陶志剛，舒 昱，高毓山，王一聰，趙俊凱

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.本溪鋼鐵集團(tuán)南芬露天鐵礦，遼寧 本溪 117000)

滑坡是一種長期以來對人類安全生產(chǎn)和生活造成嚴(yán)重威脅的地質(zhì)災(zāi)害，特別是在露天礦山由于頻繁采礦活動而引發(fā)滑坡時(shí)，對礦區(qū)工作人員人身安全和設(shè)備安全有較大的影響，嚴(yán)重威脅礦山的安全生產(chǎn)。

滑坡物理模型試驗(yàn)法能夠在較短時(shí)間內(nèi)重現(xiàn)滑坡發(fā)生的全過程，對于研究滑坡失穩(wěn)破壞機(jī)制十分有效。我國于20世紀(jì)80年代將這種研究方法引入國內(nèi)，并已取得大量成果，如宋克強(qiáng)等[1]針對黃土滑坡的變形過程、滑體的時(shí)間效應(yīng)及裂縫擴(kuò)展過程進(jìn)行研究；劉傳成[2]對降雨導(dǎo)致的泥巖滑坡滑動啟動條件和滑動原理進(jìn)行了分析；武彩萍[3]分析了人工降雨條件下滑坡坡面形態(tài)變化過程；陳洪凱等[4]研究了松散體邊坡的吸水過程、蠕變過程以及滑坡發(fā)生之間的關(guān)系；左自波等[5]利用室內(nèi)降雨試驗(yàn)系統(tǒng)研究不同級配土樣與邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)面之間的關(guān)系；胡明鑒等[6]對松散堆積的礫石土斜坡在降雨過程中的坡面土形態(tài)變化、性狀變化及斜坡穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了研究和分析；雍睿等[7]利用試驗(yàn)重現(xiàn)了滑坡三段式的演化過程，并揭示了滑坡穩(wěn)定性系數(shù)呈非線性衰減的規(guī)律；林鴻州等[8]發(fā)現(xiàn)降雨導(dǎo)致的滑坡存在“門檻累積降雨量”，并以此降雨量作為預(yù)警基準(zhǔn)；劉鵬[9]針對相似材料和素紅土進(jìn)行對比試驗(yàn)，提出了不同配合比材料的物理力學(xué)指標(biāo)確定方法。上述研究的工程背景多集中在松散堆積的天然土坡及礫石坡，而針對經(jīng)支護(hù)加固后巖質(zhì)邊坡的破壞機(jī)制鮮有探究。

本文以南芬露天礦下盤高陡邊坡為背景開展試驗(yàn)研究，使用微型NPR錨索對邊坡模型進(jìn)行支護(hù)，并采用數(shù)字圖像分析法和牛頓力監(jiān)測法對邊坡物理模型破壞全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。利用熱敏材料溫度變化模擬在降雨作用下巖質(zhì)邊坡軟弱滑動面貫通破壞的情況，探究滑坡發(fā)生時(shí)滑動面的剪切強(qiáng)度指標(biāo)衰減規(guī)律，為揭示巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理及后續(xù)加固方案的提出提供了一定的參考依據(jù)。

1 工程概況

南芬露天鐵礦采場位于遼寧省本溪市，采場區(qū)域內(nèi)構(gòu)造線展布沿NNE方向擴(kuò)展。礦體主體為單斜構(gòu)造，巖石與礦石界面分明，鐵礦體主要分布在太古界安山群含鐵石英巖中，平均厚度40 m。由于目前鐵礦石產(chǎn)量遠(yuǎn)低于需求量，為滿足礦山的可持續(xù)發(fā)展，將會進(jìn)行四期擴(kuò)幫開采工作。

通過擴(kuò)幫增加開采規(guī)模會導(dǎo)致滑坡發(fā)生的概率增大。依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)雷達(dá)勘測可知，采場邊坡節(jié)理裂隙較為發(fā)育，其中節(jié)理發(fā)育最為明顯的一組位于下盤邊坡，該組節(jié)理總體上為順坡向，傾角稍大于坡面角，走向與邊坡以較小角度相交或基本相同。其表面存在滑動痕跡，通過測量可得其JRC值在2～4之間。節(jié)理出露處存在一個(gè)明顯的剪出口，如圖1所示，并有水流侵蝕痕跡，經(jīng)測量產(chǎn)狀為295°∠48°。該邊坡為順傾邊坡，整體存在多組節(jié)理，存在貫通性極強(qiáng)的傾角與坡面角接近的節(jié)理，容易連通形成復(fù)合滑面，對邊坡整體的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。

