地震作用下NPR錨索固坡效應振動臺試驗研究

陶志剛，王 璇，郭愛鵬，陳佳鈺，舒 昱

(1.中國礦業大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083；3.自然資源部地質環境監測工程技術創新中心，河北 保定 071051)

我國多山川、丘陵，且位于環太平洋地震帶和地中海-喜馬拉雅地震帶兩大地震帶之間，地震災害頻發。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生里氏8.0級大地震。地震作用誘發邊坡土體產生的滑坡災害等對當地環境造成不可逆的損害，也對當地居民的生命財產安全造成極大威脅。地震作用下邊坡的動力穩定性問題亟待解決。

邊坡土體支護中常用的結構形式有擋土墻、土釘墻、錨桿、錨索等，其中錨索以其經濟、施工方便、力學性能優良、支護效果卓越等優點成為支護設備的首選。在實際工程中，預應力錨索在地震烈度較小時，錨索支護結構展現出可靠的抗震性能；但在強震作用下，巖體變形量增大，此時預應力錨索極易因其變形能力不足而被拉斷，導致邊坡失穩。自適應錨索的錨固能力受預設恒阻力大小的影響，恒阻力過小或過大時均不利于發揮自適應錨索的優勢。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生位移，使注漿體壓應力變大，其加固效果受注漿體強度等級和錨索孔直徑影響很大。上述錨索無法應對強震作用的主要原因是其均屬傳統泊松比材料，難以適應邊坡巖體的瞬間大變形。2011年，何滿潮針對這一問題研發出一種具有負泊松比效應、恒阻、吸能、大變形量的NPR錨索。

筆者利用HWL-2000 NPR錨索靜力拉伸試驗系統證實了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實驗相結合，研究發現NPR錨索的現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模型并通過室內試驗數據驗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錨索的力學特性，加速了其應用于露天礦邊坡的穩定性監測和變形控制的進程。何滿潮等基于NPR錨索開發出滑坡地質災害遠程監測預報系統，筆者將這一系統成功應用于南芬露天鐵礦以及羅山礦區的滑坡監測與預警中。但有關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，有待進一步探索。筆者在前人研究的基礎上借助振動臺相似模型試驗，研究邊坡NPR錨索在地震作用下的動力響應、吸能特性、抗震性能，開展有無NPR錨索支護下的邊坡振動臺對比試驗。

1 區域地質概況

2008-05-12T14：28：00，四川省汶川縣發生里氏8.0級大地震。寶興縣唐包滑坡處位于高烈度區。震后對寶興縣轄區內唐包滑坡進行現場勘察，發現多處已經出現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

唐包滑坡所在區域地處金湯弧形構造帶中部與龍門山北東向構造帶結合部位，地質構造復雜，褶皺斷裂發育，為高山峽谷地區。該區域位于龍門山斷裂帶南段，寶興背斜西北部，受構造影響較大的主要構造為趕羊溝沖斷層、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“5·12”汶川地震的震后應急勘查結果，唐包滑坡由滑坡體及欠穩定斜坡體組成，即Ⅰ號滑坡體和Ⅱ號欠穩定斜坡體(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，可能遭受河流的強烈侵蝕。“5·12”汶川地震發生后，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—永富公路內側擋墻裂縫加寬加大，路面出現不均勻沉陷，外側路基出現局部滑塌。

2 振動臺模型試驗

本次振動臺試驗依托中國地震局工程力學研究所恢先地震工程綜合實驗室振動臺實驗系統進行，振動臺臺面尺寸為3.5 m×3.5 m，其最大承載質量為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 相似關系設計

本次試驗基于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，其他相似系數采用量綱分析法由基本量導出。具體相似系數見表1。

表1 模型相似系數

2.2 相似材料制作

本試驗采用石膏粉、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。通過調整石膏和水的比例調整滑體材料的物理力學參數，依據正交試驗設計方法，將不同比例的材料制成標準試樣進行直剪試驗及單軸壓縮試驗，根據試驗結果，確定材料質量配比為石膏∶重晶石粉∶河砂∶水=22∶12∶40∶7。相似材料的物理力學參數見表2。

表2 相似材料物理力學參數

實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錨索結構如圖4所示。

圖4 NPR錨索結構示意[24]

