巖質邊坡砂巖物理作用下力學特征及聲發射特性試驗研究

摘要：為研究北部灣—桂北一級公路巖質邊坡砂巖承載力學特性，文章結合高、低溫物理環境因素影響，設計開展了砂巖試樣的力學加載與聲發射實時監測試驗。結果表明：高、低溫物理作用的差異性會改變試樣應變發展方向，產生兩種截然不同的應變趨勢特點；高、低溫物理作用時的溫差會削弱試樣承載能力，特別是在溫差超過100 ℃后尤為顯著；高、低溫交替作用對應變趨勢影響較小，當交替作用愈強，試樣承載應力愈低，且圍壓對此種削弱效應影響較小；在高、低溫物理作用下，聲發射振鈴累計數在峰值應力點前具有增幅節點差異，而在交替作用下，聲發射平靜期時序長短各有不同；基于聲發射技術，可對工程巖質邊坡進行穩定性監測，預判邊坡失穩節點。研究結果可為砂巖基礎力學試驗分析及聲發射細觀特征探討提供參考。

關鍵詞：巖質邊坡；砂巖；力學；聲發射；試驗

中圖分類號：U416.1+4

0 引言

邊坡是工程建設中常見的一種地質特征，其穩定性直接關乎工程建設和運營的安全性［1-2］。如何確保邊坡不發生大滑移或失穩，乃是工程師們持續探討的重要課題。李平、李玉林［3-4］為研究邊坡安全性的影響，針對土層邊坡的滲流、安全系數變化等，開展了試驗研究、仿真計算等，從宏、細觀多維度評價邊坡穩定的影響特性，為工程治理邊坡提供依據。陳蘭蘭、蘇文杰等［5-6］為探討邊坡失穩機理，借助了微震、聲發射等監測手段，從邊坡內部滑移面的產生、擴展、演變等入手，分析了滑移面的發展趨勢與邊坡失穩的關聯性，從而揭示邊坡工程失穩的誘因。此外，黃志豪、計陽［7-8］提出邊坡失穩常常與巖土體穩定性密切相關，故基于巖土體的基礎力學問題，設計開展了邊坡巖土體的力學特征影響變化研究，極大豐富了邊坡工程的機理探討成果，有助于推動邊坡治理水平。巖質邊坡是邊坡工程中一種特殊類型，要確保巖質邊坡安全，必須了解邊坡巖體基礎力學特征變化規律，從而有針對性地提出加固措施，本文即是在此背景下進行巖質邊坡的巖石力學試驗研究，旨在為工程建設提供依據。

1 研究概述

1.1 工程概況

為推動北部灣城市群與南寧、桂林地區的聯動發展，加強北部灣城市群在全廣西的核心樞紐作用，提高桂北、桂南地區的經濟流動和交通便利性，建設了桂北、桂南公路交通大動脈，主要作用為聯系北部灣城市群。根據規劃設計資料得知，該公路北起柳州官塘，南至防城港口，途經南寧、欽州等市縣，設計為國家一級公路標準，雙向四車道，全路段橋隧比約為18.5%，全路段新修公路長度為320 km，改擴建長度約為240 km。根據對北部灣-桂北一級公路沿線調查，途經路段大多地質構造分布較平均，采用的瀝青路面結構層經仿真對比計算后認為能滿足抗氧化、耐久性要求。最大的設計難點來源于部分路段的巖質邊坡威脅。由地勘設計可知，在南寧新江鎮與欽州那蒙鎮之間分布有較多巖質邊坡，位于公路西側。目前公路建設還處于規劃設計階段，巖質邊坡未進行施工開挖，故設計部門在前期通過三維仿真建模方法，對坡體進行了模擬分析。計算得出，該路段大多數巖質邊坡主要巖性為砂巖，坡度為32°～35°，邊坡面寬度為5～30 m，巖層埋深較淺，幾乎所有邊坡面均可見明顯出露，厚度為1.5～4.2 m，部分邊坡上覆有第四系土層，厚度為1.9～3.6 m，主要為人工土與粉質砂土等。從三維仿真模擬結果中，提取獲得了巖質邊坡幾何形態，如圖1所示為南寧新江鎮K105+220處典型巖質邊坡，巖層傾角為40°～60°，具有順層滑移傾向。圖1中所示的巖質邊坡最高處為337.9 m，征地邊線與場地紅線間距為30 m，仿真計算中開挖高度為32 m，據穩定性結果分析得知，當開挖高度超過35 m后，巖質邊坡會形成寬度為3.8 m的滑移面，同步受邊坡砂巖承載失穩影響，極大威脅著公路建設的安全性。為此，工程設計部門基于邊坡三維仿真計算結果，先期開展該巖質邊坡的巖體力學基礎分析，結合物理場環境影響，探討巖體力學特征影響變化，以期對工程建設、邊坡加固等提供理論依據。

