黃小芳，曾國良

(1.深圳市天健工程技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000；2.湖南聯(lián)智科技股份有限公司，湖南 長沙 410019)

0 引言

對于邊坡工程，無論是施工期還是運營期，邊坡穩(wěn)定均與人和財產(chǎn)安全息息相關(guān)。許多大型土質(zhì)邊坡破壞可利用長時間施工期漸進位移監(jiān)測數(shù)據(jù)來實現(xiàn)預(yù)測，但對于脆性巖石邊坡，破壞前的變形十分微弱，破壞發(fā)生具有瞬時性，難以采集足夠的變形數(shù)據(jù)進行外推實現(xiàn)預(yù)測。因此，施工過程中脆性巖石邊坡破壞預(yù)測仍是復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的工作[1-2]。

材料或結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和破壞時，快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射現(xiàn)象，Kaiser發(fā)現(xiàn)材料形變聲發(fā)射的不可逆效應(yīng)，即材料被重新加載期間，在應(yīng)力值達到上次加載最大應(yīng)力前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號，即Kaiser效應(yīng)[3]。對于板巖邊坡，巖石顆粒摩擦、孔隙壓密、裂隙擴展、變形破裂等均會產(chǎn)生大量聲發(fā)射現(xiàn)象，通過聲發(fā)射系統(tǒng)可實時采集巖石變形至破壞各階段的聲發(fā)射信號參數(shù)，進一步對聲發(fā)射參數(shù)和波形進行綜合處理分析，可深入了解巖石破壞前兆活動信息[4]。目前，聲發(fā)射技術(shù)逐漸在預(yù)測邊坡穩(wěn)定性方面已取得一定的顯著進展和成效。Shiotani等[5]將多個聲發(fā)射傳感器按一定距離安裝在波導(dǎo)桿中，并利用水泥砂漿埋設(shè)于巖質(zhì)邊坡中來監(jiān)測邊坡穩(wěn)定性。Dixon等[6]利用鋼管作為波導(dǎo)桿，周圍回填砂子及碎石，單個聲發(fā)射傳感器耦合于波導(dǎo)桿端部，并聯(lián)合測斜儀來監(jiān)測邊坡，并試圖將變形速率與聲發(fā)射率進行量化，但存在較大誤差。Smith等[7]提出一種監(jiān)測裝置，可定位聲發(fā)射源，通過分析剪切或彎曲破壞來計算最終破壞事件。在國內(nèi)，易武等[8]指出高水平聲發(fā)射產(chǎn)生后常出現(xiàn)較顯著的位移或破壞，即聲發(fā)射活動超前于位移，邊坡破壞前存在1次或多次聲發(fā)射高峰。田增國等[9]在三峽船閘建設(shè)過程中采用聲發(fā)射技術(shù)對船閘高邊坡進行全天候在線監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)利用聲發(fā)射技術(shù)可對大型船閘高邊坡巖體穩(wěn)定性做出有效評價和預(yù)報。李剛等[10]發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射撞擊的突增由降雨引起，尤其是累計降雨量，推斷累計降雨引起孔隙水壓力和滲透力的增加，導(dǎo)致飽和帶變形，從而影響邊坡穩(wěn)定性。

以某板巖邊坡施工為例，通過室內(nèi)樣品試驗和現(xiàn)場監(jiān)測，研究板巖變形過程中的聲發(fā)射特征，探討降雨、積雪、地震等不利施工環(huán)境因素對AE的影響，獲取用于預(yù)判邊坡失穩(wěn)破壞的AE事件前兆特征，從而為保障邊坡施工安全提供參考依據(jù)。

1 工程概況

某板巖邊坡現(xiàn)場情況如圖1所示，為4級坡，每級坡高8～10m，坡率為1∶1～1∶1.25。邊坡覆蓋層較薄，下伏基巖為全～中風(fēng)化砂質(zhì)板巖，其中全風(fēng)化層呈棕紅～棕黃色，泥質(zhì)含量較高，原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造已基本破壞，風(fēng)化成土；強風(fēng)化層呈褐黃、淺灰色，淺變余砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面多為鐵錳質(zhì)浸染，呈黃褐色；中風(fēng)化層呈淺灰色，淺變余砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面部分為鐵錳質(zhì)浸染，巖體較完整，巖質(zhì)堅硬，巖層產(chǎn)狀80°∠12°。

圖1 邊坡現(xiàn)場情況

2 研究方法

2.1 室內(nèi)試驗

室內(nèi)試驗的目的在于定性研究板巖Kaiser效應(yīng)及相關(guān)聲發(fā)射規(guī)律。中風(fēng)化巖芯易于制備室內(nèi)試驗樣品，因此，利用鉆巖芯設(shè)備，在邊坡選擇4處取樣點進行中風(fēng)化板巖鉆芯取樣，再精確切割巖芯，圓柱體樣品直徑和高度分別為48，100mm，端面保持光滑、平整，再對圓柱體試樣進行三軸試驗。裝樣過程與常規(guī)巖石三軸試驗類似，將1個聲發(fā)射傳感器探頭利用黏合劑及防水膠帶粘貼至試樣中部外壁，將另一端接頭通過預(yù)留聲發(fā)射接孔連入聲發(fā)射采集系統(tǒng)。

