巖橋角度對鎖固段滑坡破壞影響的模型試驗研究

賀 春 蕾，朱 星，，劉 俊 峰，唐垚，霍 冬 冬，亓 星

(1.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點試驗室，四川 成都 610059； 2.成都理工大學 信息科學與技術學院，四川 成都 610059； 3.四川輕化工大學 土木工程學院，四川 自貢 643000)

0 引 言

鎖固型巖質滑坡是大型巖質滑坡的主要類型。隨著鎖固段突然發生脆性斷裂產生震動，滑坡體獲得加速度，在與自身重力的耦合作用下，滑坡體突然失穩啟動，具有極強的隱蔽性和突發性，經常造成重大經濟損失和人員傷亡。在巖質滑坡鎖固段的研究方面，黃潤秋等[1]根據鎖固段的存在形式將鎖固段滑坡細分為5類：“三段式”、“擋墻式”、阻滑塊體型、線性多級型和階梯狀多級型。“三段式”模式是巖質滑坡中典型的地質-力學模式之一。“三段式”模式是指鎖固段滑坡的變形破壞具有三段式的發育特征：即前緣緩傾結構面蠕滑、后緣結構面拉裂、中部鎖固段被剪斷[2]。在“三段式”巖質滑坡中，鎖固段巖體在滑坡重力作用下產生應力集中，并對巖質滑坡的變形破壞和整體失穩起絕對控制作用。因此，巖質滑坡中鎖固段的相關研究一直是大型巖質滑坡防災減災研究中的熱點和難點問題。

針對鎖固段開展物理模型試驗，研究其變形破壞機理和災變規律對該類巖質滑坡成因機理認知、防災能力提升具有一定的科學指導意義。Chen等[3]采用聲發射技術對具有不同長度巖橋的直剪試驗和大型滑坡模型試驗進行監測，發現聲發射技術在這兩類試驗中均能準確定位聲發射源點，反映了巖樣內部裂隙的破裂過程，揭示了巖質邊坡的破壞機理。黃潤秋等[4]通過物理試驗研究，發現在加載過程中應力和能量在鎖固段積累到一定程度時瞬間釋放，導致鎖固段突然發生脆性破壞，揭示了鎖固段控制作用下的大型巖質滑坡的發生機理。陳竑然等[5]構建了鎖固段力學模型，結合物理試驗與數值模擬，揭示了天然鎖固段之間的力學作用模式。Guo等[6]對具有不同連續率、正應力、巖橋布置方式和節理角的鎖固段試件進行了直剪試驗，試驗結果表明，試件的強度受巖橋的控制，不同巖橋的布置方式對試件的抗剪強度影響較大，試件的最終破壞源于巖橋核心區的貫通發展。然而，針對具有不同巖橋角度的“三段式”滑坡鎖固段模型的破壞模式以及力學特性差異方面的研究還相對較少。

鑒于此，本文開展了基于聲發射技術的不同巖橋角鎖固段模型破壞試驗研究，旨在研究巖橋角度對鎖固段強度及破壞模式的影響。近年來，聲發射技術作為巖石力學研究領域的一種有效方法常被用于巖石損傷破壞的研究[7-9]。機器學習在利用聲發射信號預測材料斷裂模式中具有良好的效果[10]。本次研究采用聲發射監測技術對不同巖橋角鎖固段模型在單軸加載條件下的變形破壞過程進行同步觀測，一方面研究鎖固段受荷載作用下變形破壞過程的聲發射特征變化規律，研究不同巖橋角度對鎖固段破壞過程的影響；另一方面，大量研究證明，由于聲發射信號蘊含了豐富的巖石微破裂信息，利用高斯混合模型(GMM)對鎖固段不同破壞模式所對應聲發射特征進行聚類分析并建立分類判據，實現通過聲發射特征分析來預測其對應的破壞模式，可為破壞過程的階段識別和監測提供一種技術方法。

