玄武岩纤维增强复合材料锚固边坡与无支护边坡加速度响应对比研究

王秋懿， 吴红刚， 武志信

(1.云南省交通投资建设集团投资有限公司，永靖 650228；2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730030；3.中国中铁滑坡工程 实验室，兰州 730000；4.西部环境岩土及场地修复技术工程实验室，兰州 730000；5.兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070)

一般将人工开挖形成的、高度大于30 m的岩质边坡和高度大于20 m的土质边坡称为高边坡[1]。公路中路堑高边坡病害伴随着山区高速公路的发展而日益严重，同时，中国因地震导致的高边坡失稳-变形灾害同样非常严重，地震发生通常会导致通往重灾区的交通线路全部中断，大量公路边坡震害对灾后第一时间的救援造成了极大的阻碍。

对于路堑高边坡而言，中外大多数学者的研究集中在其失稳机制及数值模拟方面，提出了开挖松弛区、开挖扰动区、卸荷松弛带等概念模型进行力学机制解释，开展了较系统的研究[2-3]。近些年来，众多专家对路堑高边坡开挖卸荷过程和开挖松弛区演化规律及分布范围的分析与模拟研究中，强度折减法和开挖有限元分析被广泛地应用[4-8]。如李世文[9]以杭绍台高速K129+320～K129+525段路堑高边坡为研究对象，基于强度折减法，提出了采用抗滑桩加固的方案进行治理；林孝松等[10]以重庆市双巫(巫山-巫溪)公路为研究区，采用物元开拓分析法对高速公路沿线高路堑边坡安全等级进行了评价。

在路堑高边坡的试验研究方面，邓宏艳[11]对万梁高速公路张家坪滑坡的地质力学模型试验进行了分析；高德彬等[12]通过现场模拟降雨，研究了降雨对黄土路堑高边坡的侵蚀机制，分析了裸露边坡和植被防护边坡的破坏特征以及径流特征、冲刷量的变化规律。

通过上述研究发现中外学者对于路堑高边坡的研究主要集中在路堑高边坡的失稳机制及数值模拟研究方面，而对于路堑高边坡破坏特征方面的试验研究较少，对路堑高边坡动力学方面的研究就更加稀缺，且在实际锚固工程中，地震烈度较小的情形下常规预应力锚(索)杆能够表现出良好的抗震效果，可以很好地限制岩体变形，提高边坡的稳定性[13-14]。但是在强震条件下，锚固岩体变形较大，常规预应力锚(索)杆一般难以继续限制其变形，引发边坡失稳破坏[15-16]，而应用玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)锚索可以有效地解决这个问题。

鉴于此，以云南省功东高速公路的大营盘(K39～K41)碎石土边坡为典型工点，应用BFRP这一新材料代替传统钢筋锚(索)杆，充分利用了其较高的抗拉强度和较低的弹性模量等优点[17-19]，开展了BFRP锚索+框架结构加固边坡及无支护边坡的振动台对比试验，旨在为BFRP锚索加固高边坡的动力合理性设计提供科学依据。

1 试验工点概况

大营盘(K39～K41)边坡所在坡体地势整体较为平缓，坡体上树木遍布，地层岩性由黏土、角砾与碎石组成，边坡最高处为87 m。设计情况为左侧边坡分六级，一级、二级坡高10 m，设计坡率均为1∶0.75，三级～六级坡高10 m，坡率为1∶1.00，一级、六级坡面设锚杆框格梁防护，二级～五级坡面设锚索框格梁防护，一、三、五级平台宽为2 m，二、四级平台宽为5 m。一级坡设仰斜排水孔，坡脚处为片石混凝土挡墙。右侧边坡分三级，坡高10 m，坡率为1∶1.00，一级、三级设锚杆框格梁防护，二级设锚索框格梁防护，一、二级平台宽为2 m，坡脚处为片石混凝土挡墙，本次振动台试验以大营盘工点左侧边坡为试验原型，支护后效果如图1所示。

