边坡内部位移分析结果

为研究边坡坡体内部在地震作用下的位移响应特性，本节主要分析了拉线位移计测点的峰值位移和地震结束时刻残余位移变化规律等。值得注意的是W3监测断面[图3.13（b）]位移响应值基本为0，本节对该断面不作分析。

1.峰值位移

1）W1监测断面

W1监测断面由3个拉线位移计测点组成，传感器编号为L1、L2和L3，具体位置见图3.13（b）所示，分别位于基岩内、邻近软弱夹层的滑体内和邻近坡面的滑体内，针对每个位移监测点在其对应位置布设1个加速度传感器，监测坡体内部测点的位移变化特性与响应加速度的关系。本节仅列出人工波激振下台面加速度传感器监测峰值为0.237g、0.370g和0.432g时L1测点与L2测点的位移时程曲线及其对应加速度传感器A3、A6的时程曲线，具体见图3.17和图3.18所示。由图可知：

（1）每一点的响应位移与响应加速度时程曲线均具有明显的强震段，且位移与加速度时程曲线发生剧烈波动的时间段一致。

（2）台面监测地震波峰值为0.237g和0.370g时基岩内A3测点与滑体内A6测点的加速度响应峰值差别较小，但在0.432g时A6测点的响应峰值明显大于A3测点的响应峰值，其值分别为2.173g和1.089g。

（3）基岩内的位移响应值较小且无残余变形值出现，如：在台面地震波峰值为0.432g时A3测点的加速度峰值为1.089g，此时L1测点的位移响应峰值为1.123 mm，地震结束时刻的残余变形为0 mm。

（4）在台面监测地震波峰值相同时，滑体内的位移响应峰值大于基岩内的位移响应峰值，且在峰值加速度为0.237g、0.370g和0.432g时均出现了残余变形，如：0.237g时为0.147 mm，0.370g时为2.028 mm，0.432g时为8.968 mm。

（5）滑体内的位移残余变形值产生在加速度时程曲线的强震段，具体见图3.18（a）和图3.18（b）中的矩形标记区域，随着地震波幅值的减小变形趋于平缓，但在台面监测地震波峰值为0.432g时，滑体内A6测点的加速度响应时程曲线的强震段过后L2测点仍产生了约3 mm的残余变形，占地震波激振过程中产生的总残余变形值的1/3。

图3.17　L1测点与A3测点时程曲线

图3.18　L2测点与A6测点时程曲线

为探讨响应位移峰值与输入地震波峰值的关系，图3.19给出了人工波激振下L1、L2、L3监测点位移响应峰值与台面监测地震波峰值的关系曲线。由图可知：

（1）坡体顶部各监测点的位移响应峰值均随输入地震波峰值加速度的增加而增大，且峰值位移量值大小与其到坡面的距离成反比，即在台面的地震波峰值相同时，L1测点峰值位移＜L2测点峰值位移＜L3测点峰值位移。

（2）测点L3位于坡体顶部外缘，在峰值加速度增加到0.1g时即产生破坏，而观察此时坡顶的宏观现象（图3.51）可知边坡体并未产生裂缝。分析造成这种现象的主要原因是：① 拉线位移计的工作原理是将位移传感器安装在固定位置，拉绳与被监测点连接，在监测点运动过程中拉绳伸长或缩短量值通过位移传感器的信号转换系统输出。因此，在地震开始前拉绳中已存在一定量值的拉力，地震过程中土体在地震波作用下的往复运动将引起拉绳拉力的进一步增大。② L3测点位于坡体顶部，埋深较浅，其上覆土压力小，且到坡面距离较小，岩土体对该监测点的侧向阻力小。

（3）测点L2处于邻近软弱夹层的滑体内，位移响应峰值大，在台面监测地震波峰值0.432g作用后产生破坏。根据位移响应峰值随加速度峰值的变化关系可将其划分为3个阶段，如图3.19所示，即oa段、ab段和bc段，依次为缓慢增长阶段、快速增长阶段和急剧增长阶段。