1.2 試驗介紹

為確保砂巖基礎力學研究成果的準確性，本次研究所選用的砂巖取自南寧新江鎮K105+220處典型巖質邊坡，經工程現場密封處理后，在實驗室內采用精加工設備完成了試樣的切割、打磨、精加工，所有試樣尺寸均為圓柱體形態，直徑、高度分別為50 mm、100 mm，同時為確保試驗結果不受其他因素影響，本次選用的巖樣表面無直徑＞1 mm的裂隙，含水率均為3.8%～5%。

除此之外，本次研究中采用美產MTS815力學試驗設備進行砂巖力學試驗，同時配備有AW21C聲學監測系統。力學試驗設備最大軸荷為4 500 kN，軸向最大位移可至10 cm，配置了LVDT引伸計、CVDT環向引伸計等精密測量裝置。其中，軸向位移量程為-5～5 mm，環向CVDT位移量程為-10～10 mm，各傳感器的測試結果最大誤差≤0.5%，加載平臺內所采用的荷載傳感器波動頻率≤0.1%。聲學監測系統與力學加載設備相互獨立，互不干擾，同時可實時監測試樣加載過程中的裂隙演變特征，其聲發射門檻值為35 dB。為系統性評價邊坡砂巖的承載力學影響特性，本文研究中加入了物理場環境因素，即以凍融交替作為高、低溫物理環境。所有試樣在進行力學加載前，均需完成相應的凍融交替作用，試驗箱內測試溫度為-40 ℃～150 ℃，本次試驗中低溫均設定為-20 ℃，高溫分別設定為20 ℃、35 ℃、50 ℃、65 ℃、80 ℃、95 ℃、110 ℃。

根據巖質邊坡治理所需參數要求，本文試驗設計包括了兩方面：（1）高、低溫物理作用路徑影響；（2）高、低溫物理作用循環效應影響。后者高、低溫交替次數設定為10～60次，梯次為10次，試驗圍壓設定為5 MPa、20 MPa、35 MPa，各組試驗參數設計如表1所示。

2 砂巖物理作用下力學特征

2.1 高、低溫物理路徑

基于不同高、低溫物理路徑下砂巖力學試驗，獲得了典型圍壓下高、低溫物理路徑影響下的砂巖試樣應力應變特征，如圖2所示。由圖可知，高、低溫物理路徑不同，試樣應力應變曲線發展、應變破壞效應各有區別，但總體上分為兩種：（1）軟化型，在出現峰值應力點后，應力快速回落、應變發展較慢的特點，此種類型下試樣應變破壞以彈脆性為主，該類型下高、低溫路徑主要是-20 ℃～20 ℃、-20 ℃～35 ℃、-20 ℃～50 ℃、-20 ℃～65 ℃四組試樣，圍壓5 MPa時，峰值應變也大多維持在0.72%；（2）硬化型，峰值應力與殘余應力差距較小，即使出現了峰值應力，但隨著試驗繼續加載，試樣仍會保持較高應力水平，同時應變在該階段快速反應，而應力變幅較低，此種類型下試樣宏觀裂隙反而較少［9］，該類型下高、低溫路徑為-20 ℃～80 ℃、-20 ℃～95 ℃、-20 ℃～110 ℃三組試樣，圍壓5 MPa、20 MPa下分別在應變0.7%、0.98%后進入了應變強化段。

