我国西南地区地震频度高，地形高差大，强震区与山区滑坡灾害易发区高度重合，使得在山区工程的建设中出现大量的滑坡灾害问题。为提升边坡稳定性，边坡支护设计逐渐被广泛用于工程实际，成为一种重要的工程加固手段。常见边坡支护措施包括锚杆(索)、锚杆(索)挡墙、岩石喷锚、重力式挡墙、悬臂式挡墙、扶壁式挡墙和桩板式挡墙等。周德培等[1]结合道路边坡工程震害实例，发现锚索(杆)地梁或预应力锚索抗滑桩加固的边坡具有较好的抗震性能。廖燚[2]通过对汶川地震路基边坡支挡结构的震害调查发现，重力式挡墙的震害数量为343处，占震害总数的98.6%，加筋式挡墙与抗滑桩(桩板式挡墙)的震害共计4处。综合震害调查结果，桩锚式挡墙相较于其他边坡支护方法具有更优越的抗震性能。当前，国内外许多学者已对桩锚支护结构的抗震机理、动力响应特征和破坏机理等进行了大量研究。理论分析方法作为最早开始使用的研究方法，至今已演变出了多种处理边坡稳定性的理论，如CHUGH等[3]通过使用类似于土坡稳定性分析中的条分法，得到了土体在静止和地震2种状态下的土压力方向、大小和作用点。NEWMARK滑块分析法[4]常被用来计算地震所造成的滑坡和支护结构的永久位移。其关键点在于，准确认识地震动力特性和边坡的动力特性以及对地震反应的合理模拟。随着计算机的飞速发展，国内外许多学者已采用数值分析方法对桩锚支护结构的抗震机理、动力响应特征和破坏机理等进行了大量研究。例如，GAZETAS等[5]采用有限元法对混凝土挡墙、预应力桩锚和加筋土挡墙的地震动力特性进行了数值模拟分析。王明龙等[6]对桩锚支护结构受力特性做了研究，通过FLAC-3D建模分析了锚索长度、锚索预应力值对桩身内力的影响。CHEN等[7-8]采用FLAC研究了被动桩和土体间的相互作用。在动力模型试验方面，曲宏略等[9]开展了桩板式抗滑挡土墙和预应力锚索桩板式抗滑挡土墙的大型振动台模型试验，研究了土压力沿柱身的分布规律、柱体位移和边坡岩土体加速度的地震响应特征，对比分析了2种模型的桩身受力情况。郑桐等[10]通过离心振动台模型试验，揭示了不同峰值的地震作用时加固滑坡体加速度、抗滑桩弯矩、桩土间的动土压力和锚索轴力的定量化响应规律。虽然传统桩锚支护结构得到了广泛研究与应用，但在强震作用下这种刚性的支护结构容易产生塑性变形甚至破坏，且这种破坏不易修复。因此，如何提升桩锚支护结构的抗震性能，减小地震作用对支护体系的损伤是边坡支护结构抗震的重要议题。工程用水泥基增强复合材料(Engineered Cementitious Composite，ECC)基于细观力学和断裂力学，通过分析纤维、基体及界面的力学行为进行设计[11-12]，具有类似于钢材的弹塑性延性变形行为和能量吸收能力[13]。作为一种纤维增强水泥基复合材料，它具有高延展性和严格的裂缝宽度控制。ECC的极限拉应变超过3%，具有像金属一样弯曲的能力。鉴于ECC材料具有超高的韧性、剪切延性、能量损耗和高损伤承受力的特性，研究人员针对其在提高结构抗震性能方面的作用开展了大量的研究。FISCHER等[14]提出一种能抵抗弯矩的抗震自动调节框架体系；BILLINGTON等[15]研究了可用于多震地区的分段预制混凝土桥墩体系；FUKUYAMA等[16]提出作为抗震阻尼器的ECC短柱构件在结构中的应用；CANBOLAT等[17]开展了预制ECC连梁抗震性能试验，并将这种ECC连梁应用于日本横滨一座41层建筑中；张富文等[18]开展了纤维增强水泥基复合材料加固震损混凝土框架的抗震性能试验研究。