先地震工程綜合實(shí)驗(yàn)室振動臺實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，振動臺臺面尺寸為3.5 m×3.5 m，其最大承載質(zhì)量為30 t，最大行程距離為±0.5 m，最大速度為1.5 m/s，最大加速度為20 m/s。

2.1 相似關(guān)系設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)基于Buckingham π定理，選取模型幾何尺寸、重力加速度、彈性模量以及密度作為基本控制參數(shù)，其他相似系數(shù)采用量綱分析法由基本量導(dǎo)出。具體相似系數(shù)見表1。

表1 模型相似系數(shù)

2.2 相似材料制作

本試驗(yàn)采用石膏粉、重晶石粉、河砂和水制備滑坡體，云母片作為滑體與基巖接觸面材料。通過調(diào)整石膏和水的比例調(diào)整滑體材料的物理力學(xué)參數(shù)，依據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，將不同比例的材料制成標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)及單軸壓縮試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定材料質(zhì)量配比為石膏∶重晶石粉∶河砂∶水=22∶12∶40∶7。相似材料的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 相似材料物理力學(xué)參數(shù)

實(shí)際工程中邊坡加固擬采用總長為50 m，恒阻力為600 kN的NPR錨索。NPR錨索結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 NPR錨索結(jié)構(gòu)示意[24]

錨索套管內(nèi)恒阻體滑動時(shí)與套管壁摩擦所產(chǎn)生的滑動摩擦力充當(dāng)NPR錨索的恒阻力。NPR錨索變形分為2個階段：① 當(dāng)錨索上施加的荷載小于或等于恒阻值時(shí)，通過錨索本身彈性變形來抵抗外加荷載；② 當(dāng)外加荷載大于恒阻值時(shí)，恒阻體開始滑動，利用恒阻器的結(jié)構(gòu)變形來抵抗外加荷載。

模型邊坡使用的是具有與NPR錨索相同恒阻效果的長500 mm、恒阻力為60 N的縮尺NPR錨索，其中恒阻套筒使用3D打印樹脂材料制作，恒阻體由不銹鋼加工制成，錨索鋼絞線由鋼絲繩代替，如圖5所示。錨索的恒阻力變化通過改變恒阻套筒和恒阻體直徑實(shí)現(xiàn)。本次試驗(yàn)選用恒阻套筒內(nèi)徑7.96 mm、恒阻體直徑8.13 mm的縮尺NPR錨索，可使恒阻力維持在60 N左右，其中外露纖維筋長10 mm，用于安裝框架及錨具，依據(jù)工程實(shí)際和設(shè)計(jì)要求，錨固段長度取100 mm，錨索入射角35°?？s尺NPR錨索靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖5 縮尺NPR錨索配件

圖6 縮尺NPR錨索拉伸試驗(yàn)曲線

2.3 模型設(shè)計(jì)與制作

本次試驗(yàn)制作的模型以唐包滑坡寶興-永富公路所傍Ⅰ號滑坡體部分為原型，重點(diǎn)突出坡體滑動面處的巖體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并將其他位置處的巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。針對本次模型試驗(yàn)特點(diǎn)，制作模型試驗(yàn)箱如圖7所示，先后進(jìn)行對照組和試驗(yàn)組2組試驗(yàn)。

圖7 模型試驗(yàn)箱

2組試驗(yàn)中，無支護(hù)邊坡振動臺模型試驗(yàn)為對照組，NPR錨索支護(hù)邊坡振動臺模型試驗(yàn)為試驗(yàn)組。試驗(yàn)組主要依靠小型錨索拉力傳感器和加速度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。錨索拉力傳感器安裝在模型邊坡坡表錨頭與坡體接觸位置，采集NPR錨索在試驗(yàn)過程中的應(yīng)力變化情況；加速度傳感器埋置在模型邊坡內(nèi)部，采集不同位置的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)組在模型內(nèi)部共安裝10個加速度傳感器(A1～A10)和12束微型NPR錨索。NPR錨索6束位于公路下方，6束位于公路上方，錨索拉力傳感器在安裝錨頭時(shí)同步安裝，錨頭安裝完畢后通過恒阻體外側(cè)螺母施加預(yù)應(yīng)力；加速度傳感器在模型制作過程中同步安裝且埋置在同一剖面，加速度傳感器的編號、分布及采集通道見表3。所有傳感器均嚴(yán)格按照邊坡模型設(shè)計(jì)(圖8)安裝在模型的對應(yīng)位置。試驗(yàn)組除安裝NPR錨索、錨索拉力傳感器及加速度傳感器外，其他條件與對照組保持一致。

