ECC樁-消能錨韌性支擋結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律

摘要：作為地震滑坡治理中最常見的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系之一，樁錨結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下抗震韌性的提升已成為當(dāng)前工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。通過引入黏滯阻尼器以及ECC韌性構(gòu)件對(duì)樁錨結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行優(yōu)化，并基于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)從宏觀破壞現(xiàn)象、模型動(dòng)力特性、加速度響應(yīng)、樁身位移響應(yīng)、動(dòng)態(tài)彎矩響應(yīng)、動(dòng)態(tài)軸力響應(yīng)等方面分析新型樁錨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征。結(jié)果表明，阻尼器的設(shè)置能有效降低錨索動(dòng)態(tài)軸力并防止其累積，最大降低幅度可達(dá)47%，隨著震級(jí)的升高，降低幅度先增大再減小，并可以通過阻尼器的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)；ECC材料的使用則提高了樁身變形能力，增強(qiáng)了地震作用下抗滑樁的耗能能力，克服了因設(shè)置阻尼器位移有所增大的問題；兩者的聯(lián)合作用顯著改善了樁錨結(jié)構(gòu)的抗震性能；地震波頻譜特性對(duì)新型結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律有顯著影響，含有接近邊坡基頻的頻率分量越多，地震波動(dòng)力放大效應(yīng)越突出，與Sine_5Hz地震波作用相比，汶川波作用下坡頂PGA放大系數(shù)增幅可達(dá)100%。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)臺(tái)；樁錨結(jié)構(gòu)；消能型錨索；抗震性能；黏滯阻尼器

中圖分類號(hào)：TU435 """"文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A """"文章編號(hào)：2096-6717（2025）02-0076-13

Seismic response characteristics of ECC pile-energy dissipation anchor ductile retaining structure

DING Xuanming，"LIU Xuecheng，"WANG Chunyan，"REN Jiyu，"LIU Shimin

（School of Civil Engineering；"Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area， Ministry of Education， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract： As one of the most common support structural systems against seismic landslide， pile-anchor structures have become a hot topic of research in the current engineering field for their enhanced seismic resilience under strong earthquake. This study optimizes the seismic performance of pile-anchor structures by introducing viscous dampers and ECC （Engineered Cementitious Composite） ductile components. Based on shake table tests， the characteristics of dynamic behavlors of the new pile-anchor structures are analyzed from aspects of macroscopic failure， model dynamic properties， acceleration response， pile displacement response， dynamic bending moment response， and dynamic axial force response. The experimental results indicate that installation of dampers effectively reduces the dynamic axial force of the anchor cables and prevents its accumulation， with a maximum reduction of up to 47%. The reduction magnitude increases and then decreases with the increase of the seismic intensity， and it can be adjusted by optimizing the design of the dampers. The use of ECC materials improves the deformation capacity of the pile body， enhances the energy dissipation capacity of the anti-sliding pile under seismic action， and overcomes the problem of increased displacement due to the installation of dampers. The combined effect of both significantly improves the seismic performance of pile-anchor structures. The spectral characteristics of seismic waves possesses significant impact on the seismic response pattern of the new structure. The more frequency components close to the fundamental frequency of the slope contained in the seismic waves， the more prominent the dynamic amplification effect. Compared to the action of Sine_5Hz， under the effect of the Wenchuan wave， the amplification factor of the PGA （Peak Ground Acceleration） at the top of the slope could increase by up to 100%.

Keywords： shaking table；"pile-anchor structure；"energy dissipating anchor cable；"seismic performance；"viscous dampers

作為地震引發(fā)的主要次生災(zāi)害，地震滑坡具有分布范圍廣、致災(zāi)程度重、易形成災(zāi)害鏈等特點(diǎn)^[1-5]。為了避免地震滑坡造成大量人員傷亡以及基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重破壞，地震滑坡治理已成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。錨索抗滑樁作為地震滑坡治理中最常見的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，其抗震性能引起了大量研究人員的關(guān)注^[6-9]。

學(xué)者們已通過數(shù)值模擬、理論分析等方式對(duì)地震作用下錨索抗滑樁的響應(yīng)規(guī)律、破壞機(jī)理進(jìn)行了充分研究。石洋海等^[10]提出采用力法計(jì)算錨索軸力，以確定錨索與抗滑樁承擔(dān)滑坡推力的比例。王壯等^[11]用有限元方法對(duì)地震作用下預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的抗滑效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。李曉翠等^[12]基于有限差分法對(duì)預(yù)應(yīng)力樁錨結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)樁位對(duì)加固邊坡穩(wěn)定性影響較大。模型試驗(yàn)作為現(xiàn)階段研究結(jié)構(gòu)抗震響應(yīng)的重要手段，更是被諸多學(xué)者用于地震作用下錨索抗滑樁響應(yīng)特性的研究中。王貴華等^[13]通過物理模型試驗(yàn)研究了不同布錨形式對(duì)錨索抗滑樁變形特征的影響。連靜等^[14]通過大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)從多個(gè)維度探究了地震作用下錨索抗滑樁系統(tǒng)動(dòng)力特征演化規(guī)律。吳曙光等^[15]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)樁錨結(jié)構(gòu)加固下順層巖質(zhì)邊坡的地震動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析。

