巖質(zhì)邊坡砂巖物理作用下力學(xué)特征及聲發(fā)射特性試驗研究

摘要：為研究北部灣—桂北一級公路巖質(zhì)邊坡砂巖承載力學(xué)特性，文章結(jié)合高、低溫物理環(huán)境因素影響，設(shè)計開展了砂巖試樣的力學(xué)加載與聲發(fā)射實時監(jiān)測試驗。結(jié)果表明：高、低溫物理作用的差異性會改變試樣應(yīng)變發(fā)展方向，產(chǎn)生兩種截然不同的應(yīng)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(yīng)變趨勢影響較小，當交替作用愈強，試樣承載應(yīng)力愈低，且圍壓對此種削弱效應(yīng)影響較??；在高、低溫物理作用下，聲發(fā)射振鈴累計數(shù)在峰值應(yīng)力點前具有增幅節(jié)點差異，而在交替作用下，聲發(fā)射平靜期時序長短各有不同；基于聲發(fā)射技術(shù)，可對工程巖質(zhì)邊坡進行穩(wěn)定性監(jiān)測，預(yù)判邊坡失穩(wěn)節(jié)點。研究結(jié)果可為砂巖基礎(chǔ)力學(xué)試驗分析及聲發(fā)射細觀特征探討提供參考。

關(guān)鍵詞：巖質(zhì)邊坡；砂巖；力學(xué)；聲發(fā)射；試驗

中圖分類號：U416.1+4

0 引言

邊坡是工程建設(shè)中常見的一種地質(zhì)特征，其穩(wěn)定性直接關(guān)乎工程建設(shè)和運營的安全性［1-2］。如何確保邊坡不發(fā)生大滑移或失穩(wěn)，乃是工程師們持續(xù)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(shù)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(wěn)定的影響特性，為工程治理邊坡提供依據(jù)。陳蘭蘭、蘇文杰等［5-6］為探討邊坡失穩(wěn)機理，借助了微震、聲發(fā)射等監(jiān)測手段，從邊坡內(nèi)部滑移面的產(chǎn)生、擴展、演變等入手，分析了滑移面的發(fā)展趨勢與邊坡失穩(wěn)的關(guān)聯(lián)性，從而揭示邊坡工程失穩(wěn)的誘因。此外，黃志豪、計陽［7-8］提出邊坡失穩(wěn)常常與巖土體穩(wěn)定性密切相關(guān)，故基于巖土體的基礎(chǔ)力學(xué)問題，設(shè)計開展了邊坡巖土體的力學(xué)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(zhì)邊坡是邊坡工程中一種特殊類型，要確保巖質(zhì)邊坡安全，必須了解邊坡巖體基礎(chǔ)力學(xué)特征變化規(guī)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(zhì)邊坡的巖石力學(xué)試驗研究，旨在為工程建設(shè)提供依據(jù)。

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(qū)的聯(lián)動發(fā)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(qū)的經(jīng)濟流動和交通便利性，建設(shè)了桂北、桂南公路交通大動脈，主要作用為聯(lián)系北部灣城市群。根據(jù)規(guī)劃設(shè)計資料得知，該公路北起柳州官塘，南至防城港口，途經(jīng)南寧、欽州等市縣，設(shè)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(jù)對北部灣-桂北一級公路沿線調(diào)查，途經(jīng)路段大多地質(zhì)構(gòu)造分布較平均，采用的瀝青路面結(jié)構(gòu)層經(jīng)仿真對比計算后認為能滿足抗氧化、耐久性要求。最大的設(shè)計難點來源于部分路段的巖質(zhì)邊坡威脅。由地勘設(shè)計可知，在南寧新江鎮(zhèn)與欽州那蒙鎮(zhèn)之間分布有較多巖質(zhì)邊坡，位于公路西側(cè)。目前公路建設(shè)還處于規(guī)劃設(shè)計階段，巖質(zhì)邊坡未進行施工開挖，故設(shè)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(shù)巖質(zhì)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(zhì)砂土等。從三維仿真模擬結(jié)果中，提取獲得了巖質(zhì)邊坡幾何形態(tài)，如圖1所示為南寧新江鎮(zhèn)K105+220處典型巖質(zhì)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(zhì)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(jù)穩(wěn)定性結(jié)果分析得知，當開挖高度超過35 m后，巖質(zhì)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(wěn)影響，極大威脅著公路建設(shè)的安全性。為此，工程設(shè)計部門基于邊坡三維仿真計算結(jié)果，先期開展該巖質(zhì)邊坡的巖體力學(xué)基礎(chǔ)分析，結(jié)合物理場環(huán)境影響，探討巖體力學(xué)特征影響變化，以期對工程建設(shè)、邊坡加固等提供理論依據(jù)。

