Study on macro-and mesoscopic damage characteristics of fractured sandstoneunder cyclic loading and unloading with variable upper limit
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摘要:
为研究裂隙岩体在循环荷载作用下的宏细观损伤特征，以不同长度预制裂隙砂岩为研究对象，开展变上限循环加卸载试验，分析岩样的力学特性和宏观破坏特征；基于XRD分析结果构建裂隙砂岩UDEC数值模型，分析模型的细观损伤规律并揭示其机制。结果表明：加卸载作用能够强化裂隙较小岩样的抗变形能力，相反会增加裂隙较大岩样的破坏速度；随预制裂隙长度增大，岩样宏观破坏特征由拉剪复合破坏转化为以剪切破坏为主，且损伤的不可逆性逐渐提高；加卸载作用下岩样的损伤演化过程可划分为“弹性−强化−疲劳−破坏”4个阶段，弹性阶段模型未产生损伤，强化阶段模型形成有效抗力结构，疲劳阶段累积损伤大幅提高，卸载时张拉裂纹扩展；疲劳阶段加载过程裂纹相互扩展连结，相邻剪切微裂纹之间块体的接触点被破坏，块体间的连结失效，卸载过程应力下降模型松弛，块体间失效的连结在此时张开进而导致张拉裂纹在剪切微裂纹间萌生，加快模型的失稳破坏。研究结果揭示了变上限循环加卸载下裂隙砂岩的宏细观损伤特征，为科学评价工程稳定性提供参考。
Abstract:Abstract: In order to study the macro and micro damage characteristics of fractured rock mass under cyclic load, cyclic loading and unloading tests with variable upper limit were carried out to analyze the mechanical properties and macro failure characteristics of the samples. Based on the results of XRD analysis, a UDEC numerical model of fractured sandstone is constructed to analyze the microscopic damage law of the model and reveal its mechanism. The results show that: loading and unloading can strengthen the deformation resistance of the samples with small cracks, and on the contrary increase the failure velocity of the samples with large cracks; With the increase of the prefabricated fracture length, the macroscopic failure characteristics of the sample changed from tensile shear failure to shear failure, and the irreversibility of the damage gradually increased. The damage evolution process of the sample under loading and unloading can be divided into four stages: “elasticity-strengthening-fatigue-failure”. No damage occurs in the elastic stage model, while an effective resistance structure is formed in the strengthening stage model. Cumulative damage increases significantly in the fatigue stage, and tensile cracks expand during unloading. During the loading stage, cracks expand and connect with each other, the contact point pole of the block between adjacent shear microcracks is destroyed, and the connection between the blocks fails. During the unloading process, the stress drop model is relaxed, and the failed connection between the blocks opens up at this time, leading to the initiation of tension cracks between the shear microcracks, and accelerating the instability and failure of the model. The research results reveal the macro and micro damage characteristics of fractured sandstone under variable upper limit cyclic loading and unloading, and provide a reference for scientific evaluation of engineering stability.
