工程科学学报.第41卷.第11期：1374-1386.2019年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.11:1374-1386,November 2019 D0L:10.13374/.issn2095-9389.2019.05.07.004,http://journals.ustb.edu.cn 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 李长洪12，肖永刚1,2区，王宇1,2)，卜磊2)，侯志强12) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室.北京1000832)北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083 通信作者，E-mail:b20170013@xs.ustb.edu.cn 摘要高海拔寒区矿山岩质边坡变形破坏机制研究已取得一定的研究成果，但基于现行理论与技术还难以全面解决未来 高寒边坡失稳机理和灾害防控的所有问题，至今尚未建立起完善的高寒边坡开采研究体系和边坡稳定性判别标准.本文对高 寒岩质边坡变形破坏的室内岩石力学试验、边坡物理相似模拟、多场多相耦合数值模拟、变形破坏原位监测、高海拔寒区岩 质边坡失稳机理五个方面开展了大量的文献调研，总结高寒岩体变形破坏有关的研究成果，继而对存在的问题进行探讨并分 析当前研究的不足，总结出高寒岩质边坡变形破坏研究领域亟待解决的关键问题：一是开采扰动条件下高海拔寒区矿山边坡 岩体结构损伤劣化机制，二是冻融循环条件下流-固-气多相多场耦合边坡失稳时效特征与评价方法：并就未来高寒边坡变形 和破坏研究方向及发展趋势予以分析，指出开展不同应力路径冻融循环耦合作用下岩体结构损伤劣化机理研究，开展爆破采 动条件下高海拔寒区岩质边坡结构面致遗机制及边坡失稳破坏研究，开展地震荷载作用下高海拔寒区节理岩质边坡地震动 力响应及致灾规律研究，研究多场多相耦合条件下节理岩体损伤劣化机理，开展高海拔寒区矿山边坡抗寒多参量实时安全监 测及失稳预警技术研究五个方面是未来研究的趋势 关键词高寒边坡：冻融循环：爆破开采：动力响应；多相耦合；失稳机理 分类号P642.3 Review and prospects for understanding deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude LI Chang-hong 2),XIAO Yong-gang2.WANG Yu2),BU Lei2),HOU Zhi-giang2) 1)Key Laboratory of Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:b20170013@xs.ustb.edu.cn ABSTRACT Research on the deformation and failure mechanism of rock slopes in high-altitude cold areas has obtained certain results, but based on the current theory and technology,it is difficult to comprehensively solve problems related to the cold-slope instability mechanisms and disaster prevention and control.As yet,no overall research system for high-altitude slope mining or criteria for slope stability have been established.In this paper,based on an extensive literature review,five measures of the deformation and failure of alpine rock slopes were presented,including the indoor rock mechanics test,simulation of physically similar slopes,multi-field multi- phase coupled numerical simulation,in-situ monitoring of deformation and damage,and the instability mechanism of rock slopes in high-altitude cold areas.After summarizing the research results related to the deformation and failure of alpine rock masses,existing problems were discussed and current research deficiencies were analyzed.The key problems that require urgent solutions in the research of the deformation and failure of alpine rock slopes were summarized.The first problem is the damage mechanism of a rock mass in a 收稿日期：2019-05-07 基金项目：国家重点研发计划课题资助项目(2018YFC0808402)
