地震激励作用下锚固系统研究现状

雷晓锋

（西安公路研究院，西安 710065）

0 引言

锚杆挡墙是一种柔性支护体系，与其他支护方式如挡土墙、抗滑桩等相比，造价低、稳定性好、支挡高度不受限制，在边坡及滑坡支挡工程中发挥着重要作用[1-2]。工程实践表明，锚杆加固边坡效果良好，对保证道路的安全运营和人民生活环境的安定发挥了巨大的作用，地震过程中亦表现出相对较好的抗震抗滑性能[3-4]。2009年汶川地震后，公路、铁路、水利等行业开展的边坡调查发现，震后的锚固边坡稳定性良好，只是由于地震激励作用发生了诸如锚头松动、脱落、锚筋松弛等变形迹象，这与1976年的唐山大地震和1995年日本Hanshin-Awaji地震的震后调查结论一致[5-12]。究其原因，主要是因为在地震波的强烈作用下，锚杆能调动起它的柔性主动支护性能，和边坡岩土体二者之间协调变形、受力，形成一个整体，共同抗震抗滑，发生整体破坏的可能性很小。

国内外学者采用震后现场调查、理论分析、数值模拟和大型物理模型试验等技术手段，对地震作用下锚固系统的动力响应开展了大量富有成效的研究，研究内容主要集中在4个方面：①边坡的浅表动力效应研究；②锚固体的动力响应分析；③锚固体的破坏模式研究；④锚固体的抗震设计方法。

1 浅表动力效应研究

汶川地震、唐山地震以及日本Hanshin-Awaji地震后，学者们在野外调查的基础上对崩滑方量及崩滑深度进行统计分析，结果表明：边坡崩滑方量及崩滑的平均深度随着地震烈度的抬升逐渐增大，崩滑深度集中于数米深的浅表，大部分深度呈现在5 m以内；受到边坡浅表动力效应的影响，均质边坡坡体崩塌数量多，路段长，主要为“剥皮型”灾害；强震作用下边坡表面震裂、松弛，顺坡产生溜塌，厚度达数米。

在野外震害调研的基础上，学者们展开了多方面的试验及数值模拟研究。马行东等[13]采用有限元软件FLAC3D对地震激励作用下锚固边坡与素土边坡的稳定性进行对比研究，结果表明：锚固边坡的动力位移响应小于无锚固的素土边坡，没有出现素土边坡的浅表效应，稳定性相对较好。叶海林[14-15]、朱宏伟等[16]采用FLAC3D，对锚固边坡和素土边坡的抗震效果进行对比研究，结果表明：与素土边坡相比，锚固边坡坡表的加速度峰值放大系数明显降低，达10%以上，动力稳定性良好。蒋良潍等[17]针对汶川震区浅表动力效应，采用振动台物理模型试验，对地震扰动下的浅表效应及锚固机理进行研究，试验结果表明：由于潜在滑面的存在，地震激励作用下素土边坡浅表层与坡体内部发生不协调运动，这种不协调运动导致的拉-压动应变在二者之间产生剥离拉应力，同时表层岩土由于动剪应变反复揉搓，二者叠加致表层岩土变形剥离、触发崩滑等；锚杆支护系统通过锚杆将表层损伤破坏区与坡体内部连成一个整体，坡表—锚杆—坡体内部三者协调运动变形，锚杆拉力抑制了地震波在坡表反射造成的拉裂；支护系统坡表自振频率的提高，地震作用下的共振减轻，使得坡表效应减弱。

素土边坡和锚固边坡震后灾害对比研究表明，锚固边坡抗震性能良好，不会出现素土边坡的“剥皮型”破坏。这主要是因为伸入坡内一定深度的锚杆，将格构梁、抗滑桩、坡体紧密地联系在一起形成了一个共同抗震体。强震作用下，锚杆、格构梁或抗滑桩、坡体三者协调位移和变形，坡表效应微弱，整体稳定性良好。因此边坡工程抗震设计中，最为关键的问题是如何协调支挡结构与坡体的变形及位移。

2 锚固体的动力响应分析

幅值、频率和持时是地震波动力响应的3个重要参数。近年来，学者们借助现场监测、室内振动台物理模型试验、数值模拟计算等方法，开展了多种结构物的地震动力响应研究，大部分的研究成果都集中在幅值影响方面，对持时和频率方面的研究涉及很少。