1 試驗方案

1.1 巖石試樣制備

試驗選用完整砂巖制作了如圖1所示的4類不同巖橋角度的鎖固段模型，每種模型各制備3個。鎖固段模型前緣、后緣均預制裂縫，前緣裂縫中填充低強度材料石蠟用于模擬鎖固段前緣蠕滑破壞，鎖固段模型的基底和兩側均由涂有油脂的鋼板約束。限于篇幅，本文從12個砂巖制成的鎖固段模型中選出了4個進行分析，巖橋角分別為70°，90°，110°，130°。模型的鎖固段模型高度均為250 mm，頂寬133 mm，底寬250 mm，基座高度為20 mm，模型厚度為3 cm，具體物理模型尺寸參數見表1。鎖固段巖橋長度均為50 mm，不同巖橋的前緣緩傾裂隙長度和傾角保持一致，α和β分別表示張拉裂隙傾角和緩傾裂隙傾角。

1.2 測試方法

本次試驗所用加載裝置為WHY-1000微控壓力試驗機，系統可提供最大軸壓1 000 kN。試驗采用靜

表1 物理模型尺寸參數Tab.1 Size and parameters of physical model

態加載方式，加載過程分兩階段進行：① 預加載階段采用位移控制，加載速度為0.5 mm/min，目標荷載設定為1 kN；② 正式加載階段，加載速度為0.2 mm/min，由軸向應變控制。試驗通過聲發射系統對模型變形破壞全過程所釋放的聲發射信號進行同步觀測。4個聲發射傳感器均勻布置在鎖固段巖橋部位的左右兩側(見圖1)。試驗之前，應對單軸加載系統和聲發射采集系統進行檢測調試，確保試驗的順利開展。同時，為了保證單軸加載系統和聲發射監測系統記錄的數據同步，兩個系統應同時開始采集數據。

2 試驗結果分析

2.1 聲發射特征參數統計分析

2.1.1破壞過程聲發射能量特征

聲發射能量是聲發射源釋放的彈性能量，聲發射能量的釋放能直觀反映巖石內部的破裂變化。因此，本文選用聲發射能量來比較具有不同巖橋角度的鎖固段模型的內部活動變化。通過對比發現，不同巖橋角鎖固段模型中的聲發射能量隨著加載的進行整體均呈現一個增長的過程。聲發射能量、累積能量以及荷載隨著時間的變化發展趨勢如圖2所示。基于對時間-加載曲線和聲發射能量變化過程的綜合分析，本文將鎖固段模型的加載過程分為3個階段。

階段Ⅰ，加載初始階段。在這個階段，荷載隨時間的增長不明顯，幾乎沒有太大的增幅，對4個鎖固段模型而言，荷載均在0～2 kN這個范圍內浮動。出現這種現象是因為砂巖試樣內部存在一些原始微裂紋和孔隙，在前期加載過程中原始微裂紋被壓實。根據加載-時間曲線，說明試驗中不同鎖固段模型內部微裂縫和孔隙被壓實的荷載水平保持在2 kN左右。此階段的聲發射信號主要來源于試樣內部的摩擦作用，并沒有出現真正的巖石破裂。因此，這個階段僅有很小一部分聲發射能量釋放。

階段Ⅱ，裂縫穩定發展階段。將鎖固段模型峰值荷載定義為P，此階段的荷載水平維持在2 kN～85%P這個范圍內。在這個階段，荷載隨著時間呈現出線性增長的趨勢，模型內部逐漸產生新的裂紋，模型內部聲發射活動逐漸變得活躍起來，圖2中可以清楚看到聲發射能量釋放有了明顯的增長。

階段Ⅲ，裂縫不穩定發展及破壞階段。鎖固段模型此階段的荷載水平處于85%P～P之間。這個階段，試樣內部裂紋進入不穩定發展階段，隨著負載的增加，裂縫在鎖固段上發展并且貫通，鎖固段結構面開始發生破壞，此時巖石內部聲發射活動異常劇烈，釋放出大量的聲發射能量，其能量數值遠遠大于前兩個階段，從圖3可以看到聲發射累積能量曲線出現一個幾乎垂直增長的趨勢。