1.2 試驗介紹

為確保砂巖基礎(chǔ)力學(xué)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(zhèn)K105+220處典型巖質(zhì)邊坡，經(jīng)工程現(xiàn)場密封處理后，在實驗室內(nèi)采用精加工設(shè)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(tài)，直徑、高度分別為50 mm、100 mm，同時為確保試驗結(jié)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(chǎn)MTS815力學(xué)試驗設(shè)備進行砂巖力學(xué)試驗，同時配備有AW21C聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)。力學(xué)試驗設(shè)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(huán)向引伸計等精密測量裝置。其中，軸向位移量程為-5～5 mm，環(huán)向CVDT位移量程為-10～10 mm，各傳感器的測試結(jié)果最大誤差≤0.5%，加載平臺內(nèi)所采用的荷載傳感器波動頻率≤0.1%。聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)與力學(xué)加載設(shè)備相互獨立，互不干擾，同時可實時監(jiān)測試樣加載過程中的裂隙演變特征，其聲發(fā)射門檻值為35 dB。為系統(tǒng)性評價邊坡砂巖的承載力學(xué)影響特性，本文研究中加入了物理場環(huán)境因素，即以凍融交替作為高、低溫物理環(huán)境。所有試樣在進行力學(xué)加載前，均需完成相應(yīng)的凍融交替作用，試驗箱內(nèi)測試溫度為-40 ℃～150 ℃，本次試驗中低溫均設(shè)定為-20 ℃，高溫分別設(shè)定為20 ℃、35 ℃、50 ℃、65 ℃、80 ℃、95 ℃、110 ℃。

根據(jù)巖質(zhì)邊坡治理所需參數(shù)要求，本文試驗設(shè)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(huán)效應(yīng)影響。后者高、低溫交替次數(shù)設(shè)定為10～60次，梯次為10次，試驗圍壓設(shè)定為5 MPa、20 MPa、35 MPa，各組試驗參數(shù)設(shè)計如表1所示。

2 砂巖物理作用下力學(xué)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(xué)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(yīng)力應(yīng)變特征，如圖2所示。由圖可知，高、低溫物理路徑不同，試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線發(fā)展、應(yīng)變破壞效應(yīng)各有區(qū)別，但總體上分為兩種：（1）軟化型，在出現(xiàn)峰值應(yīng)力點后，應(yīng)力快速回落、應(yīng)變發(fā)展較慢的特點，此種類型下試樣應(yīng)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(yīng)變也大多維持在0.72%；（2）硬化型，峰值應(yīng)力與殘余應(yīng)力差距較小，即使出現(xiàn)了峰值應(yīng)力，但隨著試驗繼續(xù)加載，試樣仍會保持較高應(yīng)力水平，同時應(yīng)變在該階段快速反應(yīng)，而應(yīng)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(yīng)變0.7%、0.98%后進入了應(yīng)變強化段。

