高恒阻滑坡監(jiān)測錨索靜力拉伸特性試驗及應(yīng)用

, , , , (1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) a.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室; b.力學(xué)與建筑工程學(xué)院, 北京 10008；2.紹興文理學(xué)院 巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害實驗中心, 紹興 12009； .河北工程大學(xué) 科學(xué)技術(shù)研究院，河北 邯鄲 05608)

1 研究進展

20世紀50年代以來，隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的提高，錨固加固理論、設(shè)計方法、規(guī)程規(guī)范、防腐手段的逐漸完善，預(yù)應(yīng)力錨索的發(fā)展越來越快。預(yù)應(yīng)力錨索加固、監(jiān)測、預(yù)警技術(shù)作為一種有效提高邊坡巖土體穩(wěn)定性和超前監(jiān)測的措施已被許多工程實踐所證實[1-2]。

滑坡問題是自然災(zāi)害的一部分,已成為同地震和洪水相并列的全球性3大地質(zhì)災(zāi)害之一。在重力和頻繁人工擾動的綜合影響下，自然邊坡或人工開挖邊坡穩(wěn)定性受到破壞，滑體沿著一個或多個潛在滑動面向下整體滑動而引發(fā)大變形滑坡災(zāi)害[3]。

目前，對于高陡邊坡加固及監(jiān)測，主要依靠傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索體系及其衍生支擋結(jié)構(gòu)工程[4-5]。然而，由于大部分滑坡失穩(wěn)是大變形問題，現(xiàn)有基于傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索體系的支護和加固理念已經(jīng)無法適應(yīng)巖土體(邊坡巖體、隧道圍巖)的大變形演變規(guī)律，僅通過提高錨索強度的方法并不能抵抗邊坡滑動破壞。針對上述問題，何滿潮院士研發(fā)了高恒阻滑坡監(jiān)測錨索[6-7]，具有“抗中有讓，讓中有抗，恒阻防斷”的力學(xué)特性，可對滑坡、發(fā)震斷裂活動等災(zāi)害的全過程進行實時監(jiān)測和超前預(yù)警，但是針對高恒阻大變形錨索在靜力拉伸條件下的負泊松比試驗特性尚屬研究空白。

本文分析了高恒阻滑坡監(jiān)測錨索的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，并對高恒阻滑坡監(jiān)測錨索進行靜力拉伸試驗，從力-位移力學(xué)實驗特性、直徑變形量、橫向應(yīng)變變化規(guī)律、徑向應(yīng)變變化規(guī)律和溫度變化規(guī)律5個方面進行深入研究，對試驗結(jié)果進行討論分析，總結(jié)高恒阻滑坡監(jiān)測錨索的靜力拉伸力學(xué)性能，并揭示其幾何尺度和應(yīng)變尺度上的負泊松比效應(yīng)。在上述研究的基礎(chǔ)上，將該錨索應(yīng)用于南芬露天鐵礦邊坡安全監(jiān)測現(xiàn)場，成功對“2010-0731滑坡”全過程進行了監(jiān)測預(yù)警。

2 高恒阻滑坡監(jiān)測錨索的結(jié)構(gòu)組成

傳統(tǒng)泊松比(NP)材料在拉伸和剪切過程中會產(chǎn)生橫向收縮，極易拉斷破壞；而負泊松比(NPR)效應(yīng)材料在受到拉伸時，垂直于拉應(yīng)力方向會發(fā)生膨脹，而不是發(fā)生通常的收縮；在受到壓縮時，材料在垂直于應(yīng)力方向發(fā)生收縮，而不是通常的膨脹；在受到彎曲時，負泊松比材料由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)為球形腔，在張力的作用下，球型腔大多為等規(guī)圓筒狀結(jié)構(gòu)，使應(yīng)力集中效應(yīng)大為減弱。負泊松比材料同時顯示出更強的力學(xué)與物理特性，這也就意味著其可以被同時定義為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。

基于上述思想，高恒阻滑坡監(jiān)測錨索主要由常規(guī)鋼絞線、恒阻體、恒阻套管、新材料填充材料、擋板、隔板、防滑擋板等組成，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 高恒阻滑坡監(jiān)測錨索結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structural composition of high constant-resistance cable for landslide monitoring

圖2 高恒阻滑坡監(jiān)測錨索工作原理Fig.2 Working principle of high constant-resistance cable

恒阻體和恒阻套管的最優(yōu)幾何配比，是實現(xiàn)高恒阻大變形的關(guān)鍵，要滿足當錨索軸向外荷載(軸向拉力)大于鋼絞線彈性變形量時，恒阻體就開始沿著恒阻套管內(nèi)壁發(fā)生摩擦滑移，確保高恒阻滑坡監(jiān)測錨索不會被拉斷破壞，利用徑向彈塑性變形來確保軸向變形在彈性范圍內(nèi)。