已有研究主要集中于支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力以及被加固邊坡動(dòng)態(tài)特性等方面，但大量災(zāi)害調(diào)研表明，強(qiáng)震作用下傳統(tǒng)樁錨結(jié)構(gòu)易發(fā)生不可恢復(fù)變形以及錨頭處沖切破壞^[16-17]，其抗震性能還有待進(jìn)一步提高。結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化主要有兩種方式，一種是提高結(jié)構(gòu)自身的整體抗震性能，另一種則是減少地層傳遞至結(jié)構(gòu)的地震能量。為了提高結(jié)構(gòu)自身抗震性能，許多學(xué)者將新型材料工程水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composite，簡稱ECC）引入結(jié)構(gòu)體系中。諶建霖等^[18]通過使用ECC耗能構(gòu)件，增強(qiáng)了樁板墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗震性能。高淑玲等^[19]發(fā)現(xiàn)ECC材料在構(gòu)件受拉區(qū)的使用可以使高強(qiáng)鋼筋應(yīng)力完全發(fā)揮，大大提高了構(gòu)件承載能力。Zhang等^[20]將ECC材料用于橋墩結(jié)構(gòu)，證明了其具有較好的抗震能力和損傷控制能力。一般通過增設(shè)耗能裝置減少地層傳遞至結(jié)構(gòu)的地震能量。大量研究使用黏滯阻尼器作為耗能裝置，顯著提高了結(jié)構(gòu)抗震性能。何文福等^[21]通過動(dòng)力實(shí)驗(yàn)分析了黏滯阻尼器在裝配式結(jié)構(gòu)中的減震能力，結(jié)果表明，黏滯阻尼器能有效延緩構(gòu)件塑性鉸發(fā)展，減少結(jié)構(gòu)不可逆損傷。Siami-Kaleybar等^[22]通過數(shù)值計(jì)算研究了黏滯阻尼器對(duì)多層鋼框架抗震性能的影響，其非線性時(shí)程分析結(jié)果表明，與原結(jié)構(gòu)相比，帶阻尼器結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能。吳克川等^[23]提出了一種基于性能的設(shè)計(jì)方法，可使黏滯阻尼器減震結(jié)構(gòu)同時(shí)取得較好的位移及地震剪力控制效果。

已有減震消能優(yōu)化手段仍主要應(yīng)用于橋梁、高層建筑等領(lǐng)域，在邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少。筆者通過在錨索上設(shè)置黏滯阻尼器，使用ECC材料制作抗滑樁，構(gòu)建新型樁錨結(jié)構(gòu)體系，優(yōu)化樁錨結(jié)構(gòu)的抗震性能。通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)地震作用下新型樁錨結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)在重慶大學(xué)巖土工程試驗(yàn)室進(jìn)行，所用振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)由美國ANCO公司研制。振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為1.2 m×1.2 m，最大載重為1 t，加載頻率為0～50 Hz，可進(jìn)行水平、垂直雙向加載，最大加速度為1.2g，最大加載速度為0.5 m/s，最大加載位移為100 mm。

如圖1所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ头胖迷诠瘫谑絼傂阅Ｐ拖渲?，該剛性模型箱尺寸?.6 m×0.8 m×1.5 m（寬×長×高），并用螺栓固定在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面。模型箱內(nèi)底部設(shè)置2 cm厚碎石，以模擬無摩擦底部邊界條件。同時(shí)，在剛性箱兩端加裝2 cm厚聚苯乙烯泡沫作為吸波材料，以降低垂直于振動(dòng)方向的邊界影響。模型箱側(cè)壁涂抹凡士林，減小模型箱側(cè)壁對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪Σ劣绊憽?/p>

1.2 動(dòng)力相似比

為使模型試驗(yàn)盡可能反映原型特性，按照相似定律對(duì)原型進(jìn)行縮尺。在常重力條件下，很難同時(shí)滿足所有相似準(zhǔn)則，因此，選取對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大的11個(gè)物理量進(jìn)行相似設(shè)計(jì)，并在其中選擇幾何尺寸、密度和加速度3個(gè)物理量作為控制因素。幾何尺寸相似比選擇為10（原型/模型），密度和加速度相似比均定為1。據(jù)此計(jì)算其余物理量相似比，并將計(jì)算結(jié)果列于表1。

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ透叨葹?.5 m，由滑體、基巖、ECC樁板模型、錨索、阻尼器5部分組成，并設(shè)置有普通混凝土（Ordinary Concrete，簡稱RC）樁板模型及無阻尼器的ECC樁錨模型作為對(duì)照組。RC模型配有阻尼器，其與主試驗(yàn)組的區(qū)別僅為樁板模型制作材料不同，其余組成完全一致。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械倪吰掠蓛刹糠謽?gòu)成：一部分為滑體，另一部分為下部基巖。為更好地反映試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮吞匦?，按照?qiáng)度相似性進(jìn)行滑體材料力學(xué)性質(zhì)縮尺，使得材料密度與抗剪強(qiáng)度滿足相似比。用河沙、黏土和水制作滑體材料，根據(jù)直剪試驗(yàn)結(jié)果確定材料配比為黏土∶河沙∶水=2∶27.55∶1。配制出的滑體材料密度為2 g/cm³，黏聚力為6.52 kPa，內(nèi)摩擦角為20.38°。使用材料強(qiáng)度較高的C15混凝土制作基巖，已達(dá)到固定模型樁的作用。受混凝土施工工藝的限制，以圖2中所示實(shí)際滑動(dòng)面代替理想對(duì)數(shù)螺旋滑動(dòng)面。