（4）基岩内的位移响应峰值较小，如在台面监测的峰值加速度为0.485g时，峰值位移为0.928 mm，0.76g时峰值位移为2.807 mm，位移响应峰值随台面监测地震波峰值加速度的增加呈线性增长，但在0.485g时直线斜率将发生变化，如图3.19所示，直线a′b′斜率小于直线oa′斜率，据此可将基岩顶面的位移响应峰值分为2阶段，依次为缓慢增长阶段和快速增长阶段。

图3.19　人工波激励时W1断面位移响应峰值与台面监测地震波峰值关系

综上分析可知，W1断面滑体内的位移响应峰值与基岩内的位移响应峰值具有明显的差异，尤其是在台面监测地震波峰值大于0.237g后，具体见图中双点画线标记区域，地震时软弱夹层的存在对边坡顶部位移响应影响剧烈。

2）W2监测断面

W2监测断面由4个拉线位移计测点组成，传感器编号为L4、L5、L6和L7，具体位置见图3.13（b）所示，分别位于基岩内（邻近箱壁）、基岩内（邻近软弱夹层）、滑体内（邻近软弱夹层）和滑体内（邻近坡面），针对每个位移监测点均在其对应位置布设1个加速度传感器，监测坡体内部测点的位移变化特性与响应加速度的关系。

本节仅列出L7测点在人工波、El Centro波和汶川-清平波分别激励时，加载峰值加速度为0.4g和0.7g的第2次迭代过程中的位移时程曲线及其对应加速度传感器A13的时程曲线，具体见图3.20和图3.21所示。由图可知：

（1）与输入地震波峰值相比，A13测点的加速度响应峰值均出现了放大效应。

（2）位移响应时程曲线在加速度时程曲线的强震段均将出现剧烈波动，在输入波峰值为0.4g和0.7g人工波、El Centro波激励时L7测点将产生残余变形，而汶川-清平波激励时无残余变形值。分析产生这种现象的原因为：① 地震波加载次序不同，由第3.1节知，在每一峰值加速度下三种地震波加载先后顺序为人工波→El Centro波→汶川-清平波；② 地震波频谱特性不同；③ 地震波激励时滑体所处的变形状态和锚索轴力存在差异。

（3）L7测点的峰值位移、残余变形值和残余变形值出现时刻对应的响应加速度幅值，在0.4g人工波激励时为1.344 mm、0.269 mm和0.4g，在0.4g El Centro波激励时为1.002 mm、0.098 mm和0.5g，在0.7g人工波激励时为

2.444 mm、0.635 mm和0.8g，在0.7g El Centro波激振时为2.493 mm、

1.149 mm和0.8g。

（4）不论是人工波激励还是El Centro波激励，L7测点位移响应时程曲线中产生残余变形区段，残余变形结束时刻对应的加速度幅值均小于残余变形开始出现时刻的加速度幅值，如0.4g El Centro地震波激励时，残余变形开始出现时的加速度幅值为0.5g，结束时刻对应的加速度幅值为0.35g，具体见图3.20（b）和图3.21（b）矩形标记区域所示。

图3.20　加载地震波峰值0.4g第2次迭代

图3.21　加载地震波峰值0.7g第2次迭代

为研究W2断面的位移响应峰值与输入地震波峰值的关系，图3.22和图3.23分别给出了人工波和El Centro波激励时W2断面各测点的响应位移峰值与台面监测地震波峰值间的关系。由图可知：(www.xing528.com)

（1）各测点的位移响应峰值均随着输入地震波峰值加速度的增加而增大。

（2）在同类型地震波激励时基岩内L4和L5测点的位移响应峰值大小基本相等，滑体内L6和L7测点的位移响应峰值大小基本相等，滑体内和基岩内位移响应峰值与输入地震波峰值加速度的关系可分别用图示的实线和虚线表示。

（3）不论是人工波还是El Centro波激励时，滑体内测点的位移响应峰值均大于基岩内的位移响应峰值，且滑体内和基岩内响应位移峰值之差随着输入地震波峰值加速度的增加而增大。

（4）不论是人工波还是El Centro波激励时，图中实线与虚线的变化特性具有2个阶段，对同类型地震波而言，曲线转折点出现时刻的峰值加速度相等，对不同类型地震波而言，人工波激励时曲线出现转折点时的峰值加速度大于El Centro波激励时。