高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 李长洪1,2)，肖永刚1,2) 苣，王 宇1,2)，卜 磊1,2)，侯志强1,2) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 苣通信作者，E-mail：b20170013@xs.ustb.edu.cn 摘 要 高海拔寒区矿山岩质边坡变形破坏机制研究已取得一定的研究成果，但基于现行理论与技术还难以全面解决未来 高寒边坡失稳机理和灾害防控的所有问题，至今尚未建立起完善的高寒边坡开采研究体系和边坡稳定性判别标准. 本文对高 寒岩质边坡变形破坏的室内岩石力学试验、边坡物理相似模拟、多场多相耦合数值模拟、变形破坏原位监测、高海拔寒区岩 质边坡失稳机理五个方面开展了大量的文献调研，总结高寒岩体变形破坏有关的研究成果，继而对存在的问题进行探讨并分 析当前研究的不足，总结出高寒岩质边坡变形破坏研究领域亟待解决的关键问题：一是开采扰动条件下高海拔寒区矿山边坡 岩体结构损伤劣化机制，二是冻融循环条件下流−固−气多相多场耦合边坡失稳时效特征与评价方法；并就未来高寒边坡变形 和破坏研究方向及发展趋势予以分析，指出开展不同应力路径冻融循环耦合作用下岩体结构损伤劣化机理研究，开展爆破采 动条件下高海拔寒区岩质边坡结构面致溃机制及边坡失稳破坏研究，开展地震荷载作用下高海拔寒区节理岩质边坡地震动 力响应及致灾规律研究，研究多场多相耦合条件下节理岩体损伤劣化机理，开展高海拔寒区矿山边坡抗寒多参量实时安全监 测及失稳预警技术研究五个方面是未来研究的趋势. 关键词 高寒边坡；冻融循环；爆破开采；动力响应；多相耦合；失稳机理 分类号 P642.3 Review and prospects for understanding deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude LI Chang-hong1,2) ，XIAO Yong-gang1,2) 苣 ，WANG Yu1,2) ，BU Lei1,2) ，HOU Zhi-qiang1,2) 1) Key Laboratory of Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: b20170013@xs.ustb.edu.cn ABSTRACT Research on the deformation and failure mechanism of rock slopes in high-altitude cold areas has obtained certain results, but based on the current theory and technology, it is difficult to comprehensively solve problems related to the cold-slope instability mechanisms and disaster prevention and control. As yet, no overall research system for high-altitude slope mining or criteria for slope stability have been established. In this paper, based on an extensive literature review, five measures of the deformation and failure of alpine rock slopes were presented, including the indoor rock mechanics test, simulation of physically similar slopes, multi-field multiphase coupled numerical simulation, in-situ monitoring of deformation and damage, and the instability mechanism of rock slopes in high-altitude cold areas. After summarizing the research results related to the deformation and failure of alpine rock masses, existing problems were discussed and current research deficiencies were analyzed. The key problems that require urgent solutions in the research of the deformation and failure of alpine rock slopes were summarized. The first problem is the damage mechanism of a rock mass in a 收稿日期: 2019−05−07 基金项目: 国家重点研发计划课题资助项目（2018YFC0808402） 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期：1374−1386，2019 年 11 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 11: 1374−1386, November 2019 DOI：10.13374/j.issn2095-9389.2019.05.07.004; http://journals.ustb.edu.cn