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0. 引 言
随着矿山开采规模不断扩张，开采深度不断增加，南芬露天矿边坡蠕滑区时常发生滑塌等地质灾害事故。边坡稳定性是伴随开采始终的长期性研究课题，也是影响或困扰露天矿山生产与安全的重大难题之一[1]。露天边坡高度200～300 m，最高可达700 m，经常会形成超百米的临时边坡或永久边坡。露天矿边坡稳定性随开采作业进展不断发生变化，矿场每天穿孔、爆破和车辆运输，受震动影响较大的边坡台阶负荷日益增大。深化露天边坡稳定性分析，开展临滑智能监测预警，防止大变形破坏是露天矿开采的主要任务。
1. 露天矿边坡分析与监测现状
1.1 露天边坡稳定性分析
杨天鸿等[2]提出“位移时间阈值、力学机理分析、滑坡案例及专家系统诊断”的边坡研究学术思路。李巧刚等[3]以大安山矿滑坡研究对象，归纳降雨滑坡入渗演化为卸荷拉裂、时效变形、局部溃屈和整体高速滑坡 4 个阶段。杜时贵等[4]提出软弱层结构面与边坡规模空间部位相结合的新思路，分层次探讨边坡岩体稳定性。张令非等[5]采用极限平衡理论，建立含弱层岩石边坡分区滑动力学模型，将软弱层坡体分为稳定区−欠稳区−失稳区。陶志刚等[6]结合模糊数学综合评价分析体系，利用空间矩阵差分运算法将采区超高陡边坡分为最危险、危险、次稳定和稳定4类。孙江等[7]建立胜利露天矿模型开展边坡稳定性影响规律评价，得出内排阻水是边坡内渗流场稳定性变化的主要原因。
1.2 露天边坡监测现状
露天矿边坡监测在加固、防护等方面起到至关重要作用。范秋雁等[8]追踪监测坡肩附近裂隙发展演化，揭示干湿循环条件下边坡变形破坏机理。何朝阳等[9]基于时间和数据驱动的预警模型，分析监测数据实现对滑坡的全过程跟踪预警。梅天灿等[10]采用激光雷达、光纤光栅、视频监测信息技术，共同构成危险边坡智慧监测和预报系统。刘善军等[11]建立了基于时间与空间协同、参数协调和智能分析多模式多平台的天−空−地特大型露天矿边坡智能监测系统。邵沛涵等[12-13]运用北斗3号开展对高边坡实时监控，得出高边坡内部沿节理面形成的贯通滑动带是潜在的破坏面。
南芬露天边坡监测存在的问题在于位移、裂缝等现象只是滑坡的必要条件，而非充分条件，力的变化才是滑坡产生的充要条件。笔者结合南芬边坡稳定性分析，在何满潮[14-16]院士团队南芬露天铁矿连续10年（2010—2020年）边坡临滑专项研究的基础上，创新性提出“NPR（Negative Poisson’s Ratio,）牛顿力滑坡监测为主体，长期阈值监测、短期临滑预警、后期变形现场勘测”三位一体的边坡临滑智能预警技术，克服滑坡短临预报的工程难题。
2. 边坡破坏模式研究
2.1 圆弧型破坏
采场下盘端部边坡岩体曾受多次构造运动，断裂构造发育，存在倒转背斜，致使三组以上的节理相互截割，将坡体切割成破碎的岩块。开挖卸荷导致断层变形，引起边坡岩体向采场底部方向较大移动，加深扩展石英岩岩体中已存在的裂隙，该区域破坏模式呈现为圆弧型，如图1所示。
2.2 平面型剪切破坏
采场下盘帮部软弱面走向平行于坡面，结构面与坡面倾向之差小于20°，且结构面倾角小于坡面角大于自身摩擦角，产状向坡外倾斜，边坡角大于层理面倾角，沿着缓倾角节理面滑动或滑体切穿岩体发生平面型破坏，如图2所示。
2.3 三维楔型破坏
下盘扩帮区域两结构面所构成楔体的交线在坡面上出露，扩帮后形成的最终边坡内两两结构面所构成的楔型体交线已经在406 m台阶出露上端部，结构体沿结构面组合交线滑移形成楔型破坏，如图3所示。
南芬铁矿下盘滑坡体破坏模式见表1。
表 1 南芬铁矿下盘滑坡体破坏模式Table 1. Damage pattern of footwall landslide mass in Nanfen iron mine断面 滑坡地点 规模 破坏模式 宽/m 高差/m A-A 下盘694 m台阶 34 24 平面型滑坡 B-B 下盘502 m台阶 26 12 圆弧型滑坡 C-C 下盘406 m台阶 100 36 楔型滑坡 3. 边坡稳定性分析
稳定性分析主要针对下盘区域，如图4所示。为提高计算精度，对不同破坏模式滑坡采用相适应的软件分析，分别采用MSARMA法对平面型滑体、Geo-slope对圆弧型滑体、Swedge对楔型滑体进行稳定性分析。
计算剖面时，利用南芬露天铁矿自主开发的“露天金属矿设计系统（V3.0）”对下盘计算区域进行剖面划分与成图。针对每个计算剖面，按照潜在结构面分布规律和现场调查获取的结构面地表出露特征，并结合表1提出的下盘区域滑坡体破坏模式，每个计算断面得出2个潜在最危险滑动面，共涉及3个断面地质剖面力模型，计算剖面和推测最危险滑动面如图5所示。
3.1 基于MSARMA法平面型滑体稳定性分析
利用MSARMA法主要对采场下盘开采前后平面型滑坡进行稳定性分析。MSARMA法不仅考虑了边坡的非齐次边界条件，而且考虑了坡面存在荷载和加固力情况下边坡的稳定性问题，推导了坡面作用力的稳定系数迭代关系式，称为MSARMA方法。