ECC加固对震损框架的刚度提高有限，震损加固框架的初始刚度仅为原框架的36%，但刚度退化较为缓慢。应变分析结果表明，ECC置换梁端混凝土能够显著改善塑性铰区的受力性能和破坏模式。PAN等[19]采用MSC.MARC有限元软件分析了组合柱在低周反复荷载作用下的受力性能，发现采用ECC/RC组合柱能够显著提高柱的承载力、延性和耗能能力。从以上研究可以看出，由于ECC材料在地震作用下的高性能特性，ECC材料常用来取代传统混凝土材料，在结构工程、桥梁工程以及岩土工程中均取得了可喜的研究成果。但在边坡支护体系中，尤其是桩锚支护体系中有关ECC材料的研究较少。为此，本文开展ECC桩锚支护结构和传统混凝土桩锚支护结构的2组振动台试验，通过对比分析，探究ECC桩锚支护结构的抗震性能。
1 试验及方法
试验在重庆大学土木工程实验中心岩土实验楼ANCO振动台完成。振动台台面尺寸1.2 m×1.2 m，频率范围为0～50 Hz，最大载重为1 t，可施加的最大水平加速度1.2g，最大水平位移100 mm。
1.1 相似比设计
运用相似理论和量纲分析法进行模型相似关系设计，将主要构件的几何相似常数Cl、加速度相似常数Ca、材料重度相似常数Cγ作为模型设计的主要考虑因素，视为独立参数。令几何相似常数Cl=10，加速度相似常数Ca=1，材料重度相似常数Cγ=1，可得试验各物理量的相似比，如表1所示。
| 序号 | 物理量 | 相似常数关系 | 相似比 |
|---|---|---|---|
| 1 | 几何尺寸L | Cl | 10 |
| 2 | 重度γ | Cγ | 1 |
| 3 | 加速度a | Ca | 1 |
| 4 | 弹性模量E | CE=Cl Cγ | 10 |
| 5 | 黏聚力c | CC=Cl Cγ | 10 |
| 6 | 内摩擦角Ф | CФ=1 | 1 |
| 7 | 持续时间T | CT=√(Cl/Ca) | 3.162 |
| 8 | 频率w | Cw=√(Ca/Cl) | 0.316 |
| 9 | 应力δ | Cδ=Cl Cγ | 10 |
| 10 | 应变ε | Cε=1 | 1 |
1.2 边界设计
为了尽量减小振动方向上刚性边界引起的反射波对结构动力反应的影响，本次试验采用在与模型振动方向垂直的界面上布设聚苯乙烯泡沫(EPS)或海绵等柔性材料等方式减少反射波的影响。
一般而言，室内的模型试验无法反映所有的岩土体结构，本次研究的主体为二维边坡(在垂直于纸面方向上具有无限延伸的特性)，模型试验满足平面应变的基本要求。为在模型两侧模拟出平面应变特性，利用凡士林作为润滑剂涂抹在模型两侧亚克力板上，模拟出光滑的平面特性，模拟“滑动边界”。在模型底部铺设一层3 cm厚的碎石，以模拟底部的摩擦效应。
1.3 试验模型与材料
如图1所示，抗滑桩截面为8 cm×8 cm的方形桩，抗滑桩桩长110 cm，其中嵌固段长度为20 cm，桩间距为30 cm。混凝土板厚度2 cm，长度90 cm，混凝土板不嵌固。锚头位于桩顶以下15 cm位置处，锚索与水平面夹角依据《建筑边坡工程技术规范》，选取锚索与水平面夹角角度为29°，保证锚固段在基岩内提供足够的锚固力。
