锚索抗滑桩加固边坡震害机理分析

摘要：

锚索桩板墙具有优良的抗震效果，以往研究集中于边坡位移、锚索应力和抗滑桩的变形，很少从边坡内部监测地震波入手研究，难以在时频域内清楚地表征边坡内部的损伤特征。基于此，文章设计并完成几何相似比为1∶10的大型振动台试验，结合Hilbert-Huang Transform（HHT）方法，对锚索桩板墙加固边坡进行边坡损伤诊断和震害机理研究。结果表明：边坡破坏从滑面开始，随着地震峰值加速度的增大，坡面产生破坏的时间早于坡体内部，并逐步向低高程发展;锚索桩板墙可以充分发挥锚索对地震力的传递与抗滑桩对地震力的耗散作用，靠近锚索抗滑桩一侧坡体破坏滞后于远离抗滑桩一侧，且靠近锚索桩板墙一侧土体整体性明显更好;HHT方法边际谱特征频率和特征幅值可以清晰表征坡体损伤过程，基岩与坡体之间存在动力响应不连续带，即为设计滑面位置。这为进一步认识地震波在坡体内的传播机理，研究边坡的破坏过程提供理论依据。

关键词：

锚索桩板墙; 振动台试验; HHT; 震害机理

中图分类号： TU435""""" 文献标志码：A"" 文章编号： 1000-0844（2024）05-1001-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20221019004

Seismic damage mechanism of slopes reinforced

by anchor sheet-pile wall

QU Honglue， ZHU Mengjia， DONG Wangwang， LUO Hao

（School of Geoscience and Technology， Southwest Petroleum University， Chengdu 610500， Sichuan， China）

Abstract：

The anchor sheet-pile wall is known for its excellent anti-seismic properties. Previous research has focused on the slope displacement， anchor stress， and deformation of anti-slide piles， often neglecting the monitoring of seismic waves within the slope. This gap makes it difficult to clearly characterize the damage characteristics inside the slope in the time-frequency domain. To address this， a large-scale shaking table test with a geometric similarity ratio of 1∶10 was designed and conducted. Using the Hilbert-Huang Transform （HHT） method， this paper analyzes the seismic damage diagnosis and mechanism of slopes reinforced by an anchor pile-sheet wall. The results reveal that the slope failure starts from the sliding surface. As the peak ground acceleration increases， surface failure of the slope occurs earlier than internal failure and gradually develops to lower elevations. The anchor sheet-pile wall effectively transmits seismic forces through the anchor cable and dissipates these forces via the anti-slide pile. The slope failure near the side of the anchor cable anti-slide pile lags behind that farther from the anti-slide pile， and the soil integrity near the side of the anchor sheet-pile wall is obviously better. The characteristic frequency and amplitude of the marginal spectrum using the HHT method can clearly characterize the slope damage process. A dynamic response discontinuity exists between the bedrock and the slope， marking the design sliding surface's position. This study provides a theoretical basis for further understanding the propagation mechanism of seismic waves in the slope and studying the failure process of the slope.

Keywords：

anchor sheet-pile wall; shaking table test; HHT; seismic damage mechanism

0 引言

与重力式挡土墙、桩板墙等结构相比，锚索桩板墙可减轻结构自重，节约材料，因而被广泛应用于铁路、公路等边坡加固中［1-2］。国内外学者对锚索桩板墙静力条件下的加固效果开展了大量研究［3-5］，形成了较为成熟的设计理论［6］。动力条件下的锚索桩板墙抗震机理研究起步较晚［7］，但也取得了一些研究成果：叶欢［8］梳理了支挡结构在地震作用下的性能相关计算方法，对基于性能的抗震设计进行概念整理;曲宏略等［9］利用FLAC3D软件开展了预应力锚索桩板墙的地震响应分析工作;李志勇等［10］通过数值分析与现场动应变测试结果进行比较，探讨了交通荷载作用下挡墙的受力变形机制。目前由于锚索桩板墙结构在实际工程应用较传统挡土墙少，缺少原型调查数据，且加上模型试验经费投入多、操作难度大等不确定因素的限制，很少有学者对结构-土耦合系统的地震损伤机理进行分析。

地震信号处理领域常用的时频分析方法有傅里叶变换和小波变换，但两者均存在计算结果不够精确，识别误差较大等问题［11］。直至Hilbert-Huang Transform（HHT）方法的提出，该方法可以用于处理非平稳非线性信号，并准确识别非线性信号传递过程中由于结构损伤导致的突变信号［12］，且能精确地提取到信号局部瞬变特性［13］。因此，在处理地震信号时，与传统时频分析方法相比，HHT方法所得结果更加准确，物理意义更加明确。