3 工作原理及力學(xué)模型建立

3.1 工作原理

高恒阻滑坡監(jiān)測錨索的恒阻力來源于恒阻體與恒阻套管間相對滑動產(chǎn)生的摩擦力。邊坡巖體變形時，產(chǎn)生的拉力作用在恒阻套管上，隨著巖體變形的逐漸積累，當拉力≥設(shè)計恒阻力時，恒阻裝置內(nèi)的恒阻體沿著套管內(nèi)壁發(fā)生摩擦滑移，在滑移過程中保持恒阻特性，依靠恒阻裝置的結(jié)構(gòu)變形來抵抗邊坡巖土體的變形破壞，如圖2所示。

3.2 力學(xué)模型建立

高恒阻滑坡監(jiān)測錨索核心部分恒阻器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其力學(xué)模型如式(1)所示[8]。

P0=2πfIsIc。

(1)

其中：

(2)

(3)

式中:P0為恒阻值(kN)；f為靜摩擦系數(shù)；Is為恒阻套管彈性常數(shù);Ic為恒阻體的幾何常數(shù)。

圖3 恒阻器黏彈性應(yīng)力分析Fig.3 Stress analysis for the visco-elastic resistance unit

通過式(1)、式(2)和式(3)，可以發(fā)現(xiàn)高恒阻滑坡監(jiān)測錨索的恒阻力只取決于恒阻套管的彈性常數(shù)Is和恒阻體的幾何常數(shù)Ic，而不依賴于外部荷載。

高恒阻滑坡監(jiān)測錨索中包含恒阻體和恒阻套管2部分結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點如下：

(1)將高恒阻滑坡監(jiān)測錨索的“材料變形”轉(zhuǎn)化為“結(jié)構(gòu)變形”，即恒阻體與恒阻套管間的相對摩擦位移。這樣只要在設(shè)計中使錨索的恒阻力P0<錨索材料的彈性極限，理論上變形量可以設(shè)計成任意長。

(2)在靜載荷條件下，高恒阻滑坡監(jiān)測錨索的恒阻力與外載荷無關(guān)，而僅與呈錐臺狀的恒阻體的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和恒阻套管的彈性參數(shù)有關(guān)[9]。

4 靜力拉伸室內(nèi)試驗

4.1 試驗系統(tǒng)

本次試驗采用由中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室自主研發(fā)的HWL-2000恒阻大變形錨索靜力拉伸試驗系統(tǒng)。高恒阻滑坡監(jiān)測錨索實驗系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 高恒阻滑坡監(jiān)測錨索實驗系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of testing system

4.2 試驗條件

4.2.1 試件幾何特征

本次試驗采用的高恒阻監(jiān)測錨索全長Lave=1 824 mm，恒阻套管外徑D=120 mm，參數(shù)如表2所示。

表2 高恒阻滑坡監(jiān)測錨索參數(shù)Table 2 Parameters of test cables mm

4.2.2 試驗環(huán)境特征

本次試驗室內(nèi)環(huán)境設(shè)定在14 ℃，濕度為60%，滿足現(xiàn)場恒阻器在錨墩內(nèi)封裝的實際環(huán)境。

4.2.3 加載速率特征

基于現(xiàn)場邊坡1 a的測試數(shù)據(jù)，邊坡在變形破壞前其深部滑移變形速率約20 mm/min，因此室內(nèi)靜力拉伸試驗加載速率(即拉伸速率)設(shè)定為20 mm/min。

4.3 恒阻力和變形量試驗結(jié)果分析

采用位移控制方法，對高恒阻滑坡監(jiān)測錨索進行拉伸試驗，通過試驗獲得高恒阻滑坡監(jiān)測錨索的拉力-位移曲線，揭示恒阻力-位移變化規(guī)律。另外，通過測定試驗前后恒阻套管直徑的變形量，揭示高恒阻滑坡監(jiān)測錨索在幾何尺度上的負泊松比效應(yīng)。

4.3.1 恒阻力-位移曲線

本次共進行了3組高恒阻滑坡監(jiān)測錨索靜力拉伸試驗，試驗結(jié)果顯示：試件最大變形量約850 mm，恒阻力平均值約464 kN，詳見表3；試驗曲線如圖4所示。

表3 靜力拉伸試驗數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data of static tensile test

圖4 高恒阻滑坡監(jiān)測錨索力-位移曲線Fig.4 Curves of tensile force vs. tensile deformation of cables