2.1 激励幅值的影响

已有的激励幅值对锚固系统动力响应影响方面的研究较多，大多借助数值模拟，振动台物理模型试验较少。

郝振群等[18]采用FLAC3D数值模拟，对预应力锚索加固的圆形洞室地震动力响应进行分析。叶海林等[14-15]在FLAC3D模拟基础上，利用强度折减动力分析法分析了不同地震振幅激励作用下锚固边坡的动力稳定性，研究了各量级地震作用下锚杆位置、间距、安装角、长度、直径等参数对边坡稳定性的敏感性，为锚固边坡的动力优化设计提供了有参考价值的研究方向。石玉成等、秋仁东等[19-20]以预应力锚索加固危岩体为研究对象，采用动力有限元方法对不同量级地震激励下锚固体的位移场、应力场进行模拟分析，结果表明：随着反应谱特征周期及地震动峰值加速度的增大，锚固危岩体的位移和应力值增大，应力集中区范围扩大，稳定性降低；为危岩体锚索加固的抗震设计提供了理论基础。龙海涛[21]采用数值模拟软件对地震作用下层状软岩边坡和框锚结构的动力响应进行对比研究，揭示了加固后边坡的抗震机理。孟芹[22]采用理论分析和数值模拟计算(FLAC3D)相结合的方法，对地震激励下拉力型预应力锚索的受力特征进行分析得出，对拉力型锚索动力响应影响最大的因素依次为：地震烈度、边坡岩土体强度、浆体强度、锚索轴力四项因素。张艺、陈少炎[23-24]以压力型锚索为研究对象，用FLAC3D数值模拟分析了其在地震动载作用下的位移、应力等响应规律，揭示了地震动载作用下压力型锚索的可能破坏形式及影响因素。言志信等[25]在云南省S214某一边坡抗震设计的基础上，利用FLAC3D动力数值模拟，研究了地震作用下锚固上覆红黏土岩体边坡的加速度、位移、应力等响应特征。

叶帅华、朱彦鹏等[26-27]参照西北黄土实际工程，构建了框锚支护边坡的地震动物理模型，采用有限元软件ADINA输入双向水平地震波，对地震激励前后同列锚杆的轴力响应进行计算，并对比分析了不同烈度、不同工况及不同土体参数条件下锚固体系的动力响应，揭示了不同因素对锚固边坡地震响应的影响规律。文畅平、杨果林等[28-31]采用数值模拟和振动台模型试验相结合的方法，不断增大激励地震波的幅值，研究了锚杆格构梁系统的加速度动力响应规律；Stamatopoulos、Tannant等[32-33]利用现场试验及离心机试验相结合的方法，研究了锚固边坡的动力响应。叶海林等[34-35]采用振动台物理模型试验，对岩质边坡锚杆支护进行研究，揭示了不同量级地震激励下锚杆的受力机理、同列锚杆轴应力分布规律以及各层锚杆的动力响应特征等。赖杰等、段建[36-37]以抗滑桩和锚杆联合支挡结构振动台模型为研究对象，输入3种不同的地震波，研究了地震波峰值不断增大的激励作用下，联合支挡结构的动力响应分布特征及加固机理。郝建斌等[38-39]、汪班桥等[40-42]采用大型振动台物理模型试验，以格构梁锚固系统为研究对象，揭示了不同地震波加速度峰值激励下，锚杆、格构梁及坡体的动力响应规律。

总而言之，振幅对动力响应的影响研究主要集中以下几个方面：①坡体和坡表同列传感器的加速度对比研究；②加固坡体与素土边坡的位移对比分析；③同列锚杆的应力分析；④格构梁上的应力及弯矩反应等。成果较多，结论近似，都在力求突破动力响应到加固机理的转变，但也仅仅提出了抗震建议，没能把各种动力响应研究成果量化于实际抗震设计。

2.2 激励频率的影响

Del Gaudio V等[43]长期监测一潜在滑坡，获得了丰富的地震一手资料，并对加速度数据进行HVSR和NSP谱分析，研究表明：谱能量的集中分布频段受到地震波的传播方向和坡向的影响，而能量的重分布则与地形和地质条件有关。Beresnev I A 等[44]以地表软土覆盖层为动力研究对象，通过SSR标准谱比技术对实测到的地震加速度放大系数进行分析，研究结果表明：地震激励频率在 1～9 Hz 范围内时，强震对该类土体的放大作用较弱震时小。Zhang C S等[45]采用数值分析，以岩体锚固结构为研究对象，揭示了数值模拟网格密度与入射波频率之间的关系，对锚杆及其岩体的地震动响应特性进行了深入研究等。

室内物理模型试验方面，徐光兴等[46]、文畅平等[28]、杨果林等[29]、叶海林等[14-15]都有涉及频率对锚固系统动力响应的影响分析，但均没有深入讨论；汪班桥等[40]、杨国香等[47]亦采用不同频率(5 Hz，10 Hz，15 Hz，20 Hz)的正弦波激励，对锚固模型的动力响应进行研究。许强、刘汉香等[48-49]则基于多个斜坡模型的振动台模型试验，揭示了地震波频率对锚固系统动力响应的影响。刘汉香等[50]针对硬岩斜坡模型，分析不同频率正弦波激振下模型的加速度响应，尤其是不同频率作用下加速度高程放大效应的区别。汪班桥等[42]依托于振动台模型试验，针对格构梁锚固滑坡模型，对不同频率、不同加速度量级地震波作用下滑坡锚固系统的动力响应进行研究表明：锚固体对高频段的地震波存在滤波作用，对低频段的地震波存在放大作用，尤其是超低频段（4～8 Hz）和自振频率附近（15～20 Hz）；随着激励量级的加大，土体的滤波能力也随之加强；各层锚固体对2个低频段地震波的动态响应也不同。