通過對南芬露天鐵礦的現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查，該下盤邊坡主要分布的巖石種類為綠泥角閃巖，綠泥角閃巖能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到吸水飽和狀態(tài)，對誘發(fā)滑坡具有顯著影響[10]。巖石樣品的室內(nèi)巖石強(qiáng)度測試結(jié)果見表1。

圖1 下盤剪出口局部照片

表1 南芬露天鐵礦綠泥角閃巖強(qiáng)度參數(shù)

2 模型試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)設(shè)備采用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的深部地質(zhì)工程災(zāi)害模型試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由加載系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等主要系統(tǒng)組成。 試驗(yàn)系統(tǒng)可容納的模型尺寸最大為長×寬×高=1 600 mm×400 mm×1 600 mm，液壓控制系統(tǒng)可施加荷載范圍為0～5 MPa。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對模型的底部及橫向位移約束，并能夠?qū)崿F(xiàn)分區(qū)域組合施加荷載。

2.2 模型設(shè)計(jì)及制作

結(jié)合表1中的工程巖體力學(xué)參數(shù)，采用石膏粉與水為材料制成的有限單元板模擬綠泥角閃巖體，經(jīng)過多次不同比例標(biāo)準(zhǔn)試樣試驗(yàn)測試，本次室內(nèi)模型試驗(yàn)最終選用水與石膏粉比例為1∶1的有限單元板作為模擬材料。試驗(yàn)所選用比例的有限單元板標(biāo)準(zhǔn)式樣測試結(jié)果見表2。

表2 水與石膏粉1∶1單元板參數(shù)

根據(jù)表2參數(shù)，可以計(jì)算出容重相似比參數(shù)，并用于計(jì)算應(yīng)力相似比參數(shù)以及支護(hù)力相似比參數(shù)，見式(1)。

(1)

參照實(shí)際邊坡規(guī)模及試驗(yàn)系統(tǒng)尺寸，最終確定模型高度為1.2 m，幾何相似比取為Cl=80，重力加速度相似比，見式(2)。

Cg=gp/gm=1

(2)

邊坡潛在滑動面采用石蠟材料制成的單元板進(jìn)行模擬，在石蠟板的制作過程中放入聚酰亞胺薄膜電熱膜，試驗(yàn)過程中通過對電熱膜進(jìn)行加熱，使得石蠟材料融化來模擬結(jié)構(gòu)面軟化現(xiàn)象。在模型上部設(shè)置高度為40 cm的傳力單元板， 并在其上部和下部鋪設(shè)鋼板，使其能將荷載均勻施加在邊坡頂部，物理模型制作完成如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯瓿蓤D

2.3 監(jiān)測方法

針對普通錨索難以適應(yīng)滑坡失穩(wěn)過程中的大變形破壞規(guī)律，當(dāng)邊坡巖體發(fā)生大變形但還未失穩(wěn)破壞時(shí)，錨索已經(jīng)被拉斷這一問題，何滿潮等[11]研發(fā)出適用于大變形支護(hù)的恒阻大變形錨索。相關(guān)研究表明恒阻大變形錨索具有高恒阻力、大變形量、強(qiáng)能量吸收等特性[12-13]。恒阻大變形錨索與力學(xué)傳感系統(tǒng)及通訊系統(tǒng)組成的監(jiān)測系統(tǒng)能夠在邊坡發(fā)生大變形破壞前進(jìn)行預(yù)警[14]，錨索在大變形破壞之后沒有破壞，且仍然能夠正常工作。工程中使用的NPR錨索結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，錨索長度及張拉力與基巖深度、滑面深度、坡面角度等工程地質(zhì)條件有關(guān)，恒阻體允許的最大變形量為1 000～2 000 mm。

圖3 恒阻大變形錨索結(jié)構(gòu)示意圖

本次試驗(yàn)基于現(xiàn)有應(yīng)用于工程中的NPR錨索，研發(fā)出適應(yīng)室內(nèi)模型試驗(yàn)的小型NPR錨索，并將高精度拉力傳感器與小型NPR錨索連接成一體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對滑坡大變形破壞的全過程力學(xué)監(jiān)測。試驗(yàn)中的小型NPR錨索在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行精簡優(yōu)化的同時(shí)保留了工程中使用的NPR錨索結(jié)構(gòu)特征，錨索材料的選取根據(jù)室內(nèi)拉伸試驗(yàn)結(jié)果確定，并結(jié)合試驗(yàn)相似比確定恒阻力值。拉伸試驗(yàn)的結(jié)果及小型NPR錨索物理力學(xué)參數(shù)見表3和表4，試驗(yàn)用拉力傳感器及小型NPR錨索如圖4所示。

