巖質邊坡滑坡模擬及紅外監測試驗研究

游 勛，王春仁，趙迎貴，劉祥鑫，余 敏

(1.馬鋼集團設計研究院有限責任公司， 安徽 馬鞍山市 243000；2.華北理工大學 礦業工程學院， 河北 唐山市 063009)

巖石在受力及災變過程中，其表面紅外輻射的強度會發生規律性變化，且不同應力階段也將會對應差異性紅外輻射的變化特征，將紅外遙感技術應用于探測巖體的應力及應變，以分析其穩定性是極具前景的一種新方法[1]。目前，紅外探測技術不僅在含沖擊地壓顯現和瓦斯突出類煤巖的礦山動力災害監測預報領域應用廣泛，同時也能夠應用于金屬非金屬礦山的壓力觀測、頂板穩定性監測、巖爆監測、邊坡滑坡、圍巖松動圈測試及隧道穩定性評價等方面[2-4]。

由于自然界巖石的結構面發育且分布相對復雜，存在非均質特性、非彈性、非線性以及各向異性等諸多特性，其結構面具有裂隙、片理、節理和軟弱夾層等明顯特征[5]。巖石就是由于內部這些原有微小裂隙在不同載荷作用下，開始產生變形，并不斷擴展后最終誘發宏觀性破壞[6-7]。自然界具有的斷層類型眾多，誘發滑坡層出不窮，在它活動過程中發生的異常紅外輻射特征也各異，因而采用不同類型的模擬試驗去探究不同構造下的失穩紅外輻射異常特征意義重大[8]。所以探究及掌握巖石破壞過程中的紅外輻射規律及特征，可奠定巖石應力與災變遙感監測技術實驗的理論基礎，對研究模擬邊坡的滑坡動態過程，具有一定研究價值。

為了更廣泛地探究斷層活動過程中紅外輻射的演化特征，文中以江西某大型金屬礦巖質邊坡的花崗巖試件為載體，結合前期的研究基礎，選擇另一種常見的構造類型——節理面控制滑坡方式的巖塊邊界模型作為研究對象，展開了對于該類構造活動動態過程中的失穩紅外輻射演化規律及特性研究，從而為探索國內露天礦山對于普遍存在的各類高陡巖質邊坡的穩定性監測及安全處理技術提供一定的技術依據。

1 實驗設計

1.1 研究背景

花崗巖類是大陸上部地殼主要構成巖體之一，大約86%的大陸上部地殼是由花崗質巖石組成。礦山露天礦的巖質邊坡廣泛存在花崗巖巖體，而邊坡的變形和破壞，實質上是內在的和外部的各種因素綜合作用的結果[9]。研究花崗巖的物理力學性質、變形破裂過程的紅外輻射規律，對于預防巖質邊坡滑坡等地質災害具有重要理論及現實意義，特別是對于金屬、非金屬露天礦山在生產過程中的巖質邊坡維護與安全生產具有重大的指導意義。

1.2 實驗設備系統

PIKE F-421B型數字攝像機、Therma CAM SC3000高性能率子阱紅外熱像儀(溫度靈敏度為0.03℃，圖像分辨率360像素×240像素，圖像最大采集速率為5 fps)、RLW-3000伺服壓力試驗機等。

1.3 試件準備

(1) 試件制備。如圖1所示，實驗選用花崗巖，把巖石加工成長方體，尺寸為150 mm×150 mm×75 mm，傾角60°。由試件高1/3處為切入點，制成裂紋深度和厚度分別為35 mm與3 mm，預制裂紋類型為單裂紋。 裂紋區充填石膏，水灰比0.4～0.45。試樣用磨石齒輪進行打磨，然后用砂布進一步磨光。

圖1 實驗試樣

(2) 飽水狀態處理。第一組為干燥試樣，試樣經切割、打磨后制成本實驗的標準試樣(見圖2)。第二組為飽水試樣，用自由浸水法制作[10]，把試樣浸入水槽中，先注水至試樣高度的1/4處，以后每隔2 h分別注水至試樣高度的1/2和3/4處，6 h后全部浸沒試樣，試樣在水中自由吸水48 h(見圖3)。

圖2 干燥狀態試樣

1.4 實驗步驟

(1) 按實驗系統連接各種實驗儀器和數據采集線路，檢查儀器狀態，進行初步調試；

(2) 用游標卡尺量出花崗巖巖試樣的尺寸，觀察試樣表面裂隙、節理發育程度等宏觀特征；

(3) 將試樣的2個端面打磨均勻，放置在壓力機底座之上，試樣、壓力機底座以及壓頭兩兩之間采用絕緣紙進行絕緣；

(4) 做好防護保護，并使儀器、傳輸線良好接地；

圖3 飽水狀態試樣

(5) 打開Therma CAMSC3000高性能率子阱紅外熱像儀，設置各種基本參數，調試并設置各通道門檻值。啟動RLW-3000伺服壓力試驗機系統，依據實驗需求設置加載過程的控制方式和采集參數；

(6) 各測試系統的準備工作結束后，同時進行試驗機加載與紅外輻射信號的數據采集工作，實驗中注意觀察試樣的變形與破壞特征；

(7) 待試樣破壞以后，同時停止試驗機加載和數據采集工作。觀察并記錄試樣破壞情況，記錄實驗參數、實驗條件及實驗過程中的各種信息；

(8) 變化不同飽水花崗巖試樣進行實驗，重復測試，獲得不同試樣下巖石破裂紅外輻射特征。

2 實驗結果分析

2.1 巖質邊坡模型的力學特征

圖4所示曲線為巖質邊坡在2種含水狀態下典型的力學特征曲線，從圖4可看出2種狀態在加載過程中都歷經加載初期時的曲線向下彎曲到峰值載荷前近似直線上升，以及峰值載荷之后的曲線下降過程，并在峰值載荷后沒有發生突然性破壞，而是在經歷一段應力下降過程后才出現最終失穩。曲線可劃分為如下階段：