雖然高、低溫路徑差異性下，試樣的應(yīng)變特點各有差異，但隨著高、低溫路徑下溫度差距愈大，應(yīng)力水平實質(zhì)上是處于遞減狀態(tài)。圍壓20 MPa時，高、低溫路徑為-20 ℃～20 ℃試樣峰值應(yīng)力為116.9 MPa，當高、低溫路徑差距每梯次增大10 ℃，其峰值應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)。

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(xué)試驗，獲得了高、低溫物理交替作用對試樣應(yīng)力應(yīng)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(yīng)不同，高、低溫物理交替作用不會改變同一圍壓下試樣的應(yīng)力應(yīng)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(yīng)變發(fā)展、峰值應(yīng)力后曲線均保持一致。圍壓5 MPa時，各試樣峰值應(yīng)變均為0.75%，在峰值應(yīng)力點后，試樣出現(xiàn)了大幅度應(yīng)力回落、應(yīng)變慢速發(fā)展特征，同步至應(yīng)變1.7%后，試樣均出現(xiàn)了殘余應(yīng)力。圍壓35 MPa下，在應(yīng)變1.46%后，試樣逐步強化了應(yīng)變發(fā)展速率，應(yīng)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(yīng)變發(fā)展、應(yīng)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(yīng)變趨勢。

從應(yīng)力水平影響變化來看，高、低溫物理交替作用與之為負相關(guān)。圍壓5 MPa時，高、低溫交替10次時試樣峰值應(yīng)力為68.99 MPa，而高、低溫交替20～50次下，相應(yīng)峰值應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(huán)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(yīng)力，且圍壓對此種影響作用改變較小。

3 砂巖加載過程聲發(fā)射特征

聲發(fā)射是直接反映試樣內(nèi)部裂隙衍生和擴展的重要細觀監(jiān)測參數(shù)。基于聲發(fā)射數(shù)據(jù)的處理，獲得了砂巖試樣加載過程聲發(fā)射累計振鈴計數(shù)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(fā)射振鈴累計數(shù)變化曲線各有特點，有的路徑下試樣具有顯著聲發(fā)射平靜期，如路徑-20 ℃～65 ℃和-20 ℃～-35 ℃，有的路徑下試樣全過程聲發(fā)射振鈴累計數(shù)均在遞增，且在達到峰值應(yīng)力時具有振鈴累計數(shù)的最大增幅，例如路徑-20 ℃～110 ℃。從振鈴累計數(shù)與峰值應(yīng)力點出現(xiàn)時間來看，大多數(shù)試樣在出現(xiàn)峰值應(yīng)力前，具有振鈴累計數(shù)的陡增特征。在圖4（b）中，不同交替作用強度下，聲發(fā)射振鈴累計數(shù)平靜期的出現(xiàn)是最大差異點，當交替作用愈強，振鈴累計數(shù)的平靜期持續(xù)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(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)還處于穩(wěn)定狀態(tài)，其裂隙的擴展還處于有序、穩(wěn)定期［11-12］，故聲發(fā)射平靜期持續(xù)時長較大。綜合來看，通過聲發(fā)射振鈴累計數(shù)變化可預(yù)測試樣失穩(wěn)破壞。在不同高、低溫路徑下，聲發(fā)射振鈴累計數(shù)在到達峰值應(yīng)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(wěn)定性，這對工程監(jiān)測巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性具有啟示作用。

4 結(jié)語

本文基于試驗結(jié)果分析得到以下幾點結(jié)論：

（1）高、低溫作用路徑不同，試樣應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展具有顯著差異。高溫溫度≤65 ℃下，彈脆性應(yīng)變?yōu)橹鲗?dǎo)；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(yīng)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(yīng)變發(fā)展特點，圍壓對應(yīng)變影響作用高于高、低溫物理交替效應(yīng)；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(yīng)梯次試樣峰值應(yīng)力平均減少28.1%、22.6%。

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

（4）可采用聲發(fā)射技術(shù)對巖質(zhì)邊坡進行穩(wěn)定性監(jiān)測，有助于預(yù)判邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險。

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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。