李长洪等：高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 ·1375 high-altitude cold area under mining disturbance conditions.The second problem is the aging characteristics and evaluation methods of the instability of a flow-solid-gas multi-phase multi-field coupled slope under freeze-thaw cycles.The future research direction and development trends in the deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude were also analyzed.Research should be conducted on the following:(1)the damage degradation mechanism of rock masses with different stress paths coupled with freeze-thaw cycles,(2)the structural plane collapse mechanism and instability of rock slopes in high-altitude cold areas under the condition of blast mining,(3)the dynamic response and disaster occurrence law of jointed rock slopes in high-altitude cold areas under earthquake loading.(4)the mechanism of damage deterioration of jointed rock masses under multi-field and multi-phase coupling conditions,and(5)real-time safety monitoring and early-warning technology regarding the instability of multi-parameter cold resistance of mine slopes in high-altitude cold areas.These five research areas constitute the trends of future research. KEY WORDS alpine slope;freeze-thaw cycle;blast mining;dynamic response;multi-phase coupling;failure mechanism 我国低海拔金属矿资源量减少，而其需求量却 岩体边坡失稳问题亟待解决 不断增加，《全国矿产资源规划(2016一2020)》四 1高寒岩质边坡变形和破坏研究现状调研 指出金属矿产资源开发应该逐步向西部地区进 军，将高海拔寒区金属矿产资源开发上升到国家 高寒岩质边坡多数为岩性组合变化多、高陡 战略高度.高海拔高寒地区低温、低气压、冻融循 坡、强卸荷、多裂隙、冻融作用明显的边坡，一旦 环、生态脆弱等特点，导致矿山开采条件差、灾变 出现了变形和失稳，会严重影响工程各方面的进 机理复杂、人机功效低、救援难度大，而现有的开 展，本文从高寒岩体变形破坏室内岩石力学试 采理论与技术不能适用于高海拔寒区金属矿产资 验、相似模型试验、数值模拟、高寒边坡原位监测 源安全开采，迫切需要建立新理论，开发新技术与 以及失稳机理5个方面进行总结 装备 1.1高海拔寒区岩体室内岩石力学试验研究现状 爆破开采、冻融循环、地震等作用引起岩质边 高寒岩体变形破坏室内试验包括冻融循环条 坡地质灾害，致使高寒地区露天矿山岩质边坡的 件下的静态试验、爆破开采等应力扰动下的动态 破坏问题尤为突出.由于露天金属矿的开采致使 试验等 边坡长期暴露在自然环境中，受温度、渗流、采 1.1.1静态试验研究 矿、冻融等因素的影响，随着采动后暴露时间的延 ince和Fenerl)利用卡帕多西亚l0个火山碎 长，岩质边坡结构完整性和强度将逐渐下降，一旦 屑岩样品进行冻融(freeze-thaw简写为FT)循环 诱发灾害，将会给国家经济建设和人民生命财产 试验，建立强度损失百分比统计模型预测出火山 带来巨大损失.