如圖3（a）所示，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目够瑯稙?0 mm×80 mm的ECC懸臂樁，樁腳嵌固在基巖中。為使試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂袑?duì)稱性，在兩側(cè)設(shè)置1/2橫截面尺寸抗滑樁，樁間間距定為220 mm。樁間混凝土板厚度為10 mm?？够瑯赌Ｐ秃蜆堕g板均采用支模整體現(xiàn)澆制成，并以2 mm鋼絲模擬實(shí)際抗滑樁內(nèi)部鋼筋（如圖1所示）。為了研究地震作用下抗滑樁受力變形規(guī)律，需根據(jù)相似準(zhǔn)則對(duì)抗滑樁材料特性進(jìn)行縮尺。通過調(diào)節(jié)水灰比、粉煤灰摻量及養(yǎng)護(hù)齡期的方式得到彈性模量滿足相似關(guān)系且仍具有應(yīng)變硬化特性和超高拉伸應(yīng)變能力的低強(qiáng)度ECC材料。材料配比為粉煤灰∶石英砂∶水∶減水劑∶PVA纖維=0.15∶0.85∶0.264∶0.37∶0.009 3，其中PVA纖維體積摻量為2%。抗壓強(qiáng)度為7.2 MPa，彈性模量為3.2 GPa，抗拉強(qiáng)度1.3 MPa，極限拉應(yīng)變超過2.5%。試驗(yàn)對(duì)照組采用的普通混凝土材料也需要根據(jù)相似準(zhǔn)則進(jìn)行材料配制，配制比例為水泥∶水∶福建標(biāo)準(zhǔn)砂=1∶1∶4，彈性模量為4.2 GPa。如圖4、圖5所示，ECC材料在各類單元體試驗(yàn)中都表現(xiàn)出更高的韌性，且在破壞時(shí)往往呈現(xiàn)多裂縫開裂破壞特征。需要特別說明的是，以上材料參數(shù)均基于平行試樣5 d齡期測(cè)試得到，選定5 d齡期是因?yàn)榇藭r(shí)材料強(qiáng)度較低，可滿足試驗(yàn)相似性要求。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腻^索采用4 mm鋼絞線。鋼絞線前端與阻尼器尾部連接，后端與基巖上的鋼環(huán)連接。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖枘崞鬟x取第3代單進(jìn)出間隙式黏滯液體阻尼器。在地震來臨時(shí)，抗滑樁運(yùn)動(dòng)，樁頭會(huì)牽引著阻尼器活塞頭剪切阻尼器內(nèi)部阻尼液體，以此耗散地震能量。

整個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒ㄔ爝^程為：1）進(jìn)行樁板模型的支模澆筑，待達(dá)到5 d齡期時(shí)，將樁板模型的樁腳插入基巖預(yù)留孔洞進(jìn)行固定支撐，這是為了保證抗滑樁在填土期間不受沖擊荷載影響；2）進(jìn)行填土以及分層夯實(shí)，通過控制分層填土質(zhì)量控制填土密度；3）填土達(dá)到預(yù)設(shè)高度時(shí)安裝錨索與阻尼器，將錨索一端與阻尼器尾部連接，另一端則連接至基巖，接著將阻尼器活塞桿穿過樁身預(yù)留孔洞，安裝與活塞桿上螺紋配套的螺絲；4）填筑上部剩余土體，完成整個(gè)模型的建造。

1.4 傳感器布置

試驗(yàn)采用加速度傳感器、位移計(jì)、應(yīng)變計(jì)等多種類型的傳感器。如圖1所示，這些傳感器被放置在模型中間的縱斷面中，以減少邊界效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。在模型側(cè)面設(shè)置數(shù)碼相機(jī)，記錄模型的側(cè)向變形。

試驗(yàn)共布置15個(gè)加速度傳感器，其中A11用于測(cè)量振動(dòng)臺(tái)的輸入加速度時(shí)程。剩余的加速度傳感器放置于滑體內(nèi)，具體位置見圖2。試驗(yàn)共布置5個(gè)位移傳感器，其中4個(gè)是LVDT位移傳感器，1個(gè)是精度較高的激光位移傳感器。由于研究重點(diǎn)為錨頭處位移，因此該處采用激光位移傳感器測(cè)量。除加速度傳感器和位移傳感器外，試驗(yàn)中還使用了9對(duì)應(yīng)變片來測(cè)量地震作用下樁身的動(dòng)彎矩和錨索的動(dòng)軸力，應(yīng)變片布置位置詳見圖2、圖3。

1.5 地震動(dòng)輸入

輸入地震波原型選用汶川波，按模型時(shí)間相似比對(duì)原型地震動(dòng)進(jìn)行壓縮處理，并調(diào)整地震動(dòng)峰值，作為實(shí)際輸入地震波^[24-25]。為了充分研究阻尼器、ECC構(gòu)件對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)的影響，試驗(yàn)輸入地震波還選用了破壞性更強(qiáng)的正弦波，持時(shí)定為20 s，頻率定為5 Hz。所有基底輸入地震動(dòng)均采用水平激勵(lì)，其加速度時(shí)程曲線及傅里葉譜如圖6所示。在初始狀態(tài)以及不同峰值加速度地震動(dòng)輸入完成后，對(duì)模型輸入0.05g白噪聲掃頻，以研究試驗(yàn)過程中整個(gè)模型的動(dòng)力特性變化。試驗(yàn)所有輸入工況如表2所示，需要注意的是，在峰值地面加速度（Peak Ground Acceleration，后文簡稱PGA）等于0.7g"Sine_5Hz（工況12）地震波作用下，支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始出現(xiàn)明顯位移變化。為排除天然地震波復(fù)雜頻譜特性對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)最終破壞模式的影響，在后續(xù)工況中僅施加了PGA=0.9g、1.0g"Sine_5Hz地震波，并未施加PGA=0.9g、1.0g汶川波。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 宏觀破壞現(xiàn)象