本文在进行大型振动台试验的基础上，对坡内监测点的加速度时程数据进行HHT变换，得到边坡不同位置信号的边际谱图，并提取特征频率与特征幅值进行边坡损伤诊断，判断边坡破坏机理，进而探究地震作用下锚索桩板墙的抗震效果，为锚索桩板墙加固边坡的设计提供一定的依据。

1 振动台试验简介

1.1 试验模型设计

本次振动台试验在中国核动力研究设计院振动台试验大厅进行。试验模型箱采用刚性箱，在模型箱水平振动方向两侧内壁加衬一层高强度50 cm厚的聚苯乙稀塑料泡沫板以减小振动波的反射。为便于清晰观察边坡破坏的过程，在模型箱两侧安装了12 mm厚的有机玻璃，整个模型箱内部尺寸为3.7 m×1.5 m×2.1 m（长×宽×高）。试验模型如图1所示。

对于边坡模型的振动模拟试验，保持原型与模型的相似关系是模型设计中的关键［14-15］。依据振动台模型箱尺寸和实际模型大小，设定试验几何相似比为1∶10，并根据Bockingham π定理，针对涉及的关键参数进行推导换算，导出其他物理量的相似比（表1）。

边坡模型材料选用土体拌和标准砂，为更贴合于边坡的真实状态，在拌和材料中加入水、粉煤灰、甘油和橡胶屑等物质。滑体和基岩材料用配制土模拟，模拟材料参数如表2所列。滑床与滑体之间的滑面用中间涂抹硅油并铺设一薄层细砂的两层塑料贴片进行模拟，滑面材料内摩擦角φ为20°，黏聚力c为1.5 kPa。模型桩尺寸12 cm×9 cm×100 cm（长×宽×高），两侧安装3 mm钢板，承受主要弯矩作用的两面用20 mm的PVC板制作，确保土压力计测试平面与PVC板表面齐平，避免“土拱效应”出现。每个结构模型包括5根抗滑桩和4块挡土板，挡土板用高0.6 m、厚25 mm的木板模拟，挡土板用抗滑桩预制耳状挡片背挂安装，与抗滑桩连接部位用玻璃胶勾缝，挡土板将抗滑桩连接成一体，形成齐平背面，用以整体支挡滑体的滑动力。桩前区域宽0.58 m、深0.5 m，夯实基岩土体材料以模拟“自由场”。

锚索采用15 mm宽的Q235钢片制作。模型锚索长164 cm，锚固倾角为下倾15°，锚固段400 mm，直径80 mm，表面凿出孔洞以增加锚固段的摩擦力。

1.2 测点布置及加载工况

试验中，在坡内布置加速度计，用于测定加速度时程响应曲线。为判断在震动过程中模型内部损伤破裂的位置，并探究其破坏机理，将加速度计安装位置定义为两列测点，分别位于同一竖直面的A1、A2、A3、A4测点序列和A5、A6、A7、A8测点序列。其中，A1和A5测点处于同一高程，位于基岩内;A2和A6测点处于滑面上;A3和A7测点在滑体内部;A4和A8测点处于滑体上表面。为便于分析，设定A1～A4测点为第一序列，A5～A8测点为第二序列，各测点具体布置情况如图2所示。

采用汶川地震卧龙波［16］为加载波形，加载方向为水平X向和垂直Z向，地震动峰值加速度（Peak Ground Acceleration，PGA）分别为0.1g、0.2g、0.3g和0.4g，根据模型试验的相似比，进行压缩处理和滤波操作，时间压缩比为1∶2.45。以PGA为0.4g为例，处理后的加速度时程如图3所示。

2 Hilbert边际谱损伤辨识

据参考文献［17-18］可知，HHT方法1998年由Huang等提出，用于自适应的分析复杂信号。Huang等认为复杂信号经过经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）后，将得到若干固有模态函数（Intrinsic Mode Function，IMF），然后对求得的IMF进行Hilbert变换，得到各个IMF的瞬时频率谱曲线，综合所有瞬时频率谱曲线，得到一种新的时频描述方式，即Hilbert谱。

地震发生时，震源处产生的能量向四周扩散传入边坡，边坡岩土体产生剧烈振动，地震动能量转化为动能，HHT边际谱法对边坡内部测点的实测加速度信号进行分析，所得的HHT边际谱特征值也是能量的体现。在边坡未发生破坏时，PGA一定的情况下，由于边坡的地震动放大效应［19］，测点加速度响应曲线的边际谱特征幅值应当是随着测点高程的增加而线性增大;对于同一测点，边际谱特征幅值随PGA增大而线性增大。若边坡某处发生损伤，将导致震动能量无法传递，从而引起边际谱幅值出现波动和突变。据此可判识在地震作用下模型内部损伤破裂的位置以及能量损失的时间，并探讨边坡破坏模式。