錨索套管內恒阻體滑動時與套管壁摩擦所產生的滑動摩擦力充當NPR錨索的恒阻力。NPR錨索變形分為2個階段：① 當錨索上施加的荷載小于或等于恒阻值時，通過錨索本身彈性變形來抵抗外加荷載；② 當外加荷載大于恒阻值時，恒阻體開始滑動，利用恒阻器的結構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現。本次試驗選用恒阻套筒內徑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，依據工程實際和設計要求，錨固段長度取100 mm，錨索入射角35°。縮尺NPR錨索靜力拉伸試驗結果如圖6所示。

圖5 縮尺NPR錨索配件

圖6 縮尺NPR錨索拉伸試驗曲線

2.3 模型設計與制作

本次試驗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，重點突出坡體滑動面處的巖體結構設計并將其他位置處的巖體結構進行簡化。針對本次模型試驗特點，制作模型試驗箱如圖7所示，先后進行對照組和試驗組2組試驗。

圖7 模型試驗箱

2組試驗中，無支護邊坡振動臺模型試驗為對照組，NPR錨索支護邊坡振動臺模型試驗為試驗組。試驗組主要依靠小型錨索拉力傳感器和加速度傳感器進行數據采集。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錨索在試驗過程中的應力變化情況；加速度傳感器埋置在模型邊坡內部，采集不同位置的加速度響應數據。

試驗組在模型內部共安裝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同步安裝，錨頭安裝完畢后通過恒阻體外側螺母施加預應力；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。所有傳感器均嚴格按照邊坡模型設計(圖8)安裝在模型的對應位置。試驗組除安裝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 邊坡模型設計示意

根據邊坡模型設計制作好的試驗組邊坡模型如圖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

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

圖10 EL-Centro波加速度時程曲線

加載工況分2個階段，前期為正弦波工況，后期為EL-Centro波，根據輸入波形的峰值加速度進行分類。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，對模型變化情況進行記錄拍照，待模型穩定后再施加下一級工況。具體的試驗加載方案見表4。

表4 試驗地震波加載信息

3 模型試驗結果分析

3.1 地震條件下NPR錨索吸能特性分析

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

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

表5 無支護邊坡及NPR錨索支護邊坡破壞情況對比

圖11 無支護邊坡及NPR錨索支護邊坡破壞對比

峰值加速度為10 m/s的天然地震波加載后，無支護邊坡已發生大變形破壞，破壞結果如圖12所示。對照組停止加載，試驗完成。此時試驗組邊坡未發生大規模破壞，仍能承受進一步加載。為探究NPR錨索支護邊坡的抗震性能及支護極限，繼續增大天然地震波的峰值加速度。當天然地震波的峰值加速度達到12 m/s時，NPR錨索支護邊坡發生破壞，破壞結果如圖13所示。

圖12 無支護邊坡破壞

圖13 NPR錨索支護邊坡破壞

實驗現象表明，NPR錨索支護邊坡的破壞程度遠低于無支護邊坡：2組試驗模型均在坡頂處產生破壞，無支護邊坡發生大面積崩塌潰壞現象且邊坡中下部巖土體破碎嚴重；NPR錨索支護邊坡坡頂巖土體破碎并沿坡體向下滑移，坡頂的滑坡體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，無支護邊坡在坡表產生了連通的裂縫，坡體內部的圓弧滑動面已經貫通，而NPR錨索支護邊坡在相同位置處僅有兩側出現細微裂縫，圓弧滑動面也沒有貫通。

拆卸模型時，發現對照組及試驗組模型在坡體內部也表現出不同的破壞特征。圖14為挖除模型坡頂破壞部分后坡體內部的圖片，從圖14中可以看出，無支護邊坡的坡體內部已受到破壞，破碎情況較為嚴重，坡體的整體性較差；而NPR錨索支護邊坡坡體內部整體性較好，無明顯裂縫產生。

圖14 坡體內部破壞情況

通過本次試驗中無支護邊坡與NPR錨索支護邊坡破壞情況對比，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邊坡的整體性，從而提高坡體的強度，降低坡體破壞程度，為邊坡提供有效支護。