例如在2013年，我国西藏甲玛矿 碎屑岩单轴抗压强度损失百分比，具有较高的可 由于冻融循环和爆破开采等动载作用导致岩体劣 靠性.Jia等通过不同饱和度的砂岩试样的冻胀 化失稳，引起200多万方边坡塌方量，83名现场作 变形与单轴拉伸变形对比（如图1），不仅说明砂岩 业人员被埋，“3.29”塌方给人民的生命财产造成巨 冻胀变形与饱和度有关，而且证明超过一定饱和 大损失) 度之后的最大冻胀变形将会存在不可逆的残余变 目前，有关寒区煤矿露天边坡工程和金属矿 形.Han等阿研究砂岩试样在不同化学溶液和快 露天矿山边坡工程岩体在冻融循环条件下岩土体 速FT循环耦合作用下的损伤机理，结果表明砂岩 介质物理力学性质的研究多有报道.露天煤矿边 试样的断裂韧性和强度随着FT循环次数的增加 坡岩体强度较低，主要由沉积岩构成，层理明显且 出现不同程度的劣化.Chen等对软岩材料试件 夹层多，岩体较破碎，而露天金属矿边坡岩体强度 进行了T循环试验，建立冻融边坡稳定性的计算 较高，主要由岩浆岩、变质岩构成，断层、节理发 模型，结果表明含水率和冻融循环次数对软岩的 育，地质条件复杂.有关高寒高海拔地区金属矿露 力学参数有显着影响.Lu0等m采集某寒区铁矿边 天矿山边坡节理岩体在开采扰动条件下的力学响 坡辉绿岩，对比辉绿岩和变质辉绿岩的冻融系数 应、结构面灾变扩展机理的研究较少.随着“一带 (K)和岩石强度损失率(R)等指标，以此研究两 一路”建设的不断深入，确保露天矿山边坡开采边 种岩样冻融损伤劣化规律. 坡安全与提高经济效益之间的矛盾日渐明显，有 Ghobadi和Babazadeh对伊朗西部某地区砂 关高寒高海拔地区露天金属矿山开采相关的节理 岩试样进行了60次T循环试验，结果表明同一
high-altitude cold area under mining disturbance conditions. The second problem is the aging characteristics and evaluation methods of the instability of a flow –solid –gas multi-phase multi-field coupled slope under freeze –thaw cycles. The future research direction and development trends in the deformation and failure of rock slopes in cold regions with high altitude were also analyzed. Research should be conducted on the following: (1) the damage degradation mechanism of rock masses with different stress paths coupled with freeze –thaw cycles, (2) the structural plane collapse mechanism and instability of rock slopes in high-altitude cold areas under the condition of blast mining, (3) the dynamic response and disaster occurrence law of jointed rock slopes in high-altitude cold areas under earthquake loading, (4) the mechanism of damage deterioration of jointed rock masses under multi-field and multi-phase coupling conditions, and (5) real-time safety monitoring and early-warning technology regarding the instability of multi-parameter cold resistance of mine slopes in high-altitude cold areas. These five research areas constitute the trends of future research. KEY WORDS alpine slope；freeze-thaw cycle；blast mining；dynamic response；multi-phase coupling；failure mechanism 我国低海拔金属矿资源量减少，而其需求量却 不断增加，《全国矿产资源规划（2016—2020）》[1] 指出金属矿产资源开发应该逐步向西部地区进 军，将高海拔寒区金属矿产资源开发上升到国家 战略高度. 高海拔高寒地区低温、低气压、冻融循 环、生态脆弱等特点，导致矿山开采条件差、灾变 机理复杂、人机功效低、救援难度大，而现有的开 采理论与技术不能适用于高海拔寒区金属矿产资 源安全开采，迫切需要建立新理论，开发新技术与 装备. 爆破开采、冻融循环、地震等作用引起岩质边 坡地质灾害，致使高寒地区露天矿山岩质边坡的 破坏问题尤为突出. 由于露天金属矿的开采致使 边坡长期暴露在自然环境中，受温度、渗流、采 矿、冻融等因素的影响，随着采动后暴露时间的延 长，岩质边坡结构完整性和强度将逐渐下降，一旦 诱发灾害，将会给国家经济建设和人民生命财产 带来巨大损失. 