模型宏觀破壞演變過程如圖7所示。由圖7可見，在輸入地面峰值加速度小于0.5g地震波時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅３殖跏紶顟B(tài)，未出現(xiàn)明顯破壞。直到PGA=0.5g"Sine_5Hz地震波（工況6）作用后，樁背區(qū)域與土接觸面產(chǎn)生輕微背離，形成縫隙。輸入PGA=0.7g汶川波（工況11）時(shí)坡面右上角出現(xiàn)大量裂隙。振動(dòng)過程中裂隙持續(xù)張開使得坡體右上角位置發(fā)生破損，少量松散土體由坡頂右側(cè)角部滑落。與此同時(shí)，樁背區(qū)域與土體背離程度進(jìn)一步加大。繼續(xù)輸入PGA=0.7g"Sine_5Hz波（工況12），坡表面中部位置出現(xiàn)明顯橫向張拉裂縫。裂隙在振動(dòng)過程中向斜上部不斷發(fā)展，兩側(cè)橫向張拉裂縫有匯合趨勢(shì)，樁背區(qū)域與土體的間隙持續(xù)擴(kuò)張。

輸入PGA=0.9g"Sine_5Hz地震波（工況14）時(shí)，坡面兩側(cè)橫向裂縫匯合并貫穿整個(gè)截面，使得坡面下部土體破碎嚴(yán)重。大量土體從坡頂滑出，發(fā)生越頂破壞。同時(shí)從側(cè)面觀察到滑體開始有沿基巖面滑動(dòng)的跡象，基巖面附近土體出現(xiàn)剪切滑移裂縫。繼續(xù)輸入PGA=1.0g"Sine_5Hz地震波（工況16），邊坡坡頂被鏟平。從另一側(cè)面觀察到基巖面附近土體也出現(xiàn)了剪切滑移裂縫，說明全截面貫通滑移面已形成，滑體產(chǎn)生較大的滑動(dòng)。

綜上所述，帶消能型錨索的抗滑樁呈現(xiàn)出支護(hù)下邊坡模型破壞形態(tài)受坡頂豎向張拉裂縫和剪切滑裂縫控制，在地震動(dòng)作用下豎向張拉裂縫不斷向下延伸，與沿著剪切滑移的裂縫相交貫通，引發(fā)滑體滑動(dòng)，最終邊坡模型滑梯在兩種裂隙作用下發(fā)生越頂剪切破壞。

加載結(jié)束后取出樁板模型，獲得的樁身裂縫分布如圖8所示。由于樁身彎矩最大值出現(xiàn)在嵌固端截面，因此普通混凝土樁與ECC抗滑樁均在嵌固端截面附近出現(xiàn)樁背面受拉開裂破壞，但二者拉裂縫形態(tài)有明顯差異。普通混凝土樁各個(gè)樁腳上均只出現(xiàn)一條主裂縫，而ECC混凝土樁樁腳上除主裂縫以外可觀察到多條細(xì)微裂縫，呈現(xiàn)多裂縫破壞特征。該現(xiàn)象說明，ECC混凝土樁具有更高抗震韌性，可以吸收、分散較多地震能量。同時(shí)，觀察到ECC樁裂縫處有大量粗糙的纖維，說明振動(dòng)過程中纖維發(fā)揮了對(duì)水泥基的拉結(jié)作用，并有效限制了樁腳裂縫的持續(xù)開展。

2.2 加速度響應(yīng)規(guī)律

震后調(diào)查表明，地震中加速度產(chǎn)生的慣性力是邊坡失穩(wěn)破壞的主要原因。在加固邊坡動(dòng)力穩(wěn)定分析中，必須研究加固邊坡內(nèi)部加速度分布規(guī)律。以不同震級(jí)天然地震波（汶川波）、Sine_5Hz地震波作用下滑體內(nèi)各點(diǎn)加速度響應(yīng)為依據(jù)，研究加固邊坡加速度響應(yīng)規(guī)律。采用PGA放大系數(shù)描述加速度分布規(guī)律，PGA放大系數(shù)是指測(cè)點(diǎn)峰值加速度與實(shí)測(cè)輸入地震波峰值加速度（A11）的比值。由于PGA=1.0g時(shí)模型已發(fā)生越頂破壞，上部加速度計(jì)部分已退出工作，分析加速度分布規(guī)律時(shí)僅考慮PGA≤0.9g的工況。

圖9為不同震級(jí)天然地震波以及Sine_5Hz地震波作用下PGA放大系數(shù)與偏離樁背面距離的關(guān)系。由圖9可見，無論是在天然地震波作用下還是在Sine_5Hz地震波作用下，PGA放大系數(shù)均由于偏離樁背面距離不同而發(fā)生明顯變化，說明剛性箱兩端加裝的聚苯乙烯泡沫有效吸收了地震波，防止了地震波在邊界發(fā)生反射對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖10為不同震級(jí)天然地震波以及Sine_5Hz地震波作用下加速度放大系數(shù)隨著高程變化的趨勢(shì)。由圖10可以看出，在不同震級(jí)天然地震波以及Sine_5Hz地震波作用下，PGA放大系數(shù)均呈現(xiàn)出沿著高度方向非線性增加的趨勢(shì)，具有顯著高程效應(yīng)。