基于Hilbert边际谱进行锚索桩板墙加固边坡损伤识别的步骤为：

（1） 对不同测点的实测加速度时程进行EMD，得到一系列IMF分量；

（2） 提取各测点有效IMF，进行Hilbert变换，得到对应瞬时频率谱曲线和Hilbert边际谱，并提取其特征幅值；

（3） 整理绘制Hilbert边际谱变化规律曲线，判断边坡内部能量变化规律，并据此推断边坡出现损伤的位置；

（4） 基于损伤推断结果，结合锚索桩板墙受力特性，进行锚索桩板墙加固边坡抗震机理分析。

3 结构破坏模式分析

对振动台试验中的实测加速度时程信息进行EMD分解，分析提取有效的IMF分量以及其对应的瞬时频率图，并对各测点Hilbert变换得到的Hilbert边际谱进行整理，绘制不同PGA、不同位置测点对应的特征幅值和特征频率的变化图，分析地震波在锚索桩板墙加固边坡内部传播过程中能量的变化特征，探究锚索桩板墙在地震作用下的损伤破坏过程。

3.1 EMD分析

对振动台试验输入的汶川地震卧龙波进行EMD，获取各阶IMF分量。以下列举前4阶IMF和瞬时频率，如图4所示。

对比前4阶IMF，可以看出分量IMF1频率较高，属于原始信号的高频噪声;IMF2幅值较高、频率信息丰富、辨识清晰度高且瞬时频率分布均衡，故本文选取IMF2进行Hilbert边际谱分析。

3.2 边际谱特征分析

对各测点实测加速度时程进行HHT变换，得到不同PGA地震作用下各个测点的边际谱。为方便观察对比坡体内部损伤破坏趋势，选取在0.2g和0.4g地震作用下的边际谱图（图5，6），第一序列为锚索抗滑桩附近测点，第二序列为坡内测点。

从图5、6可以看出，地震波能量在坡体内部呈自下而上传播，各测点边际谱幅值峰值随高程增加而增大;在同一高程处的测点，边际谱幅值与地震动大小基本呈正相关;另外，边际谱曲线达到幅值峰值前波动较大，而达到峰值后曲线较为平滑，且随着PGA的增加，达到幅值峰值前曲线波动幅度变大;各测点幅值峰值均出现在40～60 Hz范围内，同一测点，随着边际谱频率的增大，幅值呈现出先缓慢增加-陡增-陡降至趋于0的趋势。

在地震激励PGA为0.2g的作用下，第一序列图5（a）中各测点边际谱幅值呈现出随高程增加而增大，但在第二序列图6（a）中滑面处A6测点处峰值出现突变，且A8处的幅值仍比A6大，说明在PGA为0.2g地震动作用下A6测点开始出现损伤，但未破坏，能量递减后继续向上传递;在0.4g地震波作用下，第二序列图6（b）中A6（滑面处）测点峰值最大，且滑面以上A7、A8测点峰值基本相同，这说明滑面处已经产生破坏，能量无法向上传递。表明在地震激励下滑面处测点先出现破坏，且同一滑面远离锚索桩板墙的测点A6比靠近桩板墙的A2先出现破坏。

为更加清晰地了解边坡在地震作用下滑面损伤到破坏的发展过程，提取特征幅值和特征频率分别进行分析，探究地震波如何在坡体内部传播变化。

3.3 特征幅值分析

提取第一序列测点（A1～A4）和第二序列测点（A5～A8）的边际谱特征幅值，并根据测点位置和PGA分别绘图，两列测点在不同PGA和高程下的特征幅值响应变化如图7所示。

图7反映了锚索抗滑桩加固边坡模型中第一、二序列中各测点边际谱特征幅值在地震作用下的变化情况。从图7（a）中可以看出，各测点的边际谱特征幅值随着PGA的增大而增大。当PGA较小（≤0.2g）时，各测点的边际谱幅值与测点高程呈较好的线性关系，说明此时边坡未出现震害损伤，锚索桩板墙具有较好的稳定性，能继续正常工作。当PGA增加至0.3g时，A2测点和A6测点的特征幅值出现拐点，出现了明显的峰值波动，A2测点的特征幅值为第一序列内最小值，A6测点特征幅值出现显著增大，而A7测点显著减小，说明坡体内部A2、A6测点在地震作用下出现了一定震害损伤，震动能量传递受到影响，产生明显递减;而A2、A6测点处于滑面上，说明边坡在滑面处开始出现损伤破坏，但由于锚索桩板墙的存在，限制破坏延伸，边坡不会产生大范围滑移，且第一序列测点震动能量恢复传递快于第二序列。随着PGA继续增大至0.4g时，所有测点特征幅值达到最大，A3、A7测点特征幅值较前一测点（A2、A6）有所减小，A8测点与A7测点特征幅值基本相等，但A4测点较A3测点的增加幅度更大。说明在高强度地震作用下，坡体内部滑面出现破坏，能量传递受阻，但由于锚索的安设，墙后边坡稳定性更强，能量继续向上传递至A4测点。

