ECC樁-消能錨韌性支擋結構的地震響應規律

摘要：作為地震滑坡治理中最常見的支護結構體系之一，樁錨結構在強震作用下抗震韌性的提升已成為當前工程領域研究的熱點。通過引入黏滯阻尼器以及ECC韌性構件對樁錨結構抗震性能進行優化，并基于振動臺試驗從宏觀破壞現象、模型動力特性、加速度響應、樁身位移響應、動態彎矩響應、動態軸力響應等方面分析新型樁錨結構的動力響應特征。結果表明，阻尼器的設置能有效降低錨索動態軸力并防止其累積，最大降低幅度可達47%，隨著震級的升高，降低幅度先增大再減小，并可以通過阻尼器的優化設計對其進行調節；ECC材料的使用則提高了樁身變形能力，增強了地震作用下抗滑樁的耗能能力，克服了因設置阻尼器位移有所增大的問題；兩者的聯合作用顯著改善了樁錨結構的抗震性能；地震波頻譜特性對新型結構地震響應規律有顯著影響，含有接近邊坡基頻的頻率分量越多，地震波動力放大效應越突出，與Sine_5Hz地震波作用相比，汶川波作用下坡頂PGA放大系數增幅可達100%。

關鍵詞：振動臺；樁錨結構；消能型錨索；抗震性能；黏滯阻尼器

中圖分類號：TU435 """"文獻標志碼：A """"文章編號：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

作為地震引發的主要次生災害，地震滑坡具有分布范圍廣、致災程度重、易形成災害鏈等特點^[1-5]。為了避免地震滑坡造成大量人員傷亡以及基礎設施嚴重破壞，地震滑坡治理已成為當下的研究熱點。錨索抗滑樁作為地震滑坡治理中最常見的支護結構體系，其抗震性能引起了大量研究人員的關注^[6-9]。

學者們已通過數值模擬、理論分析等方式對地震作用下錨索抗滑樁的響應規律、破壞機理進行了充分研究。石洋海等^[10]提出采用力法計算錨索軸力，以確定錨索與抗滑樁承擔滑坡推力的比例。王壯等^[11]用有限元方法對地震作用下預應力錨索抗滑樁的抗滑效果進行了評價。李曉翠等^[12]基于有限差分法對預應力樁錨結構進行了參數優化設計，發現樁位對加固邊坡穩定性影響較大。模型試驗作為現階段研究結構抗震響應的重要手段，更是被諸多學者用于地震作用下錨索抗滑樁響應特性的研究中。王貴華等^[13]通過物理模型試驗研究了不同布錨形式對錨索抗滑樁變形特征的影響。連靜等^[14]通過大型振動臺試驗從多個維度探究了地震作用下錨索抗滑樁系統動力特征演化規律。吳曙光等^[15]通過振動臺試驗對樁錨結構加固下順層巖質邊坡的地震動力響應進行了分析。

已有研究主要集中于支護結構內力以及被加固邊坡動態特性等方面，但大量災害調研表明，強震作用下傳統樁錨結構易發生不可恢復變形以及錨頭處沖切破壞^[16-17]，其抗震性能還有待進一步提高。結構抗震性能優化主要有兩種方式，一種是提高結構自身的整體抗震性能，另一種則是減少地層傳遞至結構的地震能量。為了提高結構自身抗震性能，許多學者將新型材料工程水泥基復合材料（Engineered Cementitious Composite，簡稱ECC）引入結構體系中。諶建霖等^[18]通過使用ECC耗能構件，增強了樁板墻支護結構的抗震性能。高淑玲等^[19]發現ECC材料在構件受拉區的使用可以使高強鋼筋應力完全發揮，大大提高了構件承載能力。Zhang等^[20]將ECC材料用于橋墩結構，證明了其具有較好的抗震能力和損傷控制能力。一般通過增設耗能裝置減少地層傳遞至結構的地震能量。大量研究使用黏滯阻尼器作為耗能裝置，顯著提高了結構抗震性能。何文福等^[21]通過動力實驗分析了黏滯阻尼器在裝配式結構中的減震能力，結果表明，黏滯阻尼器能有效延緩構件塑性鉸發展，減少結構不可逆損傷。Siami-Kaleybar等^[22]通過數值計算研究了黏滯阻尼器對多層鋼框架抗震性能的影響，其非線性時程分析結果表明，與原結構相比，帶阻尼器結構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計方法，可使黏滯阻尼器減震結構同時取得較好的位移及地震剪力控制效果。