圖11為相同震級(jí)（PGA=0.5g）的兩種地震波作用下測(cè)點(diǎn)A2的加速度時(shí)程曲線。由圖11可以發(fā)現(xiàn)，在汶川波作用下的測(cè)點(diǎn)峰值加速度顯著大于Sine_5Hz地震波作用下測(cè)點(diǎn)峰值加速度。對(duì)比相同震級(jí)兩種地震波作用下其余測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)的值同樣可以發(fā)現(xiàn)此特點(diǎn)。而汶川波之所以具有更顯著的放大效應(yīng)，可能是因?yàn)殂氪úǖ念l率成分里含有更多接近試驗(yàn)?zāi)Ｐ突l的成分，在振動(dòng)過程中，這些成分會(huì)被試驗(yàn)?zāi)Ｐ头糯笤鰪?qiáng)。說明加固邊坡在地震中存在顯著的“濾波”效應(yīng)，亦即會(huì)對(duì)接近邊坡基頻的波進(jìn)行放大，同時(shí)過濾與邊坡基頻不符的波。

表3、表4為不同震級(jí)汶川波以及Sine_5Hz地震波作用下各測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)。對(duì)比同一測(cè)點(diǎn)在不同震級(jí)汶川波作用下PGA放大系數(shù)的值可以發(fā)現(xiàn)，在小震作用下（PGA≤0.5g），隨著震級(jí)的變化，PGA放大系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)。在大震作用下（PGAgt;0.5g）則呈增大的趨勢(shì)。但不同Sine_5Hz地震波作用下，隨著震級(jí)的升高，各測(cè)點(diǎn)加速度放大系數(shù)僅呈先減小后增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樾滦徒Y(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)受多種因素的控制，一方面，在振動(dòng)過程中土體非線性特征逐漸加強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致加速度響應(yīng)變小；另一方面，隨著震級(jí)的升高，新型支護(hù)結(jié)構(gòu)樁身會(huì)產(chǎn)生明顯位移，降低了支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡的限制作用，從而無法有效削弱邊坡加速度放大效應(yīng)。汶川波頻率組成更加復(fù)雜，即使較低震級(jí)的輸入也會(huì)引起較大的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，因此，在輸入汶川波時(shí)，加速度放大系數(shù)主要受結(jié)構(gòu)位移控制，隨震級(jí)升高而增大。當(dāng)土體非線性特征發(fā)展到一定程度、成為主要控制因素時(shí)，加速度放大系數(shù)才有所減小。最后，在PGA=0.7g汶川波輸入時(shí)，結(jié)構(gòu)位移顯著增加，致使加速度放大系數(shù)再次增大。相比之下，Sine_5Hz波在低震級(jí)下引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)較小，因此，受土體非線性特征控制，加速度響應(yīng)持續(xù)減小，直至加載高震級(jí)Sine_5Hz波時(shí)才開始增長。除此，加載Sine_5Hz地震波之前會(huì)先加載同震級(jí)汶川波，使得土體非線性特征累積增大，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也有一定影響。

還需要特別注意的是，在輸入PGA=0.9 Sine_5Hz地震波時(shí)，各點(diǎn)PGA放大系數(shù)都陡然增大，說明抗滑樁此時(shí)可能已經(jīng)開始破壞，支護(hù)結(jié)構(gòu)的限制作用進(jìn)一步削弱，這與觀察到的試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃暧^破壞現(xiàn)象相符，也說明加速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的異常變化可以作為判斷加固邊坡破壞狀態(tài)發(fā)展的有效依據(jù)。

2.3 樁身位移變化規(guī)律

擋土結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生的永久位移是衡量其抗震性能的重要指標(biāo)，因此著重探究新型結(jié)構(gòu)在地震作用下的永久位移變化規(guī)律。除此之外，考慮到振動(dòng)過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)峰值位移過大也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全性造成嚴(yán)重威脅，還對(duì)新型結(jié)構(gòu)在地震作用下的峰值位移變化規(guī)律進(jìn)行研究。

圖12（a）為不同震級(jí)汶川波作用下樁身各點(diǎn)峰值位移的分布情況，沿高程方向呈倒“R”型分布。主要是因?yàn)闃赌_及樁錨頭位置受到的約束較強(qiáng)，導(dǎo)致這些區(qū)域的位移相對(duì)較小。相比之下，樁中部和樁頭在土壓力作用下位移顯著增大，自然形成這種位移分布模式。這表明消能錨索裝置在地震作用下能有效限制樁錨頭位置的峰值位移。還可以發(fā)現(xiàn)，隨著震級(jí)的增加，測(cè)點(diǎn)D1、D2、D3的峰值位移均出現(xiàn)明顯增大，但測(cè)點(diǎn)D4、D5的峰值位移變化不明顯。這可能是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)D4靠近下端約束端，而測(cè)點(diǎn)D5處于錨頭位置，二者位移受到更強(qiáng)的約束，也說明消能型錨索對(duì)抗滑樁有明顯的限制作用。各個(gè)震級(jí)汶川波作用下各點(diǎn)殘余位移的分布情況則如圖12（b）所示，可以發(fā)現(xiàn)，殘余位移與峰值位移分布不一致，大致呈沿高程非線性增大趨勢(shì)，與峰值位移值相比，各測(cè)點(diǎn)殘余位移值較小，特別是樁身中下部測(cè)點(diǎn)D4，殘余位移接近0。原因可能是中下部位移主要來自樁的可恢復(fù)變形，在地震動(dòng)結(jié)束后變形恢復(fù)，導(dǎo)致底部殘余位移迅速減小。同時(shí)，由于振動(dòng)過程中消能型錨索上阻尼器被緩慢撥出，峰值位移更小的錨頭位置反而有更大殘余位移。