2.3 持时的影响

结构物受到地震波的激励破坏作用时，关键性的影响因素除了加速度激励峰值和频谱之外，还有持时长短的影响。加速度峰值和频谱分布都相同的2个激励过程，若地震持时长短不同，结构由于激励能量不同所造成的损坏效应、破坏结果也不一样，尤其是破坏临界状态时的非弹性反应阶段最为明显[51]。

赖杰等[52]以地震开始时刻锚索预应力的瞬时损失为研究对象，利用FLAC3D对其影响因素进行研究得出，锚索竖向位置的影响最为明显，波型、峰值加速度次之。宋志坚[53]用时程分析法对锚固岩质边坡坡体的动力稳定性、放大效应、锚固结构的动力反应等问题进行分析，得出在地震过程中，坡体安全系数呈小幅波动状态的结论。罗辉[54]基于时程动力可靠性理论，对地震激励作用下边坡体的稳定可靠性进行研究，结果表明：在地震持时的发展过程中，边坡体的动力可靠性和激励强度的衰减趋势一致，主震段变化剧烈，初始阶段和衰减阶段较为平稳；增加锚杆长度对提高边坡的时程动力可靠性有一定影响。

在现有成果的基础上，强化对激励频率和激励持时方面的研究，将振幅、频率、持时三者结合起来，对锚固体系的位移、加速度、应力等动力响应的敏感性进行分析，为抗震设计提供参考。

3 锚固体的破坏模式研究

Mark等[55]对强震作用下锚固边坡的动力响应进行研究，揭示了锚固边坡在地震激励下的破坏过程：第一阶段，底层锚杆加固的土体和面层发生旋转；第二阶段，持续的强震使得底层锚杆的拉力超载，锚固体和面层沿着已有的曲线滑面发生重复性的滑移运动；第三阶段，如震动持续时间足够长，锚固体位移过大，发生破坏。Hong Y S等[56]进行物理模型振动台试验发现，锚固边坡在地震激励作用下的动力响应共3个阶段：稳定阶段—抗震阶段—初始破坏阶段；与Mark等[55]的研究不同的是，破坏面简化为双折线，对锚固体系抗震设计计算时采用的圆弧滑面提出了一定的质疑。彭宁波等[57]利用FLAC3D对比分析了锚固前后边坡的破坏发展机理，发现：地震作用下素土边坡上下部的破坏形式不同，上部拉破坏，下部剪破坏，而锚杆支护边坡下部发生的却是拉破坏，但没有对破坏面形式进行分析。董建华等[58-60]以格构梁框架锚固边坡为研究对象，对其动力响应及抗震机理进行研究，结果表明：地震作用下滑移面附近的锚杆轴力变化幅度最大，中间几层相对上下两层增幅要大；坡顶附近土层的加速度、位移响应最大，最容易发生破坏。雷晓锋等[42]采用振动台模型试验，以均质土格构梁锚固滑坡为研究对象，对不同加速度振幅作用下锚固滑坡的动力响应过程进行研究，试验结果表明：持续加大的地震激励不断在激发、调整锚杆的抗拉潜能，锚固边坡—锚杆—格构梁形成一个整体，共同抗震抗滑，协调变形；整个系统的动态响应过程分为3个阶段：适应调整区段—平和抗震区段—激烈抗震区段。

分析可知，锚固体系在地震激励作用下不会发生整体性的突发失稳破坏，不断增加的地震激励会不断激发、调动各层锚杆的抗拉潜能，并不断调整各层锚杆之间轴力的分配，以达到最佳的抗震抗滑效果。学者们对地震作用下锚固系统破坏模式或动力响应过程的定义基本类同：稳定阶段—抗震阶段—初始破坏阶段，但没有明确的分段指标及评价体系，且大多数试验都是在预设滑面的基础上进行研究。如何脱离预设滑面的影响对地震响应过程中破坏面的形式进行研究，以及如何定量化地评价锚固系统的抗震阶段将是后续的研究方向。

4 锚固体的抗震设计方法

在进行锚固系统的地震稳定性验算时，现行边坡支护技术规范只给出了拟静力法。由于拟静力法仅考虑竖向条分，因此水平地震力和抗滑力矩的计算存在误差。沈珠江等[61]认为，拟静力法没有考虑地震加速度时空分布的不均匀性，所以如何将材料参数的随机性与地震荷载作用的随机性二者结合起来，引入可靠性理论来研究边坡体的稳定性才更能接近于震发时的实际情况。