圖4 干燥狀態和飽水狀態邊坡模型載荷-時間曲線

(1) 初始加載階段(A點前)，因加載系統的間隙調整及巖石內部孔隙與微裂隙被逐步壓實而導致曲線略向下彎曲，并緩慢地上升。

(2) 線彈性變形階段(曲線AB段)，巖樣正處在微裂隙加載階段，載荷-時間曲線呈近似直線狀攀升。

(3) 穩定破壞階段(BC段)，應力上升開始逐步減緩，巖樣微裂隙破裂擴展，曲線呈現略向上彎曲，C點是應力作用的峰值點。

(4) 非穩定階段(CD段)，C點后，應力逐漸開始下降，到D點時巖樣完全破壞，開始出現應力的大幅度下降。

2.2 邊坡模型的平均紅外輻射溫度-時間變化特征對比

如圖5所示，不同含水狀態的邊坡模型平均紅外輻射溫度(AIRT)-時間曲線均與力學曲線表現出一定的整體性，即隨著載荷的增加，AIRT數值呈上升趨勢。當模型進入破壞階段時，2種含水狀態均出現了不同程度的跳變。這證明了紅外輻射特征與巖石的力學性質存在較為明顯的關聯性，深入分析這種性質，可捕捉破壞的規律性及階段性特征。

紅外輻射溫度呈現上升對應剪切粘滑破壞，而紅外輻射溫度呈現下降則對應張性破壞[11]。在整個加載階段，相較于干燥狀態，飽水狀態的巖質邊坡模型的紅外輻射溫度的波動性較小。這反應了模型破裂演化過程中，破裂方式的復雜性及多變性，且水影響了破裂方式。

峰值載荷之前，飽水巖石加載過程中的AIRT“先升后降”幅度較干燥狀態巖石更加明顯，導致“谷點”也更低。飽水模型失穩破壞瞬間所消耗能量要大于干燥狀態模型，飽水狀態的失穩破壞前兆特征較干燥狀態明顯。

2.3 巖質邊坡模型AIRT空間分布特征

采用紅外熱像儀獲取紅外熱像是巖樣表面紅外輻射溫度場的直觀反映，其反映了試樣表面的紅外輻射強度分布狀況[12]。

圖6和圖7分別為干燥狀態和飽水狀態邊坡模型紅外輻射空間分布情況。

圖5巖質邊坡模型載荷、AIRT-時間曲線

圖6 飽水狀態巖質邊坡模型實驗過程中紅外熱像圖

從加載至最終失穩全過程，模型的AIRT空間分布反映了以下特征：

(1) 干燥狀態和飽水狀態巖樣在加載過程中的紅外輻射溫度都發生了不均勻的變化， 靠近壓頭接近試樣下端的紅外輻射溫度變化總高于試樣的上端。

(2) 干燥狀態及飽水狀態的巖樣在破壞瞬間出現的熱像特征各異，干燥狀態巖樣較易出現大范圍的溫度變化，其表面會發生大面積的掉塊；飽水試樣在其破壞的一瞬間呈現相對平靜，紅外輻射變化總體不太明顯。但是，2種含水狀態均出現了區域亮溫，這反映了模型開始出現明顯的局部破裂現象，如圖中A區域所示。

圖7干燥狀態巖質邊坡模型實驗過程中紅外熱像圖

(3) 當巖質邊坡模型失穩破壞時，其中飽水狀態的模型出現了大區域的高溫區域，而干燥狀態的模型仍為局部的高溫區域。2種含水模型均為溫度突然升高，突變現象較為明顯。

(4) 飽水狀態試樣在加載破裂過程中的紅外上升溫度幅度較干燥狀態試樣明顯偏高。

2.4 巖質邊坡模型滑坡區域的紅外輻射特征

圖8和圖9分別是干燥狀態與飽水狀態模型的破裂面局部紅外輻射溫度。破裂瞬間，由于花崗巖巖性脆性較高，破壞形式為張性彈射破壞，并且花崗巖結構、層理比較均一，顆粒均勻細密，間隙小，總是沿預制裂紋下方呈對頂錐破壞，破壞瞬間干燥狀態試樣會發生彈射碎塊現象。AIRT變化都隨著壓力的加大總體呈上升趨勢，在破裂瞬間飽水狀態試樣的AIRT變化大于干燥狀態試樣。

圖8 干燥狀態模型的滑坡區域對比

圖9 飽水狀態模型的滑坡區域對比

由模型失穩破壞瞬間的紅外熱像圖可知，區域性的高溫(見圖8、圖9)反映了最終失穩與破壞的區域化，也證明了能量釋放的局部化特征。捕捉紅外溫度的跳變區域，可為尋找失穩破壞點提供較準確的依據。

3 結 論

(1) 在彈性階段，干燥狀態的試件AIRT變化不大，而飽水狀態試件AIRT上升較為明顯。隨著損傷破裂的持續發展，2種含水狀態的AIRT總體上均呈上升趨勢。

(2) 臨近滑坡災害發生前，邊坡模型均出現了平均紅外輻射溫度AIRT曲線的跳變，其中飽水狀態的邊坡模型跳變幅度較干燥狀態大。當形成了滑坡區域時，紅外熱像圖上出現了區域高溫現象。