已有減震消能優化手段仍主要應用于橋梁、高層建筑等領域，在邊坡支護結構中應用較少。筆者通過在錨索上設置黏滯阻尼器，使用ECC材料制作抗滑樁，構建新型樁錨結構體系，優化樁錨結構的抗震性能。通過振動臺試驗，對地震作用下新型樁錨結構的響應規律進行系統研究。

1 試驗方案設計

1.1 測試設備

試驗在重慶大學巖土工程試驗室進行，所用振動臺系統由美國ANCO公司研制。振動臺臺面尺寸為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，試驗模型放置在固壁式剛性模型箱中，該剛性模型箱尺寸為0.6 m×0.8 m×1.5 m（寬×長×高），并用螺栓固定在振動臺臺面。模型箱內底部設置2 cm厚碎石，以模擬無摩擦底部邊界條件。同時，在剛性箱兩端加裝2 cm厚聚苯乙烯泡沫作為吸波材料，以降低垂直于振動方向的邊界影響。模型箱側壁涂抹凡士林，減小模型箱側壁對試驗模型的摩擦影響。

1.2 動力相似比

為使模型試驗盡可能反映原型特性，按照相似定律對原型進行縮尺。在常重力條件下，很難同時滿足所有相似準則，因此，選取對試驗結果影響較大的11個物理量進行相似設計，并在其中選擇幾何尺寸、密度和加速度3個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。據此計算其余物理量相似比，并將計算結果列于表1。

1.3 試驗模型

試驗模型如圖1所示，試驗模型高度為1.5 m，由滑體、基巖、ECC樁板模型、錨索、阻尼器5部分組成，并設置有普通混凝土（Ordinary Concrete，簡稱RC）樁板模型及無阻尼器的ECC樁錨模型作為對照組。RC模型配有阻尼器，其與主試驗組的區別僅為樁板模型制作材料不同，其余組成完全一致。

試驗模型中的邊坡由兩部分構成：一部分為滑體，另一部分為下部基巖。為更好地反映試驗模型原型特性，按照強度相似性進行滑體材料力學性質縮尺，使得材料密度與抗剪強度滿足相似比。用河沙、黏土和水制作滑體材料，根據直剪試驗結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，內摩擦角為20.38°。使用材料強度較高的C15混凝土制作基巖，已達到固定模型樁的作用。受混凝土施工工藝的限制，以圖2中所示實際滑動面代替理想對數螺旋滑動面。

如圖3（a）所示，試驗模型的抗滑樁為80 mm×80 mm的ECC懸臂樁，樁腳嵌固在基巖中。為使試驗模型具有對稱性，在兩側設置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。抗滑樁模型和樁間板均采用支模整體現澆制成，并以2 mm鋼絲模擬實際抗滑樁內部鋼筋（如圖1所示）。為了研究地震作用下抗滑樁受力變形規律，需根據相似準則對抗滑樁材料特性進行縮尺。通過調節水灰比、粉煤灰摻量及養護齡期的方式得到彈性模量滿足相似關系且仍具有應變硬化特性和超高拉伸應變能力的低強度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%。抗壓強度為7.2 MPa，彈性模量為3.2 GPa，抗拉強度1.3 MPa，極限拉應變超過2.5%。試驗對照組采用的普通混凝土材料也需要根據相似準則進行材料配制，配制比例為水泥∶水∶福建標準砂=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中都表現出更高的韌性，且在破壞時往往呈現多裂縫開裂破壞特征。需要特別說明的是，以上材料參數均基于平行試樣5 d齡期測試得到，選定5 d齡期是因為此時材料強度較低，可滿足試驗相似性要求。

試驗模型的錨索采用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連接。試驗模型的阻尼器選取第3代單進出間隙式黏滯液體阻尼器。在地震來臨時，抗滑樁運動，樁頭會牽引著阻尼器活塞頭剪切阻尼器內部阻尼液體，以此耗散地震能量。

整個試驗模型建造過程為：1）進行樁板模型的支模澆筑，待達到5 d齡期時，將樁板模型的樁腳插入基巖預留孔洞進行固定支撐，這是為了保證抗滑樁在填土期間不受沖擊荷載影響；2）進行填土以及分層夯實，通過控制分層填土質量控制填土密度；3）填土達到預設高度時安裝錨索與阻尼器，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，完成整個模型的建造。

1.4 傳感器布置

試驗采用加速度傳感器、位移計、應變計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，以減少邊界效應對測量結果的影響。在模型側面設置數碼相機，記錄模型的側向變形。