雖然高、低溫路徑差異性下，試樣的應變特點各有差異，但隨著高、低溫路徑下溫度差距愈大，應力水平實質上是處于遞減狀態。圍壓20 MPa時，高、低溫路徑為-20 ℃～20 ℃試樣峰值應力為116.9 MPa，當高、低溫路徑差距每梯次增大10 ℃，其峰值應力每梯次平均減少了12.6 MPa，降幅為15.8%，且降幅在高、低溫路徑為-20 ℃～80 ℃后更為顯著，最大梯次降幅可達24.5%。同樣的，圍壓5 MPa下，整體上七組試樣峰值應力均有減少，較之圍壓20 MPa下降低了41.5%～62.2%，分布于15.6～68.4 MPa，當高、低溫路徑差距每梯次增長時，其峰值應力同樣為遞減，且在高、低溫路徑-20 ℃～80 ℃至-20 ℃～110 ℃下有梯次降幅27.8%，分布于31.95～15.6 MPa。對比可知，高、低溫路徑下溫度差距愈大，愈能引起砂巖自身損傷效應，降低其承載能力；同時，圍壓增大，有助于降低高、低溫物理路徑對砂巖承載能力的削弱效應。

2.2 高、低溫物理交替

基于高、低溫物理交替作用下砂巖力學試驗，獲得了高、低溫物理交替作用對試樣應力應變的影響情況，如圖3所示。分析圖3可知，與高、低溫物理路徑影響效應不同，高、低溫物理交替作用不會改變同一圍壓下試樣的應力應變曲線特征，不論是在圍壓5 MPa或是35 MPa，各交替作用下的試樣應變發展、峰值應力后曲線均保持一致。圍壓5 MPa時，各試樣峰值應變均為0.75%，在峰值應力點后，試樣出現了大幅度應力回落、應變慢速發展特征，同步至應變1.7%后，試樣均出現了殘余應力。圍壓35 MPa下，在應變1.46%后，試樣逐步強化了應變發展速率，應力維持在較高水平，最大變幅≤1%。不難看出，高、低溫物理交替下，對應變發展、應變破壞特征影響較小，反而圍壓作用會直接從根本上改變應變趨勢。

從應力水平影響變化來看，高、低溫物理交替作用與之為負相關。圍壓5 MPa時，高、低溫交替10次時試樣峰值應力為68.99 MPa，而高、低溫交替20～50次下，相應峰值應力分布于56.9～12.9 MPa，隨著高、低溫物理交替每增加10次，其峰值應力平均減少了11.2 MPa，降幅為28.1%，且主要降幅集中于40～60次。分析表明，高、低溫物理交替作用逐步加強，會更加削弱砂巖試樣的承載水平［10］。當圍壓增大至35 MPa，各試樣峰值應力分別增長至218.9～58.9 MPa，增幅為2.2～3.6倍，且隨高、低溫交替梯次遞增，該圍壓組下峰值應力平均減少了32.2 MPa，降幅為22.6%。綜上分析可知，高、低溫物理交替作用會削弱砂巖承載能力，但不會改變同一圍壓環境下的變形破壞特點，同時物理交替作用愈強，會更加削弱砂巖承載應力，且圍壓對此種影響作用改變較小。