2.1.2破壞過程聲發射計數分布

聲發射計數指的是在試驗中聲發射信號超過閾值的振鈴脈沖次數，它可以很好地揭示巖石材料的破裂機理。圖3繪制了4種巖橋角度的砂巖試樣聲發射瞬時計數、累積計數和荷載隨時間的變化趨勢。可以發現它們之間有著一致的變化規律：在加載初始階段(階段Ⅰ)，僅有很少的聲發射計數；加載中期階段(階段Ⅱ)，聲發射計數逐漸增加，累積聲發射計數隨著時間呈現出線性增長的趨勢；加載后期階段(階段Ⅲ)，由于裂紋的不穩定發展，試件逐漸進入破壞階段，此時可以觀察到聲發射累計計數曲線出現陡增趨勢。聲發射計數的變化過程和聲發射能量的變化過程基本同步。

為了進一步對聲發射計數數據進行分析，將獲得的聲發射計數數據分階段作圖，如圖4所示。在階段Ⅰ中，70°，90°，110°，130° 4種模型的聲發射計數均較少，計數主要集中在40次以下，出現這個現象的原因是由于加載前期鎖固段模型內部主要發生的是原始裂縫被壓實活動，此時并未產生新裂縫。在加載階段Ⅱ時，4個鎖固段模型的聲發射計數均呈現上升趨勢，計數次數主要集中在80以下，計數次數相較于階段Ⅰ提高了一倍，4種模型最高聲發射計數分別達到了140，180，200和190，鎖固段模型內部聲發射活動劇烈，說明此時新裂紋逐漸產生與發展。隨著加載的進行，模型內部產生的裂紋延伸并且逐漸貫通，模型進入到破壞階段(階段Ⅲ)，隨著破裂結構面的產生，聲發射計數劇烈增加。在Ⅲ階段，模型70°、90°、110°、130°的最高聲發射計數均達到20 000次，模型90°的最高聲發射計數有18 000多次，聲發射活動頻率顯著增大，此時模型內部裂縫劇烈發展，直至模型破壞失效。

2.2 RA-AF分布特征及破壞模式

本文采用了高斯混合模型(Gaussian Mixture Model，GMM)方法對4類鎖固段模型3個加載階段的RA值和AF值進行分析，進而判斷出鎖固段模型的破裂模式。GMM是一種常用的機器學習聚類算法，該方法使用高斯概率密度函數量化事物，將一個事物分解為若干個高斯概率密度函數，理論上能擬合出任意類型的分布，常用于解決同一集合下有多重不同分布的問題[11-13]。GMM的詳細信息如下[14-15]。

如果一個隨機變量y的概率密度函數如公式(1) 所示，則y服從正態分布或高斯分布：

=N(y|μ，σ2)；-∞0

(1)

式(1)等效于y～N(μ，σ2)，表示隨機變量y服從正態分布，μ是平均值，σ2是方差。GMM是一種參數化的概率密度函數，表示為高斯分量密度Q的加權和，如公式(2)所示：

(2)

式中：y是一個D維連續向量；ωi是混合權重；Ni(y|μi，∑i)是高斯密度的分量。

每個單模態的高斯分量密度的形式是一個D變量高斯函數，表示為

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

本文通過采集到的聲發射參數信息計算RA和AF值，為了更直觀地分析不同鎖固段模型的RA-AF分布差異，基于GMM繪制了關于RA值和AF值的分布密度圖，如圖5所示。其中，密度圖的顏色色階代表了不同的數據密度，色階從紅色到紫色表示數據密度從稀疏變為密集，藍色區域和紫色區域的數據密度更高，而紅色區域的數據密度較為稀疏。其中，RA和AF的值由式(10)和式(11)來定義：

(10)

(11)