試驗共布置15個加速度傳感器，其中A11用于測量振動臺的輸入加速度時程。剩余的加速度傳感器放置于滑體內，具體位置見圖2。試驗共布置5個位移傳感器，其中4個是LVDT位移傳感器，1個是精度較高的激光位移傳感器。由于研究重點為錨頭處位移，因此該處采用激光位移傳感器測量。除加速度傳感器和位移傳感器外，試驗中還使用了9對應變片來測量地震作用下樁身的動彎矩和錨索的動軸力，應變片布置位置詳見圖2、圖3。

1.5 地震動輸入

輸入地震波原型選用汶川波，按模型時間相似比對原型地震動進行壓縮處理，并調整地震動峰值，作為實際輸入地震波^[24-25]。為了充分研究阻尼器、ECC構件對支護結構破壞形態的影響，試驗輸入地震波還選用了破壞性更強的正弦波，持時定為20 s，頻率定為5 Hz。所有基底輸入地震動均采用水平激勵，其加速度時程曲線及傅里葉譜如圖6所示。在初始狀態以及不同峰值加速度地震動輸入完成后，對模型輸入0.05g白噪聲掃頻，以研究試驗過程中整個模型的動力特性變化。試驗所有輸入工況如表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，支護結構已經開始出現明顯位移變化。為排除天然地震波復雜頻譜特性對支護結構最終破壞模式的影響，在后續工況中僅施加了PGA=0.9g、1.0g"Sine_5Hz地震波，并未施加PGA=0.9g、1.0g汶川波。

2 試驗結果分析

2.1 宏觀破壞現象

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，試驗模型保持初始狀態，未出現明顯破壞。直到PGA=0.5g"Sine_5Hz地震波（工況6）作用后，樁背區域與土接觸面產生輕微背離，形成縫隙。輸入PGA=0.7g汶川波（工況11）時坡面右上角出現大量裂隙。振動過程中裂隙持續張開使得坡體右上角位置發生破損，少量松散土體由坡頂右側角部滑落。與此同時，樁背區域與土體背離程度進一步加大。繼續輸入PGA=0.7g"Sine_5Hz波（工況12），坡表面中部位置出現明顯橫向張拉裂縫。裂隙在振動過程中向斜上部不斷發展，兩側橫向張拉裂縫有匯合趨勢，樁背區域與土體的間隙持續擴張。

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

綜上所述，帶消能型錨索的抗滑樁呈現出支護下邊坡模型破壞形態受坡頂豎向張拉裂縫和剪切滑裂縫控制，在地震動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，引發滑體滑動，最終邊坡模型滑梯在兩種裂隙作用下發生越頂剪切破壞。

加載結束后取出樁板模型，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樁背面受拉開裂破壞，但二者拉裂縫形態有明顯差異。普通混凝土樁各個樁腳上均只出現一條主裂縫，而ECC混凝土樁樁腳上除主裂縫以外可觀察到多條細微裂縫，呈現多裂縫破壞特征。該現象說明，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，觀察到ECC樁裂縫處有大量粗糙的纖維，說明振動過程中纖維發揮了對水泥基的拉結作用，并有效限制了樁腳裂縫的持續開展。

2.2 加速度響應規律

震后調查表明，地震中加速度產生的慣性力是邊坡失穩破壞的主要原因。在加固邊坡動力穩定分析中，必須研究加固邊坡內部加速度分布規律。以不同震級天然地震波（汶川波）、Sine_5Hz地震波作用下滑體內各點加速度響應為依據，研究加固邊坡加速度響應規律。采用PGA放大系數描述加速度分布規律，PGA放大系數是指測點峰值加速度與實測輸入地震波峰值加速度（A11）的比值。由于PGA=1.0g時模型已發生越頂破壞，上部加速度計部分已退出工作，分析加速度分布規律時僅考慮PGA≤0.9g的工況。

圖9為不同震級天然地震波以及Sine_5Hz地震波作用下PGA放大系數與偏離樁背面距離的關系。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放大系數均由于偏離樁背面距離不同而發生明顯變化，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生反射對實驗結果的影響。

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

圖11為相同震級（PGA=0.5g）的兩種地震波作用下測點A2的加速度時程曲線。由圖11可以發現，在汶川波作用下的測點峰值加速度顯著大于Sine_5Hz地震波作用下測點峰值加速度。對比相同震級兩種地震波作用下其余測點加速度放大系數的值同樣可以發現此特點。而汶川波之所以具有更顯著的放大效應，可能是因為汶川波的頻率成分里含有更多接近試驗模型基頻的成分，在振動過程中，這些成分會被試驗模型放大增強。說明加固邊坡在地震中存在顯著的“濾波”效應，亦即會對接近邊坡基頻的波進行放大，同時過濾與邊坡基頻不符的波。