表3 加速度傳感器編號、分布位置及采集通道

圖8 邊坡模型設(shè)計(jì)示意

根據(jù)邊坡模型設(shè)計(jì)制作好的試驗(yàn)組邊坡模型如圖9所示。

圖9 制作完成的邊坡模型

2.4 地震波選取及加載方案

本次試驗(yàn)中共使用3種地震波，分別是正弦波、EL-Centro波以及隨機(jī)白噪聲。輸入EL-Centro波的加速度時(shí)程曲線如圖10所示。

圖10 EL-Centro波加速度時(shí)程曲線

加載工況分2個階段，前期為正弦波工況，后期為EL-Centro波，根據(jù)輸入波形的峰值加速度進(jìn)行分類。其中正弦波加載工況共分為1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 m/s共5個等級，每個等級使用的頻率有5，10，15，20 Hz。EL-Centro波分為2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0，9.0，10.0，11.0，12.0 m/s共11個等級。

加載過程中首先對模型邊坡施加白噪聲激勵，并在每組正弦波及地震波工況完成后施加白噪聲激勵。不同工況加載完成后，對模型變化情況進(jìn)行記錄拍照，待模型穩(wěn)定后再施加下一級工況。具體的試驗(yàn)加載方案見表4。

表4 試驗(yàn)地震波加載信息

3 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 地震條件下NPR錨索吸能特性分析

通過天然邊坡和NPR錨索支護(hù)邊坡的振動臺對比試驗(yàn)來研究NPR錨索的吸能特性。2組試驗(yàn)采取相同的加載方案，加載至模型發(fā)生大變形破壞后停止試驗(yàn)。

圖11為4種典型加載工況下，無支護(hù)邊坡及NPR錨索支護(hù)邊坡的破壞對比圖。并將不同工況下2組試驗(yàn)的邊坡破壞情況列于表5中。

表5 無支護(hù)邊坡及NPR錨索支護(hù)邊坡破壞情況對比

圖11 無支護(hù)邊坡及NPR錨索支護(hù)邊坡破壞對比

峰值加速度為10 m/s的天然地震波加載后，無支護(hù)邊坡已發(fā)生大變形破壞，破壞結(jié)果如圖12所示。對照組停止加載，試驗(yàn)完成。此時(shí)試驗(yàn)組邊坡未發(fā)生大規(guī)模破壞，仍能承受進(jìn)一步加載。為探究NPR錨索支護(hù)邊坡的抗震性能及支護(hù)極限，繼續(xù)增大天然地震波的峰值加速度。當(dāng)天然地震波的峰值加速度達(dá)到12 m/s時(shí)，NPR錨索支護(hù)邊坡發(fā)生破壞，破壞結(jié)果如圖13所示。

圖12 無支護(hù)邊坡破壞

圖13 NPR錨索支護(hù)邊坡破壞

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，NPR錨索支護(hù)邊坡的破壞程度遠(yuǎn)低于無支護(hù)邊坡：2組試驗(yàn)?zāi)Ｐ途谄马斕幃a(chǎn)生破壞，無支護(hù)邊坡發(fā)生大面積崩塌潰壞現(xiàn)象且邊坡中下部巖土體破碎嚴(yán)重；NPR錨索支護(hù)邊坡坡頂巖土體破碎并沿坡體向下滑移，坡頂?shù)幕麦w后緣部分沒有被破壞，破壞范圍較小，巖土體破碎程度較低。公路下方的圓弧滑動面處，無支護(hù)邊坡在坡表產(chǎn)生了連通的裂縫，坡體內(nèi)部的圓弧滑動面已經(jīng)貫通，而NPR錨索支護(hù)邊坡在相同位置處僅有兩側(cè)出現(xiàn)細(xì)微裂縫，圓弧滑動面也沒有貫通。

