地震作用下NPR锚索固坡效应振动台试验研究

陶志刚，王 璇，郭爱鹏，陈佳钰，舒 昱

(1.中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083；3.自然资源部地质环境监测工程技术创新中心，河北 保定 071051)

我国多山川、丘陵，且位于环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带两大地震带之间，地震灾害频发。2008-05-12T14：28：00，位于地中海-喜马拉雅地震带上的四川省汶川县发生里氏8.0级大地震。地震作用诱发边坡土体产生的滑坡灾害等对当地环境造成不可逆的损害，也对当地居民的生命财产安全造成极大威胁。地震作用下边坡的动力稳定性问题亟待解决。

边坡土体支护中常用的结构形式有挡土墙、土钉墙、锚杆、锚索等，其中锚索以其经济、施工方便、力学性能优良、支护效果卓越等优点成为支护设备的首选。在实际工程中，预应力锚索在地震烈度较小时，锚索支护结构展现出可靠的抗震性能；但在强震作用下，岩体变形量增大，此时预应力锚索极易因其变形能力不足而被拉断，导致边坡失稳。自适应锚索的锚固能力受预设恒阻力大小的影响，恒阻力过小或过大时均不利于发挥自适应锚索的优势。压力型锚索在地震荷载作用下锚索外端头处的注浆体会向承压板方向产生位移，使注浆体压应力变大，其加固效果受注浆体强度等级和锚索孔直径影响很大。上述锚索无法应对强震作用的主要原因是其均属传统泊松比材料，难以适应边坡岩体的瞬间大变形。2011年，何满潮针对这一问题研发出一种具有负泊松比效应、恒阻、吸能、大变形量的NPR锚索。

笔者利用HWL-2000 NPR锚索静力拉伸试验系统证实了NPR锚索在静力拉伸过程中能保持较高的恒阻力和大变形量。何满潮等将理论分析与室内实验相结合，研究发现NPR锚索的现场安装方式对其锚固效果有较大影响。吕谦等建立NPR锚索三维弹塑性力学模型并通过室内试验数据验证了该模型可估算各种型号NPR锚索的恒阻力值。

以上研究揭示了NPR锚索的力学特性，加速了其应用于露天矿边坡的稳定性监测和变形控制的进程。何满潮等基于NPR锚索开发出滑坡地质灾害远程监测预报系统，笔者将这一系统成功应用于南芬露天铁矿以及罗山矿区的滑坡监测与预警中。但有关NPR锚索在地震荷载作用下的变形控制效果以及吸能特性的研究几近空白，有待进一步探索。笔者在前人研究的基础上借助振动台相似模型试验，研究边坡NPR锚索在地震作用下的动力响应、吸能特性、抗震性能，开展有无NPR锚索支护下的边坡振动台对比试验。

1 区域地质概况

2008-05-12T14：28：00，四川省汶川县发生里氏8.0级大地震。宝兴县唐包滑坡处位于高烈度区。震后对宝兴县辖区内唐包滑坡进行现场勘察，发现多处已经出现较明显的变形破坏特征，如图1所示。

图1 滑坡体变形破坏特征

唐包滑坡所在区域地处金汤弧形构造带中部与龙门山北东向构造带结合部位，地质构造复杂，褶皱断裂发育，为高山峡谷地区。该区域位于龙门山断裂带南段，宝兴背斜西北部，受构造影响较大的主要构造为赶羊沟冲断层、五龙冲断层、盐井冲断层、中坝冲断层和金棚山弧形冲断层等，如图2所示。

图2 宝兴县构造体系

唐包滑坡位于宝兴县西北部，宝兴河的直流西河流经滑坡体前缘，滑坡体坡面分布有宝兴-永富公路及清江村村通公路。

根据“5·12”汶川地震的震后应急勘查结果，唐包滑坡由滑坡体及欠稳定斜坡体组成，即Ⅰ号滑坡体和Ⅱ号欠稳定斜坡体(图3)。笔者以宝兴—永富公路所傍Ⅰ号滑坡体部分为主要研究对象。

图3 唐包滑坡全貌

Ⅰ号滑坡体呈长舌状，前缘宽约450 m，呈南北向，纵向斜长约1 100 m，呈东西向，坡向53°，滑体面积约228 700 m，体积约4 785 900 m，主滑方向53°。该滑坡体后缘发育错落洼地，具有集水条件；前缘及中部坡脚紧邻河边，可能遭受河流的强烈侵蚀。“5·12”汶川地震发生后，Ⅰ号滑坡体变形明显加快，不断的蠕动使位于前缘坡体的宝兴—永富公路内侧挡墙裂缝加宽加大，路面出现不均匀沉陷，外侧路基出现局部滑塌。