試樣安裝完畢后，打開三軸試驗系統(tǒng)和聲發(fā)射采集系統(tǒng)，首先以1mm/min速率施加圍壓，使其最終圍壓值達50MPa，再在軸向施加偏應(yīng)力，加載速率控制在0.2mm/min左右，設(shè)定聲發(fā)射事件閾值為40dB，通過數(shù)據(jù)采集軟件即可實時測出變形破壞過程中軸向偏應(yīng)力、應(yīng)變、聲發(fā)射事件數(shù)，采樣時間間隔為10s，每分鐘內(nèi)超過閾值的聲發(fā)射事件數(shù)定義為聲發(fā)射事件頻率。

2.2 現(xiàn)場監(jiān)測

現(xiàn)場監(jiān)測工作在施工期持續(xù)約1年，研究降雨、降雪、地震等因素對聲發(fā)射的影響，從而論證自然環(huán)境下聲發(fā)射反映邊坡微小變形的可靠性，獲取用于預(yù)判邊坡失穩(wěn)破壞的AE事件前兆特征。如圖2所示，監(jiān)測前端設(shè)備類似聲吶，即將1個壓電傳感器安裝在波導(dǎo)桿上，傳感器再將信號傳入多通道、自動檢測記錄儀，與室內(nèi)試樣相同，現(xiàn)場設(shè)定聲發(fā)射事件閾值為40dB，現(xiàn)場每小時聲發(fā)射事件數(shù)量定義為單位時間響鈴數(shù)(RDC/h)。波導(dǎo)桿為空心鋼管，將深部聲波傳播至地表傳感器。

圖2 聲發(fā)射現(xiàn)場監(jiān)測示意

在邊坡上共布置3個垂直鉆孔，孔1深度達20m，穿過潛在滑動面，在下部穩(wěn)定中風(fēng)化板巖巖層中的厚度約10m；孔2，3分別深8，6m，主要用于監(jiān)測表層強風(fēng)化板巖巖體。在鉆孔中插入外徑為50mm波導(dǎo)桿，然后在鉆孔中注漿，孔口2m充填砂，防止外部噪聲對聲發(fā)射信號的干擾。同時在邊坡中設(shè)置測壓管以掌握地下水位變化。

3 結(jié)果分析

3.1 室內(nèi)試驗

4組試樣軸向位移、時間、聲發(fā)射事件頻率關(guān)系如圖3所示。由于取樣位置不同，各試樣性質(zhì)有所差異，導(dǎo)致軸向位移增加的程度和速率不同，但具有以下共性：①各試樣響鈴數(shù)隨應(yīng)力增加而增大，但當(dāng)應(yīng)力達到一定值時，聲發(fā)射事件頻率達最大值，隨后一般隨應(yīng)力增加而減小，而軸向位移仍持續(xù)增大，證明板巖存在Kaiser效應(yīng)。②變形量與響鈴數(shù)無明顯對應(yīng)關(guān)系，出現(xiàn)較大軸向位移或破壞時聲發(fā)射現(xiàn)象反而不明顯，但軸向位移快速增加前一般有1～2次響鈴數(shù)峰值，這說明板巖聲發(fā)射異常超前于位移，利用聲發(fā)射監(jiān)測對板巖邊坡大變形或者破壞預(yù)警可行。

圖3 聲發(fā)射事件頻率與軸向位移的關(guān)系

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，該邊坡接收的AE信號波形大致可分為A，B，C 3種類型，各類型典型波形如圖4所示，在各波峰間存在數(shù)個RDC/h接近于0的靜默期。

圖4 多類型聲發(fā)射信號波形

類型A信號為聲發(fā)射信號波形中最常見類型，在干燥期和降雨期均可見到。對于波導(dǎo)桿1，類型A RDC/h 通常為100～400，持續(xù)時間≤1h；對于波導(dǎo)桿2，類型A RDC/h與波導(dǎo)桿1類似，但持續(xù)數(shù)個小時；波導(dǎo)桿3類型A RDC/h較高，為300～1 000RDC/h， 一般持續(xù)1h。由于各波導(dǎo)桿對類型A的反應(yīng)并不同期，此類型事件被認為是由邊坡內(nèi)部小范圍變形引起的，如局部不連續(xù)性面滑移或地下水流引起的微小變形，因此，無法傳播至多個波導(dǎo)桿。

類型B信號通常持續(xù)幾天，而且3個波導(dǎo)桿可同時有所反應(yīng)。此類型在初期有大幅RDC/h增長，隨后到達峰值，然后RDC/h通常會逐漸降低，如此反復(fù)持續(xù)100～200h。該類型信號主要與地下水位變化有關(guān)。