GMM依據該分布特征將破壞模式分為拉伸破裂和剪切破裂，并賦予所有數據相對應的分類標簽。為保證模型的泛化能力，本文隨機選取數據集中20%的數據作為測試集。以往研究結果證明：剪切裂紋通常具有較大的RA值和較小的AF值，而拉伸裂紋則具有較大的AF值和較小的RA值[16-17]。以圖5(a)為例對RA-AF密度圖進行說明，圖中數據密度較高的區域被橢圓虛線標注出來，由豎放橢圓圈出來的數據區域主要代表剪切裂紋，反之則代表拉伸裂紋。根據GMM聚類結果，計算了鎖固段模型內部剪切裂縫占比情況，如表2所列。70°，90°，110°，130°模型在破壞階段的剪切破裂占比分別為32%，37%，56%，22%，該剪切裂紋占比情況與RA-AF密度圖反映出的剪切和拉伸裂紋分布情況相一致。

有研究表明，初級裂縫一般為拉伸裂縫并且在原有裂縫的尖端或尖端附近引發[18-19]。本次試驗通過工業相機記錄了模型表面宏觀裂紋的形成與發展過程，不同巖橋角度的鎖固段模型均先在前緣緩傾裂縫的后端部因前緣蠕滑受拉產生一條微裂縫，這條微裂縫與前緣緩傾裂縫呈90°并往模型頂部發展，這條裂縫被稱為機翼裂縫[20-21]。機翼裂縫發展形成以后，繼續加載，各個模型的加載形態開始有所差異：70°模型在機翼裂縫形成后不久，后緣預制裂縫下端部受拉，出現一條與前緣機翼裂縫平行的微裂縫，鎖固段模型被破壞；90°模型隨著加載的進行，又在后緣預制裂縫下端出現一條朝著模型底部發展的裂縫，能量不斷在鎖固段被積累，最終該裂縫發展到與前緣緩傾裂縫后端相連接，模型突然被破壞；110°模型和130°模型的裂縫發展情況比較相似，兩者產生的機翼裂縫不斷向模型上端發展，幾乎快要與模型上端部相貫通，當加載達到模型極限承載能力時，鎖固段發生斷裂，兩者均發生突發性破壞。

表2 不同巖橋角度鎖固段模型在不同加載階段時的剪切裂紋占比Tab.2 Proportions of shear cracks in different slope models at different loading stages

通過對4種鎖固段模型破壞模式的分析，可以發現鎖固段模型的巖橋部分是抵抗自重和外荷載、維護鎖固段整體穩定性的關鍵部位，鎖固段的破壞往往具有突發性特征。鎖固段模型最終破壞形式如圖6所示。將鎖固段模型上的裂縫發展過程與計算出的模型剪切破裂占比相結合，可以總結出這4種模型的最終破壞形式：巖橋角為70°和90°時，發生是以拉伸破裂為主的拉-剪混合破壞模式；巖橋角為110°時，鎖固段模型是以剪切破裂為主的拉-剪混合破壞模式；巖橋角為130°時，鎖固段模型是以受壓產生的劈裂模式為主。

2.3 力學特性分析

根據以往的研究結果，模型的失效通常與相對應的裂紋啟動模式有關[22]。對比4種鎖固段模型的位移-荷載曲線，這4條曲線在單軸加載后期均可觀察到在某一時刻的荷載瞬時下降了一部分，繼而又往上增長，直到加載達到模型的極限承載能力時，鎖固段模型發生破壞。導致這種現象的原因是，鎖固段模型在加載過程中，首先是在前緣緩傾裂縫后端部產生一條宏觀裂縫，該裂縫的產生導致荷載曲線出現第一次下降，隨著單軸加載的繼續進行，荷載再一次呈現上升趨勢，直至鎖固段結構面上主要裂縫的貫通，鎖固段的強度完全丟失，試件宣告破壞，這是一個強烈的應力釋放過程。該破壞為脆性破壞，破壞前沒有明顯征兆，具有突發性強、危險性大的特點。如圖2所示，在4種鎖固段模型加載過程中，有3種模型(分別為70°，90°，130°模型)在最終破壞前均出現應力回彈現象，并且該現象均發生于峰值荷載的85%以后。出現此現象的原因可能是因為鎖固段某部分開始破壞，但仍具有一定的鎖固能力。因此，可將此現象作為鎖固段模型臨近破壞的前兆信息。