2 振动台模型试验

本次振动台试验依托中国地震局工程力学研究所恢先地震工程综合实验室振动台实验系统进行，振动台台面尺寸为3.5 m×3.5 m，其最大承载质量为30 t，最大行程距离为±0.5 m，最大速度为1.5 m/s，最大加速度为20 m/s。

2.1 相似关系设计

本次试验基于Buckingham π定理，选取模型几何尺寸、重力加速度、弹性模量以及密度作为基本控制参数，其他相似系数采用量纲分析法由基本量导出。具体相似系数见表1。

表1 模型相似系数

2.2 相似材料制作

本试验采用石膏粉、重晶石粉、河砂和水制备滑坡体，云母片作为滑体与基岩接触面材料。通过调整石膏和水的比例调整滑体材料的物理力学参数，依据正交试验设计方法，将不同比例的材料制成标准试样进行直剪试验及单轴压缩试验，根据试验结果，确定材料质量配比为石膏∶重晶石粉∶河砂∶水=22∶12∶40∶7。相似材料的物理力学参数见表2。

表2 相似材料物理力学参数

实际工程中边坡加固拟采用总长为50 m，恒阻力为600 kN的NPR锚索。NPR锚索结构如图4所示。

图4 NPR锚索结构示意[24]

锚索套管内恒阻体滑动时与套管壁摩擦所产生的滑动摩擦力充当NPR锚索的恒阻力。NPR锚索变形分为2个阶段：① 当锚索上施加的荷载小于或等于恒阻值时，通过锚索本身弹性变形来抵抗外加荷载；② 当外加荷载大于恒阻值时，恒阻体开始滑动，利用恒阻器的结构变形来抵抗外加荷载。

模型边坡使用的是具有与NPR锚索相同恒阻效果的长500 mm、恒阻力为60 N的缩尺NPR锚索，其中恒阻套筒使用3D打印树脂材料制作，恒阻体由不锈钢加工制成，锚索钢绞线由钢丝绳代替，如图5所示。锚索的恒阻力变化通过改变恒阻套筒和恒阻体直径实现。本次试验选用恒阻套筒内径7.96 mm、恒阻体直径8.13 mm的缩尺NPR锚索，可使恒阻力维持在60 N左右，其中外露纤维筋长10 mm，用于安装框架及锚具，依据工程实际和设计要求，锚固段长度取100 mm，锚索入射角35°。缩尺NPR锚索静力拉伸试验结果如图6所示。

图5 缩尺NPR锚索配件

图6 缩尺NPR锚索拉伸试验曲线

2.3 模型设计与制作

本次试验制作的模型以唐包滑坡宝兴-永富公路所傍Ⅰ号滑坡体部分为原型，重点突出坡体滑动面处的岩体结构设计并将其他位置处的岩体结构进行简化。针对本次模型试验特点，制作模型试验箱如图7所示，先后进行对照组和试验组2组试验。

图7 模型试验箱

2组试验中，无支护边坡振动台模型试验为对照组，NPR锚索支护边坡振动台模型试验为试验组。试验组主要依靠小型锚索拉力传感器和加速度传感器进行数据采集。锚索拉力传感器安装在模型边坡坡表锚头与坡体接触位置，采集NPR锚索在试验过程中的应力变化情况；加速度传感器埋置在模型边坡内部，采集不同位置的加速度响应数据。

试验组在模型内部共安装10个加速度传感器(A1～A10)和12束微型NPR锚索。NPR锚索6束位于公路下方，6束位于公路上方，锚索拉力传感器在安装锚头时同步安装，锚头安装完毕后通过恒阻体外侧螺母施加预应力；加速度传感器在模型制作过程中同步安装且埋置在同一剖面，加速度传感器的编号、分布及采集通道见表3。所有传感器均严格按照边坡模型设计(图8)安装在模型的对应位置。试验组除安装NPR锚索、锚索拉力传感器及加速度传感器外，其他条件与对照组保持一致。

