巖橋角度對(duì)鎖固段滑坡破壞影響的模型試驗(yàn)研究

賀 春 蕾，朱 星，，劉 俊 峰，唐垚，霍 冬 冬，亓 星

(1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 成都 610059； 2.成都理工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059； 3.四川輕化工大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

0 引 言

鎖固型巖質(zhì)滑坡是大型巖質(zhì)滑坡的主要類型。隨著鎖固段突然發(fā)生脆性斷裂產(chǎn)生震動(dòng)，滑坡體獲得加速度，在與自身重力的耦合作用下，滑坡體突然失穩(wěn)啟動(dòng)，具有極強(qiáng)的隱蔽性和突發(fā)性，經(jīng)常造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。在巖質(zhì)滑坡鎖固段的研究方面，黃潤(rùn)秋等[1]根據(jù)鎖固段的存在形式將鎖固段滑坡細(xì)分為5類：“三段式”、“擋墻式”、阻滑塊體型、線性多級(jí)型和階梯狀多級(jí)型?！叭问健蹦Ｊ绞菐r質(zhì)滑坡中典型的地質(zhì)-力學(xué)模式之一?！叭问健蹦Ｊ绞侵告i固段滑坡的變形破壞具有三段式的發(fā)育特征：即前緣緩傾結(jié)構(gòu)面蠕滑、后緣結(jié)構(gòu)面拉裂、中部鎖固段被剪斷[2]。在“三段式”巖質(zhì)滑坡中，鎖固段巖體在滑坡重力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，并對(duì)巖質(zhì)滑坡的變形破壞和整體失穩(wěn)起絕對(duì)控制作用。因此，巖質(zhì)滑坡中鎖固段的相關(guān)研究一直是大型巖質(zhì)滑坡防災(zāi)減災(zāi)研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

針對(duì)鎖固段開(kāi)展物理模型試驗(yàn)，研究其變形破壞機(jī)理和災(zāi)變規(guī)律對(duì)該類巖質(zhì)滑坡成因機(jī)理認(rèn)知、防災(zāi)能力提升具有一定的科學(xué)指導(dǎo)意義。Chen等[3]采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)具有不同長(zhǎng)度巖橋的直剪試驗(yàn)和大型滑坡模型試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射技術(shù)在這兩類試驗(yàn)中均能準(zhǔn)確定位聲發(fā)射源點(diǎn)，反映了巖樣內(nèi)部裂隙的破裂過(guò)程，揭示了巖質(zhì)邊坡的破壞機(jī)理。黃潤(rùn)秋等[4]通過(guò)物理試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在加載過(guò)程中應(yīng)力和能量在鎖固段積累到一定程度時(shí)瞬間釋放，導(dǎo)致鎖固段突然發(fā)生脆性破壞，揭示了鎖固段控制作用下的大型巖質(zhì)滑坡的發(fā)生機(jī)理。陳竑然等[5]構(gòu)建了鎖固段力學(xué)模型，結(jié)合物理試驗(yàn)與數(shù)值模擬，揭示了天然鎖固段之間的力學(xué)作用模式。Guo等[6]對(duì)具有不同連續(xù)率、正應(yīng)力、巖橋布置方式和節(jié)理角的鎖固段試件進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，試件的強(qiáng)度受巖橋的控制，不同巖橋的布置方式對(duì)試件的抗剪強(qiáng)度影響較大，試件的最終破壞源于巖橋核心區(qū)的貫通發(fā)展。然而，針對(duì)具有不同巖橋角度的“三段式”滑坡鎖固段模型的破壞模式以及力學(xué)特性差異方面的研究還相對(duì)較少。

