王秋懿，吳紅剛，張金江，李天能

(1.云南省交通投資建設集團投資有限公司，云南 昆明 650228； 2.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

BFRP錨桿是以玄武巖纖維為增強材料，環(huán)氧樹脂為基體材料，采用纖維浸漬含有固化劑的環(huán)氧樹脂膠液，經(jīng)過拉擠而形成的一種新型材料。具有抗腐蝕性好、耐久性好、抗拉強度高、低松弛性及抗震性能優(yōu)越等特點。同時，由于BFRP筋材的彈性模量較鋼筋低，約為鋼筋的1/4，作為錨桿使用相對鋼錨桿而言，可較少的影響錨固體與圍巖的黏結(jié)狀態(tài)，也具有更好的適應坡體變形的能力[1-2]。

目前，因其優(yōu)越的物理-化學性能，BFRP筋已經(jīng)越來越多的應用于邊坡錨固設計和工程建設當中，但對于BFRP錨桿的研究大多停留在材料力學性能應用層面，曹曉峰等[3]、楊國梁[4]、高先建等[5]、王洋[6]從錨桿直徑、錨固段長度和錨固地層巖性等方面通過一系列現(xiàn)場抗拉伸試驗、抗剪試驗，研究了玄武巖纖維錨固系統(tǒng)極限抗拉強度、荷載位移關系、桿體軸力分布和剪應力分布狀態(tài)等，對BFRP錨固結(jié)構(gòu)的應用起到了理論的推動作用。但是這些試驗都是針對單根錨桿錨固系統(tǒng)進行的，并未對BFRP錨固系統(tǒng)和邊坡的協(xié)同工作性能展開研究，尤其地震作用下BFRP錨固邊坡的結(jié)構(gòu)-邊坡協(xié)同工作性能方面的研究目前還很滯后。

高先建[7]通過FLAC3D數(shù)值模擬計算了BFRP錨桿和鋼筋錨桿加固基坑邊坡的支護效果，認為BFRP錨桿可以有效的加固邊坡，較好的控制邊坡位移，且加固效果與鋼筋錨桿相當，邊坡破壞模式與鋼筋錨桿加固邊坡相同。王安福等[8]通過實際工程應用中BFRP錨桿(索)受力特征長期監(jiān)測，并與傳統(tǒng)鋼筋錨桿和鋼絞線錨索受力進行對比，驗證BFRP錨桿(索)在公路巖質(zhì)邊坡支護中的可行性。趙文等[9]將BFRP筋作為錨桿，對其抗拉強度設計值、與砂漿黏結(jié)強度取值進行了實驗研究，通過BFRP筋材和鋼筋錨桿加固土坡的現(xiàn)場對比試驗，分析了BFRP錨桿加固土質(zhì)邊坡的效果，表明兩種錨桿受力和邊坡變形類似，驗證了BFRP筋作為巖土支護錨桿的適用性。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，對于BFRP錨桿在動力情況下支護邊坡的研究還有所欠缺，為了明確地震作用下BFRP錨固系統(tǒng)加固邊坡的抗震效果，本文通過振動臺試驗的方式，對無支護邊坡與BFRP錨固邊坡在EL-Centro地震波作用下的加速度及動應力響應情況進行了研究，旨在為高速公路邊坡的抗震設計提供一定的理論支撐。

1 試驗方案及過程

1.1 振動臺模型試驗概況

本次試驗場地位于甘肅省地震局黃土地震工程研究室，振動臺臺面有效尺寸為4 m×6 m，試驗所用的模型箱是由鋼板、型鋼和有機玻璃制作的剛性箱，尺寸為2.85 m×1.45 m×1.8 m，為了便于填料，模型箱一端開口，配備可自由拆卸的擋板。為了減小振動波在邊界的反射作用，在地震波水平傳播方向的箱體后壁內(nèi)襯3 cm厚的緩震泡沫，用來模擬吸波材料[10]。采用在線迭代控制加載方式，振動臺工作輸入信號包括：位移時程、速度時程、加速度時程、反應譜和功率譜，可以輸入規(guī)則波、隨機波、地震波和人造波等。

試驗模型依托工點為云南省功東高速公路沿線里程K5+660附近的響水河路塹邊坡，邊坡高度為29.5 m，邊坡坡面形式為三級坡，采用錨索框架結(jié)構(gòu)作為邊坡加固措施，該區(qū)域位于小江斷裂帶影響范圍內(nèi)，是我國地震活動多發(fā)地帶，地震基本烈度高達Ⅸ度，因此開展該地區(qū)邊坡的地震動力響應模型試驗具有重要意義。