表3 加速度传感器编号、分布位置及采集通道

图8 边坡模型设计示意

根据边坡模型设计制作好的试验组边坡模型如图9所示。

图9 制作完成的边坡模型

2.4 地震波选取及加载方案

本次试验中共使用3种地震波，分别是正弦波、EL-Centro波以及随机白噪声。输入EL-Centro波的加速度时程曲线如图10所示。

图10 EL-Centro波加速度时程曲线

加载工况分2个阶段，前期为正弦波工况，后期为EL-Centro波，根据输入波形的峰值加速度进行分类。其中正弦波加载工况共分为1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 m/s共5个等级，每个等级使用的频率有5，10，15，20 Hz。EL-Centro波分为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个等级。

加载过程中首先对模型边坡施加白噪声激励，并在每组正弦波及地震波工况完成后施加白噪声激励。不同工况加载完成后，对模型变化情况进行记录拍照，待模型稳定后再施加下一级工况。具体的试验加载方案见表4。

表4 试验地震波加载信息

3 模型试验结果分析

3.1 地震条件下NPR锚索吸能特性分析

通过天然边坡和NPR锚索支护边坡的振动台对比试验来研究NPR锚索的吸能特性。2组试验采取相同的加载方案，加载至模型发生大变形破坏后停止试验。

图11为4种典型加载工况下，无支护边坡及NPR锚索支护边坡的破坏对比图。并将不同工况下2组试验的边坡破坏情况列于表5中。

表5 无支护边坡及NPR锚索支护边坡破坏情况对比

图11 无支护边坡及NPR锚索支护边坡破坏对比

峰值加速度为10 m/s的天然地震波加载后，无支护边坡已发生大变形破坏，破坏结果如图12所示。对照组停止加载，试验完成。此时试验组边坡未发生大规模破坏，仍能承受进一步加载。为探究NPR锚索支护边坡的抗震性能及支护极限，继续增大天然地震波的峰值加速度。当天然地震波的峰值加速度达到12 m/s时，NPR锚索支护边坡发生破坏，破坏结果如图13所示。

图12 无支护边坡破坏

图13 NPR锚索支护边坡破坏

实验现象表明，NPR锚索支护边坡的破坏程度远低于无支护边坡：2组试验模型均在坡顶处产生破坏，无支护边坡发生大面积崩塌溃坏现象且边坡中下部岩土体破碎严重；NPR锚索支护边坡坡顶岩土体破碎并沿坡体向下滑移，坡顶的滑坡体后缘部分没有被破坏，破坏范围较小，岩土体破碎程度较低。公路下方的圆弧滑动面处，无支护边坡在坡表产生了连通的裂缝，坡体内部的圆弧滑动面已经贯通，而NPR锚索支护边坡在相同位置处仅有两侧出现细微裂缝，圆弧滑动面也没有贯通。

拆卸模型时，发现对照组及试验组模型在坡体内部也表现出不同的破坏特征。图14为挖除模型坡顶破坏部分后坡体内部的图片，从图14中可以看出，无支护边坡的坡体内部已受到破坏，破碎情况较为严重，坡体的整体性较差；而NPR锚索支护边坡坡体内部整体性较好，无明显裂缝产生。

图14 坡体内部破坏情况

通过本次试验中无支护边坡与NPR锚索支护边坡破坏情况对比，可以得出NPR锚索在地震作用下具有良好的吸能特性，能够通过吸收地震释放能量的方式增强边坡的整体性，从而提高坡体的强度，降低坡体破坏程度，为边坡提供有效支护。

3.2 地震条件下NPR锚索轴力动力响应分析

通过全程监测NPR锚索轴力受力曲线，分析其在试验过程中的变化规律。对所得数据进行降噪处理，选取降噪处理后典型锚索的轴力变化图(图15)进行分析。NPR锚索在试验全程的轴力变化情况，表现出以下特征：

图15 典型锚索轴力变化

(1)NPR锚索在地震作用下表现出独特的恒阻特性。在地震惯性力的反复作用下，NPR锚索的恒阻结构产生疲劳效应导致恒阻力下降，但恒阻力下降到一定数值后便不再发生明显变化，表明NPR锚索的恒阻特性在地震作用下仍然存在。

(2)地震作用下，NPR锚索能够对边坡提供有效支护。轴力曲线表明NPR锚索提供的拉力没有因为施加地震作用而消失，而是维持在一定数值，即锚索的锚固特性始终存在，可以认为地震条件下NPR锚索仍能对边坡提供有效支护。