類型C信號峰值RDC/h很高，在3個波導(dǎo)桿上最大分別達140 000 ，100 000，200 000，波形較尖銳，通過與降雪數(shù)據(jù)比較，類型C信號可能由邊坡表面雪荷載產(chǎn)生。

3.2.1地下水變化的影響

監(jiān)測數(shù)據(jù)與降雨強度關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，聲發(fā)射事件往往與施工期強降雨引起的地下水位變化有關(guān)，降雨和地下水位上升間存在12～24h延遲，這期間通常無RDC/h記錄，這意味著降雨由地表通過裂隙滲流至地下水的過程并不引起聲發(fā)射(AE)響應(yīng)。而AE事件出現(xiàn)與地下水位同步上升，尤其波導(dǎo)桿1對該事件敏感，波形變化幾乎與地下水位變化同步，而且RDC/h增加與地下水位上升存在一定比例關(guān)系，水位上升1～2m引起RDC/h增加1 000～5 000，而水位上升>5m引起RDC/h增加5 000～30 000，最高達60 000。波導(dǎo)桿2顯示了類似反應(yīng)，但不明顯，地下水位上升5m可引起RDC/h增加1 000～1 500。相比波導(dǎo)桿2，波導(dǎo)桿3顯示出更高RDC/h值，其波形更尖銳，但增加數(shù)量并不與地下水位上升成比例。

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)與降雨強度關(guān)系

施工期地下水位上升或下降引起水壓力變化，從而導(dǎo)致巖體內(nèi)部應(yīng)力重分布，進一步引起巖體內(nèi)部微小變形及聲發(fā)射事件。3個波導(dǎo)桿出現(xiàn)不同響應(yīng)機理在于：波導(dǎo)桿1穿透至巖體深部，穿過多個不連續(xù)面，與地下水影響顯著范圍的巖體接觸更多，而波導(dǎo)桿2，3僅監(jiān)測巖體表面。

3.2.2雪荷載的影響

如圖6所示，類型C事件經(jīng)常出現(xiàn)在施工過程下雪期間，這些事件的波形較尖銳，而且在短時間內(nèi)RDC/h非常高，但通常只持續(xù)1～3h，而且事件分布較散亂隨機。波導(dǎo)桿3對該事件更敏感，其記錄的RDC/h為波導(dǎo)桿1，2的2倍。

雪密度通常在0.1～0.4t/m3，本文假定為0.2t/m3，則積雪每增加0.1m，應(yīng)力增加0.2kPa，考慮在場地單次降雪厚度可達0.5～1m，意味著在幾個小時內(nèi)邊坡應(yīng)力可增加至1～2kPa。從圖6中還可看出，在降雪周期內(nèi)，AE事件波峰已出現(xiàn)。這表明積雪作用于斜坡巖層，形成附加荷載，而板巖間存在泥質(zhì)填充的不連續(xù)面，強度較差，即使附加荷載很小，也會導(dǎo)致微小開裂和層間相對滑移，從而引起AE事件。施工過程中AE事件突然密集出現(xiàn)時，有可能形成大量開裂和滑移，伴隨失穩(wěn)破壞。

圖6 監(jiān)測數(shù)據(jù)在下雪期間的變化

3.2.3地震的影響

從當(dāng)?shù)氐卣鹋_網(wǎng)獲取了發(fā)生在距邊坡 20km范圍內(nèi)、震級≥2.5的地震信息，已確定23個事件局部震級值為2.5～3.8，有5個事件震級為3.8～4.5，最小震源距離場地最近3.8km，最遠19.5km。這些地震發(fā)生時，3個波導(dǎo)桿RDC/h接近0，即波導(dǎo)桿未監(jiān)測到地震事件，極少數(shù)情況下RDC/h>1 000， 但這些值同時與降雨引起的地下水位上升事件重合。

4 結(jié)語

1)從板巖室內(nèi)試驗來看，板巖存在Kaiser效應(yīng)，巖石破壞前一般有1～2次聲發(fā)射事件頻率峰值，說明巖石聲發(fā)射超前于位移，邊坡施工過程中，利用聲發(fā)射監(jiān)測巖質(zhì)邊坡進行超前預(yù)報可行。

2)AE事件與施工期降雨引起的地下水位上升同步出現(xiàn)，而且RDC/h增加與地下水位上升程度存在一定比例關(guān)系，地下水位變化引起水壓力變化，從而導(dǎo)致巖體內(nèi)部應(yīng)力重分布，進一步引起巖體內(nèi)部微小變形及聲發(fā)射事件。

3)降雪對應(yīng)的AE事件波形較尖銳，而且在短時間內(nèi)RDC/h較高，但通常只持續(xù)1～3h，這表明積雪附加荷載盡管很小，也會導(dǎo)致泥質(zhì)填充不連續(xù)面的微小開裂及層間相對滑移，從而引起AE事件?？傊?，小震級地震的影響難以被波導(dǎo)桿監(jiān)測到。

4)施工過程中聲發(fā)射事件突然密集出現(xiàn)時，應(yīng)提高對施工邊坡安全狀況的關(guān)注程度，做出相應(yīng)對策。