表3、表4為不同震級汶川波以及Sine_5Hz地震波作用下各測點加速度放大系數。對比同一測點在不同震級汶川波作用下PGA放大系數的值可以發現，在小震作用下（PGA≤0.5g），隨著震級的變化，PGA放大系數呈先增大后減小的趨勢。在大震作用下（PGAgt;0.5g）則呈增大的趨勢。但不同Sine_5Hz地震波作用下，隨著震級的升高，各測點加速度放大系數僅呈先減小后增大的趨勢。這是因為新型結構的加速度響應受多種因素的控制，一方面，在振動過程中土體非線性特征逐漸加強，會導致加速度響應變小；另一方面，隨著震級的升高，新型支護結構樁身會產生明顯位移，降低了支護結構對邊坡的限制作用，從而無法有效削弱邊坡加速度放大效應。汶川波頻率組成更加復雜，即使較低震級的輸入也會引起較大的結構響應，因此，在輸入汶川波時，加速度放大系數主要受結構位移控制，隨震級升高而增大。當土體非線性特征發展到一定程度、成為主要控制因素時，加速度放大系數才有所減小。最后，在PGA=0.7g汶川波輸入時，結構位移顯著增加，致使加速度放大系數再次增大。相比之下，Sine_5Hz波在低震級下引起的結構響應較小，因此，受土體非線性特征控制，加速度響應持續減小，直至加載高震級Sine_5Hz波時才開始增長。除此，加載Sine_5Hz地震波之前會先加載同震級汶川波，使得土體非線性特征累積增大，對試驗結果也有一定影響。

還需要特別注意的是，在輸入PGA=0.9 Sine_5Hz地震波時，各點PGA放大系數都陡然增大，說明抗滑樁此時可能已經開始破壞，支護結構的限制作用進一步削弱，這與觀察到的試驗模型宏觀破壞現象相符，也說明加速度監測點的異常變化可以作為判斷加固邊坡破壞狀態發展的有效依據。

2.3 樁身位移變化規律

擋土結構在地震作用下產生的永久位移是衡量其抗震性能的重要指標，因此著重探究新型結構在地震作用下的永久位移變化規律。除此之外，考慮到振動過程中支護結構峰值位移過大也會對結構安全性造成嚴重威脅，還對新型結構在地震作用下的峰值位移變化規律進行研究。

圖12（a）為不同震級汶川波作用下樁身各點峰值位移的分布情況，沿高程方向呈倒“R”型分布。主要是因為樁腳及樁錨頭位置受到的約束較強，導致這些區域的位移相對較小。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。還可以發現，隨著震級的增加，測點D1、D2、D3的峰值位移均出現明顯增大，但測點D4、D5的峰值位移變化不明顯。這可能是因為測點D4靠近下端約束端，而測點D5處于錨頭位置，二者位移受到更強的約束，也說明消能型錨索對抗滑樁有明顯的限制作用。各個震級汶川波作用下各點殘余位移的分布情況則如圖12（b）所示，可以發現，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，與峰值位移值相比，各測點殘余位移值較小，特別是樁身中下部測點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變形，在地震動結束后變形恢復，導致底部殘余位移迅速減小。同時，由于振動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Sine_5Hz地震波作用下各點峰值位移如圖13所示。可以發現，在PGAlt;0.7g時，輸入Sine_5Hz地震波各測點峰值位移與殘余位移分布規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，各測點產生明顯的峰值位移與殘余位移，且分布規律發生變化。應該是因為此時滑體開始產生滑動，這也與該工況下的宏觀破壞現象相符。