各震級(jí)Sine_5Hz地震波作用下各點(diǎn)峰值位移如圖13所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在PGAlt;0.7g時(shí)，輸入Sine_5Hz地震波各測(cè)點(diǎn)峰值位移與殘余位移分布規(guī)律與汶川波作用下類似。在PGA=0.7g"Sine_5Hz地震波（工況12）作用下，各測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生明顯的峰值位移與殘余位移，且分布規(guī)律發(fā)生變化。應(yīng)該是因?yàn)榇藭r(shí)滑體開始產(chǎn)生滑動(dòng)，這也與該工況下的宏觀破壞現(xiàn)象相符。

PGA=0.9g"Sine_5Hz地震波（工況14）作用時(shí)樁身各測(cè)點(diǎn)峰值位移以及殘余位移均急劇增大，說明此時(shí)坡體出現(xiàn)大量滑動(dòng)，各測(cè)點(diǎn)殘余位移與峰值位移分布規(guī)律與之前工況有明顯差異，呈現(xiàn)沿高程線性增大趨勢(shì)。這種差異可能是因?yàn)闃兜那豆潭碎_始破壞，而測(cè)點(diǎn)位移卻以繞樁腳旋轉(zhuǎn)的不可恢復(fù)變形為主。這也可解釋此工況下樁身各測(cè)點(diǎn)位移的急劇增大現(xiàn)象。輸入PGA=1.0g"Sine_5Hz地震波（工況16）時(shí)，除激光位移傳感器（D5）因量程限制退出了工作以外，其余測(cè)點(diǎn)峰值位移與殘余位移分布規(guī)律與輸入PGA=0.9g"sine波時(shí)基本一致，值得注意的是，在PGA=1.0g"Sine_5Hz地震波作用下，測(cè)點(diǎn)D2、D1峰值反而比在PGA=0.9g"Sine_5Hz地震波作用下小，這大概率是因?yàn)镻GA=1.0g"Sine_5Hz地震波作用時(shí)消能型錨索已經(jīng)接近極限工作行程，此時(shí)對(duì)樁身向外位移具有更強(qiáng)的限制作用。上述現(xiàn)象說明，通過合理設(shè)計(jì)消能型錨索極限行程能有效防止樁身在強(qiáng)震作用下發(fā)生極其不利的變形，即消能型錨索具有相當(dāng)高的安全性和可靠性。

阻尼器的設(shè)置也對(duì)結(jié)構(gòu)造成了一定的不利影響。表5列出了0.9g"Sine_5Hz波作用下普通ECC樁錨結(jié)構(gòu)與帶阻尼器ECC樁錨結(jié)構(gòu)上各測(cè)點(diǎn)殘余位移值?？梢园l(fā)現(xiàn)，設(shè)置阻尼器會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)殘余位移顯著增大，樁頂殘余位移增幅達(dá)126%。但如前文所述，ECC構(gòu)件的超強(qiáng)變形能力使得結(jié)構(gòu)并未因此失效，彌補(bǔ)了該項(xiàng)不足。

2.4 樁身彎矩響應(yīng)規(guī)律

樁身彎矩是抗滑樁設(shè)計(jì)必須考慮的條件，也研究了其分布規(guī)律。需要說明的是，僅對(duì)地震動(dòng)引起的樁身動(dòng)態(tài)彎矩進(jìn)行分析，而不包括樁身彎矩初始靜態(tài)值。將使抗滑樁前側(cè)（臨空側(cè)）受壓的動(dòng)態(tài)彎矩定義為正彎矩。

如圖5所示，抗滑樁身上布置7對(duì)應(yīng)變片，以測(cè)量樁身各位置的應(yīng)變，再利用應(yīng)變和彎矩的關(guān)系可計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)彎矩，計(jì)算方法如式（1）所示。

（1）

式中：M為測(cè)點(diǎn)的彎矩；E為ECC混凝土的彈性模量，取3.2 GPa；b為樁截面寬度；h為樁截面高度；I為樁截面慣性矩；ε為一對(duì)應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變之差。