例如在 2013 年，我国西藏甲玛矿 由于冻融循环和爆破开采等动载作用导致岩体劣 化失稳，引起 200 多万方边坡塌方量，83 名现场作 业人员被埋，“3.29”塌方给人民的生命财产造成巨 大损失[2] . 目前，有关寒区煤矿露天边坡工程和金属矿 露天矿山边坡工程岩体在冻融循环条件下岩土体 介质物理力学性质的研究多有报道. 露天煤矿边 坡岩体强度较低，主要由沉积岩构成，层理明显且 夹层多，岩体较破碎，而露天金属矿边坡岩体强度 较高，主要由岩浆岩、变质岩构成，断层、节理发 育，地质条件复杂. 有关高寒高海拔地区金属矿露 天矿山边坡节理岩体在开采扰动条件下的力学响 应、结构面灾变扩展机理的研究较少. 随着“一带 一路”建设的不断深入，确保露天矿山边坡开采边 坡安全与提高经济效益之间的矛盾日渐明显，有 关高寒高海拔地区露天金属矿山开釆相关的节理 岩体边坡失稳问题亟待解决. 1 高寒岩质边坡变形和破坏研究现状调研 高寒岩质边坡多数为岩性组合变化多、高陡 坡、强卸荷、多裂隙、冻融作用明显的边坡，一旦 出现了变形和失稳，会严重影响工程各方面的进 展. 本文从高寒岩体变形破坏室内岩石力学试 验、相似模型试验、数值模拟、高寒边坡原位监测 以及失稳机理 5 个方面进行总结. 1.1 高海拔寒区岩体室内岩石力学试验研究现状 高寒岩体变形破坏室内试验包括冻融循环条 件下的静态试验、爆破开采等应力扰动下的动态 试验等. 1.1.1 静态试验研究 İnce 和 Fener[3] 利用卡帕多西亚 10 个火山碎 屑岩样品进行冻融（freeze–thaw 简写为 FT）循环 试验，建立强度损失百分比统计模型预测出火山 碎屑岩单轴抗压强度损失百分比，具有较高的可 靠性. Jia 等[4] 通过不同饱和度的砂岩试样的冻胀 变形与单轴拉伸变形对比（如图 1），不仅说明砂岩 冻胀变形与饱和度有关，而且证明超过一定饱和 度之后的最大冻胀变形将会存在不可逆的残余变 形. Han 等[5] 研究砂岩试样在不同化学溶液和快 速 FT 循环耦合作用下的损伤机理，结果表明砂岩 试样的断裂韧性和强度随着 FT 循环次数的增加 出现不同程度的劣化. Chen 等[6] 对软岩材料试件 进行了 FT 循环试验，建立冻融边坡稳定性的计算 模型，结果表明含水率和冻融循环次数对软岩的 力学参数有显着影响. Luo 等[7] 采集某寒区铁矿边 坡辉绿岩，对比辉绿岩和变质辉绿岩的冻融系数 （Kf）和岩石强度损失率（Rσ）等指标，以此研究两 种岩样冻融损伤劣化规律. Ghobadi 和 Babazadeh[8] 对伊朗西部某地区砂 岩试样进行了 60 次 FT 循环试验，结果表明同一 李长洪等： 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 · 1375 ·
1376 工程科学学报.第41卷，第11期 砂岩单轴直接拉伸应力-应变曲线 0.8 弹性变形阶段 塑性变形阶段 0.6 0.4 50%饱和试样的 最大冻胀变形 90%饱和试样的 0.2 最大冻胀变形 0 0.001 0.002 0.003 应变 图1砂岩在不同饱和度下的冻胀变形与单轴拉伸变形对比州 Fig.I Comparison of frost heave deformation and uniaxial tensile deformation of sandstone at different saturation levels! 地层的岩石风化特性存在较大差异，而且干湿条 明，冻结状态下的峰值抗压强度、黏聚力和内摩擦 件对砂岩特性有较大影响.Fang等9指出随着腐 角均有不同程度的提高：②5、10、20和40次冻融 蚀溶液FT最低温度和pH值的降低，黄砂岩抗压 后红砂岩力学试验结果表明，随着FT循环试验次 强度和弹性模量均减小，说明承载力和抗变形能 数的增加，红砂岩的纵波波速、弹性模量和抗压强 力随着延性的增大而减小.De Kock等o探讨了 度逐渐减小；③采用0°、45°和90°三个角度制备三 微米CT技术在研究冻融过程中孔隙尺度动态变 种单裂隙类砂岩岩样，研究冻融循环和周期荷载 化的可能性，试验表明多孔石灰岩冷却至-9.7℃ 耦合下不同冻融循环的破坏特征，表明岩体的损 时（如图2），裂缝网络发育，此时冰结晶并释放潜 伤及强度与岩体裂隙、冻融作用、周期荷载均有 热，吸水路径以及岩石纹理结构影响着裂缝生成 关联，并使用缺陷面积来描述裂隙损伤区 的位置. 综上所述，冻融循环作用使岩体的力学特性 杨更社等叫，张慧梅等1和申艳军等3对 发生了显著的变化，但是关于冻融循环条件下岩 饱和砂岩、红砂岩、单裂隙类砂岩岩样进行了不 体结构劣化的研究不足，尤其是针对高寒边坡采 同冻融次数的FT循环试验，得出的结论主要有： 动条件下岩体结构劣化研究不足，应开展有针对 ①不同冻结温度下的饱和砂岩三轴压缩试验表 性的室内力学试验，特别是接近工程实际和环境 20 (a) 15 10 0 潜热释放引起的放热峰 -5 冻结温度为-5℃ -10 冻结温度为-15℃ -15 -20 0 50b 100015002000250030003500 时间俗 (b) 中点 (c) 中点A 5 mm 图2冻结温度设定在-5℃和-15℃时读出数据四(a)岩样中传感器温度随时间的变化：(b)放热峰前CT切片及裂缝半高全宽值曲线：（©）放热 峰后CT切片及裂缝半高全宽值曲线 Fig.2 Readouts of freezing temperature with set points-5Cand-15:(a)the temperature of the sensor in the rock sampler as a function of time; (b)CT slice and Full Width Half Maximum (fwhm)before the exothermal peak;(c)CT slice and Full Width Half Maximum(fwhm)after the exothermal peak