鑒于此，本文開(kāi)展了基于聲發(fā)射技術(shù)的不同巖橋角鎖固段模型破壞試驗(yàn)研究，旨在研究巖橋角度對(duì)鎖固段強(qiáng)度及破壞模式的影響。近年來(lái)，聲發(fā)射技術(shù)作為巖石力學(xué)研究領(lǐng)域的一種有效方法常被用于巖石損傷破壞的研究[7-9]。機(jī)器學(xué)習(xí)在利用聲發(fā)射信號(hào)預(yù)測(cè)材料斷裂模式中具有良好的效果[10]。本次研究采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)不同巖橋角鎖固段模型在單軸加載條件下的變形破壞過(guò)程進(jìn)行同步觀測(cè)，一方面研究鎖固段受荷載作用下變形破壞過(guò)程的聲發(fā)射特征變化規(guī)律，研究不同巖橋角度對(duì)鎖固段破壞過(guò)程的影響；另一方面，大量研究證明，由于聲發(fā)射信號(hào)蘊(yùn)含了豐富的巖石微破裂信息，利用高斯混合模型(GMM)對(duì)鎖固段不同破壞模式所對(duì)應(yīng)聲發(fā)射特征進(jìn)行聚類分析并建立分類判據(jù)，實(shí)現(xiàn)通過(guò)聲發(fā)射特征分析來(lái)預(yù)測(cè)其對(duì)應(yīng)的破壞模式，可為破壞過(guò)程的階段識(shí)別和監(jiān)測(cè)提供一種技術(shù)方法。

1 試驗(yàn)方案

1.1 巖石試樣制備

試驗(yàn)選用完整砂巖制作了如圖1所示的4類不同巖橋角度的鎖固段模型，每種模型各制備3個(gè)。鎖固段模型前緣、后緣均預(yù)制裂縫，前緣裂縫中填充低強(qiáng)度材料石蠟用于模擬鎖固段前緣蠕滑破壞，鎖固段模型的基底和兩側(cè)均由涂有油脂的鋼板約束。限于篇幅，本文從12個(gè)砂巖制成的鎖固段模型中選出了4個(gè)進(jìn)行分析，巖橋角分別為70°，90°，110°，130°。模型的鎖固段模型高度均為250 mm，頂寬133 mm，底寬250 mm，基座高度為20 mm，模型厚度為3 cm，具體物理模型尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。鎖固段巖橋長(zhǎng)度均為50 mm，不同巖橋的前緣緩傾裂隙長(zhǎng)度和傾角保持一致，α和β分別表示張拉裂隙傾角和緩傾裂隙傾角。

1.2 測(cè)試方法

本次試驗(yàn)所用加載裝置為WHY-1000微控壓力試驗(yàn)機(jī)，系統(tǒng)可提供最大軸壓1 000 kN。試驗(yàn)采用靜

表1 物理模型尺寸參數(shù)Tab.1 Size and parameters of physical model

態(tài)加載方式，加載過(guò)程分兩階段進(jìn)行：① 預(yù)加載階段采用位移控制，加載速度為0.5 mm/min，目標(biāo)荷載設(shè)定為1 kN；② 正式加載階段，加載速度為0.2 mm/min，由軸向應(yīng)變控制。試驗(yàn)通過(guò)聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)模型變形破壞全過(guò)程所釋放的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行同步觀測(cè)。4個(gè)聲發(fā)射傳感器均勻布置在鎖固段巖橋部位的左右兩側(cè)(見(jiàn)圖1)。試驗(yàn)之前，應(yīng)對(duì)單軸加載系統(tǒng)和聲發(fā)射采集系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)調(diào)試，確保試驗(yàn)的順利開(kāi)展。同時(shí)，為了保證單軸加載系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)同步，兩個(gè)系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 聲發(fā)射特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析

2.1.1破壞過(guò)程聲發(fā)射能量特征

聲發(fā)射能量是聲發(fā)射源釋放的彈性能量，聲發(fā)射能量的釋放能直觀反映巖石內(nèi)部的破裂變化。因此，本文選用聲發(fā)射能量來(lái)比較具有不同巖橋角度的鎖固段模型的內(nèi)部活動(dòng)變化。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同巖橋角鎖固段模型中的聲發(fā)射能量隨著加載的進(jìn)行整體均呈現(xiàn)一個(gè)增長(zhǎng)的過(guò)程。聲發(fā)射能量、累積能量以及荷載隨著時(shí)間的變化發(fā)展趨勢(shì)如圖2所示?；趯?duì)時(shí)間-加載曲線和聲發(fā)射能量變化過(guò)程的綜合分析，本文將鎖固段模型的加載過(guò)程分為3個(gè)階段。