图1 大营盘工点支护后效果Fig.1 Effect diagram of large camp site after support

2 振动台试验模型设计

试验使用的是甘肃省地震局兰州地震研究所的大型地震模拟振动台。该振动台可输入规则波和不规则波，有效频率范围为0.1～50 Hz，最大承载力为25 t，最大加速度为1.7g，振动台台面尺寸为4 m×6 m。

2.1 试验相似比及材料的选取

根据此次振动台试验条件和目的，相似关系借助因次分析法进行推导，选取几何尺寸l(Cl=30)和容重γ(Cγ=1)为基本控制量，其余物理量利用相似“π定理”导出，相似关系如表1所示。

根据多组材料配比试验结果和模型设计参数，坡体的材料以石膏粉、黏性土为辅助材料，以河砂为主要材料，水为黏结材料。滑床及滑体部分均以黏性土、河沙、石膏及水为材料制作而成，其质量配

表1 振动台试验模型相似参数Table 1 Similar parameters of vibration table test model

注：表中下标p和m分别表示原形量和模型量。

合比为5∶10∶1∶1，其中，滑床部分土体压实度较高。有支护侧试验锚索为BFRP锚索，其直径为4 mm，坡面上的框格梁采用松木条模拟，其尺寸为2 cm(宽)×2 cm(高)。

2.2 模型的设计与制作

模型箱体内槽尺寸为2 800 mm(长)×1 400 mm(宽)×1 850 mm(高)，箱体框架为20 mm厚钢板焊接等边角钢而成。水平振动方向后边为50 mm厚聚苯乙烯防震泡沫，前边为30 mm厚钢板，高为900 mm，长边为20 mm厚透明有机玻璃，可便于观察试验过程中的模型变化情况，振动边界上的减震层采用50 mm厚的聚苯乙烯泡沫。在该试验模型中左幅为无支护边坡，右幅为BFRP锚索+框架结构对边坡进行支护。制作完成的试验模型如图2所示。

图2 制作完成的模型箱Fig.2 Completed model box

2.3 测试断面及原件布置

考虑到模型箱边界效应的影响，将加速度传感器分别布置在左右两幅边坡的主断面1—1和2—2断面上，如图3所示。其中，在右幅支护侧边坡和左幅无支护侧边坡的三级坡、四级坡、五级坡和六级坡坡中距离坡面竖向距离为5 cm位置处各布置一个加速度传感器，其对应的编号分别为A1、A2、A3、A4和N1、N2、N3、N4，支护侧边坡中一级坡～五级坡坡中各布置一根长度为70 cm的锚索，其中锚固段为30 cm，在六级坡坡中位置布置一根长度为35 cm的锚索，其中锚固段为15 cm。右幅支护侧边坡中加速度传感器及锚索布置图如图4所示，左幅边坡中传感器布置的位置及编号跟右幅边坡中的相对应。

图3 左右两幅传感器布置示意图Fig.3 Schematic diagram of left and right sensors layout

图4 右幅支护侧边坡结构布置图Fig.4 Right side slope structure layout

2.4 加载制度设计

本次试验对加载时间和频率含量按照模型的相似系数，通过相似关系对地震波进行了修正：加载波形的频率为原始波形频率的λ0.5倍，即5.48；加载波形的加载时间为原始波形频率的1/λ0.5倍,即0.18，加载波形的振幅不变。关于加载工况，以地震波形+正弦扫频的方式进行。地震波相似关系如表2所示。

本次试验输入的地震波分别为埃尔森特罗(El-Centro)波和鲁甸(LD)波，加载按照先X向、后Z向，最后为XZ向(由X向与Z向的单向地震波按照一定时间差施加合成而来)的顺序施加。加载过程按输入峰值加速度0.1g→0.2g→0.4g→0.6g→0.8g的顺序加载，其中El-Centro波和LD波的加速度时域曲线如图5所示。

试验开始前先进行白噪声(WN)激励的微振试验，以测定模型的动力特性。在加速度峰值及时间压缩比改变时，均输入微幅白噪声激励，观察模型动力特性的变化情况。具体加载制度如表3所示。