地层的岩石风化特性存在较大差异，而且干湿条 件对砂岩特性有较大影响. Fang 等[9] 指出随着腐 蚀溶液 FT 最低温度和 pH 值的降低，黄砂岩抗压 强度和弹性模量均减小，说明承载力和抗变形能 力随着延性的增大而减小. De Kock 等[10] 探讨了 微米 CT 技术在研究冻融过程中孔隙尺度动态变 化的可能性，试验表明多孔石灰岩冷却至−9.7 ℃ 时（如图 2），裂缝网络发育，此时冰结晶并释放潜 热，吸水路径以及岩石纹理结构影响着裂缝生成 的位置. 杨更社等[11] ，张慧梅等[12] 和申艳军等[13−14] 对 饱和砂岩、红砂岩、单裂隙类砂岩岩样进行了不 同冻融次数的 FT 循环试验，得出的结论主要有： ①不同冻结温度下的饱和砂岩三轴压缩试验表 明，冻结状态下的峰值抗压强度、黏聚力和内摩擦 角均有不同程度的提高；②5、10、20 和 40 次冻融 后红砂岩力学试验结果表明，随着 FT 循环试验次 数的增加，红砂岩的纵波波速、弹性模量和抗压强 度逐渐减小；③采用 0°、45°和 90°三个角度制备三 种单裂隙类砂岩岩样，研究冻融循环和周期荷载 耦合下不同冻融循环的破坏特征，表明岩体的损 伤及强度与岩体裂隙、冻融作用、周期荷载均有 关联，并使用缺陷面积来描述裂隙损伤区. 综上所述，冻融循环作用使岩体的力学特性 发生了显著的变化，但是关于冻融循环条件下岩 体结构劣化的研究不足，尤其是针对高寒边坡采 动条件下岩体结构劣化研究不足，应开展有针对 性的室内力学试验，特别是接近工程实际和环境 0 0.001 0.002 0.003 0.8 0.4 0.2 0 0.6 应变 应力/MPa 50%饱和试样的 最大冻胀变形 90%饱和试样的 最大冻胀变形 砂岩单轴直接拉伸应力−应变曲线 弹性变形阶段 塑性变形阶段 图 1 砂岩在不同饱和度下的冻胀变形与单轴拉伸变形对比[4] Fig.1 Comparison of frost heave deformation and uniaxial tensile deformation of sandstone at different saturation levels[4] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 时间/s 温度/°C −20 −5 −10 −15 20 15 10 0 5 冻结温度为−5 ℃ 冻结温度为−15 ℃ (a) (b) 5 mm 潜热释放引起的放热峰 中点 (c) 中点 边 缘 点 边 缘 点 图 2 冻结温度设定在−5 ℃ 和−15 ℃ 时读出数据[10] . （a）岩样中传感器温度随时间的变化；（b）放热峰前 CT 切片及裂缝半高全宽值曲线；（c）放热 峰后 CT 切片及裂缝半高全宽值曲线 Fig.2 Readouts of freezing temperature with set points −5 ℃ and −15 ℃[10] : (a) the temperature of the sensor in the rock sampler as a function of time; (b) CT slice and Full Width Half Maximum (fwhm) before the exothermal peak; (c) CT slice and Full Width Half Maximum (fwhm) after the exothermal peak · 1376 · 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期
李长洪等：高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 1377 下的冻融循环扰动试验 环作用以外，还会频繁受到爆破开采、大型机械化 1.1.2动态试验研究 施工以及地震等影响（如图3所示），将产生较大 高海拔寒区露天金属矿山边坡除受到冻融循 的应力扰动或冲击荷载，使节理裂隙扩展发育 动力波源： 渗流场 岩体A岩体B 温度场 爆破开采、 冻融循环 大型机械施工， 地震、 应力波 爆炸冲击等 波的特性： 44 纵波和横被、 传播 面波、 频率 振幅. 微观结构影响 接触面效应 岩体 单一节理效应 边界效应等 节理 尺度 效 ,节理组效应 →图 节理岩体效应 图3岩体工程受环境因素及内在因素影响) Fig.3 Effects of environmental and internal factors on rock mass engineering 为研究高海拔寒区岩体工程受爆破或地震等 并不是一种耦合关系，所以可分开单独考虑.李维 动力荷载的影响，通过使用分离式Hopkinson压杆 光2设计了可以模拟不同爆破方向的爆破振动试 冲击(SHPB)测试和传统的单轴抗压强度(UCS)测 验台，以某露天层理岩质边坡为工程背景系统研 试，Ke等16、Wang等n7-ly、Zhou等2o、Li等和 究了爆破采动对顺层边坡失稳的影响.