拆卸模型時(shí)，發(fā)現(xiàn)對照組及試驗(yàn)組模型在坡體內(nèi)部也表現(xiàn)出不同的破壞特征。圖14為挖除模型坡頂破壞部分后坡體內(nèi)部的圖片，從圖14中可以看出，無支護(hù)邊坡的坡體內(nèi)部已受到破壞，破碎情況較為嚴(yán)重，坡體的整體性較差；而NPR錨索支護(hù)邊坡坡體內(nèi)部整體性較好，無明顯裂縫產(chǎn)生。

圖14 坡體內(nèi)部破壞情況

通過本次試驗(yàn)中無支護(hù)邊坡與NPR錨索支護(hù)邊坡破壞情況對比，可以得出NPR錨索在地震作用下具有良好的吸能特性，能夠通過吸收地震釋放能量的方式增強(qiáng)邊坡的整體性，從而提高坡體的強(qiáng)度，降低坡體破壞程度，為邊坡提供有效支護(hù)。

3.2 地震條件下NPR錨索軸力動力響應(yīng)分析

通過全程監(jiān)測NPR錨索軸力受力曲線，分析其在試驗(yàn)過程中的變化規(guī)律。對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，選取降噪處理后典型錨索的軸力變化圖(圖15)進(jìn)行分析。NPR錨索在試驗(yàn)全程的軸力變化情況，表現(xiàn)出以下特征：

圖15 典型錨索軸力變化

(1)NPR錨索在地震作用下表現(xiàn)出獨(dú)特的恒阻特性。在地震慣性力的反復(fù)作用下，NPR錨索的恒阻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞效應(yīng)導(dǎo)致恒阻力下降，但恒阻力下降到一定數(shù)值后便不再發(fā)生明顯變化，表明NPR錨索的恒阻特性在地震作用下仍然存在。

(2)地震作用下，NPR錨索能夠?qū)吰绿峁┯行еёo(hù)。軸力曲線表明NPR錨索提供的拉力沒有因?yàn)槭┘拥卣鹱饔枚?，而是維持在一定數(shù)值，即錨索的錨固特性始終存在，可以認(rèn)為地震條件下NPR錨索仍能對邊坡提供有效支護(hù)。

3.3 邊坡加速度動力響應(yīng)分析

以A4測點(diǎn)為例，對收集到的加速度數(shù)據(jù)處理分析，進(jìn)行了全峰值下無支護(hù)邊坡與NPR錨索支護(hù)邊坡PGA放大系數(shù)的對比(圖16)。由圖16可知，在地震波峰值加速度到達(dá)8 m/s之前，NPR錨索支護(hù)邊坡的加速度放大系數(shù)均小于無支護(hù)邊坡，表明NPR錨索具有良好的支護(hù)效果。峰值加速度增大到8 m/s以后無支護(hù)邊坡破壞加劇，加速度放大系數(shù)遠(yuǎn)高于NPR錨索支護(hù)下的邊坡。峰值加速度到達(dá)10 m/s時(shí)無支護(hù)邊坡已然破壞，內(nèi)部土體分崩離析，坡體內(nèi)部的圓弧滑動面已經(jīng)貫通，因此PGA放大系數(shù)陡然下降。

圖16 全峰值PGA放大系數(shù)對比

另外針對峰值加速度為8 m/s時(shí)全部測點(diǎn)加速度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到無支護(hù)邊坡與NPR錨索支護(hù)邊坡全測點(diǎn)的PGA放大系數(shù)對比(圖17)。在NPR錨索支護(hù)下，A1，A2，A3，A4測點(diǎn)的加速度放大系數(shù)均比無支護(hù)時(shí)降低9%左右。可見NPR錨索能有效增強(qiáng)邊坡底部穩(wěn)定性。A5，A6測點(diǎn)位于中下部坡體內(nèi)部，NPR錨索支護(hù)下的PGA放大系數(shù)相較于無支護(hù)時(shí)下降了13%，可見NPR錨索對于滑坡體內(nèi)部的土體有良好的支護(hù)作用。測點(diǎn)A7加速度放大系數(shù)下降12%，由此可見NPR錨索對于滑坡土體邊緣土體加固效果明顯，能減小滑坡體對周圍土體的影響。A8，A9，A10均下降6%，可見雖然邊坡土體滑動面已經(jīng)產(chǎn)生，但是NPR錨索仍然能對邊坡起到一定的支護(hù)作用。