1.2 模型相似設計

根據(jù)此次試驗條件和目的，本文在全面、綜合考慮各種因素的基礎上，主要考慮選取試驗的9個關鍵物理量：容重γ、位移δ、應變ε、幾何尺寸l、應力σ、泊松比u、彈性模量E、黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，按相似理論，借助因次分析法推導模型與原型的相似準則[11]，然后按相似判據(jù)進行模型設計和試驗，其函數(shù)關系式為：

f(l，δ，γ，ε，E，σ，u，c，φ)=0

(1)

以幾何尺寸l和彈性模量E為基本量綱的物理量，利用相似“π定理”式(1)變?yōu)椋?/p>

f1(π1，π2，π3，π4，π5，π6，π7，π8，π9)=0

(2)

根據(jù)力學現(xiàn)象相似準則：

(3)

1.3 模型試驗制作

(1)巖土體相似材料

相似材料的設計是開展物理模型試驗的重要環(huán)節(jié)，其設計合理與否直接決定著模型試驗結(jié)果能否準確真實的反映工程原型物理力學特性。振動臺試驗相似材料與一般的地質(zhì)力學相似材料不同，它要求模型相似材料的動應力-動應變特性、動剪切模量衰減特性、阻尼特性、剪切波速、密度、不固結(jié)不排水強度等特性與原型材料滿足相似性要求[12]。

本次模型試驗依托響水河工點，模型邊坡上覆地層為全風化玄武巖，巖塊之間黏結(jié)強度低，巖體破碎現(xiàn)象明顯。模型制作時將邊坡巖塊用河砂模擬，巖塊間的膠結(jié)物用黏性土模擬，添加石膏粉進行混合攪拌，通過改變石膏粉的含量和材料密度來調(diào)節(jié)模擬材料參數(shù)。通過大量室內(nèi)剪切試驗和單軸壓縮試驗，采用黏性土∶河砂∶石膏粉∶水=5∶10∶1∶1的質(zhì)量配合比模擬全風化玄武巖地層，其物理力學室內(nèi)試驗參數(shù)統(tǒng)計見表1。

表1 試驗土層材料物理力學參數(shù)

(2)相似結(jié)構(gòu)

試驗選用直徑為4 mm的BFRP纖維筋作為錨桿，其彈性模量為200 GPa，錨桿總長度為100 cm，錨固段長度為40 mm，外漏纖維筋長10 cm，用于錨固?？蚣芰翰捎盟赡緱l制成，水平向橫梁和豎向縱梁的截面尺寸均為3 cm×2 cm。在邊坡體制作完成后，將埋設在坡體內(nèi)的PVC管人力拔出，在模型土體中植入錨固體，然后安裝用松木條制作的框架梁，最后人工張拉錨索自由端鎖定，錨桿布設過程如圖1所示，制作完成的試驗模型見圖2。

圖1 錨桿布置安裝Fig.1 Arrangement and installation of anchor rod

圖2 模型制作完成Fig.2 The completed Model

1.4 模型監(jiān)測點布置和制作過程

試驗中采集了邊坡動土壓力值及加速度值，各種傳感器在使用之前均已進行過現(xiàn)場標定，從而保證測量數(shù)據(jù)的準確。監(jiān)測點布設原則和位置如下所述，其示意圖見圖3。

圖3 模型尺寸及測點位置Fig.3 Model size and measurement points

(1)加速度傳感器

采用DH301系列三向電容式加速度傳感器(圖4)。為研究邊坡潛在滑體形成過程內(nèi)軟弱夾層對坡體的加速度高程響應特性，分別在距坡面40 cm處和距坡面5 cm處由下到上等間距布置加速度傳感器，另外在坡腳自由場和振動臺臺面各布置1個加速度測點。振動臺模型試驗時共布設20個加速度傳感器。

圖4 三向電容式加速度傳感器Fig.4 Three-way accelerometer

(2)動土壓力傳感器

動壓力傳感器為CYY9型土壤巖石壓力傳感器(圖5)。該傳感器輸出信號范圍為0～5VDC(中間點為2.5VDC)，準確度等級為0.25%，測量范圍為-500～+500 kPa。為了研究邊坡中水平向動土壓力在振動過程中的響應規(guī)律，分別在每級坡中部，據(jù)坡面40 cm和80 cm布置土壓力計。