圖4 高精度拉力傳感器及模型尺度NPR錨索圖

表3 錨索拉伸試驗(yàn)的材料極限荷載

表4 工程錨索與模型試驗(yàn)小型NPR錨索物理力學(xué)參數(shù)

同時(shí)，針對在試驗(yàn)過程中發(fā)生的位移，采用數(shù)字散斑測量系統(tǒng)進(jìn)行全過程位移量化分析。使用該系統(tǒng)持續(xù)采集模型表面的散斑圖像，依據(jù)散斑分布特性，對變形前后圖像進(jìn)行相關(guān)性分析，來確定模型表面的位移，從而實(shí)現(xiàn)模型變形場的測量。

2.4 試驗(yàn)過程

首先利用試驗(yàn)設(shè)備的加載系統(tǒng)通過傳力單元板對模型預(yù)先加壓，使得單元板之間密實(shí)。預(yù)壓完成后，等待模型穩(wěn)定，使用直流穩(wěn)壓電源接通預(yù)先埋置在石蠟單元板中的PI薄膜電熱膜，對石蠟單元板進(jìn)行加熱。石蠟材料在受熱過程中強(qiáng)度會降低，可用來模擬降雨時(shí)邊坡軟弱面強(qiáng)度降低的過程。在試驗(yàn)過程中使用攝像機(jī)及散斑采集儀對邊坡模型失穩(wěn)破壞全過程進(jìn)行監(jiān)測。同時(shí)，在石蠟板加熱的過程中不斷觀察邊坡模型的狀態(tài)，當(dāng)邊坡模型發(fā)生滑動破壞后即停止加熱，試驗(yàn)結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 模型破壞特征

試驗(yàn)結(jié)束后邊坡整體破壞特征如圖5所示，破壞區(qū)域主要集中在4個(gè)部分。破壞點(diǎn)1為坡頂處，該處由于受到下部滑體的牽引作用產(chǎn)生豎向沉降，測量結(jié)果顯示豎向位移為5 cm；破壞點(diǎn)2為預(yù)埋NPR錨索處，試驗(yàn)過程中恒阻體受到滑動力的作用而在套筒內(nèi)發(fā)生摩擦滑移，錨索整體長度增加；破壞點(diǎn)3為節(jié)理發(fā)育面，石蠟板上覆滑體發(fā)生整體滑移，石蠟板表面留有滑移摩擦的痕跡，并有大量的石膏粉殘留在石蠟板表面；破壞點(diǎn)4為坡腳處，滑體沿著軟弱面發(fā)生整體滑動，坡腳處出現(xiàn)局部破壞，經(jīng)測量坡腳位移為6 cm。

圖5 邊坡模型整體破壞圖

3.2 邊坡模型監(jiān)測結(jié)果分析

對邊坡體內(nèi)預(yù)埋的模型尺度NPR錨索實(shí)施全過程監(jiān)測，圖6為錨索拉力傳感器的監(jiān)測曲線。監(jiān)測結(jié)果顯示錨索受力表現(xiàn)出明顯的階段性特征，并可將其劃分為OA、AB、BC、CD等4個(gè)階段。

OA段：軟化壓密階段。此階段錨索拉力監(jiān)測曲線呈現(xiàn)下降趨勢，試驗(yàn)開始階段先對邊坡模型進(jìn)行預(yù)壓，通過加載系統(tǒng)對邊坡模型施加荷載，導(dǎo)致邊坡模型內(nèi)錨索拉力傳感器受壓，讀數(shù)顯示為負(fù)值。錨索拉力傳感器受力持續(xù)增大，至OA階段結(jié)束時(shí)，邊坡模型較為密實(shí)，錨索受到壓力達(dá)到最大。實(shí)驗(yàn)過程中，散斑圖像捕捉到該階段細(xì)微的變形和位移，如圖7所示。由垂直位移云圖可知，對邊坡模型施加荷載進(jìn)行預(yù)壓后，隨著時(shí)間的推移，邊坡變形的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，位移量不斷增大，最大位移處集中在液壓器下方，且最大變形區(qū)不斷向上部移動。

