框架预应力锚索支护体系抗震模拟方法研究

陈功 姜力 杨露江

摘 要：框架预应力锚索支护体系抗震受力在解析法和数值模拟法方面已有相关研究成果，但在室内物理模拟试验研究方面相关研究成果甚少，亟待从室内物理模拟试验研究方法着手，对其抗震模拟方法开展系统研究工作。首先介绍格构锚固，其次提出室内物理模拟试验方法研究设想，再次进行有关技术方面讨论，最后得出相关结论。

关键词：格构锚固；预应力锚索；支护体系；抗震响应

一、格构锚固概述

格构锚固根据结构形式不同可分为矩形格构、菱形格构、弧形（拱形）格构、人字形格构；根据组成材料不同可分为钢筋混凝土格构、预应力混凝土格构、砌体格构等。推力较小的浅表层滑坡可采用砌体格构、钢筋混凝土格构等措施；当滑坡推力较大且滑带较深时，可采用预应力混凝土格构等措施。矩形格构由在坡面上纵横交错的梁体组成，菱形格构在坡面上的梁体呈纵横交错倾斜状。矩形格构和菱形格构可简化为作用在地基上的连续梁进行结构受力计算分析，预应力锚固结点可简化为连续梁支座，但施加预应力的大小与连续梁支座反力有所差异，需进行调整和修正，使两者差值减小。矩形预应力格构和菱形预应力格构可简化为框架预应力锚索支护体系，格构锚固犹如一张大网紧密铺贴于坡体表面，防止滑体向下滑动。

我国西南地区处于地震多发区域，且沿龙门山断裂带区域抗震设防烈度较高。位于上述区域的小型边坡通常可结合滑坡类型、滑体厚度、滑坡推力大小、工程造价等实际情况选择合适的抗滑措施，其中框架预应力锚索支护体系较为常见，多用于高速公路两旁的低边坡滑坡防治。框架预应力锚索支护体系抗震受力计算分析可采用解析计算分析、数值模拟计算分析、室内物理模拟试验等方法，框架预应力锚索支护体系抗震受力在解析法和数值模拟法方面已有相关研究成果，但在室内物理模拟试验研究方面相关研究成果甚少，亟待从室内物理模拟试验研究方法着手，对其抗震模拟方法开展系统研究工作。

二、室内物理模拟试验方法研究设想

通过对振动台试验方案的分析与研究，以实际工程为原型，将原型和缩尺模型进行相似关系转化，设计振动台的室内缩尺模型。主要内容包括模型相似设计、模型箱设计、模型箱边界处理、试验材料选取及性能指标测试、坡体设计、测点布置 、地震波输入、地质情况设计、地震工况设计等。

（一）地震波输入研究

设置不同方向、不同加速度、不同类型的地震波，研究框架预应力锚索支护体系在地震作用下的结构受力响应。

（二）框架布置形式

设置不同截面尺寸、不同框架间距、不同配筋等条件，研究框架预应力锚索支护体系在不同布置形式下的结构受力响应。

（三）预应力锚索布置

可利用细铁丝或金属细杆插入格构锚固结点，模拟施加预应力，模拟预应力大小与杆件直径、长度、深入滑床深度等因素有关。模拟施加预应力越大，滑体被压实越紧密，滑体材料越密实，整个框架预应力锚索支护体系的自振频率越大；同理，模拟施加预应力越小，滑体越松散，整个框架预应力锚索支护体系的自振频率越小。自振频率除与施加预应力有关，还与框架预应力锚索支护体系的结构布置，滑床、滑带和滑体的布置情况有关。预应力施加作用越大，不一定越安全，可能会造成成本浪费。

（四）滑床、滑带和滑体布置

根据相似原理，利用石英砂、水泥、细石子等相似材料模拟滑床、滑带和滑体，滑带材料应由松散、软弱物质组成。结合不同厚度、不同坡角的滑坡体，研究框架预应力锚索支护体系在不同布置形式下的结构受力响应。

（五）地震作用响应

对未支护的边坡在地震作用下的响应先进行静力物理模拟试验，根据相似性原理换算出地震惯性力，利用水平、垂直方向的千斤顶逐级加载；然后进行动力物理模拟试验（大型振动台模拟地震加速度在X方向、Z方向、XZ方向），得出在静力与动力物理模拟试验中的响应技术参数，如静力物理模拟试验可得出位移、变形、作用力、開裂部位、裂缝开展情况等，动力物理模拟试验可得出位移、加速度、速度、作用力、自振频率、阻尼、共振频率等，对比静力与动力物理模拟试验分析结果。

（六）支护体系改进

找出未支护条件下的边坡在地震作用下的薄弱环节，对边坡进行抗滑桩、桩板墙、预应力框架锚索联合体的支护。对在支护条件下的边坡重复进行静力物理模拟试验和动力物理模拟试验，对比静力与动力物理模拟试验分析结果的差异。

三、技术讨论

1）很多科研人员都在做高边坡和路堤边坡的大型振动台物理模拟试验研究，但是在有关于路堤边坡动力响应的研究中，为什么未对大型重载车辆和列车行驶在路堤边坡上的工况进行考虑？同时，在有关于高边坡动力响应的研究中，为什么未对高边坡雨水渗流、渗透等工况进行考虑？

2）在高边坡和路堤边坡的大型振动台物理模拟试验中，为什么未对边坡在地震作用下模拟静力物理试验？静力物理模拟试验肯定有其缺陷，从地震动力响应中的加速度、速度、惯性力、阻尼、频谱、共振、耦合等都能分析得出，但是很少有人对边坡在地震作用下模拟静力物理试验，对边坡在地震作用下利用数值软件进行分析的较多。

3）在高边坡和路堤边坡的大型振动台物理模拟试验中，其形状都是单一坡度的斜坡，科研工作者在斜坡内部的构造中如岩土性质、岩土分层、软弱夹层以及不同斜坡坡度等进行研究其动力响应，为什么未考虑到当边坡出现有转角、边坡外观存在异形体的分析？当边坡有转角、边坡存在异形体时，其不规则的交界处有可能影响较大，且存在有明显的扭转效应。

四、结语

综上所述，框架预应力锚索支护体系抗震模拟方法研究应通过解析计算、数值模拟计算和室内物理模拟试验等方法进行。室内物理模拟试验方法为一项系统工程，涉及内容、专业复杂，耗费人工、成本大，应先编制试验方案后实施，并与解析计算、数值模拟计算结果对比分析，查找差异和原因，对模型和计算方法进行修正调整，提出一整套系统的理论计算求解方法。

项目简介：

本科研项目为成都纺织高等专科学校2015年度校级科研项目（项目编号：2015fzlkc06）。