階段Ⅰ，加載初始階段。在這個(gè)階段，荷載隨時(shí)間的增長(zhǎng)不明顯，幾乎沒(méi)有太大的增幅，對(duì)4個(gè)鎖固段模型而言，荷載均在0～2 kN這個(gè)范圍內(nèi)浮動(dòng)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)樯皫r試樣內(nèi)部存在一些原始微裂紋和孔隙，在前期加載過(guò)程中原始微裂紋被壓實(shí)。根據(jù)加載-時(shí)間曲線，說(shuō)明試驗(yàn)中不同鎖固段模型內(nèi)部微裂縫和孔隙被壓實(shí)的荷載水平保持在2 kN左右。此階段的聲發(fā)射信號(hào)主要來(lái)源于試樣內(nèi)部的摩擦作用，并沒(méi)有出現(xiàn)真正的巖石破裂。因此，這個(gè)階段僅有很小一部分聲發(fā)射能量釋放。

階段Ⅱ，裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段。將鎖固段模型峰值荷載定義為P，此階段的荷載水平維持在2 kN～85%P這個(gè)范圍內(nèi)。在這個(gè)階段，荷載隨著時(shí)間呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，模型內(nèi)部逐漸產(chǎn)生新的裂紋，模型內(nèi)部聲發(fā)射活動(dòng)逐漸變得活躍起來(lái)，圖2中可以清楚看到聲發(fā)射能量釋放有了明顯的增長(zhǎng)。

階段Ⅲ，裂縫不穩(wěn)定發(fā)展及破壞階段。鎖固段模型此階段的荷載水平處于85%P～P之間。這個(gè)階段，試樣內(nèi)部裂紋進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展階段，隨著負(fù)載的增加，裂縫在鎖固段上發(fā)展并且貫通，鎖固段結(jié)構(gòu)面開(kāi)始發(fā)生破壞，此時(shí)巖石內(nèi)部聲發(fā)射活動(dòng)異常劇烈，釋放出大量的聲發(fā)射能量，其能量數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前兩個(gè)階段，從圖3可以看到聲發(fā)射累積能量曲線出現(xiàn)一個(gè)幾乎垂直增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

2.1.2破壞過(guò)程聲發(fā)射計(jì)數(shù)分布

聲發(fā)射計(jì)數(shù)指的是在試驗(yàn)中聲發(fā)射信號(hào)超過(guò)閾值的振鈴脈沖次數(shù)，它可以很好地揭示巖石材料的破裂機(jī)理。圖3繪制了4種巖橋角度的砂巖試樣聲發(fā)射瞬時(shí)計(jì)數(shù)、累積計(jì)數(shù)和荷載隨時(shí)間的變化趨勢(shì)?？梢园l(fā)現(xiàn)它們之間有著一致的變化規(guī)律：在加載初始階段(階段Ⅰ)，僅有很少的聲發(fā)射計(jì)數(shù)；加載中期階段(階段Ⅱ)，聲發(fā)射計(jì)數(shù)逐漸增加，累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)隨著時(shí)間呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)；加載后期階段(階段Ⅲ)，由于裂紋的不穩(wěn)定發(fā)展，試件逐漸進(jìn)入破壞階段，此時(shí)可以觀察到聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)曲線出現(xiàn)陡增趨勢(shì)。聲發(fā)射計(jì)數(shù)的變化過(guò)程和聲發(fā)射能量的變化過(guò)程基本同步。

為了進(jìn)一步對(duì)聲發(fā)射計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將獲得的聲發(fā)射計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)分階段作圖，如圖4所示。在階段Ⅰ中，70°，90°，110°，130° 4種模型的聲發(fā)射計(jì)數(shù)均較少，計(jì)數(shù)主要集中在40次以下，出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因是由于加載前期鎖固段模型內(nèi)部主要發(fā)生的是原始裂縫被壓實(shí)活動(dòng)，此時(shí)并未產(chǎn)生新裂縫。在加載階段Ⅱ時(shí)，4個(gè)鎖固段模型的聲發(fā)射計(jì)數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，計(jì)數(shù)次數(shù)主要集中在80以下，計(jì)數(shù)次數(shù)相較于階段Ⅰ提高了一倍，4種模型最高聲發(fā)射計(jì)數(shù)分別達(dá)到了140，180，200和190，鎖固段模型內(nèi)部聲發(fā)射活動(dòng)劇烈，說(shuō)明此時(shí)新裂紋逐漸產(chǎn)生與發(fā)展。隨著加載的進(jìn)行，模型內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋延伸并且逐漸貫通，模型進(jìn)入到破壞階段(階段Ⅲ)，隨著破裂結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)生，聲發(fā)射計(jì)數(shù)劇烈增加。在Ⅲ階段，模型70°、90°、110°、130°的最高聲發(fā)射計(jì)數(shù)均達(dá)到20 000次，模型90°的最高聲發(fā)射計(jì)數(shù)有18 000多次，聲發(fā)射活動(dòng)頻率顯著增大，此時(shí)模型內(nèi)部裂縫劇烈發(fā)展，直至模型破壞失效。