圖14為在PGA=0.7g"Sine_5Hz地震波（工況12）作用下樁身彎矩在不同時(shí)刻的分布變化。選取圖中這6個(gè)時(shí)刻的依據(jù)是結(jié)構(gòu)響應(yīng)頻率與實(shí)驗(yàn)加載波形之間的相關(guān)性。試驗(yàn)采用了Sine_5Hz波，該波形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動(dòng)彎矩響應(yīng)頻率也接近于5 Hz，對(duì)應(yīng)周期為0.2 s。為了全面展示樁身動(dòng)彎矩隨時(shí)間變化的過程，選取單個(gè)周期內(nèi)的3個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻：t（周期開始，樁身正彎矩達(dá)到最大值），t+0.1 s和t+0.2 s（完整周期結(jié)束）進(jìn)行繪圖。以5、20 s作為基準(zhǔn)點(diǎn)是為了充分反映振動(dòng)過程中樁身動(dòng)態(tài)彎矩的變化?？梢钥吹?，測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)彎矩正負(fù)值反復(fù)變化，且正彎矩值大于負(fù)彎矩值。這也是由于樁身向外側(cè)運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到土體阻礙，更容易發(fā)生向外側(cè)的彎曲變形。在t=5 s時(shí)刻附近底部測(cè)點(diǎn)正彎矩明顯小于t=20 s時(shí)刻附近底部測(cè)點(diǎn)正彎矩，而其負(fù)彎矩絕對(duì)值略大于t=20 s時(shí)刻附近底部測(cè)點(diǎn)負(fù)彎矩絕對(duì)值。一方面是因?yàn)樵谡駝?dòng)過程中消能型錨索被拔出伸長，導(dǎo)致錨索約束能力下降，進(jìn)而使得樁身向外側(cè)的彎曲變形量進(jìn)一步增大；另一方面則是因?yàn)闃渡硐蛲獠豢苫謴?fù)彎曲變形的逐漸累積。

圖15（a）為不同震級(jí)汶川波作用下各測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)彎矩最大值的分布變化情況。可見，同一震級(jí)下，汶川波作用下動(dòng)態(tài)彎矩隨著高程增加呈非線性減少趨勢(shì)，底部動(dòng)態(tài)彎矩最大。這可能是因?yàn)橄苄湾^索可被緩慢拔出伸長且前側(cè)無土體阻擋，使得樁身整體更容易向前側(cè)彎曲，此時(shí)其受力特征近似于懸臂梁。由圖15（a）還可以看出，隨著地震荷載的增大（震級(jí)增加），底部動(dòng)態(tài)彎矩出現(xiàn)更快增長。這些現(xiàn)象說明，可以把帶消能型錨索抗滑樁看作樁頭位置位移受到較低剛度約束的普通抗滑樁。

不同震級(jí)Sine_5Hz地震波作用下各測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)彎矩最大值的分布變化情況如圖15（b）所示，其分布規(guī)律同樣與汶川波作用下各測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)彎矩最大值的分布變化規(guī)律相似。在PGA=0.7g"Sine_5Hz地震波（工況12）輸入時(shí)，樁身下部測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)彎矩出現(xiàn)大幅度增長，結(jié)合宏觀破壞現(xiàn)象來看，可能是由于滑體開始滑動(dòng)導(dǎo)致。輸入PGA=0.9g"Sine_5Hz地震波（工況14）時(shí)，滑體產(chǎn)生大量滑動(dòng)，推動(dòng)樁向外劇烈變形，使得樁身動(dòng)態(tài)彎矩加速增大。而輸入PGA=1g"Sine_5Hz地震波（工況16）時(shí)，底部測(cè)點(diǎn)S7動(dòng)態(tài)彎矩縮小，可能是因?yàn)樵谡駝?dòng)過程中樁腳已經(jīng)發(fā)生破壞，形成“塑性”鉸，其承載最大動(dòng)態(tài)彎矩能力下降。但其余測(cè)點(diǎn)最大動(dòng)態(tài)彎矩仍未出現(xiàn)明顯下降，說明在底部出現(xiàn)“塑性”鉸后消能錨抗滑樁仍然具有較好的承載能力，能夠發(fā)揮其設(shè)計(jì)功能。

2.5 錨索軸力響應(yīng)規(guī)律

大量震害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，由錨索過大軸力引起的錨頭沖切破壞是震中錨索抗滑樁失效的主要形式之一^[16-17]，因此，地震作用下錨索軸力的響應(yīng)規(guī)律應(yīng)引起重視?？紤]到試驗(yàn)過程中錨索受力較小，仍處于線彈性變形階段，根據(jù)式（2）將應(yīng)變片（S8、S9）測(cè)得應(yīng)變轉(zhuǎn)換為錨索軸力。同樣，僅對(duì)地震動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)錨索軸力進(jìn)行分析，對(duì)初始靜態(tài)值僅作簡要討論。

（2）

式中：F為錨索軸力；ε為活塞桿應(yīng)變，此處指兩對(duì)應(yīng)變片測(cè)得應(yīng)變數(shù)據(jù)的平均值；E為活塞桿彈性模量，試驗(yàn)中為69 GPa。

圖16所示為不同震級(jí)天然地震波、Sine_5Hz地震波作用下消能型錨索的動(dòng)態(tài)軸向力峰值。在相同震級(jí)下，施加汶川波時(shí)錨索軸力峰值大于施加Sine_5Hz地震波時(shí)，說明了汶川波對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂懈鼜?qiáng)的破壞作用。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著震級(jí)升高，錨索軸力增長速度逐漸加快。當(dāng)施加0.9g"Sine_5Hz地震波時(shí)，錨索軸力峰值達(dá)到了210.85 N，這種強(qiáng)烈非線性增長表明，錨索軸力對(duì)震級(jí)相當(dāng)敏感，強(qiáng)震作用下錨索軸向力會(huì)劇烈增加，這與Hu等人^[17]的研究結(jié)果一致。出現(xiàn)這種情形的原因：一方面，在強(qiáng)震作用下滑體開始滑動(dòng)產(chǎn)生的推力加劇了樁身外傾變形，使得錨索產(chǎn)生了更多的拉伸；另一方面，消能型錨索的工作特性導(dǎo)致錨索上軸力實(shí)際上是活塞剪切阻尼器內(nèi)黏滯液體產(chǎn)生的阻尼力，阻尼力和活塞運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系如式（3）所示。