圖17 全測點(diǎn)PGA放大系數(shù)對比

從總體上看，無支護(hù)邊坡中各測點(diǎn)加速度放大系數(shù)均要大于NPR錨索支護(hù)邊坡對應(yīng)測點(diǎn)的加速度放大系數(shù)，表明NPR錨索用于邊坡支護(hù)工程中時(shí)，可以很好的限制坡體變形，對于滑坡位移具有一定的控制能力，有利于提高坡體的抗震性能。

4 邊坡變形破壞機(jī)理分析

根據(jù)邊坡模型在逐級增強(qiáng)的地震作用下邊坡變形破壞特征，并結(jié)合前文研究成果，探究無支護(hù)邊坡在地震作用下的發(fā)生破壞的一般規(guī)律。共劃分為3個階段：

(1)張拉裂縫產(chǎn)生及坡頂松動階段。小震作用下，邊坡中上部的淺表及結(jié)構(gòu)面處產(chǎn)生張拉裂縫，但未向坡體內(nèi)部發(fā)展，邊坡整體保持穩(wěn)定，邊坡巖土體處于彈性狀態(tài)。PGA放大系數(shù)基本呈線性增長。如圖18(a)所示。

(2)裂縫持續(xù)發(fā)展階段。中震作用下，張拉裂縫持續(xù)向坡體內(nèi)部發(fā)育，裂縫寬度不斷增加。裂縫對坡體進(jìn)行切割，破壞邊坡的整體性，并在局部產(chǎn)生連通滑動面?；瑒用嫔喜繋r土與坡體分離，成為危巖體。PGA放大系數(shù)快速增長，到達(dá)最高點(diǎn)。如圖18(b)所示。

圖18 地震作用下天然邊坡破壞過程

(3)滑動面貫通坡體崩塌潰壞階段。強(qiáng)震作用下，裂縫持續(xù)向內(nèi)部擴(kuò)展，形成貫通的圓弧滑動面，滑體沿著貫通的滑動面產(chǎn)生滑移，邊坡發(fā)生大面積的崩塌潰壞現(xiàn)象，主要集中在邊坡上部，其中坡頂處的破壞最為嚴(yán)重；在邊坡中下部圓弧滑動面出露的位置處也產(chǎn)生了巖土體破碎的現(xiàn)象，巖土體剛度減小，阻尼比增大，導(dǎo)致PGA放大系數(shù)突降。如圖18(c)所示。

5 結(jié) 論

(1)相同工況下經(jīng)過NPR錨索支護(hù)邊坡的變形破壞情況以及巖土體的破碎程度與無支護(hù)邊坡相比改善顯著，NPR錨索通過吸收地震釋放的能量降低坡體的峰值加速度，提高坡體強(qiáng)度，降低邊坡的破壞程度，具有良好的吸能特性。

(2)NPR錨索內(nèi)恒阻結(jié)構(gòu)因地震慣性力的反復(fù)作用產(chǎn)生疲勞效應(yīng)導(dǎo)致恒阻力降低，吸能效果隨之下降，但恒阻力仍然能夠維持在一定數(shù)值，即錨索的錨固特性始終存在。可認(rèn)為地震條件下NPR錨索仍能對邊坡提供可靠支護(hù)。

(3)無支護(hù)邊坡中各測點(diǎn)加速度放大系數(shù)均大于NPR錨索支護(hù)邊坡對應(yīng)測點(diǎn)的加速度放大系數(shù)，表明NPR錨索對邊坡底部土體、滑坡體周圍土體以及滑坡體均能提供有效支護(hù)，起到增強(qiáng)整體穩(wěn)定性和降低滑坡災(zāi)害程度的作用。

(4)地震作用下無支護(hù)邊坡破壞過程可分為張拉裂縫產(chǎn)生及坡頂松動階段，裂縫持續(xù)發(fā)展階段，滑動面貫通坡體崩塌潰壞階段3個階段。