综上分析可知，各测点的响应位移峰值不大于3 mm，基岩内和滑体内测点的响应位移峰值相差均在1 mm之内，且输入波峰值与响应位移峰值关系曲线未出现急剧增长阶段，框架锚索支护边坡对滑体中部的抗震加固效果显著。

图3.22　人工波激励时W2断面位移响应峰值与 台面监测地震波峰值关系

图3.23　El Centro波激励时W2断面位移响应峰值与 台面监测地震波峰值关系

3）W1与W2监测断面的差异性分析

为研究高程对位移响应峰值的影响，本节选取人工波激励时基岩内的L1、L5监测点和滑体内的L2、L6监测点位移响应峰值进行对比分析，监测点具体位置见图3.13（b）所示，值得说明的是其均接近软弱夹层。由图3.24可知：在台面监测地震波峰值加速度相同时，滑体内测点位移响应峰值均是120 cm处大于80 cm处，而基岩内测点位移响应峰值在台面输入地震波峰值小于0.3g时，120 cm处与80 cm处基本一致，随着输入地震波峰值加速度的增加，其响应位移峰值出现随高程增加而增大的现象，但其差值不超过0.5 mm；对比分析LI、L2、L5和L6监测点的位移响应峰值与台面输入加速 度峰值的关系知，L1、L5和L6测点的变化规律一致且与L2测点的变化规律具有显著的差异。综上分析可知，支护边坡在80 cm高度滑体和基岩处的地震位移响应规律基本一致，框架锚索加固措施使该部分滑体与基岩紧密结合在一起而成为一个整体，框架锚索加固边坡体在80 cm以下抗震性能较好，而120 cm高度滑体与基岩在地震时表现出个体差异性，框架锚索加固措施并没有将其有效地连接为一个整体，支护结构对边坡顶部的抗震加固效果不明显。

图3.24　人工波激励时软弱夹层两侧位移响应峰值与 台面监测地震波峰值关系

2.残余变形

震害调查过程中判断边坡体震害程度的主要指标为：①是否产生宏观变形迹象；②变形量值大小。为研究加固边坡体在地震作用下残余变形响应特性，此处选取人工波激励时的位移响应数据进行分析。图3.25给出了人工波激励时W1断面和W2断面各测点的残余变形值与台面输入地震波峰值间的关系。值得注意的是，L3测点在峰值加速度小于0.1g时已出现破坏，具体原因见上小节分析，故在图3.25不再表述其残余值。由图可知，台面输出地震波峰值在0.05g→0.761g变化时，L1、L4和L5测点在地震波加载过程结束时刻的残余变形值均较小，最大值不超过0.1 mm，且其量值随地震波加载峰值的增加呈现出在0 mm附近上下波动的特性，若忽略拉线位移计的测量误差影响，则基岩在地震作用下始终处于弹性响应阶段；而滑体内L2、L6和L7测点将出现明显的残余变形，其变形值与台面输出地震波峰值的关系在120 cm和80 cm处具有明显的差异，以下将对其进行具体分析。

1）W1监测断面

在台面监测地震波峰值为0.05g、0.075g和0.091g地震波作用结束时刻，L2测点无残余变形值；在台面监测地震波峰值为0.16g时，L2测点在地震波作用过程结束时刻产生了0.073 mm的残余变形，随着加载地震波峰值的增加，L2测点的残余变形逐渐增大，在台面监测地震波峰值为0.349g地震波作用时产生了0.391 mm的残余变形，在台面监测地震波峰值为0.37g地震波作用时产生了2.028 mm的残余变形，在台面监测地震波峰值为0.432g地震波作用时产生了8.968 mm的残余变形，此刻测点位置土体出现破坏，在随后的加载地震波作用下无数据。根据残余变形量值大小及其增长速率，可将L2测点所代表土体的残余变形发展分为四个阶段，分别为弹性阶段、塑性阶段、屈服阶段和破坏阶段，具体见图3.25（a）中的oa段、ab段、bc段和cd段。

2）W2监测断面

在台面监测地震波峰值为0.05g→0.237g的人工地震波作用下，L6测点无残余变形值，随着输入地震波峰值加速度的增加，L6测点的残余变形值逐渐增大，但其量值较小，如：在台面监测地震波峰值加速度为0.485g人工波激励时，残余变形值为0.147 mm；在台面监测地震波峰值加速度为0.761g人工波激励时，残余变形值为0.879 mm。根据残余变形量值大小及其增长速率，可将L6测点所代表土体的残余变形发展分为2个阶段，分别为弹性阶段和塑性阶段，具体见图3.25（b）中的oa段和ab段。