徐拴海2 Zhang等21得出的主要结论如下： 采集某岩质边坡多种砂岩试样进行FT循环试验， ①冲击加载试验结果表明，应力-应变曲线均 考虑爆破开挖对冻岩边坡的影响，定义了岩体的 经历了致密化、弹性、屈服和破坏四个阶段，随着 冻融扰动系数D,分析了冻融扰动和爆破采动对 冻融循环次数的增加，动态强度、杨氏模量和动态 岩体的劣化影响. 峰值应力减小，能量吸收随着冻融循环次数的增 综上所述，高寒岩体实验室动态试验主要采 加而增加 用的方法是SHPB,且主要针对砂岩等多孔隙、易 ②随循环次数的增加，砂岩孔隙结构分布趋 变形岩性，专门针对高寒露天金属矿山边坡岩体 势呈现多尺度特征，其孔隙率随着冻融作用的持 在爆破采动下的动态力学试验开展较少，应针对 续影响而增大，弹性模量逐渐减小，峰值应变不断 高寒边坡研发可以模拟不同爆破荷载大小、不同 增大. 爆破方向、不同爆破荷载加载方式的爆破振动试 ③砂岩的饱和质量、孔隙度和宏观损伤随着 验台，采用相似原理设计并制作符合工程实际的 冻融循环次数的增加而增大 边坡岩体复杂结构模型，进行爆破振动台模拟试 ④FT循环作用后，红砂岩的力学性能有明显 验，全面模拟爆破振动效应 的劣化，其UCS和模量的降低比静载荷作用下更 1.2边坡物理相似模型试验研究现状 为显著 国内外许多学者在研究边坡动载作用下的响 Liu等21采用分离式Hopkinson压杆冲击 应时采用物理模型振动台试验，该方法能够较为 (SHPB)系统进行了花岗岩巴西劈裂试验，提出了 准确的再现整个地质体的变形破坏过程，由于其 考虑加载速率和冻融循环的动态拉伸强度预测公 成本低、周期短、成果形象直观且对影响因素能 式.Ma等24对经过不同次数的FT周期后的软岩 进行重复分析，因此，国内外学者广泛使用边坡模 和砂质泥岩进行了SHPB动态压缩试验，结果表明 型试验来研究边坡的变形和破坏 两种岩样单轴动态抗压强度随着FT周期次数的 Yang等7以汶川地震为背景通过边坡模型 增加呈对数下降趋势.由于岩体爆破和冻融循环 试验研究地震滑坡发生机理及其灾害防控.Huang 不一定同时发生，在时间上存在先后的叠加作用， 等2！通过大型振动台模拟地震荷载作用下边坡变
下的冻融循环扰动试验. 1.1.2 动态试验研究 高海拔寒区露天金属矿山边坡除受到冻融循 环作用以外，还会频繁受到爆破开采、大型机械化 施工以及地震等影响（如图 3 所示），将产生较大 的应力扰动或冲击荷载，使节理裂隙扩展发育. 为研究高海拔寒区岩体工程受爆破或地震等 动力荷载的影响，通过使用分离式 Hopkinson 压杆 冲击（SHPB）测试和传统的单轴抗压强度（UCS）测 试，Ke 等[2, 16]、Wang 等 [17−19]、Zhou 等[20]、Li 等[21] 和 Zhang 等[22] 得出的主要结论如下： ① 冲击加载试验结果表明，应力−应变曲线均 经历了致密化、弹性、屈服和破坏四个阶段，随着 冻融循环次数的增加，动态强度、杨氏模量和动态 峰值应力减小，能量吸收随着冻融循环次数的增 加而增加. ② 随循环次数的增加，砂岩孔隙结构分布趋 势呈现多尺度特征，其孔隙率随着冻融作用的持 续影响而增大，弹性模量逐渐减小，峰值应变不断 增大. ③ 砂岩的饱和质量、孔隙度和宏观损伤随着 冻融循环次数的增加而增大. ④ FT 循环作用后，红砂岩的力学性能有明显 的劣化，其 UCS 和模量的降低比静载荷作用下更 为显著. Liu 等 [23] 采 用 分 离 式 Hopkinson 压 杆 冲 击 （SHPB）系统进行了花岗岩巴西劈裂试验，提出了 考虑加载速率和冻融循环的动态拉伸强度预测公 式. Ma 等[24] 对经过不同次数的 FT 周期后的软岩 和砂质泥岩进行了 SHPB 动态压缩试验，结果表明 两种岩样单轴动态抗压强度随着 FT 周期次数的 增加呈对数下降趋势. 由于岩体爆破和冻融循环 不一定同时发生，在时间上存在先后的叠加作用， 并不是一种耦合关系，所以可分开单独考虑. 李维 光[25] 设计了可以模拟不同爆破方向的爆破振动试 验台，以某露天层理岩质边坡为工程背景系统研 究了爆破采动对顺层边坡失稳的影响. 徐拴海[26] 采集某岩质边坡多种砂岩试样进行 FT 循环试验， 考虑爆破开挖对冻岩边坡的影响，定义了岩体的 冻融扰动系数 Dn，分析了冻融扰动和爆破采动对 岩体的劣化影响. 综上所述，高寒岩体实验室动态试验主要采 用的方法是 SHPB，且主要针对砂岩等多孔隙、易 变形岩性，专门针对高寒露天金属矿山边坡岩体 在爆破采动下的动态力学试验开展较少，应针对 高寒边坡研发可以模拟不同爆破荷载大小、不同 爆破方向、不同爆破荷载加载方式的爆破振动试 验台，采用相似原理设计并制作符合工程实际的 边坡岩体复杂结构模型，进行爆破振动台模拟试 验，全面模拟爆破振动效应. 1.2 边坡物理相似模型试验研究现状 国内外许多学者在研究边坡动载作用下的响 应时采用物理模型振动台试验，该方法能够较为 准确的再现整个地质体的变形破坏过程，由于其 成本低、周期短、成果形象直观且对影响因素能 进行重复分析，因此，国内外学者广泛使用边坡模 型试验来研究边坡的变形和破坏. Yang 等[27] 以汶川地震为背景通过边坡模型 试验研究地震滑坡发生机理及其灾害防控. Huang 等[28] 通过大型振动台模拟地震荷载作用下边坡变 动力波源： 岩体A 岩体B 爆破开采、 大型机械施工、 地震、 爆炸冲击等. 波的特性： 纵波和横波、 面波、 频率、 振幅. 渗流场 应力波 传播 岩体 节理 尺度 效应 微观结构影响 单一节理效应 节理组效应 节理岩体效应 接触面效应 边界效应等 温度场 最大主 冻融循环 应力σ1 最小主 应力σ3 图 3 岩体工程受环境因素及内在因素影响[15] Fig.3 Effects of environmental and internal factors on rock mass engineering[15] 李长洪等： 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 · 1377 ·