4.3.2 恒阻套管直徑測量

對恒阻套管直徑采用十字法測量，分別測量套管橫斷面a-a和b-b兩個垂直方向的外徑，每隔100 mm設(shè)置一個測點，用游標卡尺讀取試驗前后恒阻套管外徑的變化規(guī)律。

試驗前后3組恒阻套管在a-a方向的直徑變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 試驗前后恒阻套管的直徑變化Fig.5 Changes in diameter of casing before and after test

圖5顯示試驗前試件HMS-2-15恒阻套管在a-a方向的外徑約121.42 mm，試驗后平均外徑約126.42 mm，試驗前后恒阻套管在a-a方向上膨脹5 mm；試驗前該試件的恒阻套管在b-b方向上的外徑約121.67 mm，試驗后平均外徑約126.06 mm，試驗前后恒阻套管在b-b方向上膨脹4.39 mm。通過對3組試件進行相同試驗后，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)試驗前后恒阻套管外徑平均膨脹4.98 mm，均表現(xiàn)出負泊松比特性。

4.4 恒阻套管應(yīng)變特性試驗結(jié)果分析

4.4.1 測試系統(tǒng)

本次采用DH3818型靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)對高恒阻滑坡監(jiān)測錨索應(yīng)變特性進行測試。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集箱、微型計算機及分析軟件組成。

4.4.2 應(yīng)變片監(jiān)測點設(shè)計

考慮到被測恒阻套管長約1 m，外徑φ121 mm，周長約380 mm，應(yīng)變片監(jiān)測點布置原則如下：

(1)布置監(jiān)測線9條，監(jiān)測線間距約100 mm，見圖6(a)；

(2)每條監(jiān)測線上按順時針布置監(jiān)測點4個，監(jiān)測點夾角90°，見圖6(b)。

圖6 應(yīng)變片測試點軸向和徑向分布Fig.6 Axial and radial distribution of strain test points

4.4.3 軸向應(yīng)變曲線

當恒阻錨索受到靜力拉伸時，設(shè)置于恒阻套管外壁上的應(yīng)變片隨著恒阻體滑移產(chǎn)生拉伸或壓縮狀態(tài)(圖7(a))，表現(xiàn)出不同的微應(yīng)變曲線。HMS-2-15試件軸向應(yīng)變測試曲線如圖7所示。其中,圖7(a)為恒阻套管結(jié)構(gòu)示意圖，圖7(b)為恒阻體大樣圖,在靜力拉伸過程中恒阻套管徑向同時發(fā)生彈性、彈塑性、二次彈性和塑性4種狀態(tài)。

圖7 恒阻套管軸向時間-應(yīng)變曲線Fig.7 Curves of axial strain of casing against time

(1)彈性變形階段：恒阻體與恒阻套管外壁上設(shè)置的應(yīng)變片具有3種空間位置關(guān)系，即Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ(圖7(b))。選取H1測點為例，當恒阻體小端抵達應(yīng)變片位置時，應(yīng)變片產(chǎn)生壓縮變形(假設(shè)應(yīng)變片壓為+，拉為-)，發(fā)生彈性應(yīng)變，使恒阻套管H1測點附近軸向應(yīng)變逐漸增加到1.5×10-2(圖7(c))，H1對稱測點H3具有相同的變形特征(圖7(d))。

(2)彈塑性變形階段：當恒阻體大端經(jīng)過應(yīng)變片時，應(yīng)變片產(chǎn)生膨脹拉伸，應(yīng)變呈負向增加1.3×10-2，但是由于此刻恒阻套管處于彈塑性階段，負向增加并無法完全抵消彈性階段的微應(yīng)變量，因此由于彈性應(yīng)變可恢復(fù)，最終軸向應(yīng)變?yōu)?.0×10-3；

(3)二次彈性變形階段：當恒阻體大端駛離應(yīng)變片時，應(yīng)變片產(chǎn)生二次壓縮變形，發(fā)生彈性變形，應(yīng)變從2.0×10-3增加到1.65×10-2；

(4)塑性變形階段：當恒阻體大端完全遠離應(yīng)變片時，由于恒阻套管彈性變形極小，應(yīng)變負向增加1.5×10-3，基本上可以認為恒阻套管處于塑性變形階段，應(yīng)變趨于穩(wěn)定，終態(tài)值為1.5×10-2。

4.4.4 徑向應(yīng)變曲線

HMS-2-15試件恒阻套管徑向應(yīng)變曲線如圖8所示。圖8顯示了徑向應(yīng)變隨時間的演變規(guī)律：當恒阻體經(jīng)過測點時，恒阻套管對應(yīng)該測點的位置會發(fā)生彈塑性變形；當恒阻體通過該測點后，該測點會恢復(fù)一小部分彈性變形，最后變形趨于穩(wěn)定，呈水平直線。