基岩一般由强度较高、具有稳定性的岩石构成，在试验中采用C25混凝土模拟，主要用以提供稳定的嵌固层和滑面。对于滑体材料而言，根据试验配比结果，采用黏土、河砂和水进行搅拌配置而成。其中，黏土为高岭土，河砂为重庆本地粗制河砂，通过机械筛分去除直径大于2 mm的部分。材料比例为黏土∶河砂∶水=2∶27.5∶1，材料分别经过晒干、混合搅拌制成。通过直剪试验测定滑体强度参数，得到其内摩擦角为28°，黏聚力为8 kPa，结果满足相似比要求。
钢筋混凝土桩板墙采用微混凝土模拟，ECC桩板墙采用低强度的ECC材料模拟，支护结构中所用钢筋采用镀锌铁丝模拟。微混凝土抗压强度为8.5 MPa，弹性模量为4.2 GPa。ECC抗压强度为7.2 MPa，弹性模量为3.5 GPa。ECC混凝土弹性模量较小是因为ECC混凝土浇筑过程不采用粗骨料，其弹性模量相对于混凝土较小，见图2(a)。锚索采用直径3 mm的钢绞线模拟，见图2(b)。考虑锚索为纯弹性材料，为简化锚固段制作，在锚固段与基岩面交点预先埋设弯钩，后续的试验中将锚索直接与弯钩相连，模拟锚固段。
1.4 加载方案与监测方案
此次试验主要是探究ECC材料浇筑的支护体系在地震作用下响应和破坏机理。2组试验工况分别为ECC桩锚支护结构(以下简称ECC桩锚)和传统钢筋混凝土桩锚支护结构(以下简称RC桩锚)，试验中其他变量均保持一致，对比分析ECC桩锚支护结构的抗震性能，加载工况如表2所示。
| 工况序号 | 输入波类型 | 峰值加速度/g | 支护结构 |
|---|---|---|---|
| 1 | 正弦波 | 0.1 | RC/ECC桩锚 |
| 2 | 正弦波 | 0.2 | RC/ECC桩锚 |
| 3 | 正弦波 | 0.3 | RC/ECC桩锚 |
| 4 | 正弦波 | 0.4 | RC/ECC桩锚 |
| 5 | 正弦波 | 0.5 | RC/ECC桩锚 |
| 6 | 正弦波 | 0.6 | RC/ECC桩锚 |
| 7 | 正弦波 | 0.7 | RC/ECC桩锚 |
| 8 | 正弦波 | 0.8 | RC/ECC桩锚 |
| 9 | 正弦波 | 0.9 | RC/ECC桩锚 |
| 10 | 正弦波 | 1.0 | RC/ECC桩锚 |
| 11 | 正弦波 | 1.1 | RC/ECC桩锚 |
| 12 | 正弦波 | 1.2 | RC/ECC桩锚 |
由于sine波波频简单，便于分析观察，故而选用sine波作为输入地震波，同时只考虑较为常规的水平单向地震。一般而言，地震的卓越频率集中在1～2 Hz，考虑到频率相似比，模型试验中输入5 Hz的正弦波为振动激励，同时5 Hz的sine波也被广泛运用在振动台试验中[20-22]。持续时间选取为20 s，根据相似比，对应原型的60 s地震波，基本包含了所有地震波的强震段持续时间。为探究支护体系在各级地震作用下的响应和其破坏机理，输入sine波的加速度幅值从0.1g开始，以每次0.1g的增量增加至支护结构破坏或达到振动台最大输入加速度1.0g。图3为输入峰值为0.1g的sine波时程曲线。
本次试验过程中，监测分为支护结构监测和滑体监测。支护结构监测包括桩身位移监测、锚索应变监测，滑体监测包括滑体内不同高程不同位置的加速度监测和桩土界面的土压力监测。所采用的测试元件包括激光位移计、加速度计、土压力计以及应变片，将其与数据采集系统相连接，实现振动台试验过程中数据的同步快速采集。桩板墙支护结构的具体传感器布置示意图如图4所示。
2 试验结果及讨论分析