2.2 RA-AF分布特征及破壞模式

本文采用了高斯混合模型(Gaussian Mixture Model，GMM)方法對(duì)4類鎖固段模型3個(gè)加載階段的RA值和AF值進(jìn)行分析，進(jìn)而判斷出鎖固段模型的破裂模式。GMM是一種常用的機(jī)器學(xué)習(xí)聚類算法，該方法使用高斯概率密度函數(shù)量化事物，將一個(gè)事物分解為若干個(gè)高斯概率密度函數(shù)，理論上能擬合出任意類型的分布，常用于解決同一集合下有多重不同分布的問(wèn)題[11-13]。GMM的詳細(xì)信息如下[14-15]。

如果一個(gè)隨機(jī)變量y的概率密度函數(shù)如公式(1) 所示，則y服從正態(tài)分布或高斯分布：

=N(y|μ，σ2)；-∞0

(1)

式(1)等效于y～N(μ，σ2)，表示隨機(jī)變量y服從正態(tài)分布，μ是平均值，σ2是方差。GMM是一種參數(shù)化的概率密度函數(shù)，表示為高斯分量密度Q的加權(quán)和，如公式(2)所示：

(2)

式中：y是一個(gè)D維連續(xù)向量；ωi是混合權(quán)重；Ni(y|μi，∑i)是高斯密度的分量。

每個(gè)單模態(tài)的高斯分量密度的形式是一個(gè)D變量高斯函數(shù)，表示為

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

本文通過(guò)采集到的聲發(fā)射參數(shù)信息計(jì)算RA和AF值，為了更直觀地分析不同鎖固段模型的RA-AF分布差異，基于GMM繪制了關(guān)于RA值和AF值的分布密度圖，如圖5所示。其中，密度圖的顏色色階代表了不同的數(shù)據(jù)密度，色階從紅色到紫色表示數(shù)據(jù)密度從稀疏變?yōu)槊芗{(lán)色區(qū)域和紫色區(qū)域的數(shù)據(jù)密度更高，而紅色區(qū)域的數(shù)據(jù)密度較為稀疏。其中，RA和AF的值由式(10)和式(11)來(lái)定義：

(10)

(11)

GMM依據(jù)該分布特征將破壞模式分為拉伸破裂和剪切破裂，并賦予所有數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的分類標(biāo)簽。為保證模型的泛化能力，本文隨機(jī)選取數(shù)據(jù)集中20%的數(shù)據(jù)作為測(cè)試集。以往研究結(jié)果證明：剪切裂紋通常具有較大的RA值和較小的AF值，而拉伸裂紋則具有較大的AF值和較小的RA值[16-17]。以圖5(a)為例對(duì)RA-AF密度圖進(jìn)行說(shuō)明，圖中數(shù)據(jù)密度較高的區(qū)域被橢圓虛線標(biāo)注出來(lái)，由豎放橢圓圈出來(lái)的數(shù)據(jù)區(qū)域主要代表剪切裂紋，反之則代表拉伸裂紋。根據(jù)GMM聚類結(jié)果，計(jì)算了鎖固段模型內(nèi)部剪切裂縫占比情況，如表2所列。70°，90°，110°，130°模型在破壞階段的剪切破裂占比分別為32%，37%，56%，22%，該剪切裂紋占比情況與RA-AF密度圖反映出的剪切和拉伸裂紋分布情況相一致。

