岩质边坡滑坡模拟及红外监测试验研究

游 勋，王春仁，赵迎贵，刘祥鑫，余 敏

(1.马钢集团设计研究院有限责任公司， 安徽 马鞍山市 243000；2.华北理工大学 矿业工程学院， 河北 唐山市 063009)

岩石在受力及灾变过程中，其表面红外辐射的强度会发生规律性变化，且不同应力阶段也将会对应差异性红外辐射的变化特征，将红外遥感技术应用于探测岩体的应力及应变，以分析其稳定性是极具前景的一种新方法[1]。目前，红外探测技术不仅在含冲击地压显现和瓦斯突出类煤岩的矿山动力灾害监测预报领域应用广泛，同时也能够应用于金属非金属矿山的压力观测、顶板稳定性监测、岩爆监测、边坡滑坡、围岩松动圈测试及隧道稳定性评价等方面[2-4]。

由于自然界岩石的结构面发育且分布相对复杂，存在非均质特性、非弹性、非线性以及各向异性等诸多特性，其结构面具有裂隙、片理、节理和软弱夹层等明显特征[5]。岩石就是由于内部这些原有微小裂隙在不同载荷作用下，开始产生变形，并不断扩展后最终诱发宏观性破坏[6-7]。自然界具有的断层类型众多，诱发滑坡层出不穷，在它活动过程中发生的异常红外辐射特征也各异，因而采用不同类型的模拟试验去探究不同构造下的失稳红外辐射异常特征意义重大[8]。所以探究及掌握岩石破坏过程中的红外辐射规律及特征，可奠定岩石应力与灾变遥感监测技术实验的理论基础，对研究模拟边坡的滑坡动态过程，具有一定研究价值。

为了更广泛地探究断层活动过程中红外辐射的演化特征，文中以江西某大型金属矿岩质边坡的花岗岩试件为载体，结合前期的研究基础，选择另一种常见的构造类型——节理面控制滑坡方式的岩块边界模型作为研究对象，展开了对于该类构造活动动态过程中的失稳红外辐射演化规律及特性研究，从而为探索国内露天矿山对于普遍存在的各类高陡岩质边坡的稳定性监测及安全处理技术提供一定的技术依据。

1 实验设计

1.1 研究背景

花岗岩类是大陆上部地壳主要构成岩体之一，大约86%的大陆上部地壳是由花岗质岩石组成。矿山露天矿的岩质边坡广泛存在花岗岩岩体，而边坡的变形和破坏，实质上是内在的和外部的各种因素综合作用的结果[9]。研究花岗岩的物理力学性质、变形破裂过程的红外辐射规律，对于预防岩质边坡滑坡等地质灾害具有重要理论及现实意义，特别是对于金属、非金属露天矿山在生产过程中的岩质边坡维护与安全生产具有重大的指导意义。

1.2 实验设备系统

PIKE F-421B型数字摄像机、Therma CAM SC3000高性能率子阱红外热像仪(温度灵敏度为0.03℃，图像分辨率360像素×240像素，图像最大采集速率为5 fps)、RLW-3000伺服压力试验机等。

1.3 试件准备

(1) 试件制备。如图1所示，实验选用花岗岩，把岩石加工成长方体，尺寸为150 mm×150 mm×75 mm，倾角60°。由试件高1/3处为切入点，制成裂纹深度和厚度分别为35 mm与3 mm，预制裂纹类型为单裂纹。 裂纹区充填石膏，水灰比0.4～0.45。试样用磨石齿轮进行打磨，然后用砂布进一步磨光。

图1 实验试样

(2) 饱水状态处理。第一组为干燥试样，试样经切割、打磨后制成本实验的标准试样(见图2)。第二组为饱水试样，用自由浸水法制作[10]，把试样浸入水槽中，先注水至试样高度的1/4处，以后每隔2 h分别注水至试样高度的1/2和3/4处，6 h后全部浸没试样，试样在水中自由吸水48 h(见图3)。

图2 干燥状态试样

1.4 实验步骤

(1) 按实验系统连接各种实验仪器和数据采集线路，检查仪器状态，进行初步调试；

(2) 用游标卡尺量出花岗岩岩试样的尺寸，观察试样表面裂隙、节理发育程度等宏观特征；

(3) 将试样的2个端面打磨均匀，放置在压力机底座之上，试样、压力机底座以及压头两两之间采用绝缘纸进行绝缘；

(4) 做好防护保护，并使仪器、传输线良好接地；

图3 饱水状态试样

(5) 打开Therma CAMSC3000高性能率子阱红外热像仪，设置各种基本参数，调试并设置各通道门槛值。启动RLW-3000伺服压力试验机系统，依据实验需求设置加载过程的控制方式和采集参数；

(6) 各测试系统的准备工作结束后，同时进行试验机加载与红外辐射信号的数据采集工作，实验中注意观察试样的变形与破坏特征；

(7) 待试样破坏以后，同时停止试验机加载和数据采集工作。观察并记录试样破坏情况，记录实验参数、实验条件及实验过程中的各种信息；

(8) 变化不同饱水花岗岩试样进行实验，重复测试，获得不同试样下岩石破裂红外辐射特征。

2 实验结果分析

2.1 岩质边坡模型的力学特征

图4所示曲线为岩质边坡在2种含水状态下典型的力学特征曲线，从图4可看出2种状态在加载过程中都历经加载初期时的曲线向下弯曲到峰值载荷前近似直线上升，以及峰值载荷之后的曲线下降过程，并在峰值载荷后没有发生突然性破坏，而是在经历一段应力下降过程后才出现最终失稳。曲线可划分为如下阶段：