表2 相似关系Table 2 Similarity relation table

图5 El波和LD波加速度时域曲线Fig.5 Time-domain curves of EI wave and LD wave acceleration

表3 加载制度Table 3 loading system table

3 试验现象分析

在输入峰值加速度为0.4g之前(即加载工况16之前)，模型坡体的变形较小，工况16的LD地震波作用下坡体的变形情况如图6所示，从图中可以看出模型坡体表面未见明显的裂缝产生现象。

图6 工况16地震波作用下坡体Fig.6 Schematic diagram of slope under the action of seismic waves in working condition 16

当加载到工况18后，左边无支护侧边坡在五级坡坡面出现了一条细小裂缝，其长度约为20 cm，其走向为从五级坡坡顶位置斜向向下扩展，形状呈现弧形，同时，无支护侧边坡在六级坡底部靠近模型箱侧壁的位置出现了轻微的土体散落现象，坡体变形情况如图7所示。上述变形产生的原因是左边无支护侧边坡五级坡及六级坡在0.4g的LD(XZ向)地震波作用下发生了剪切变形。

图7 工况18地震波作用下坡体变形情况Fig.7 Schematic diagram of slope under the action of seismic waves in working condition 18

当加载到工况23后，左边无支护侧边坡在五级坡坡顶位置和六级坡坡顶位置处出现了明显地土体抛射现象，其中五级坡坡面的土体在地震波的作用下成块状抛射出来，而六级坡的坍落的土体颗粒较小。与无支护侧坡体变形情况对比，右侧支护侧边坡坡体未见明显的土体坍落现象，只是在四级坡坡脚位置和六级坡靠近坡顶位置处各出现了一条横向裂缝，如图8右幅边坡红色圆圈中所示。

图8 工况23地震波作用下坡体变形情况Fig.8 Schematic diagram of slope under the action of seismic waves in working condition 23

当加载到工况26后，左边无支护侧边坡坡面土体滑坍严重，五级坡和六级坡坡面土体基本上已经出现了坡面流现象，滑落的土体堆积在四级坡的马道位置处，同时，在三级坡坡脚的位置处，也出现了部分土体掉落的现象。与无支护侧坡体变形情况对比，支护侧边坡坡体变形情况较轻微，在四级坡坡脚位置、五级坡坡中位置和六级坡靠近坡顶位置处出现了掉土现象，如图9所示。

图9 工况26地震波作用下坡体变形情况Fig.9 Schematic diagram of slope under the action of seismic waves in working condition 26

4 试验结果分析

由于水平向地震波作用是导致支护结构变形、引起坡体破坏的主要原因[20]，因此，只对水平向加载的LD波和El波作用下，有支护一侧与无支护一侧坡体的加速度响应情况进行对比分析，从而明确新型锚固技术在地震作用下对于路堑高边坡的加固效果。

4.1 水平向LD波地震作用下无支护侧与支护侧边坡坡面处加速度响应情况对比

由表3可知，LD地震波水平向加载的工况主要有工况2、工况9和工况16，其所对应的加速度分别为0.1g、0.2g和0.4g，现分别选取有支护和无支护侧三级坡～六级坡坡面位置处的加速度传感器来研究，每级坡坡面所对应的传感器编号有支护侧的为A1、A2、A3、A4，无支护侧的为N1、N2、N3、N4。

提取出有支护侧和无支护侧三级坡～六级坡坡面处加速度峰值，如表4所示，同时，利用表中的数据分别做出有支护侧和无支护侧三级坡～六级坡坡面处加速度峰值的分布情况，如图10所示。

图10 LD波作用下无支护和支护侧边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波作用下有支护及无支护侧坡面各测点加速度峰值Table 4 Peak acceleration of each measurement point on slope with and without support under LD wave action

由图10(a)可知，在LD地震波的作用下，无支护侧坡面加速度的峰值随着高程的增大呈现“锯齿形”形状，在四级坡和五级坡的坡面测点处，加速度曲线明显出现了反折点，结合试验现象分析这种现象产生的原因是在四级坡和五级坡之间可能出现了潜在的滑面，从而使得四级坡坡面处的加速度峰值产生了明显减小的趋势。在图10(a)中，也可以清楚地看到，六级坡坡面处的加速度值较五级坡处的加速度值也出现了明显减小的趋势，导致这种现象的原因是，在靠近坡体顶部位置处可能土体的夯实度不够，即上部土体较下部土体疏松，在地震波的传播过程中吸收了部分地震波的能量，同时从图10(a)可以得到，随着加载工况的增大，其坡面处各个侧点的加速度值也在增大。