有研究表明，初級(jí)裂縫一般為拉伸裂縫并且在原有裂縫的尖端或尖端附近引發(fā)[18-19]。本次試驗(yàn)通過(guò)工業(yè)相機(jī)記錄了模型表面宏觀裂紋的形成與發(fā)展過(guò)程，不同巖橋角度的鎖固段模型均先在前緣緩傾裂縫的后端部因前緣蠕滑受拉產(chǎn)生一條微裂縫，這條微裂縫與前緣緩傾裂縫呈90°并往模型頂部發(fā)展，這條裂縫被稱為機(jī)翼裂縫[20-21]。機(jī)翼裂縫發(fā)展形成以后，繼續(xù)加載，各個(gè)模型的加載形態(tài)開(kāi)始有所差異：70°模型在機(jī)翼裂縫形成后不久，后緣預(yù)制裂縫下端部受拉，出現(xiàn)一條與前緣機(jī)翼裂縫平行的微裂縫，鎖固段模型被破壞；90°模型隨著加載的進(jìn)行，又在后緣預(yù)制裂縫下端出現(xiàn)一條朝著模型底部發(fā)展的裂縫，能量不斷在鎖固段被積累，最終該裂縫發(fā)展到與前緣緩傾裂縫后端相連接，模型突然被破壞；110°模型和130°模型的裂縫發(fā)展情況比較相似，兩者產(chǎn)生的機(jī)翼裂縫不斷向模型上端發(fā)展，幾乎快要與模型上端部相貫通，當(dāng)加載達(dá)到模型極限承載能力時(shí)，鎖固段發(fā)生斷裂，兩者均發(fā)生突發(fā)性破壞。

表2 不同巖橋角度鎖固段模型在不同加載階段時(shí)的剪切裂紋占比Tab.2 Proportions of shear cracks in different slope models at different loading stages

通過(guò)對(duì)4種鎖固段模型破壞模式的分析，可以發(fā)現(xiàn)鎖固段模型的巖橋部分是抵抗自重和外荷載、維護(hù)鎖固段整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵部位，鎖固段的破壞往往具有突發(fā)性特征。鎖固段模型最終破壞形式如圖6所示。將鎖固段模型上的裂縫發(fā)展過(guò)程與計(jì)算出的模型剪切破裂占比相結(jié)合，可以總結(jié)出這4種模型的最終破壞形式：巖橋角為70°和90°時(shí)，發(fā)生是以拉伸破裂為主的拉-剪混合破壞模式；巖橋角為110°時(shí)，鎖固段模型是以剪切破裂為主的拉-剪混合破壞模式；巖橋角為130°時(shí)，鎖固段模型是以受壓產(chǎn)生的劈裂模式為主。

2.3 力學(xué)特性分析

根據(jù)以往的研究結(jié)果，模型的失效通常與相對(duì)應(yīng)的裂紋啟動(dòng)模式有關(guān)[22]。對(duì)比4種鎖固段模型的位移-荷載曲線，這4條曲線在單軸加載后期均可觀察到在某一時(shí)刻的荷載瞬時(shí)下降了一部分，繼而又往上增長(zhǎng)，直到加載達(dá)到模型的極限承載能力時(shí)，鎖固段模型發(fā)生破壞。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是，鎖固段模型在加載過(guò)程中，首先是在前緣緩傾裂縫后端部產(chǎn)生一條宏觀裂縫，該裂縫的產(chǎn)生導(dǎo)致荷載曲線出現(xiàn)第一次下降，隨著單軸加載的繼續(xù)進(jìn)行，荷載再一次呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，直至鎖固段結(jié)構(gòu)面上主要裂縫的貫通，鎖固段的強(qiáng)度完全丟失，試件宣告破壞，這是一個(gè)強(qiáng)烈的應(yīng)力釋放過(guò)程。該破壞為脆性破壞，破壞前沒(méi)有明顯征兆，具有突發(fā)性強(qiáng)、危險(xiǎn)性大的特點(diǎn)。如圖2所示，在4種鎖固段模型加載過(guò)程中，有3種模型(分別為70°，90°，130°模型)在最終破壞前均出現(xiàn)應(yīng)力回彈現(xiàn)象，并且該現(xiàn)象均發(fā)生于峰值荷載的85%以后。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)殒i固段某部分開(kāi)始破壞，但仍具有一定的鎖固能力。因此，可將此現(xiàn)象作為鎖固段模型臨近破壞的前兆信息。