圖5 CYY9土壤巖石壓力傳感器Fig.5 CYY9 soil and rock pressure sensor

1.5 地震波輸入及加載工況

功東高速公路位于小江斷裂帶附近，歷史上多次發(fā)生過大地震，為了研究公路沿線高邊坡的地震動穩(wěn)定性和新型支護結(jié)構(gòu)的抗震性能。本次試驗采用EL-Centro 波進行加載。相似試驗中加載波形也需要根據(jù)模型試驗設計的相似系數(shù)對加載時間和頻率含量進行修正，按照本次試驗的相似系數(shù)20，對地震波進行壓縮(表2)。

表2 輸入地震波相似關系表

地震波相似處理后，加載波形的頻率為原始波形頻率的λ0.5倍，即4.47；加載波形的加載時間為原始波形頻率的1/λ0.5倍,即0.224；加載波形的振幅不變。原始波形的卓越頻段均在0.1～10 Hz,而記錄時間為40 s，因此修正后的加載波形頻段為0.447～44.7 Hz，(此頻段上限不超過振動臺的工作頻段50 Hz，)，加載時間為8.94 s。壓縮后輸入地震波時程曲線如圖6所示。

本文研究區(qū)處于高烈度地區(qū)，故將最高輸入加速度峰值設定為1.0g，采用逐級地震加速度峰值的方式進行[13]，加速度峰值從0.1g到1.0g，具體加載工況見表3。

圖6 壓縮后的EL-Centro地震波加速度時程曲線Fig.6 Acceleration time history curve of compressed EL-Centro seismic wave

表3 輸入地震波加載方式

Table 3 Loading mode of input seismic wave

工況波形加載方向PGA1正弦掃頻水平(X)0.05 g (0.1～50 Hz)3EL wave水平(X)0.1 g5EL wave水平(X)0.2 g7EL wave水平(X)0.4 g8EL wave水平(X)0.6 g10EL wave水平(X)0.8 g12EL wave水平(X)1.0 g14正弦掃頻水平(X)0.05 g (0.1～50 Hz)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

在加速度峰值小于等于0.6g時，試驗現(xiàn)象不顯著，主要為未支護側(cè)坡面出現(xiàn)裂縫和輕微掉塊(圖7)，坡體與背部減震泡沫有輕微分離，側(cè)面觀察無內(nèi)部裂縫，表現(xiàn)為整體輕微位移。

圖7 0.6 g時無支護側(cè)的三級坡坡面裂縫Fig.7 Cracks on grade III slope without supportinig while the acceleration is 0.6 g

當加速度峰值為0.8g時，未支護側(cè)整體位移加劇，坡面裂縫繼續(xù)發(fā)育，各級坡腳出現(xiàn)橫向貫通裂縫(圖8)，二級坡面約45°的斜向貫通裂縫，坡體中上部側(cè)面出現(xiàn)斜裂縫；支護側(cè)第三級坡坡腳和模型側(cè)面裸露處出現(xiàn)掉塊。

圖8 0.8 g時坡面裂縫Fig.8 Cracks on slope surface while acceleration is 0.8 g

到1.0g時，無支護側(cè)坡體破壞嚴重，各級坡已無明顯分界(圖9)；支護側(cè)的坡體形態(tài)保存較好，破壞主要為坡腳的0.5～1.0 mm橫向貫通裂縫和裂縫附近的局部掉塊，位移在強震中表現(xiàn)為整體位移?？梢钥闯鼋?jīng)過BFRP框架梁加固的坡體在強震作用下的整體穩(wěn)定性好。

圖9 1.0 g時坡面破壞情況Fig.9 Failure of slope surface while acceleration is 1.0 g

2.2 加速度響應特性

為研究邊坡響應加速度的放大效應，將邊坡體內(nèi)的加速度放大系數(shù)定義為各測點加速度峰值與坡腳自由場處測點的加速度峰值之比。此處以不同工況下BFRP錨桿框架結(jié)構(gòu)支護和未支護斜坡坡體內(nèi)及坡頂測點的加速度放大系數(shù)進行說明：如在地震波作用下，坡體內(nèi)某一測點水平向加速度的最大絕對值為max(水平)，而對應時刻的臺面測點加速度的最大絕對值為max(臺面)，則加速度放大系數(shù)a為：