潜在滑动面确定后，基于不同的滑动面位置，计算A-A剖面边坡稳定系数。考虑地震设防烈度为6度，边坡排水率按0、25%、50%、75%、100%，假定最不利状态为饱和状态，边坡稳定安全系数计算结果见表2。
表 2 边坡稳定系数计算结果Table 2. Calculation results of slope stability coefficient计算剖面 潜在滑动面 边坡自然排水率/% 0 25 50 75 100 A-A 1-1 0.796 6 0.834 0 0.894 1 0.910 6 0.954 9 1-2 0.803 1 0.849 8 0.873 3 0.932 1 1.035 6 通过分析边坡稳定系数计算结果可知：
1)边坡稳定系数随着排水率的增加而增大，说明边坡受水的影响而稳定性变差，下盘边坡在不排水（饱和）状态下稳定性最差。
2)采场下盘1-1、1-2潜在滑动面在饱和状态下极其不稳定，因此扩帮和回采过程中要加强该部位监测和加固，并确保排土场边坡的排水。
3.2 基于Geo-slope圆弧型滑体稳定性分析
采用Geo-slope软件中的瑞典条分极限平衡法对D-D断面圆弧型滑坡稳定性进行计算，得到4个相应的危险滑动面，如图6所示，从上而下不同颜色的滑动带表示边坡安全系数逐渐降低，红色条带表示边坡安全系数最小，最易产生滑动，为潜在滑动面。白色线条表示最危险的滑动面，即将发生滑体。滑动条带分析显示出了危险滑动面、潜在滑动面的具体位置[17]。
随着364 m平台下方边坡最危险滑动面向下延伸，失稳区域、潜在滑面范围也逐渐扩大。当开挖36 m后至328 m平台时，最危险滑面下降24 m，次节理成为边坡体底部的最危险滑动面，边坡主体破坏模式为圆弧滑型破坏。如图6所示，364 m平台开挖到310 m平台的过程中，采场下盘安全系数逐渐降低。由表3计算结果可知，开挖36 m时，边坡安全系数骤然减小至1左右，边坡将在此时失稳，产生位移变形或者出现滑坡[17-18]。
表 3 瑞典条分平衡法安全系数计算结果Table 3. Safety factor calculation results of Swedish strip balancing method开挖量/m 0 6 18 36 54 安全系数 1.32 1.3 1.28 0.97 0.92 3.3 基于Swedge楔型滑体稳定性分析
Swedge适用于不稳定楔型体的安全系数分析，选取边坡C-C剖面如图5c所示，406 m平台 回采区楔型体的Swedge数值计算模型如图7所示。计算结果显示：在天然状态回采区楔型滑坡体的安全系数为2.187，整体是稳定的，两组软弱结构面不会直接造成回采区楔型滑坡体的失稳破坏。
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图 7 回采区楔型滑坡模型不同视角图Figure 7. Different viewing angles of wedge landslide in mining area4. 临滑智能监测预警
作为亚洲最大的单体露天矿山，随着开采深度加大，南芬铁矿形成了高差约456 m，倾角46°～54°的下帮高陡边坡[4-5]。截至2020年9月25日，南芬露天铁矿下盘边坡失稳区域安装深部牛顿力监测点56个，如图8所示。成功预测滑坡灾害十余次，平均提前4～15 h发布临滑预警信号。
4.1 基于牛顿力的滑坡预警监测主体
我国露天矿发生的工程诱发滑坡灾害及每年发生的自然滑坡灾害都是经历了地质岩土体先变形破坏后发生运动的一个力学过程。滑坡前的变形体可用 Hooke 定律来描述，滑坡后运动体可用 Newton 第二定律来描述，从变形体到运动体的转换，是实现滑坡临滑预警的本质问题。
地质体灾变牛顿力变化定律实质是沿着潜在滑动面(带)产生相对运动的滑体和滑床2个块体，在外力或内力作用下相对运动，牛顿力即是滑动力与抗滑力的合力[19]。何满潮[19]院士研发滑坡牛顿力变化物理模拟试验系统，发现了“牛顿力突降，灾变发生”的滑坡地质现象，建立了地质灾害牛顿力变化定律，如图9所示。
4.2 NPR锚索长期阈值监测
研制了NPR巨型锚索新材料，其具备高恒阻下承载岩体动/静大变形荷载的超常力学特性[20]。
研发了NPR巨型锚索为主体的滑坡灾变全过程监测及临滑预警综合技术，解决了滑坡大变形灾害加固、监测、预警一体化的控制难题，牛顿力边坡监测如图10所示 。
4.3 短期临滑边坡预警
工程岩体内部储存动能变化很大，围岩释放变形能，滑体沿着潜在滑动面发生相对运动，当岩体变形对锚索的作用力大于 NPR 锚索的恒阻力时，通过NPR锚索轴向拉伸来吸收变形能，从而避免由于工程岩体大变形而发生锚索断裂或者失效现象，保障监测系统的正常工作[20]。
2020年5月5日17时10分，南芬露天铁矿NO.5020-2监测点发出黄色预警信息；8月25日3时2分，监测点发出橙色预警信息； 9月8日19时，监测曲线突然下降，监测点发出红色临滑预警信息；9月9日10时15分，滑坡解体，临滑预警时间提前15 h，如图11所示。
4.4 变形现场勘测
20-0909滑坡预警现场勘测该处边坡经过历史滑坡，仅剩574平台可通车，下部已无台阶阻挡滑体，502台阶沿原滑坡边缘已形成
1555 m3巨型立方滑体，贯通滑面边缘均清晰可见，随时可能崩塌（图12、13） 。![]()