PGA=0.9g"Sine_5Hz地震波（工況14）作用時樁身各測點峰值位移以及殘余位移均急劇增大，說明此時坡體出現大量滑動，各測點殘余位移與峰值位移分布規律與之前工況有明顯差異，呈現沿高程線性增大趨勢。這種差異可能是因為樁的嵌固端開始破壞，而測點位移卻以繞樁腳旋轉的不可恢復變形為主。這也可解釋此工況下樁身各測點位移的急劇增大現象。輸入PGA=1.0g"Sine_5Hz地震波（工況16）時，除激光位移傳感器（D5）因量程限制退出了工作以外，其余測點峰值位移與殘余位移分布規律與輸入PGA=0.9g"sine波時基本一致，值得注意的是，在PGA=1.0g"Sine_5Hz地震波作用下，測點D2、D1峰值反而比在PGA=0.9g"Sine_5Hz地震波作用下小，這大概率是因為PGA=1.0g"Sine_5Hz地震波作用時消能型錨索已經接近極限工作行程，此時對樁身向外位移具有更強的限制作用。上述現象說明，通過合理設計消能型錨索極限行程能有效防止樁身在強震作用下發生極其不利的變形，即消能型錨索具有相當高的安全性和可靠性。

阻尼器的設置也對結構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樁錨結構與帶阻尼器ECC樁錨結構上各測點殘余位移值。可以發現，設置阻尼器會導致結構殘余位移顯著增大，樁頂殘余位移增幅達126%。但如前文所述，ECC構件的超強變形能力使得結構并未因此失效，彌補了該項不足。

2.4 樁身彎矩響應規律

樁身彎矩是抗滑樁設計必須考慮的條件，也研究了其分布規律。需要說明的是，僅對地震動引起的樁身動態彎矩進行分析，而不包括樁身彎矩初始靜態值。將使抗滑樁前側（臨空側）受壓的動態彎矩定義為正彎矩。

如圖5所示，抗滑樁身上布置7對應變片，以測量樁身各位置的應變，再利用應變和彎矩的關系可計算得到各測點彎矩，計算方法如式（1）所示。

（1）

式中：M為測點的彎矩；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為一對應變片測量應變之差。

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刻的分布變化。選取圖中這6個時刻的依據是結構響應頻率與實驗加載波形之間的相關性。試驗采用了Sine_5Hz波，該波形導致結構的動彎矩響應頻率也接近于5 Hz，對應周期為0.2 s。為了全面展示樁身動彎矩隨時間變化的過程，選取單個周期內的3個關鍵時刻：t（周期開始，樁身正彎矩達到最大值），t+0.1 s和t+0.2 s（完整周期結束）進行繪圖。以5、20 s作為基準點是為了充分反映振動過程中樁身動態彎矩的變化。可以看到，測點動態彎矩正負值反復變化，且正彎矩值大于負彎矩值。這也是由于樁身向外側運動不會受到土體阻礙，更容易發生向外側的彎曲變形。在t=5 s時刻附近底部測點正彎矩明顯小于t=20 s時刻附近底部測點正彎矩，而其負彎矩絕對值略大于t=20 s時刻附近底部測點負彎矩絕對值。一方面是因為在振動過程中消能型錨索被拔出伸長，導致錨索約束能力下降，進而使得樁身向外側的彎曲變形量進一步增大；另一方面則是因為樁身向外不可恢復彎曲變形的逐漸累積。

圖15（a）為不同震級汶川波作用下各測點動態彎矩最大值的分布變化情況。可見，同一震級下，汶川波作用下動態彎矩隨著高程增加呈非線性減少趨勢，底部動態彎矩最大。這可能是因為消能型錨索可被緩慢拔出伸長且前側無土體阻擋，使得樁身整體更容易向前側彎曲，此時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（震級增加），底部動態彎矩出現更快增長。這些現象說明，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Sine_5Hz地震波作用下各測點動態彎矩最大值的分布變化情況如圖15（b）所示，其分布規律同樣與汶川波作用下各測點動態彎矩最大值的分布變化規律相似。在PGA=0.7g"Sine_5Hz地震波（工況12）輸入時，樁身下部測點動態彎矩出現大幅度增長，結合宏觀破壞現象來看，可能是由于滑體開始滑動導致。輸入PGA=0.9g"Sine_5Hz地震波（工況14）時，滑體產生大量滑動，推動樁向外劇烈變形，使得樁身動態彎矩加速增大。而輸入PGA=1g"Sine_5Hz地震波（工況16）時，底部測點S7動態彎矩縮小，可能是因為在振動過程中樁腳已經發生破壞，形成“塑性”鉸，其承載最大動態彎矩能力下降。但其余測點最大動態彎矩仍未出現明顯下降，說明在底部出現“塑性”鉸后消能錨抗滑樁仍然具有較好的承載能力，能夠發揮其設計功能。

2.5 錨索軸力響應規律

大量震害現場調研表明，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規律應引起重視。考慮到試驗過程中錨索受力較小，仍處于線彈性變形階段，根據式（2）將應變片（S8、S9）測得應變轉換為錨索軸力。同樣，僅對地震動引起的動態錨索軸力進行分析，對初始靜態值僅作簡要討論。