在EL波各加載工況下，框架支護坡面加速度放大系數(shù)與臺面監(jiān)測地震波峰值的關系(圖10)。圖10為輸入水平向(X向)作用地震波峰值增大的過程中，不同高程位置坡面的加速度放大系數(shù)隨輸入地震波加速度峰值的變化趨勢，整體呈現(xiàn)“臺階狀”上升。當峰值加速度為0.2g時加速度放大效應的增長趨勢明顯開始出現(xiàn)減小。在高程為55 cm和105 cm處的坡面加速度放大系數(shù)增長趨勢較緩，在三級坡坡面和坡頂位置處的加速度峰值放大系數(shù)增長幅度較大。當輸入地震波峰值為0.1g、0.2g、0.4g時加速度放大系數(shù)增長趨勢相同，在加速度為0.2g時，各高程加速度放大系數(shù)均較小，其原因是加速度為0.2g時，支護結(jié)構(gòu)對坡面加速度的放大效應起到了一定的抑制作用。

圖10 EL波激勵時框架支護坡面加速度放大系數(shù) 與輸入地震波峰值關系Fig.10 Relation between acceleration amplification coefficient and peak value of input seismic wave (excited by EL wave)

高度在155 cm處的加速度放大系數(shù)隨輸入地震波峰值加速度的增加而呈“鋸齒狀”增加趨勢，具體表現(xiàn)為0.1g～0.2g、0.4g～0.6g為下降段，0.2g～0.4g加速度放大系數(shù)處于上升階段，0.6g以后加速度放大系數(shù)基本顯示處大幅度的上升趨勢；高度在180 cm處的加速度放大系數(shù)隨著輸入波加速度峰值的增大而增加，具體表現(xiàn)為0.1g～0.2g為下降段，0.2g～0.6g加速度放大系數(shù)上升段，0.6g～0.8g為下降段，0.8g以后加速度放大系數(shù)呈上升趨勢。

通過分析試驗過程中坡體裂紋及坡表破壞現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)邊坡坡表加速度放大系數(shù)沿高程嚴格增大，導致該現(xiàn)象的原因是由于邊坡頂部在地震作用下產(chǎn)生了局部破壞，從而導致坡體受力狀況和幾何形態(tài)的改變對加速度的傳播規(guī)律造成了影響。例如：第三級坡在輸入地震動過程中震動劇烈，坡頂逐漸產(chǎn)生橫向裂紋，隨著地震加速度峰值的增大，裂縫逐漸產(chǎn)生貫通；第二級坡坡面和第三級坡坡面均產(chǎn)生橫向貫通裂縫。

在EL波各加載工況下，無支護臺面監(jiān)測地震波峰值與坡面加速度放大系數(shù)的關系如圖11所示。隨著輸入波加速度峰值的增大，不同高程位置坡體的加速度放大系數(shù)隨輸入地震波峰值加速度的增加近似呈穩(wěn)定上升趨勢。當峰值加速度為0.2g時，高程為105 cm、155 cm、180 cm的位置處加速度放大系數(shù)稍微有所降低，從55 cm往上，高程對加速度放大系數(shù)的影響有所降低。

在輸入地震波峰值加速度在0.1g時，高程105 cm處的加速度放大系數(shù)比高程155 cm處的大，即二級坡坡面的加速度放大系數(shù)大于三級坡坡面的加速度放大系數(shù)，說明在無支護的斜坡上斜坡的坡腰最先承受較大的地震動力影響。

從0.2g～0.6g加速度放大系數(shù)沿高程和輸入地震波峰值呈增大趨勢，到輸入地震波峰值加速度為0.8g時高程155 cm處的加速度放大系數(shù)最大。當輸入加速度峰值大于0.8g后斜坡坡頂產(chǎn)生貫通裂縫，巖土體整體性較差，坡頂位置的加速度放大系數(shù)呈“鋸齒狀”的增長趨勢；在高程為155 cm處的坡面加速度放大系數(shù)增長趨勢平穩(wěn)，三級坡坡面振動劇烈，有崩塌的趨勢；在高程為105 cm處的坡面加速度放大系數(shù)在輸入地震波峰值達到1.0g時產(chǎn)生驟降，二級坡坡面發(fā)生了滑動，坡體表面埋置的加速度傳感器出露。

圖11 EL波激勵時無支護坡面加速度放大系數(shù) 與輸入地震波峰值關系Fig.11 Relation between acceleration amplification coefficient of unsupported slope and peak value of input seismic wave (excited by EL wave)

通過上述分析可得，當輸入加速度峰值相同時，對應的高程處，無支護側(cè)坡面的加速度放大系數(shù)比支護側(cè)的加速度放大系數(shù)要大，表明框架錨固結(jié)構(gòu)對邊坡的加速度放大系數(shù)起到了有效地抑制作用，從而提高了邊坡的整體穩(wěn)定性。