AB段：裂紋產(chǎn)生階段。此階段錨索拉力監(jiān)測曲線呈現(xiàn)上升趨勢。撤銷上部預(yù)壓荷載后，對石蠟單元板進(jìn)行加熱，隨著結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度降低，裂隙發(fā)育迅速，滑體產(chǎn)生持續(xù)的蠕動變形，錨索拉力持續(xù)增加，最后小型NPR錨索進(jìn)入恒阻階段，并表現(xiàn)出良好的恒定阻力。圖8為AB階段垂直位移云圖。從圖8中可明顯看出隨著結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的不斷降低，邊坡模型最大位移逐漸向滑體部分轉(zhuǎn)移，邊坡模型整體垂直位移范圍向坡體下部擴(kuò)散，由此可推斷此階段滑體已出現(xiàn)下滑趨勢。

圖6 錨索拉力傳感器監(jiān)測曲線

圖7 OA階段散斑圖像處理結(jié)果

圖8 AB階段散斑圖像處理結(jié)果

BC段：裂紋擴(kuò)展階段。此階段錨索拉力監(jiān)測曲線沒有較大起伏處于穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡模型內(nèi)部的小型NPR錨索處于恒阻階段。邊坡模型內(nèi)部裂紋持續(xù)擴(kuò)展，坡體內(nèi)部基本不再發(fā)生蠕動變形。至該階段結(jié)束，滑體與滑床間出現(xiàn)寬度為8 mm的裂縫，滑體發(fā)生豎向位移13 mm。圖9為該階段位移云圖。由垂直位移云圖可知，滑體豎向位移明顯增大，并在坡頂部位出現(xiàn)因位移較大散斑無法捕捉的區(qū)域，且滑動面已經(jīng)初步形成，圖中顯示在坡腳處出現(xiàn)負(fù)位移，滑體下部呈現(xiàn)出上翹運(yùn)動的趨勢。從水平位移云圖中可以看出，滑體水平向位移從坡頂至坡底逐漸增大，而滑床水平位移基本保持不變，滑體最大的水平位移區(qū)域集中在坡腳處，經(jīng)測量該點(diǎn)水平位移量為7.8 mm，滑體整體呈現(xiàn)向右運(yùn)動的趨勢。

CD段：滑動面貫通階段。此階段由錨索拉力監(jiān)測曲線可知，小型NPR錨索所受拉力迅速上升，三根錨索承受拉力的最大值分別為147.41 N、120.31 N、121.50N，隨后驟降至8 N左右，滑坡隨之發(fā)生解體滑移。圖10為該階段的位移云圖。由垂直位移云圖可知邊坡模型的豎向位移主要集中在滑體部分，其中滑體上部發(fā)生顯著的沉降變形，坡腳部分被向外擠出，在垂直方向上坡腳處的負(fù)位移量持續(xù)增加，至臨滑前坡腳處最大垂直位移量為-5.01 mm；從水平位移云圖可知隨著時(shí)間的推移，滑體與滑床之間逐漸呈現(xiàn)出相互分離的狀態(tài)。

圖9 BC階段散斑圖像處理結(jié)果

圖10 CD階段散斑圖像處理結(jié)果

4 結(jié) 論

1) 以南芬露天鐵礦下盤邊坡巖體作為研究對象，依照相似理論建立室內(nèi)物理模型，運(yùn)用數(shù)字散斑處理技術(shù)對邊坡模型失穩(wěn)過程進(jìn)行監(jiān)測，將模型邊坡的失穩(wěn)破壞過程為四個(gè)階段：①軟化壓密階段；②裂紋產(chǎn)生階段；③裂紋擴(kuò)展階段；④滑動面貫通階段。

2) 在模型邊坡失穩(wěn)破壞過程中，NPR錨索在滑力的作用下發(fā)生較大變形但未產(chǎn)生破斷失效，表明NPR錨索能夠?qū)崿F(xiàn)滑坡全過程的有效加固及持續(xù)監(jiān)測。

3) 模型邊坡在發(fā)生大變形破壞前，NPR錨索受力呈現(xiàn)增加的趨勢，并在滑坡發(fā)生前達(dá)到最大值，之后突然下降至較低值，滑坡隨之發(fā)生，這一現(xiàn)象與工程現(xiàn)場滑坡牛頓力監(jiān)測結(jié)果是相吻合的，證明NPR錨索在滑坡的超前預(yù)警方面的有效性及合理性。