图7为同一测点在不同PGA作用下的特征幅值变化情况。从图（Ⅰ）中可以看出，靠近桩板墙附近的测点序列中除A2测点外，其他测点特征幅值随PGA的增大呈线性增大，说明能量顺利传递到相应位置，边坡在该序列测点位置未出现损坏。反观远离桩板墙的测点序列，各测点特征幅值与PGA呈非线性关系，第二序列测点附近土体发生损伤，导致震动能量无法传递。这说明了在相同地震强度作用下，远离锚索桩板墙的坡体更易产生破坏，这可能是由于靠近支挡结构，结构限位作用表现更明显所致，进一步佐证了锚索桩板墙具有优良的抗震性能。此外，A1、A5测点特征幅值随PGA的增大呈线性增大，而A2、A6测点在PGA达到0.3g时，特征幅值明显波动，说明在该测点位置先出现破坏，结合测点布置图可以看出，A2、A6为设计滑面位置，说明边坡震害损伤开始于滑面位置。

3.4 特征频率分析

提取第一序列测点（A1～A4）和第二序列测点（A5～A8）的边际谱特征频率，并根据测点位置和PGA分别绘图，两列测点在不同PGA和高程下的特征频率如图8所示。

从图8（a）中可以看出，第一序列测点随高程增大，特征频率呈增大趋势，而第二序列各测点特征频率分布非常分散，表明第一序列位置土体整体性好，能量传递更稳定。

从图8（b）中可以看出，随着高程的增加，边坡特征频率绝大多数呈增大趋势，这是由于加速度具有高程放大效应，高程越大处测点震动越强烈，测点处土体就更易损坏。随着PGA的增大，第二序列特征频率的波动幅度明显大于第一序列，说明第二序列受地震动影响更为剧烈，动力响应更加强烈，这是由于第一序列测点更靠近桩板墙，并且锚索的存在，使锚索-桩板墙-土体形成统一整体，锚索桩板墙的抗震作用得到充分发挥，大幅减弱了坡体的振动。A1、A2测点特征频率差值相对A3、A4较大，而A5、A6、A7、A8特征频率比较接近，也就是第一序列特征频率相对第二序列在滑面上、下位置的变化幅度更大，说明在边坡临空面（靠近桩板墙）破坏具有突变性，而在坡体内部破坏呈现渐进破坏的特点。

在振动过程中，A2和A6测点特征频率存在明显的突变，且A2、A6测点特征频率随PGA变化趋势基本相同，这说明土体结构在此位置震动响应的不连续性，也是边坡破坏产生的位置，这与模型中设计滑面的位置是一致的，即基岩与滑体之间存在动力响应的不连续带，锚索桩板墙加固边坡的结构损伤首先出现在滑面上。

4 结论

本文针对锚索桩板墙加固具有潜在滑动面的边坡，结合振动台试验，将HHT方法引入边坡土体中展开损伤诊断，判识边坡内部的变形破坏模式，主要结论如下：

（1） HHT法可以准确处理地震波非平稳非线性信号，通过边际谱特征幅值与特征频率能够清晰地辨识边坡内部土体损伤破坏过程。

（2） 锚索桩板墙加固边坡，破坏首先出现在滑面处，随着地震动强度增大，坡面处产生破坏早于坡体内部，并逐步向低高程发展，但由于锚索桩板墙的限位作用，边坡不会出现整体滑移。

（3） 锚索的存在，使抗滑桩-土体-锚索成为整体，可以充分发挥锚索对地震力的传递与抗滑桩对地震力的耗散作用，抗震效果明显，靠近锚索抗滑桩位置边坡损坏滞后于远离抗滑桩位置。

锚索桩板墙抗震机理的研究本身就是一个复杂的课题，本文只是结合试验数据，采用HHT法对地震响应特征、损伤规律进行了初步探究，鉴于一次试验的说服力有限，且试验存在误差，有待于在今后的实践中进一步验证。

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（本文编辑：任 栋）