2.1 宏观现象
图5(a)为模型起震前的坡面状况，边坡具有较高的整体稳定性，坡面无任何裂缝，桩-土-锚协调工作。在输入地震作用幅值小于0.5g时，边坡和支护结构处于弹性阶段，保持同步振动，边坡出现小部分颗粒滑落现象，如图5(b)，此时坡面没有裂缝，该阶段RC桩锚和ECC桩锚都能较好地维持边坡稳定性；在输入地震作用幅值大于0.5g时，桩身晃动明显，边坡出现坡顶裂缝-坡脚裂缝-浅层滑动的破坏模式；在输入峰值加速度为0.8g时，发生越顶破坏。
根据试验记录，ECC桩锚支护下边坡并未出现明显的大变形，桩和锚索工作良好，在锚索中未发现破坏痕迹。在桩锚结构开挖后发现了位于嵌固断面的拉裂缝，如图6(c)所示。
图6(a)和6(b)为RC桩破坏模式。以中间的桩为例，RC桩和锚索共同组成的RC桩锚体系，RC桩在嵌固断面出现抗弯破坏迹象。RC桩在桩背(山侧)出现贯穿水平拉裂缝，此时受拉侧混凝土完全退出工作。从RC桩侧可以看出，拉裂缝已经发展到整个断面的2/3范围。按照钢筋混凝土结构设计原理，此时端面中和轴已显著上升，表明RC桩锚支护体系共同作用下，弯矩的最大值依旧发生在嵌固端面，呈现背面(山侧)受拉特点。图6(c)和6(d)为ECC桩破坏模式，从ECC桩背整体可以看出，桩板整体性完整，无明显的变形和破裂。ECC桩的桩背裂缝位置和RC桩一致，裂缝长度在2～4 cm，表明ECC桩和RC桩在与锚索共同工作中受力行为一致，ECC材料特性不影响桩锚结构的受力特性。ECC桩在受拉侧出现的2条裂缝位于桩背(山侧)桩缘，同时这2条边缘拉裂缝在经受全部地震作用后仍未连通，反映了ECC材料对裂缝的控制能力。对比发现，ECC桩锚具有更加理想的抗震性能。相类似的，KHAN等[23]通过对比带有缺陷的ECC-RC结构和完整的结构证明，ECC材料在难以完整保证施工质量区域有重大应用前景。
2.2 坡体加速度
地震引发坡体产生加速度从而产生的惯性力，使得边坡变形失稳，最终导致支挡结构产生位移并破坏。本试验采用水平加速度响应峰值(Peak Horizontal Acceleration，PHA)和水平加速度放大系数2个指标对模型加速度沿高程放大特性进行分析。
图7给出不同PGA(Peak Ground Acceleration)输入下，沿高程各测点的PHA分布曲线。可以直观地看出，2种支护结构下，加速度响应PHA与输入的峰值加速度PGA分布规律较为一致。总体来说，沿高程的PHA分布随着输入地震强度的增大出现非线性增强，逐渐形成下部矩形、上部梯形的分布模式。
当输入PGA幅值小于0.5g时，高程75 cm以上的PHA呈现线性的放大趋势，高程75 cm以下测点PHA与输入PGA较为一致。这是由于顶部测点比较靠近坡面，同时存在浅表动力效应[24]，动力波在自由表层反射，增大了表层土体的PHA。输入地震幅值超过0.5g以后，沿高程的PHA曲线逐渐表现出非线性的放大趋势，PHA放大的分界点从高程75 cm处逐渐下移，在高程60 cm位置处就开始出现非线性的趋势。这是由于随着输入地震峰值的增加，边坡的损伤开始增强，边坡从顶部到底部出现了整体性衰减。
上层土体的剪切模量在振动过程中逐渐减小，阻尼比逐渐增大，一方面会衰减土体的动力响应，另一方面边坡上层部分土体在地震作用下发生越顶破坏，造成同一加速度计在地震作用下的埋深变浅，浅层动力效应增强，这2个方面因素的叠加作用都会对边坡的加速度响应产生影响。此外，已有研究表明，输入地震波波形对加速度放大效应具有一定的影响[24-25]。一般而言，正弦波作用下，加速度放大系数随着PGA的增大而增大，这对于幅值较大地震作用下加速度放大效应的增强也有一定影响。