3.2 地震條件下NPR錨索軸力動力響應分析

通過全程監測NPR錨索軸力受力曲線，分析其在試驗過程中的變化規律。對所得數據進行降噪處理，選取降噪處理后典型錨索的軸力變化圖(圖15)進行分析。NPR錨索在試驗全程的軸力變化情況，表現出以下特征：

圖15 典型錨索軸力變化

(1)NPR錨索在地震作用下表現出獨特的恒阻特性。在地震慣性力的反復作用下，NPR錨索的恒阻結構產生疲勞效應導致恒阻力下降，但恒阻力下降到一定數值后便不再發生明顯變化，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錨索能夠對邊坡提供有效支護。軸力曲線表明NPR錨索提供的拉力沒有因為施加地震作用而消失，而是維持在一定數值，即錨索的錨固特性始終存在，可以認為地震條件下NPR錨索仍能對邊坡提供有效支護。

3.3 邊坡加速度動力響應分析

以A4測點為例，對收集到的加速度數據處理分析，進行了全峰值下無支護邊坡與NPR錨索支護邊坡PGA放大系數的對比(圖16)。由圖16可知，在地震波峰值加速度到達8 m/s之前，NPR錨索支護邊坡的加速度放大系數均小于無支護邊坡，表明NPR錨索具有良好的支護效果。峰值加速度增大到8 m/s以后無支護邊坡破壞加劇，加速度放大系數遠高于NPR錨索支護下的邊坡。峰值加速度到達10 m/s時無支護邊坡已然破壞，內部土體分崩離析，坡體內部的圓弧滑動面已經貫通，因此PGA放大系數陡然下降。

圖16 全峰值PGA放大系數對比

另外針對峰值加速度為8 m/s時全部測點加速度進行數據處理，得到無支護邊坡與NPR錨索支護邊坡全測點的PGA放大系數對比(圖17)。在NPR錨索支護下，A1，A2，A3，A4測點的加速度放大系數均比無支護時降低9%左右。可見NPR錨索能有效增強邊坡底部穩定性。A5，A6測點位于中下部坡體內部，NPR錨索支護下的PGA放大系數相較于無支護時下降了13%，可見NPR錨索對于滑坡體內部的土體有良好的支護作用。測點A7加速度放大系數下降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產生，但是NPR錨索仍然能對邊坡起到一定的支護作用。

圖17 全測點PGA放大系數對比

從總體上看，無支護邊坡中各測點加速度放大系數均要大于NPR錨索支護邊坡對應測點的加速度放大系數，表明NPR錨索用于邊坡支護工程中時，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 邊坡變形破壞機理分析

根據邊坡模型在逐級增強的地震作用下邊坡變形破壞特征，并結合前文研究成果，探究無支護邊坡在地震作用下的發生破壞的一般規律。共劃分為3個階段：

(1)張拉裂縫產生及坡頂松動階段。小震作用下，邊坡中上部的淺表及結構面處產生張拉裂縫，但未向坡體內部發展，邊坡整體保持穩定，邊坡巖土體處于彈性狀態。PGA放大系數基本呈線性增長。如圖18(a)所示。

(2)裂縫持續發展階段。中震作用下，張拉裂縫持續向坡體內部發育，裂縫寬度不斷增加。裂縫對坡體進行切割，破壞邊坡的整體性，并在局部產生連通滑動面。滑動面上部巖土與坡體分離，成為危巖體。PGA放大系數快速增長，到達最高點。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。強震作用下，裂縫持續向內部擴展，形成貫通的圓弧滑動面，滑體沿著貫通的滑動面產生滑移，邊坡發生大面積的崩塌潰壞現象，主要集中在邊坡上部，其中坡頂處的破壞最為嚴重；在邊坡中下部圓弧滑動面出露的位置處也產生了巖土體破碎的現象，巖土體剛度減小，阻尼比增大，導致PGA放大系數突降。如圖18(c)所示。

5 結 論

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

(2)NPR錨索內恒阻結構因地震慣性力的反復作用產生疲勞效應導致恒阻力降低，吸能效果隨之下降，但恒阻力仍然能夠維持在一定數值，即錨索的錨固特性始終存在。可認為地震條件下NPR錨索仍能對邊坡提供可靠支護。

(3)無支護邊坡中各測點加速度放大系數均大于NPR錨索支護邊坡對應測點的加速度放大系數，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，起到增強整體穩定性和降低滑坡災害程度的作用。

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