（2）

式中：F為錨索軸力；ε為活塞桿應變，此處指兩對應變片測得應變數據的平均值；E為活塞桿彈性模量，試驗中為69 GPa。

圖16所示為不同震級天然地震波、Sine_5Hz地震波作用下消能型錨索的動態軸向力峰值。在相同震級下，施加汶川波時錨索軸力峰值大于施加Sine_5Hz地震波時，說明了汶川波對試驗模型具有更強的破壞作用。同時可以發現，隨著震級升高，錨索軸力增長速度逐漸加快。當施加0.9g"Sine_5Hz地震波時，錨索軸力峰值達到了210.85 N，這種強烈非線性增長表明，錨索軸力對震級相當敏感，強震作用下錨索軸向力會劇烈增加，這與Hu等人^[17]的研究結果一致。出現這種情形的原因：一方面，在強震作用下滑體開始滑動產生的推力加劇了樁身外傾變形，使得錨索產生了更多的拉伸；另一方面，消能型錨索的工作特性導致錨索上軸力實際上是活塞剪切阻尼器內黏滯液體產生的阻尼力，阻尼力和活塞運動速度的關系如式（3）所示。

（3）

式中：R為阻尼力；c為阻尼器黏性阻尼系數；v為活塞運動速度，活塞連接于樁錨頭處，由樁身帶動其運動，因此v可近似等效于樁錨頭處運動速度；m為與黏滯材料性質相關的阻尼參數。強震作用下樁錨頭處運動速度加快，進而導致阻尼力的增大，錨索軸向峰值也就出現劇烈增長。

對比不同震級Sine_5Hz地震波作用下普通ECC樁錨結構與帶阻尼器ECC樁錨結構的錨索峰值軸力可以發現，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%。之后隨著震級的升高，樁身運動速度急劇加快，阻尼力大幅上漲，導致阻尼器降低軸力的能力反而有所下降。

以上分析表明，在整個振動過程中，消能型錨索的軸力與樁身運動速度高度相關，而普通預應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程及速度時程，其中速度時程通過對位移時程使用Simpson數值微分方法得到。從圖17可以看出，震動結束后樁身會產生永久位移，這些位移會導致普通預應力錨索軸力持續增加。但對于消能型錨索而言，樁身產生的永久位移會使阻尼器活塞桿被緩慢拔出而不會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動的時間占比較少，也就是說，在地震作用的大部分時間內，消能型錨索保持著較低的軸力，甚至可以通過調節阻尼器的黏性阻尼系數來降低樁身高速運動時的錨索軸力。綜上所述，地震作用下消能型錨索具有更好的力學性能。

3 結論

使用黏滯阻尼器以及ECC消能構件構建了消能型樁錨結構，并基于振動臺模型試驗研究了消能型樁錨結構地震響應規律，分析了地震作用下新型樁錨結構的宏觀破壞演化、動力特性變化、加速度響應、樁身位移響應、動態彎矩響應、錨索動態軸力響應等規律，最終得到以下主要結論：

1）ECC材料極限壓應變約為普通混凝土的2倍，其受彎變形能力更是其數十倍。地震作用下ECC樁基表現出較高的韌性和耗能能力，可以考慮在關鍵薄弱部位使用ECC材料，以增強支護體系的整體抗震性能。

2）帶消能型錨索抗滑樁支護邊坡對水平向加速度存在明顯高程效應。該放大效應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放大系數增幅可達100%，因此，在支護結構抗震設計時應考慮地震波頻譜特性的影響。

3）消能型錨索的使用會導致錨索抗滑樁在錨頭處殘余位移產生一定量的增大，在強震作用下樁頂殘余位移增大高達126%，但其可以有效限制錨頭處峰值位移。通過合理設計消能型錨索極限行程，還能有效防止樁身在強震作用下發生強烈變形。說明消能型錨索具有較高的安全性和可靠性。此外，ECC構件的超高變形能力使得結構位移適當增大并不會導致系統失效，彌補了設置阻尼器后結構位移增大的潛在風險。

4）消能型錨索能有效減小地震作用下錨桿的動態軸力，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的升高先增大再減小，可通過阻尼器優化設計對其進行調節。此消能型錨索能有效防止錨桿軸力因樁身永久位移發生累積效應，從而避免強震作用下抗滑樁在錨頭處發生沖切破壞。

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（編輯""王秀玲）