由图10(b)可知，在LD地震波的作用下，有支护侧坡面加速度的峰值随着高程的增大呈现逐步增大的趋势，这也正符合加速度沿着高程存在着放大效应的常理。此处，以工况16为例来分析随着高程的增大，其加速度值的增大情况，从图中可知，三级坡、四级坡、五级坡和六级坡坡面处加速度的值分别为0.438、0.455、0.484、0.818 m/s2，其加速度峰值增幅分别为前者的1.039、1.064、1.690倍。

4.2 水平向El波地震作用下无支护侧与支护侧坡面处加速度响应情况对比

El地震波水平向加载的工况主要有工况5、工况12和工况19，其所对应的加速度分别为0.1g、0.2g和0.4g，现分别选取无支护和有支护侧三级坡～六级坡坡面位置处的加速度传感器来研究，每级坡坡面所对应的传感器编号有支护侧的为A1、A2、A3、A4，无支护侧的为N1、N2、N3、N4。

同上述LD地震波的处理情况相同，分别提取出有支护侧和无支护侧各级坡坡面在EI地震波作用下的加速度峰值，如表5所示，同时，利用表中的数据分别做出无支护侧和支护侧各级坡坡面处加速度峰值的分布情况，如图11所示。

同LD地震波作用情况下的坡面加速度值变化情况一样，由图11(a)可知，在El地震波的作用下，无支护侧坡面加速度的峰值随着高程的增大呈现“锯齿形”形状，在四级坡和五级坡的坡面测点处，加速度曲线明显出现了反折点，同时，六级坡坡面处的加速度值较五级坡处的加速度值也出现了明显减小的趋势，这种现象同LD波作用下无支护侧坡面加速度峰值的变化规律相似，故其原因此处不再复述。

图11 El波作用下无支护和支护侧边坡坡面加速度峰值分布图Fig.11 Distribution of peak acceleration of slope without support and supporting side under the action of El wave

由图11(b)可知，在El地震波的作用下，有支护侧坡面加速度的峰值随着高程的增大整体上呈现逐步增大的趋势，但在工况5和工况19的El地震波作用下，四级坡坡面处的加速度峰值相较于五级坡有略微减小的趋势，其原因可能是在逐级加载的过程中，有支护侧坡体在四级坡坡面位置处出现了变形累加的过程，从而导致加速度出现了减小的现象。

综上可得，在水平向的LD和El地震波作用下，BFRP锚索支护侧和无支护侧坡面加速度变化规律分别对应相似，呈现出强烈的规律性，且可以看出BFRP锚索加固措施对高边坡的整体稳定性具有明显的提高作用。

表5 El波作用下有支护及无支护侧坡面各测点加速度峰值Table 5 Acceleration peaks of each measurement point on slope with and without support under the action of El wave

5 结论

通过本次大型振动台试验，对左右两幅无支护侧及BFRP锚索支护侧边坡坡面的加速度峰值分布规律进行了分析，旨在为BFRP新型锚固结构在高边坡防护中的动力合理性设计提供依据，所得结论如下：

(1)通过试验现象分析可得，相较于无支护侧边坡而言，BFRP锚索在高边坡的加固过程中可以有效地提高边坡的整体稳定性。

(2)无支护侧坡面加速度的峰值随着高程的增大呈现“锯齿形”形状，且在四级坡和五级坡之间可能出现了潜在的滑面。

(3)有支护侧坡面加速度的峰值随着高程的增大整体上呈现逐步增大的趋势，加速度随着高程放大的效应明显存在。

BFRP锚索+框架结构对地震区高边坡的加固可以起到理想的作用，但是对于试验过程中支护侧框架中坡体偶尔出现土体散落的现象，在实际工程中可以通过框格中坡表植草等措施来解决。