圖8 HMS-2-15試件恒阻套管在不同測點處的徑向時間-應(yīng)變曲線Fig.8 Curves of radial strain of casing against time

通過圖8可以看出，徑向5-2、徑向5-3測點與徑向5-1測點、徑向5-4測點在突降段有顯著差異。其中，徑向5-2測點表現(xiàn)的“突降”特征十分顯著，徑向5-3測點出現(xiàn)“突增”現(xiàn)象，這種差異是因試件拉伸過程中超出應(yīng)變片量程而被拉伸破壞。

5 高恒阻滑坡監(jiān)測錨索工程應(yīng)用

5.1 工程概況

本溪鋼鐵集團南芬露天鐵礦礦體賦存于太古界鞍山群含鐵巖段中，呈單斜構(gòu)造，是亞洲最大的單體露天鐵礦之一[10]。南芬露天鐵礦采場下盤邊坡傾向和巖層傾向一致，傾角分別為46°和48°。從1964年開始陸續(xù)發(fā)生滑坡災(zāi)害(近60余次)，形成面積約11萬m3的老滑坡體，嚴重威脅著礦山的安全開采。

5.2 監(jiān)測點設(shè)計

為了能夠?qū)?70 m臺階以下壓覆的近千萬噸鐵礦石進行安全開采，2009年12月，根據(jù)老滑坡體的幾何結(jié)構(gòu)特征和潛在滑動面埋藏深度，設(shè)計在滑坡體上(334～662 m臺階)安裝28個高恒阻滑坡監(jiān)測錨索監(jiān)測點和2個GPS地表位移監(jiān)測點，并對累計采礦量進行統(tǒng)計。在相對穩(wěn)定的采場上盤安裝1個中繼站、1個降雨量監(jiān)測點、1個采礦量統(tǒng)計站，確保所有設(shè)備全部滿足通視條件，如圖9所示。

圖9 監(jiān)測點分布示意圖Fig.9 Distribution of monitoring points

5.3 監(jiān)測預(yù)警準則

根據(jù)監(jiān)測原理和室內(nèi)物理模型試驗結(jié)果，劃分紅、橙、黃、藍4個顏色等級，建立了臨滑、近滑、次穩(wěn)定和穩(wěn)定4級預(yù)警準則(閾值等級)，如表4所示。

表4 預(yù)警準則(閾值)Table 4 Pre-warning criteria (thresholds)

注: 滑動力T=Tn-T0；滑動力增量T=Tn-Tn-1；初始預(yù)應(yīng)力T0=300 kN

(1)按照一級準則判斷，當監(jiān)測區(qū)滑動力緩變增量<300 kN時，邊坡處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，監(jiān)測點呈現(xiàn)藍色。按照二級準則判斷，當滑動力突變量為20～50 kN時，預(yù)警等級上升為次穩(wěn)預(yù)警；當滑動力突變量為50～100 kN時，預(yù)警等級上升為近滑預(yù)警；當滑動力突變量>100 kN時，預(yù)警等級上升為臨滑預(yù)警。

(2)按照一級準則判斷，當滑動力緩變增量300～600 kN時，邊坡處于次穩(wěn)定狀態(tài)，監(jiān)測點呈現(xiàn)黃色。按照二級準則判斷，當滑動力突變量在50～100 kN時，預(yù)警等級上升為近滑預(yù)警；當滑動力突變量>100 kN時，預(yù)警等級上升為臨滑預(yù)警。

(3)按照一級準則判斷，當滑動力緩變增量600～900 kN時，邊坡處于近滑狀態(tài)，監(jiān)測點呈現(xiàn)橙色。按照二級準則判斷，當滑動力突變量>100 kN時，預(yù)警等級上升為臨滑預(yù)警，監(jiān)測點呈現(xiàn)紅色。

5.4 監(jiān)測結(jié)果分析

2010年7月，該系統(tǒng)成功對發(fā)生在No.1-2監(jiān)測點附近的“2010-0731滑坡”提前3 d成功預(yù)警。另外，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)集高恒阻錨索牛頓力、采礦量和降雨量于一體，得到耦合分析曲線，如圖10(a)所示，“2010-0731滑坡”沿A-A剖面線的監(jiān)測斷面特征，如圖10(b)所示。

圖10 “2010-0731滑坡”監(jiān)測斷面和監(jiān)測曲線Fig.10 Monitoring section and monitoring curves of the landslide on 31st July, 2010