加速度沿高程放大的特性在以往文献中都有所报道[9, 26]，图8给出RC桩锚和ECC桩锚沿高程放大效应图。很显然，地震峰值加速度输入过大时，其放大系数与输入峰值较小时不同。输入地震峰值加速度较小时，其加速度放大系数最大值位于高程位置最大的加速度计A2处，其值不超过1.6。随着PGA的增大，其最大的加速度放大系数位置并未发生变化，都出现在坡顶部分，但峰值已达到2.2左右。RC桩锚和ECC桩锚都表现出相近的加速度放大趋势。
为对比ECC桩锚支护和RC桩锚支护下加速度沿高程放大效应差距，在相同PGA作用下，同一测点位置，用RC桩锚的加速度放大系数减去ECC桩锚的加速度放大系数作为加速度放大效应分布，如图9所示。可以看出，当输入的PGA小于0.8g时，ECC支护结构和RC支护结构的加速度响应较为一致，加速度放大系数差异不超过30%。这是由于此时支护结构处于弹性响应阶段，而ECC的弹性模量小于RC弹性模量，自身结构的自振频率略小。在5 Hz地震作用下，ECC桩锚的自振频率更加接近5 Hz，响应稍大，但两者差异较小。但是，当输入PGA大于0.8g时，两者的加速度放大系数差距逐渐明显，RC桩锚支护结构的加速度放大系数明显大于ECC桩锚支护结构，部分测点上的加速度放大系数差异在0.5以上，这与支护结构的弹塑性状态有一定的关系。在弹塑性阶段，ECC材料的滞回曲线相较于RC材料的滞回曲线饱满；在往复运动中，ECC能量耗散较RC大[27]。另一方面，ECC支护下，边坡桩顶位移较小，边坡坡顶的脱落也相对较少，表层动力效应较弱，坡体内的波动传播相对简单，动力波叠加较小。
2.3 桩身动土压力
本次试验土压力计的布置方式见2.4节，分析试验中桩背的峰值动土压力。图10给出了RC桩锚支护和ECC桩锚支护模型在不同地震作用下的桩后动土压力峰值大小分布。总的来说，动土压力表现出2个峰值的特性，其中锚索作用后存在一个峰值，桩板墙中下部存在另一个峰值，且位于中下部的峰值随着地震作用的施加，作用点逐渐下移，其位置如图10(a)所示。
图10(b)描述了ECC桩锚支护下桩背动土压力分布模式。双峰值中，上部峰值始终位于桩顶锚头位置。下部峰值在PGA小于等于0.8g时，位于63 cm位置；在PGA超过0.8g后，则下移到嵌固断面，表现出动土压力作用点降低。图10(c)为RC桩锚支护下桩背动土压力分布模式。上部峰值同样也位于桩顶锚头位置。下部峰值在PGA小于0.3g时，位于78 cm位置处；在PGA超过0.3g小于等于0.8g时，位于63 cm位置处；在PGA超过0.8g时，移动到嵌固断面，可以看出其动土压力作用点下移的趋势更加明显。上部峰值的产生是由于锚索施加预应力后，结构对土体产生了“主动”的反向压力，导致锚索安装处桩背所受的峰值动土压力较大，增长较快。而下部峰值的出现且作用点逐渐下移则是由于输入地震峰值的增大，桩土相对运动愈发显著，地震作用引起的整体滑坡推力增大[28]。当地震输入峰值加速度超过1.0g时，RC桩锚支护结构的下部峰值显著大于ECC桩锚支护结构，甚至达到2倍以上，这与ECC材料具有抗拉应变硬化特性有关，而RC桩锚支护结构表现为更多的塑性特性，峰值动土压力在滑面位置处集中。