圖7繪制了4種鎖固段模型的位移-荷載變化曲線圖，圖中70°，90°，110°，130°模型的峰值荷載分別為5.94，16.28，38.54，59.82 kN。對制備的不同巖橋角的鎖固段模型峰值荷載取平均值，從θ=70°～130°，平均峰值荷載分別為6.18，17.46，38.27，49.76 kN。可以看出，鎖固段模型的平均峰值荷載隨著巖橋角的增大而不斷增大，巖橋角越小，鎖固段模型越早達到峰值點，平均峰值荷載越小。130°模型的平均峰值荷載是70°模型平均峰值載荷的8倍。影響其峰值荷載的原因有兩個：巖橋角度的大小以及后緣張拉裂隙傾角的大小變化。由表1可以看出，隨著巖橋角度的增大，后緣張拉裂隙傾角也隨之線性增大，鎖固段模型承壓巖石材料增加，最終導致鎖固段模型所能承受的峰值荷載增大。圖8非常直觀地反映出鎖固段模型的平均峰值荷載隨著鎖固段巖橋角度增大而不斷增加的趨勢，幾乎呈線性增長趨勢。由此可以得出結論，在前緣緩傾裂隙長度和傾角一定時，鎖固段巖橋角度的大小對于鎖固段模型的強度有很大影響，巖橋角度越大，后緣張拉裂隙傾角越大，鎖固段模型承壓材料越多，故鎖固段模型的抗壓能力越好。

因此，根據本次試驗結果，為鎖固段滑坡的防治提供了借鑒：當“三段式”滑坡的巖橋角處于70°～130°范圍時，巖橋角度越大，鎖固段能承受的荷載越大，越有利于鎖固段穩定性；當巖橋角處于較小水平時，鎖固段的危險系數越大，應針對實際情況采取相應安全防護措施。

3 結 論

本文采用聲發射技術對不同巖橋角度的鎖固段模型進行監測，分析了鎖固段模型的聲發射特性及其變化規律，了解了不同巖橋角度的鎖固段模型的破裂形式，得出了以下幾點結論。

(1) 基于聲發射能量和聲發射計數變化趨勢，發現鎖固段模型的破裂過程有明顯的分段特征，聲發射能量和計數變化趨勢基本一致。在加載前期階段(階段Ⅰ)，聲發射能量與計數并未有太大的變化；加載中期階段(階段Ⅱ)，聲發射總能量與總計數均呈現線性增長的趨勢；加載后期階段(階段Ⅲ)，聲發射總能量與總計數均發生陡增。聲發射參數的變化形象地描繪了巖石內部裂紋的動態演化過程。

(2) 對鎖固段模型整個加載過程進行分析，發現4種鎖固段模型從開始加載到最終破壞均會產生兩條影響巖石強度的主要裂縫：初級裂縫是由于鎖固段模型前緣蠕滑導致前緣緩傾裂縫尖端或尖端附近引發的拉伸裂縫，該裂縫與前緣緩傾裂縫呈90°傾角并往模型頂部發展；第二條裂縫是鎖固段結構面上產生的剪切裂縫，這條裂縫的貫通發展是導致鎖固段模型破壞的關鍵所在。

(3) 結合機器學習算法，對聲發射參數進行非監督聚類分析，總結出4種鎖固段模型的最終破壞形式：巖橋角小于90°時，發生的是以拉伸破裂為主的拉-剪混合破壞模式；巖橋角為110°時，鎖固段模型發生的是以剪切破裂為主的拉-剪混合破壞模式；巖橋角為130°時，鎖固段模型主要產生因受壓導致的劈裂破壞模式。

(4) 鎖固段巖橋角度的大小對鎖固段模型的強度有很大影響，不同巖橋角度的鎖固段模型能夠承受不同的峰值荷載。鎖固段模型的承載能力隨巖橋角度的增大而增大，巖橋角度越小，鎖固段模型越早達到峰值點，平均峰值荷載越小；巖橋角度越大，鎖固段模型的抗壓能力越強。