3.3 边坡加速度动力响应分析

以A4测点为例，对收集到的加速度数据处理分析，进行了全峰值下无支护边坡与NPR锚索支护边坡PGA放大系数的对比(图16)。由图16可知，在地震波峰值加速度到达8 m/s之前，NPR锚索支护边坡的加速度放大系数均小于无支护边坡，表明NPR锚索具有良好的支护效果。峰值加速度增大到8 m/s以后无支护边坡破坏加剧，加速度放大系数远高于NPR锚索支护下的边坡。峰值加速度到达10 m/s时无支护边坡已然破坏，内部土体分崩离析，坡体内部的圆弧滑动面已经贯通，因此PGA放大系数陡然下降。

图16 全峰值PGA放大系数对比

另外针对峰值加速度为8 m/s时全部测点加速度进行数据处理，得到无支护边坡与NPR锚索支护边坡全测点的PGA放大系数对比(图17)。在NPR锚索支护下，A1，A2，A3，A4测点的加速度放大系数均比无支护时降低9%左右。可见NPR锚索能有效增强边坡底部稳定性。A5，A6测点位于中下部坡体内部，NPR锚索支护下的PGA放大系数相较于无支护时下降了13%，可见NPR锚索对于滑坡体内部的土体有良好的支护作用。测点A7加速度放大系数下降12%，由此可见NPR锚索对于滑坡土体边缘土体加固效果明显，能减小滑坡体对周围土体的影响。A8，A9，A10均下降6%，可见虽然边坡土体滑动面已经产生，但是NPR锚索仍然能对边坡起到一定的支护作用。

图17 全测点PGA放大系数对比

从总体上看，无支护边坡中各测点加速度放大系数均要大于NPR锚索支护边坡对应测点的加速度放大系数，表明NPR锚索用于边坡支护工程中时，可以很好的限制坡体变形，对于滑坡位移具有一定的控制能力，有利于提高坡体的抗震性能。

4 边坡变形破坏机理分析

根据边坡模型在逐级增强的地震作用下边坡变形破坏特征，并结合前文研究成果，探究无支护边坡在地震作用下的发生破坏的一般规律。共划分为3个阶段：

(1)张拉裂缝产生及坡顶松动阶段。小震作用下，边坡中上部的浅表及结构面处产生张拉裂缝，但未向坡体内部发展，边坡整体保持稳定，边坡岩土体处于弹性状态。PGA放大系数基本呈线性增长。如图18(a)所示。

(2)裂缝持续发展阶段。中震作用下，张拉裂缝持续向坡体内部发育，裂缝宽度不断增加。裂缝对坡体进行切割，破坏边坡的整体性，并在局部产生连通滑动面。滑动面上部岩土与坡体分离，成为危岩体。PGA放大系数快速增长，到达最高点。如图18(b)所示。

图18 地震作用下天然边坡破坏过程

(3)滑动面贯通坡体崩塌溃坏阶段。强震作用下，裂缝持续向内部扩展，形成贯通的圆弧滑动面，滑体沿着贯通的滑动面产生滑移，边坡发生大面积的崩塌溃坏现象，主要集中在边坡上部，其中坡顶处的破坏最为严重；在边坡中下部圆弧滑动面出露的位置处也产生了岩土体破碎的现象，岩土体刚度减小，阻尼比增大，导致PGA放大系数突降。如图18(c)所示。

5 结 论

(1)相同工况下经过NPR锚索支护边坡的变形破坏情况以及岩土体的破碎程度与无支护边坡相比改善显著，NPR锚索通过吸收地震释放的能量降低坡体的峰值加速度，提高坡体强度，降低边坡的破坏程度，具有良好的吸能特性。

(2)NPR锚索内恒阻结构因地震惯性力的反复作用产生疲劳效应导致恒阻力降低，吸能效果随之下降，但恒阻力仍然能够维持在一定数值，即锚索的锚固特性始终存在。可认为地震条件下NPR锚索仍能对边坡提供可靠支护。

(3)无支护边坡中各测点加速度放大系数均大于NPR锚索支护边坡对应测点的加速度放大系数，表明NPR锚索对边坡底部土体、滑坡体周围土体以及滑坡体均能提供有效支护，起到增强整体稳定性和降低滑坡灾害程度的作用。

(4)地震作用下无支护边坡破坏过程可分为张拉裂缝产生及坡顶松动阶段，裂缝持续发展阶段，滑动面贯通坡体崩塌溃坏阶段3个阶段。