（3）

式中：R為阻尼力；c為阻尼器黏性阻尼系數(shù)；v為活塞運(yùn)動(dòng)速度，活塞連接于樁錨頭處，由樁身帶動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，因此v可近似等效于樁錨頭處運(yùn)動(dòng)速度；m為與黏滯材料性質(zhì)相關(guān)的阻尼參數(shù)。強(qiáng)震作用下樁錨頭處運(yùn)動(dòng)速度加快，進(jìn)而導(dǎo)致阻尼力的增大，錨索軸向峰值也就出現(xiàn)劇烈增長。

對(duì)比不同震級(jí)Sine_5Hz地震波作用下普通ECC樁錨結(jié)構(gòu)與帶阻尼器ECC樁錨結(jié)構(gòu)的錨索峰值軸力可以發(fā)現(xiàn)，阻尼器的存在可以有效降低錨索軸力。如表6所示，在PGA=0.5g"Sine_5Hz地震波作用下，阻尼器降低錨索軸力效果最為顯著，降幅約為46%。之后隨著震級(jí)的升高，樁身運(yùn)動(dòng)速度急劇加快，阻尼力大幅上漲，導(dǎo)致阻尼器降低軸力的能力反而有所下降。

以上分析表明，在整個(gè)振動(dòng)過程中，消能型錨索的軸力與樁身運(yùn)動(dòng)速度高度相關(guān)，而普通預(yù)應(yīng)力錨索的軸力主要取決于樁身向外位移量的大小。圖17為PGA=0.5g地震作用下樁身錨頭位置位移時(shí)程及速度時(shí)程，其中速度時(shí)程通過對(duì)位移時(shí)程使用Simpson數(shù)值微分方法得到。從圖17可以看出，震動(dòng)結(jié)束后樁身會(huì)產(chǎn)生永久位移，這些位移會(huì)導(dǎo)致普通預(yù)應(yīng)力錨索軸力持續(xù)增加。但對(duì)于消能型錨索而言，樁身產(chǎn)生的永久位移會(huì)使阻尼器活塞桿被緩慢拔出而不會(huì)使錨索軸力累積上升。從圖17還可以看出，天然地震波作用下樁身錨頭處保持高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間占比較少，也就是說，在地震作用的大部分時(shí)間內(nèi)，消能型錨索保持著較低的軸力，甚至可以通過調(diào)節(jié)阻尼器的黏性阻尼系數(shù)來降低樁身高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的錨索軸力。綜上所述，地震作用下消能型錨索具有更好的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

使用黏滯阻尼器以及ECC消能構(gòu)件構(gòu)建了消能型樁錨結(jié)構(gòu)，并基于振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究了消能型樁錨結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)規(guī)律，分析了地震作用下新型樁錨結(jié)構(gòu)的宏觀破壞演化、動(dòng)力特性變化、加速度響應(yīng)、樁身位移響應(yīng)、動(dòng)態(tài)彎矩響應(yīng)、錨索動(dòng)態(tài)軸力響應(yīng)等規(guī)律，最終得到以下主要結(jié)論：

1）ECC材料極限壓應(yīng)變約為普通混凝土的2倍，其受彎變形能力更是其數(shù)十倍。地震作用下ECC樁基表現(xiàn)出較高的韌性和耗能能力，可以考慮在關(guān)鍵薄弱部位使用ECC材料，以增強(qiáng)支護(hù)體系的整體抗震性能。

2）帶消能型錨索抗滑樁支護(hù)邊坡對(duì)水平向加速度存在明顯高程效應(yīng)。該放大效應(yīng)受到地震波頻譜特性的影響，地震波含有接近邊坡基頻的頻率分量越多，其加速度放大現(xiàn)象越明顯。與Sine_5Hz地震波作用下相比，汶川波作用下坡頂PGA放大系數(shù)增幅可達(dá)100%，因此，在支護(hù)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮地震波頻譜特性的影響。

3）消能型錨索的使用會(huì)導(dǎo)致錨索抗滑樁在錨頭處殘余位移產(chǎn)生一定量的增大，在強(qiáng)震作用下樁頂殘余位移增大高達(dá)126%，但其可以有效限制錨頭處峰值位移。通過合理設(shè)計(jì)消能型錨索極限行程，還能有效防止樁身在強(qiáng)震作用下發(fā)生強(qiáng)烈變形。說明消能型錨索具有較高的安全性和可靠性。此外，ECC構(gòu)件的超高變形能力使得結(jié)構(gòu)位移適當(dāng)增大并不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效，彌補(bǔ)了設(shè)置阻尼器后結(jié)構(gòu)位移增大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

4）消能型錨索能有效減小地震作用下錨桿的動(dòng)態(tài)軸力，特別是在PGA=0.5g"Sine地震波作用下，錨索峰值軸力可降低約47%。這種削減效果隨震級(jí)的升高先增大再減小，可通過阻尼器優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)。此消能型錨索能有效防止錨桿軸力因樁身永久位移發(fā)生累積效應(yīng)，從而避免強(qiáng)震作用下抗滑樁在錨頭處發(fā)生沖切破壞。

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（編輯""王秀玲）