圖10顯示了南芬露天鐵礦“2010-0731滑坡”全過程中深部高恒阻滑坡監(jiān)測錨索牛頓力、累計采礦量、地表位移和降雨量4個主要參量之間的變化關(guān)系,詳細如下：

(1)2010年7月16日前，No.1-2牛頓力監(jiān)測曲線變化量較小，在預(yù)警閾值允許范圍內(nèi)，監(jiān)測曲線呈近水平直線，表征被監(jiān)測邊坡相對穩(wěn)定。

(2)2010年7月16日開始，No.1-2牛頓力監(jiān)測曲線逐漸上升，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查未發(fā)現(xiàn)裂縫，為維持產(chǎn)量，礦決策層討論后，決定繼續(xù)開采，強調(diào)加強監(jiān)測。

(3)7月26日(點A)，牛頓力監(jiān)測曲線上升速率增加，增量約320 kN，根據(jù)預(yù)警準則，系統(tǒng)發(fā)出黃色預(yù)警信息。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)采場下盤526 m臺階坡面微裂隙發(fā)育，裂縫寬20～30 cm，長3 m，危險區(qū)內(nèi)人員和設(shè)備積極避險響應(yīng)，采礦作業(yè)停止。

(4)7月31日5:10(點B)，牛頓力曲線突降，下降幅度約300 kN(850～550 kN)，根據(jù)預(yù)警準則，系統(tǒng)發(fā)出橙色預(yù)警信息。由于下降幅度較大，考慮到人員安全，未安排人員到危險區(qū)內(nèi)進行調(diào)查。

(5)7月31日10:05(點B)，采場上盤監(jiān)測人員通過高清礦用視頻監(jiān)控系統(tǒng)觀察到采場526 m臺階出現(xiàn)大面積滑移，伴隨滑移，大量直徑約1 m的石塊從526 m臺階沿著坡面向坡腳處滾落，最終堆積到310 m臺階上。

(6)8月10日(點D)，牛頓力監(jiān)測曲線相對穩(wěn)定，安排監(jiān)測人員到滑坡現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)“2010-0731滑坡”后緣位于526 m臺階，后緣帶長約14 m，滑移高差約1 m，如圖11所示。由于人員和設(shè)備撤離及時，沒有發(fā)生任何傷亡和財產(chǎn)損失事故。

圖11 “2010-0731滑坡”特征Fig.11 Characteristics of landslide on 31st July, 2010

5.5 滑坡機制分析

通過對“2010-0731滑坡”的綜合監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該滑坡機制是由于長期礦山開采擾動引起，但是最終滑坡由于降雨誘發(fā)，本次滑坡機制如下：

(1)軟弱結(jié)構(gòu)面。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，南芬露天鐵礦采場下幫邊坡為順傾層狀結(jié)構(gòu)，受2組結(jié)構(gòu)面控制：①一級主結(jié)構(gòu)面，傾角48°；②次級結(jié)構(gòu)面，傾角13°，切割主結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)生潛在剪出弱層。

(2)裂隙發(fā)育。裂隙切割巖體，形成塊狀，降雨誘發(fā)底部巖體失穩(wěn)破壞，在多米諾骨牌效應(yīng)驅(qū)動下，形成連鎖反應(yīng)，上部巖體順次變形破壞，直到巖體內(nèi)部達到新的應(yīng)力平衡。

(3)強降雨誘發(fā)滑坡?！盁o水不滑”是人們對水在滑坡中的作用的概括。不論是完整巖石滑坡還是破碎巖石滑坡，巖體中水呈脈狀分布，產(chǎn)生浮力和靜水壓力，降低巖土體強度，誘發(fā)邊坡失穩(wěn)破壞。

6 結(jié) 語

(1)通過對3組高恒阻滑坡監(jiān)測錨索試件進行靜力拉伸試驗，得到力-位移關(guān)系曲線，揭示了高恒阻滑坡監(jiān)測錨索在靜力拉伸過程中能夠保持較高的恒阻力和大變形量：平均恒阻力約464 kN，最大變形量約850 mm。

(2)試驗揭示高恒阻滑坡監(jiān)測錨索在應(yīng)變尺度和幾何尺度上均具有負泊松比效應(yīng)，為其工程應(yīng)用提供試驗依據(jù)。

(3)高恒阻滑坡監(jiān)測錨索成功應(yīng)用于露天礦山滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域，實現(xiàn)了滑坡全過程監(jiān)測預(yù)警的目標，為類似邊坡監(jiān)測奠定了理論和時間基礎(chǔ)。

致謝:感謝中國礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程重點實驗室何滿潮院士的指導(dǎo)和修改。

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