图3.25　人工波激振下坡体内部残余变形与台面监测地震波峰值的关系

在同一峰值地震波激励时，L7测点的残余变形值与L6测点的残余变形值基本一致，其差值最大为0.195 mm，具体见图3.26所示，若忽略拉线位移计的测量误差影响，则L7测点残余位移随输入地震波峰值加速度变化的响应规律与L6测点相同，此处不再重复分析。

图3.26　L6和L7测点残余变形差值与台面监测峰值加速度关系

3）W1与W2监测断面的差异性分析

综合分析图3.25（a）和（b）中各测点的残余变形值与台面监测加速度峰值的关系，其差异性体现在滑体内，主要有以下方面：

（1）残余变形出现时刻不同。土体产生残余变形时对应的台面监测地震波加速度峰值为W1监测断面小于W2监测断面，前者在0.16g时开始产生残余变形，后者在0.3g时才出现残余变形。为解释产生这种差异的原因，作土体单元受力示意图（图3.27）进行分析：① 滑体内的响应加速度沿边坡高度存在放大效应（具体见第3.4节），在地震作用下单位土体的惯性力ma在W1监测断面内大于W2监测断面；② 每孔锚索的预应力相等且滑体长度为W1监测断面大于W2监测断面，则单元土体的水平向应力σx为W1监测断面小于W2监测断面；③ W2监测断面位于W1监测断面下方，上覆土压力σz为前者大于后者，因此在地震作用时W1监测断面更易产生残余变形。如：L2测点在台面监测地震波峰值为0.204g时，开始产生残余变形时刻A6测点的响应加速度幅值为0.35g；L7测点在台面监测地震波峰值为0.349g时，开始产生残余变形时刻A13测点的响应加速度幅值为0.4g。

图3.27　土体单元受力示意

（2）残余变形量值大小不同。土体产生残余变形时，变形值为W1监测断面大于W2监测断面。为研究W1和W2监测断面残余变形量值差别与加速度峰值的关系，图3.28给出了L2测点与L7测点残余变形差值随台面地震波峰值加速度的变化曲线。由图可知，在地震波峰值加速度不大于0.1g时，两测点残余变形差值为0；在地震波峰值加速度不大于0.3g时，两测点的变形差值随地震波峰值加速度的增加出现缓慢增长；在地震波峰值加速度不大于0.37g时，两测点的变形差值随地震波峰值加速度的增加呈现快速增长；随着输入地震波峰值加速度的进一步加大，其变形差值出现急剧增大的现象。因此，根据变形曲线的特性将其残余变形差值划分为四阶段：无差值阶段、缓慢增加阶段、快速增加阶段和急剧增加阶段。其分界点分别见图3.28中的点1、点2和点3。

图3.28　L2和L7测点残余变形差值与台面监测峰值加速度关系

（3）土体变形发展阶段不同。W1监测断面在各加载工况作用下将依次经历弹性变形阶段、塑性变形阶段、屈服阶段和破坏阶段，而W2监测断面在各加载工况作用下先后处于弹性变形阶段和塑性变形阶段，具体表现为：在台面监测地震波峰值不大于0.1g时，二者均处于弹性阶段；随着输入地震波峰值的增加，前者开始产生塑性变形，而后者仍处于弹性阶段；在输入地震波峰值为0.3g时，前者进入屈服变形阶段，后者也开始出现塑性变形；在输入地震波峰值为0.432g时，前者岩土体出现破坏，而后者处于塑性变形阶段。

综上分析可知，框架锚索加固含软弱夹层边坡体的地震动位移响应特性表明，在地震作用下基岩始终处于弹性响应阶段，在输入地震波峰值加速度不大于0.3g时加固边坡的整体稳定性较好，随着输入地震波峰值加速度的增加潜在滑体顶部进入屈服阶段，坡顶出现局部破坏。因此，在高烈度地震区框架锚索支护结构工程设计时需着重加强对边坡顶部岩土体的防护。