3 砂巖加載過程聲發射特征

聲發射是直接反映試樣內部裂隙衍生和擴展的重要細觀監測參數。基于聲發射數據的處理，獲得了砂巖試樣加載過程聲發射累計振鈴計數時序變化特征，如圖4所示。由圖4（a）可看出，不同高、低溫作用路徑下，聲發射振鈴累計數變化曲線各有特點，有的路徑下試樣具有顯著聲發射平靜期，如路徑-20 ℃～65 ℃和-20 ℃～-35 ℃，有的路徑下試樣全過程聲發射振鈴累計數均在遞增，且在達到峰值應力時具有振鈴累計數的最大增幅，例如路徑-20 ℃～110 ℃。從振鈴累計數與峰值應力點出現時間來看，大多數試樣在出現峰值應力前，具有振鈴累計數的陡增特征。在圖4（b）中，不同交替作用強度下，聲發射振鈴累計數平靜期的出現是最大差異點，當交替作用愈強，振鈴累計數的平靜期持續時間較短，很快就能進入陡增段，而交替作用較弱時，由于砂巖內部顆粒結構還處于穩定狀態，其裂隙的擴展還處于有序、穩定期［11-12］，故聲發射平靜期持續時長較大。綜合來看，通過聲發射振鈴累計數變化可預測試樣失穩破壞。在不同高、低溫路徑下，聲發射振鈴累計數在到達峰值應力點前，會具有明顯陡增段；而在高、低溫交替作用下，可通過平靜期時序長短判別試樣的穩定性，這對工程監測巖質邊坡穩定性具有啟示作用。

4 結語

本文基于試驗結果分析得到以下幾點結論：

（1）高、低溫作用路徑不同，試樣應力應變發展具有顯著差異。高溫溫度≤65 ℃下，彈脆性應變為主導；高溫為80 ℃～110 ℃的試樣，具有較強的延塑性變形；高、低溫路徑下溫度差距愈大，應力水平愈低，且降幅在高溫80 ℃后更為顯著。

（2）高、低溫物理交替作用不會改變試樣應變發展特點，圍壓對應變影響作用高于高、低溫物理交替效應；交替作用愈強，試樣承載能力愈弱，圍壓5 MPa、35 MPa下，隨高、低溫物理交替每增加10次，相應梯次試樣峰值應力平均減少28.1%、22.6%。

（3）聲發射振鈴累計數可預測砂巖試樣失穩破壞，高、低溫路徑下最大差異點在于峰值應力點前的振鈴累計數陡增，高、低溫物理交替作用對聲發射平靜期影響更為顯著。

（4）可采用聲發射技術對巖質邊坡進行穩定性監測，有助于預判邊坡失穩的風險。

參考文獻

［1］陳忠源，戴自航，簡文彬.基于因子權重反分析的新近失穩土質邊坡穩定性評價云模型［J］.中國地質災害與防治學報，2023，34（4）：125-133.

［2］杜 宇.基于離散元方法的反傾層狀巖質邊坡變形破壞影響因素研究［J］.水利科技與經濟，2023，29（8）：88-91.

［3］李 平.降雨強度對路塹邊坡穩定性影響研究［J］.地下水，2023，45（4）：208-210.

［4］李玉林.不同降雨強度下西南某土質邊坡滲流分布特征［J］.中國水運（下半月），2023，23（7）：118-120.

［5］陳蘭蘭，夏益強，肖海平，等.露天礦邊坡穩定性監測方法研究現狀及進展［J］.測繪通報，2022（5）：7-13.

［6］蘇文杰.基于微震試驗掃描監測技術的路塹高邊坡穩定性分析［J］.工程機械與維修，2022（3）：175-177.

［7］黃志豪.基于生態護坡理念的河道岸坡土體力學試驗及安全穩定性研究［J］.水利科學與寒區工程，2023，6（1）：22-26.

［8］計 陽.土釘支護方式加固邊坡的應力變形力學特性研究［J］.陜西水利，2023（1）：110-112.

［9］鄧焜耀.高溫冷卻對砂巖孔隙變化影響的研究［J］.土工基礎，2023，37（2）：330-334.

［10］任建喜，張 路，張 琨，等.凍融裂隙砂巖三軸壓縮破壞特征宏細觀試驗研究［J］.科學技術與工程，2023，23（16）：7 056-7 063.

［11］王 杰，袁國濤.不同加載速率下深部砂巖的聲發射與破裂響應特征［J］.采礦與巖層控制工程學報，2023，5（4）：65-76.

［12］孫 舒，趙曉東，田秋紅，等.不同圍壓梯度下砂巖力學及聲發射特性研究［J］.路基工程，2023（3）：115-120.

收稿日期：2024-03-23

作者簡介：吳榮春（1989—），工程師，主要從事道路與橋梁施工工作。