图 12 502 m平台裂缝和滑坡破坏特征Figure 12. Fracture and landslide failure characteristics of 502 m platform分析得出：① 采场下盘大位移变形区主要集中在502 台阶到574 台阶之间。最大水平位移变形发生在502 台阶上，502台阶北侧滑移轮廓闭合，出现裂缝长23 m，平台发育裂缝长4.5 m。② 574 m台阶处也出现了一较大位移变形区，发现大量裂缝，下部已无台阶可阻挡滑体。在整个回采过程中发生了明显的塌陷错台，诱发滑坡灾害进一步恶化。
5. 结 论
1）由于采场边坡与自然边坡的主要区别是具有矿石平台，因此这种独特的结构势必使边坡坡度变陡，再加上系列节理面的切割，南芬露天边坡采场下盘主要破坏模式是圆弧滑型、平面剪切型、三维楔体型3种破坏模式。
2）水是影响南芬露天铁矿采场边坡稳定性的重要因素，潜在滑动面在饱和状态条件下处于不稳定状态。由稳定性分析可得，失稳滑坡区主要集中在694～502 m平台之间。
3）结合20-0909南芬露天铁矿滑坡实例，以牛顿力滑坡监测系统为主体，NPR锚索长期阈值监测、短期临滑预警、变形现场勘测为基本要素，实现监测数据、现场模型的可视化分析，提前15 h预警，并提出灾害防治措施和应急预案，为南芬露天铁矿领导层决策提供科学依据。进一步验证了三位一体的边坡稳定性智能监测预警技术路线的正确性、及时性。
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图 3 力学参数与加卸载等级关系
注：图中“+”表示加载、“−”表示卸载
Figure 3. Relation between mechanical parameters and loading and unloading grades
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图 5 循环加卸载作用下能量释放特征
Figure 5. Capability release characteristics under cyclic loading and unloading
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图 8 室内试验与数值模拟应力应变曲线对比
Figure 8. Comparison of stress-strain curves between laboratory test and numerical simulation
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图 9 轴向应力及累积损伤与时间关系曲线
Figure 9. Relation curve of axial stress and cumulative damage with time
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图 10 加卸载全程宏观破坏演化云图
Figure 10. Macro failure evolution cloud map of loading and unloading process
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图 11 不同L模型剪切裂纹和张拉裂纹数据
注：图中“+”表示加载、“−”表示卸载。
Figure 11. Shear crack and tension crack data of different L models
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图 13 室内试验岩样破坏形貌与数值模拟模型位移云图
Figure 13. Failure morphology of laboratory test samples and displacement cloud image of numerical simulation model
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图 14 裂隙砂岩试样中剪切和张拉裂纹扩展规律
注：红色为剪切，蓝色为张拉。
Figure 14. Crack growth regularities of shear and tension in fractured sandstone samples
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图 15 疲劳阶段卸载过程损伤产生机制
Figure 15. Mechanism of damage generation during unloading in fatigue stage
表 1 块体力学参数
Table 1 Physical parameters
密度/
（kg·m−3）弹性模量
$ E $/GPa泊松比
$ \upsilon $体积模量
$ K $/GPa剪切模量
$ G $/GPa2250 25.3 0.29 20.07 9.81 
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表 2 节理力学参数
Table 2 Joint mechanics parameters
法向刚度
${K_n}$/(GPa·m−1)切向刚度
${K_s}$/(GPa·m−1)内摩擦角
$\varphi $/（°）黏结力
$C$/MPa抗拉强度/
MPa25.53 10.21 21 10.24 3.1
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