圖7繪制了4種鎖固段模型的位移-荷載變化曲線圖，圖中70°，90°，110°，130°模型的峰值荷載分別為5.94，16.28，38.54，59.82 kN。對(duì)制備的不同巖橋角的鎖固段模型峰值荷載取平均值，從θ=70°～130°，平均峰值荷載分別為6.18，17.46，38.27，49.76 kN?？梢钥闯?，鎖固段模型的平均峰值荷載隨著巖橋角的增大而不斷增大，巖橋角越小，鎖固段模型越早達(dá)到峰值點(diǎn)，平均峰值荷載越小。130°模型的平均峰值荷載是70°模型平均峰值載荷的8倍。影響其峰值荷載的原因有兩個(gè)：巖橋角度的大小以及后緣張拉裂隙傾角的大小變化。由表1可以看出，隨著巖橋角度的增大，后緣張拉裂隙傾角也隨之線性增大，鎖固段模型承壓巖石材料增加，最終導(dǎo)致鎖固段模型所能承受的峰值荷載增大。圖8非常直觀地反映出鎖固段模型的平均峰值荷載隨著鎖固段巖橋角度增大而不斷增加的趨勢(shì)，幾乎呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。由此可以得出結(jié)論，在前緣緩傾裂隙長(zhǎng)度和傾角一定時(shí)，鎖固段巖橋角度的大小對(duì)于鎖固段模型的強(qiáng)度有很大影響，巖橋角度越大，后緣張拉裂隙傾角越大，鎖固段模型承壓材料越多，故鎖固段模型的抗壓能力越好。

因此，根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，為鎖固段滑坡的防治提供了借鑒：當(dāng)“三段式”滑坡的巖橋角處于70°～130°范圍時(shí)，巖橋角度越大，鎖固段能承受的荷載越大，越有利于鎖固段穩(wěn)定性；當(dāng)巖橋角處于較小水平時(shí)，鎖固段的危險(xiǎn)系數(shù)越大，應(yīng)針對(duì)實(shí)際情況采取相應(yīng)安全防護(hù)措施。

3 結(jié) 論

本文采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)不同巖橋角度的鎖固段模型進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了鎖固段模型的聲發(fā)射特性及其變化規(guī)律，了解了不同巖橋角度的鎖固段模型的破裂形式，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1) 基于聲發(fā)射能量和聲發(fā)射計(jì)數(shù)變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)鎖固段模型的破裂過(guò)程有明顯的分段特征，聲發(fā)射能量和計(jì)數(shù)變化趨勢(shì)基本一致。在加載前期階段(階段Ⅰ)，聲發(fā)射能量與計(jì)數(shù)并未有太大的變化；加載中期階段(階段Ⅱ)，聲發(fā)射總能量與總計(jì)數(shù)均呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)；加載后期階段(階段Ⅲ)，聲發(fā)射總能量與總計(jì)數(shù)均發(fā)生陡增。聲發(fā)射參數(shù)的變化形象地描繪了巖石內(nèi)部裂紋的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。

(2) 對(duì)鎖固段模型整個(gè)加載過(guò)程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)4種鎖固段模型從開(kāi)始加載到最終破壞均會(huì)產(chǎn)生兩條影響巖石強(qiáng)度的主要裂縫：初級(jí)裂縫是由于鎖固段模型前緣蠕滑導(dǎo)致前緣緩傾裂縫尖端或尖端附近引發(fā)的拉伸裂縫，該裂縫與前緣緩傾裂縫呈90°傾角并往模型頂部發(fā)展；第二條裂縫是鎖固段結(jié)構(gòu)面上產(chǎn)生的剪切裂縫，這條裂縫的貫通發(fā)展是導(dǎo)致鎖固段模型破壞的關(guān)鍵所在。

(3) 結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行非監(jiān)督聚類分析，總結(jié)出4種鎖固段模型的最終破壞形式：巖橋角小于90°時(shí)，發(fā)生的是以拉伸破裂為主的拉-剪混合破壞模式；巖橋角為110°時(shí)，鎖固段模型發(fā)生的是以剪切破裂為主的拉-剪混合破壞模式；巖橋角為130°時(shí)，鎖固段模型主要產(chǎn)生因受壓導(dǎo)致的劈裂破壞模式。

(4) 鎖固段巖橋角度的大小對(duì)鎖固段模型的強(qiáng)度有很大影響，不同巖橋角度的鎖固段模型能夠承受不同的峰值荷載。鎖固段模型的承載能力隨巖橋角度的增大而增大，巖橋角度越小，鎖固段模型越早達(dá)到峰值點(diǎn)，平均峰值荷載越??；巖橋角度越大，鎖固段模型的抗壓能力越強(qiáng)。