2.3 應力響應特性

地震波持續(xù)過程中，在動靜力場耦合作用下巖土體單元應力時刻發(fā)生變化，從一點的應力狀態(tài)來看，單元體應力與測點水平向加速度響應有直接關系。本次試驗對BFRP錨固邊坡和未支護邊坡坡體內(nèi)不同高程和埋設深度的土壓力進行監(jiān)測，得到邊坡體空間位置的應力狀態(tài)，通過摩爾庫倫強度準則對坡體內(nèi)不同位置應力屈服狀態(tài)進行判斷。首先測的了正弦掃頻波作用下邊坡自振時的應力狀態(tài)，隨著輸入地震波峰值加速度的增大，應力狀態(tài)不斷發(fā)生變化，如圖12～圖14所示。

圖12 錨固邊坡斷面Ⅰ應力分布Fig.12 Stress distribution of at sectionⅠ in slope supported with anchorage

圖13 錨固邊坡斷面Ⅱ應力分布Fig.13 Stress distributionat section Ⅱ in slope supported with anchorage

圖14 未支護邊坡斷面Ⅰ應力分布Fig.14 Stress distribution at section Ⅰof unsupported slope

對比錨固邊坡監(jiān)測斷面Ⅰ和監(jiān)測斷面Ⅱ的應力分布可以觀察到，錨固邊坡監(jiān)測斷面Ⅰ的壓應力最大值出現(xiàn)在二級坡坡后(高度105 cm)，輸入地震波為正弦掃頻時該測點壓應力最大，隨著輸入地震波峰值加速度的增大，測點壓應力值逐漸減小。其他高度位置的測點壓應力值較小，隨著加速度增大基本不發(fā)生變化。

錨固邊坡監(jiān)測斷面Ⅱ的壓應力最大值出現(xiàn)在一級坡(高度55 cm)和三級坡(高度155 cm)坡后相對位置，除輸入正選掃頻外，其他加速度峰值地震波作用下邊坡應力變化不大，規(guī)律性也不太明顯，在輸入地震波達到0.8g后一級坡后土體壓應力突增，可能發(fā)生了剪切應力屈服。

由于未支護邊坡監(jiān)測斷面Ⅱ有一處土壓力傳感器發(fā)生故障，監(jiān)測數(shù)據(jù)無效，因此僅對監(jiān)測斷面Ⅰ的應力分布做出分析，可以看出監(jiān)測斷面Ⅰ的壓應力最大值出現(xiàn)在三級坡坡后，其他位置巖土體應力沒有明顯差別，表明無支護邊坡在地震波作用下，上部巖土體首先發(fā)生張拉應力屈服，其他位置應力狀態(tài)變化較小。壓應力最大值出現(xiàn)在輸入正弦掃頻的時候，可認為此時的壓應力與該測點單元體在靜力作用下受到的應力相同。隨著輸入地震波峰值加速度的增大，壓應力逐漸減小，其原因是由于巖土體受張拉作用而導致的。

3 結(jié)論

以功東高速響水河邊坡為試驗原型，通過振動臺試驗，對無支護邊坡與BFRP錨固邊坡在不同峰值加速度地震波作用下的加速度放大系數(shù)及動應力變化情況進行了研究，所得結(jié)論如下：

(1)當輸入地震波加速度峰值相同時，對應的高程處，無支護側(cè)坡面的加速度放大系數(shù)比支護側(cè)的加速度放大系數(shù)要大，表明BFRP錨固結(jié)構(gòu)對邊坡的加速度放大系數(shù)起到了有效地抑制作用，從而提高了邊坡的整體穩(wěn)定性。

(2)由于地震波在坡體內(nèi)傳播介質(zhì)不均勻的原因，使得坡面各測點加速度放大系數(shù)隨輸入地震波加速度峰值的增大并非呈現(xiàn)線性增加的關系，而是一種“鋸齒狀”的變化趨勢。

(3)BFRP錨固結(jié)構(gòu)加固邊坡二級坡坡面附近單元體壓應力最大，坡體內(nèi)部在三級坡后單元體壓應力最大，而無支護邊坡坡面主要承受邊坡上部的拉應力，邊坡體內(nèi)單元受力并不均勻，表明BFRP錨固結(jié)構(gòu)可以改變邊坡單元體的受力狀態(tài)。