为弥补拟静力法仅限于竖向条分的不足，吕擎峰等[62]对其进行了优化设计：计算竖向地震力对滑动力矩和抗滑力矩的作用时竖向条分，计算水平作用时水平条分，安全系数为一确定值。董建华等[63]采用Matlab工具箱，分析了地震作用下土锚支护边坡的稳定性；揭示了边坡稳定系数与滑移面圆心位置之间的数学关系；并对滑移面上耗散的内能进行推导计算。邓东平等[64]则对竖向条分法进行改进，将竖向条分法和水平条分法相结合，提出了一种滑动面搜索新方法，由该法得到的临界滑动面与圆弧滑动面近似，但非圆弧，该法计算得到的最小安全系数要小于圆弧滑动面方法。赵尚毅等[65]输入实际地震荷载，模拟边坡土体的动力响应特征，用强度折减的方法求出边坡的动力安全系数，提出了完全动力分析法。

静载锚杆支护的常规设计为“强腰固脚”，拟静力法在锚固边坡动载设计时则是平均分配每排轴力。但叶海林等[34-35]通过岩质锚固边坡振动台模型试验研究揭示了各层锚杆轴力既不是“强腰固脚”，也不是“平均分配”；随着地震激励强度的增加，同列边坡锚杆的轴力在调整变化，地震激励幅值较小时，位于腰部的锚杆轴力最大，地震激励幅值较大时，坡顶锚杆轴力增加很快，最终与腰部锚杆轴力相差无几，共同抗震。郝建斌、汪班桥等[38-42]在黄土类锚固边坡的实践基础上，开展针对性的物理模型试验，研究结果表明：地震激励作用下，坡脚剪切裂缝的发展、贯通导致附近土体首先进入塑性区，底层锚杆的承载力下降，坡脚处的横梁出现拉弯变形；由于潜在滑面的存在，坡体上部土体易发生张拉破坏，坡顶首层锚杆受拉作用增强，中上部的格构梁和锚杆存在明显的不协调性，坡顶的首层横向格构梁发生拉弯变形，而竖梁与锚杆的协调性较好，弯应变较小。建议在高烈度地区设计锚固边坡时，除考虑拟静力法的设计思想，还要在锚固滑坡坡脚密集地打入土钉以抑制坡脚松弛剪切区的出现；加长设计坡顶第一层锚杆，以抑制坡顶滑面处的拉张裂缝；同时在格构梁设计时应多考虑横梁的拉弯变形。这显然对目前的设计方法提出了质疑，锚杆的轴力不是平均分配，为保证整个锚固系统的变形协调性，纵横格构梁的抗弯设计也需考虑。地震激励作用下，单纯从边坡的稳定系数来保证边坡稳定性是不合理的，也是不安全的。

现有的研究成果已经对规范建议的锚固系统设计方法提出质疑，但如何调整或改变，都只是给出了设计建议，没有量化的指标。如何在边坡土体参数、地震烈度等已知的条件下，量化性地将研究成果用于工程，设计锚杆长度、位置以及防护边坡，这是目前锚固系统抗震设计的首要任务。

5 结论

综合现有的研究成果可知，地震激励作用下，锚杆发挥出它的柔性支护特性，与刚性的滑体合而为一，刚柔并济，协调系统位移与应力，主动抗震抗滑。基于以上优势，锚固边坡在高烈度地区广泛应用，其动力稳定性也成为近年来岩土工程领域研究的热点，比较多且成熟的研究成果集中在素土边坡与锚固边坡的损伤机理对比及锚固系统的动力响应这2个方面。研究方法则由于振动台物理模型试验研究经费高、试验周期长、项目繁琐等特点，现阶段开展的研究大多采用数值模拟。经综合考虑，在目前研究的基础上，有以下问题亟待解决。

1）通过开展强震作用下锚杆支护体系的试验研究，对地震作用下锚杆支护体系的损伤、变形及破坏模式进行分类研究，并提出各种变形及破坏模式的对应评价指标；在此基础上，引入系统工程分析方法，建立锚固体系的安全评价模型，并对其进行评价、分析。

2）结合现有的研究成果，开展锚杆支护体系与滑坡的地震动力相互作用试验研究，揭示动载作用下锚杆抗震潜能的激发过程，研究锚杆、滑坡体、格构梁等的应力应变调整、协调反应，系统深入地探讨锚杆支护体系在地震作用下的抗震机理。

3）采用各种动力理论分析方法，在破坏模式及抗震机理研究的基础上，以协调支护结构和边坡的变形和位移为原则，对规范推荐的拟静力法进行改进，或提出更加符合工程实际的抗震设计理论与计算方法。