图4 干燥状态和饱水状态边坡模型载荷-时间曲线

(1) 初始加载阶段(A点前)，因加载系统的间隙调整及岩石内部孔隙与微裂隙被逐步压实而导致曲线略向下弯曲，并缓慢地上升。

(2) 线弹性变形阶段(曲线AB段)，岩样正处在微裂隙加载阶段，载荷-时间曲线呈近似直线状攀升。

(3) 稳定破坏阶段(BC段)，应力上升开始逐步减缓，岩样微裂隙破裂扩展，曲线呈现略向上弯曲，C点是应力作用的峰值点。

(4) 非稳定阶段(CD段)，C点后，应力逐渐开始下降，到D点时岩样完全破坏，开始出现应力的大幅度下降。

2.2 边坡模型的平均红外辐射温度-时间变化特征对比

如图5所示，不同含水状态的边坡模型平均红外辐射温度(AIRT)-时间曲线均与力学曲线表现出一定的整体性，即随着载荷的增加，AIRT数值呈上升趋势。当模型进入破坏阶段时，2种含水状态均出现了不同程度的跳变。这证明了红外辐射特征与岩石的力学性质存在较为明显的关联性，深入分析这种性质，可捕捉破坏的规律性及阶段性特征。

红外辐射温度呈现上升对应剪切粘滑破坏，而红外辐射温度呈现下降则对应张性破坏[11]。在整个加载阶段，相较于干燥状态，饱水状态的岩质边坡模型的红外辐射温度的波动性较小。这反应了模型破裂演化过程中，破裂方式的复杂性及多变性，且水影响了破裂方式。

峰值载荷之前，饱水岩石加载过程中的AIRT“先升后降”幅度较干燥状态岩石更加明显，导致“谷点”也更低。饱水模型失稳破坏瞬间所消耗能量要大于干燥状态模型，饱水状态的失稳破坏前兆特征较干燥状态明显。

2.3 岩质边坡模型AIRT空间分布特征

采用红外热像仪获取红外热像是岩样表面红外辐射温度场的直观反映，其反映了试样表面的红外辐射强度分布状况[12]。

图6和图7分别为干燥状态和饱水状态边坡模型红外辐射空间分布情况。

图5岩质边坡模型载荷、AIRT-时间曲线

图6 饱水状态岩质边坡模型实验过程中红外热像图

从加载至最终失稳全过程，模型的AIRT空间分布反映了以下特征：

(1) 干燥状态和饱水状态岩样在加载过程中的红外辐射温度都发生了不均匀的变化， 靠近压头接近试样下端的红外辐射温度变化总高于试样的上端。

(2) 干燥状态及饱水状态的岩样在破坏瞬间出现的热像特征各异，干燥状态岩样较易出现大范围的温度变化，其表面会发生大面积的掉块；饱水试样在其破坏的一瞬间呈现相对平静，红外辐射变化总体不太明显。但是，2种含水状态均出现了区域亮温，这反映了模型开始出现明显的局部破裂现象，如图中A区域所示。

图7干燥状态岩质边坡模型实验过程中红外热像图

(3) 当岩质边坡模型失稳破坏时，其中饱水状态的模型出现了大区域的高温区域，而干燥状态的模型仍为局部的高温区域。2种含水模型均为温度突然升高，突变现象较为明显。

(4) 饱水状态试样在加载破裂过程中的红外上升温度幅度较干燥状态试样明显偏高。

2.4 岩质边坡模型滑坡区域的红外辐射特征

图8和图9分别是干燥状态与饱水状态模型的破裂面局部红外辐射温度。破裂瞬间，由于花岗岩岩性脆性较高，破坏形式为张性弹射破坏，并且花岗岩结构、层理比较均一，颗粒均匀细密，间隙小，总是沿预制裂纹下方呈对顶锥破坏，破坏瞬间干燥状态试样会发生弹射碎块现象。AIRT变化都随着压力的加大总体呈上升趋势，在破裂瞬间饱水状态试样的AIRT变化大于干燥状态试样。

图8 干燥状态模型的滑坡区域对比

图9 饱水状态模型的滑坡区域对比

由模型失稳破坏瞬间的红外热像图可知，区域性的高温(见图8、图9)反映了最终失稳与破坏的区域化，也证明了能量释放的局部化特征。捕捉红外温度的跳变区域，可为寻找失稳破坏点提供较准确的依据。

3 结 论

(1) 在弹性阶段，干燥状态的试件AIRT变化不大，而饱水状态试件AIRT上升较为明显。随着损伤破裂的持续发展，2种含水状态的AIRT总体上均呈上升趋势。

(2) 临近滑坡灾害发生前，边坡模型均出现了平均红外辐射温度AIRT曲线的跳变，其中饱水状态的边坡模型跳变幅度较干燥状态大。当形成了滑坡区域时，红外热像图上出现了区域高温现象。