2.4 锚索轴力
图11给出了在PGA为1.0g时锚索轴力的时程曲线，锚索轴力随着输入的地震作用表现出明显的波动特性，在震后出现了一定的残余值，说明支护结构出现了不可恢复的变形。相比之下，ECC桩锚的锚索轴力残余值在0左右，而RC桩锚的锚索轴力残余值在50 N左右，这是由于ECC桩锚支护结构在锚索处的桩背峰值土压力小于RC桩锚支护结构。
图12为输入PGA和锚索峰值轴力的关系，总的来说，锚索峰值轴力随着输入的PGA增大而增大，且增大幅值逐渐变大。相比之下，ECC桩锚的锚索峰值轴力相比于RC桩锚的更小，ECC桩锚的锚索峰值轴力为RC桩锚的60%～90%。这是因为ECC材料的应变硬化特性能有效地控制残余位移的发展，使得ECC桩锚的变形程度相对较小，且锚索处桩背的峰值动土压力也更小，导致ECC桩锚支护结构中锚索功能发挥不充分。
2.5 桩顶残余位移分析
图13给出RC桩锚和ECC桩锚的残余桩顶位移和输入PGA之间的关系。与桩板支护结构类似，随着输入PGA的增大，桩顶残余位移逐渐变大，桩顶残余位移与输入的地震动幅值呈现指数分布。由图13可见，RC桩锚的桩顶残余位移是ECC桩锚的1～1.5倍。
桩顶残余位移随着输入加速度峰值增加而增加，这与支护结构的工作性态和坡体材料的抗剪强度降低有关。随着加速度峰值的增加，作用在支护结构上的土压力越大，支护结构性状由弹性发展到弹塑性阶段。可以看出，在输入地震峰值加速度较小阶段，桩顶残余位移增加速度较慢，而输入地震峰值加速度较大时桩顶残余位移变化趋势加剧。当输入地震峰值加速度较小时，ECC桩锚的桩顶位移相较于RC大，这是因为ECC弹性模量比RC小，而此时支护结构基本仍处于弹性阶段，桩顶残余位移受弹性模量控制。而当输入地震峰值加速度超过0.5g后，RC桩锚的桩顶残余位移急剧增大，增速远大于ECC桩锚。这与作用在支护结构上的土压力分布和大小有关，随着输入地震峰值加速度的增大，桩背动土压力的峰值点逐渐下移，导致桩顶残余位移急剧增大，RC桩锚支护结构下移的动土压力峰值明显大于ECC桩锚支护结构。同时，ECC材料的应变硬化特性也能有效地控制残余位移的发展，ECC桩锚刚度退化速率更慢。说明当地震输入PGA较大时，ECC桩锚具有更好的位移控制能力。
3 结论
1) 支护结构震后在嵌固断面出现抗弯拉裂缝，ECC桩锚拉裂缝长度及向受压侧发展程度相比于RC桩锚小，体现了ECC材料对裂缝的控制能力，以及良好的抗震性能。
2) 与自振频率相对应的，在地震峰值加速度幅值较小时，2种结构的加速度放大系数差异不超过0.3，但当输入加速度幅值超过0.5g时，ECC桩锚的动力效应小于RC桩锚，此时ECC桩锚具有更好的性能维持能力和更小的动力响应。
3) 地震输入峰值加速度的增大导致桩土作用愈发明显，使得位于支护结构中下部的动土压力峰值逐渐下移。RC桩锚支护结构表现出更多的塑性特性，峰值动土压力在滑面位置处集中，其下部峰值显著大于ECC桩锚支护结构。
4) 锚索峰值轴力随着输入的PGA增大而增大，且变化趋势逐渐变大，ECC桩锚的锚索峰值轴力为RC桩锚的60%～90%。从桩锚结构的桩顶残余位移来看，残余位移随PGA呈现指数分布。由于桩背土压力以及ECC的应变硬化性能，当地震输入PGA较大时，ECC桩锚具有更好的位移控制能力。
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