·1378 工程科学学报，第41卷，第11期 形破坏来研究硬岩边坡的失稳机理.Che等采 用振动台试验分析了高陡边坡在地震作用下非连 渗透压力 岩 自重应力 续节理对边坡的影响规律.Fan等Bo认为边坡的 体应变 动力响应与地震能量的不均匀分布有重大关联 渗流场 渗透压力 应力场 Zhang等B川通过进行泥岩边坡离心振动台物理模 拟试验，研究了地震荷载作用下泥岩边坡的动力 透 孔隙用力 响应规律.Lⅰ等四通过两个相似的边坡物理模型 变化 渗透压力 渗透系数 的振动台试验对比，研究了孔隙水压力、加速度、 频谱等特征与边坡场地动力响应特征之间的关联 水相变 冰 规律.黄震配制了流固耦合相似材料，开展了 冰水相变 任移 围岩渗透破坏灾变演化规律的物理模型试验，研 机械能 究了开挖扰动对围岩渗流特征的影响.杨忠平等 正温 负温 温度场 采用振动台架试验并结合通用离散单元法程序 图4岩-水-冰系统与多场耦合关系B8 (UDEC)数值分析研究反复微小地震对两种岩质 边坡（顺层和反倾）的动力响应.王来贵等通过 Fig.4 Relationship of coupled rock-water-ice system 边坡振动台模拟试验揭示边坡内部应力状态的调 定律并考虑水冰相变的静力平衡原理，推求低温 整变化规律.冯细霞等通过振动台试验研究具 冻结岩体热-水-力(thermo-hydro-mechanical简写 有两组正交节理的边坡动力响应，揭示了反倾岩 为THM)完全耦合控制方程，并应用于寒区隧道的 质边坡在不同波形、不同振幅和频率下的动力响 稳定性分析.刘乃飞2建立了高海拔寒区裂隙岩 应规律 体的应力-渗流-温度-化学四场耦合数学模型，基 综上所述，岩质边坡在动载作用下的振动台 于自行开发的4G2017岩土工程仿真软件建立典 物理模型试验取得了较多的研究成果，但针对高 型寒区岩体工程模型.李国峰等推导寒区岩体 海拔寒区岩质边坡在地震荷载、爆破采动等动载 含相变的温度场-渗流场-应力场三场耦合简化算 作用下的动力响应特征研究较少，存在的主要问 法，通过FLAC3D对室内岩样力学试验仿真验证了 题有：①传统的物理模型较大，而高寒边坡存在冻 该算法的正确性.Shen等对准砂岩试样进行了 融环境，如何将较大尺寸的边坡模型进行冻融之 从20℃到-20℃冻融循环试验，建立了考虑潜热 后再加载，这是进行高寒边坡物理模型试验的一 效应的表观热容模型(AHCM),并将该模型嵌入 大难点；②传统的边坡模型振动台试验采用接触 COMSOL程序中，模拟岩体内部温度场的变化规 式手段测量变形，当边坡模型内发生较大变形时， 律.李滨锷建立非饱和土固-液-气三相耦合模 接触测量装置便与监测对象分离，无法继续获取 型，揭示了非饱和边坡渗流、气体运移对边坡稳定 该点监测数据，需要采用新的监测手段或研发新 系数的影响.陈益峰等啊建立了岩土固-液-气三 装备来解决边坡模型振动台试验中这一问题； 相THM完全耦合模型.班改革和戴剑勇6建立 ③如何在边坡物理模型中构建真实复杂的节理， 了非饱和岩体基于固-液-气三相系统守恒定律的 如何模拟控制高寒边坡模型的含水量和含冰量也 热一流-固完全耦合数学模型 是边坡振动台物理模拟需要研究的难点之一 从以上研究成果来看，国内外学者针对寒区 13高海拔寒区岩体结构数值模拟研究现状 岩体建立了多个耦合模型，但目前关于高寒岩体 高海拔寒区岩体工程破坏是由各种化学和力 的多场耦合模型多是在冻土力学的理论基础上， 学机制多场耦合作用造成的，影响高海拔寒区岩 将岩体看作各向同性的孔隙介质，对于寒区露天 体的因素众多，边坡稳定性研究非常复杂，但是边 矿山岩体各向异性、裂隙内水冰相变、流-固-气 坡失稳的根源是水-热-力多场耦合作用刃，寒区 多相多场耦合模型的研究较少，边坡多场多相耦 金属矿山开采过程中冻融温度场、应力场、渗流 合致灾过程方面的研究尚不完善 场耦合作用影响岩质边坡稳定性，与常温多场耦 1.4高海拔寒区岩质边坡变形破坏原位监测研究 合不同的是寒区岩体内会出现水冰相变，寒区岩 现状 体工程岩-水-冰与多场耦合关系如图4所示 为了更好地研究高寒边坡的变形破坏机理，国 Huang等9-)根据能量守恒定律、质量守恒 内外专家学者对寒区边坡使用多种手段进行了监测
形破坏来研究硬岩边坡的失稳机理. Che 等[29] 采 用振动台试验分析了高陡边坡在地震作用下非连 续节理对边坡的影响规律. Fan 等[30] 认为边坡的 动力响应与地震能量的不均匀分布有重大关联. Zhang 等[31] 通过进行泥岩边坡离心振动台物理模 拟试验，研究了地震荷载作用下泥岩边坡的动力 响应规律. Li 等[32] 通过两个相似的边坡物理模型 的振动台试验对比，研究了孔隙水压力、加速度、 频谱等特征与边坡场地动力响应特征之间的关联 规律. 黄震[33] 配制了流固耦合相似材料，开展了 围岩渗透破坏灾变演化规律的物理模型试验，研 究了开挖扰动对围岩渗流特征的影响. 杨忠平等[34] 采用振动台架试验并结合通用离散单元法程序 （UDEC）数值分析研究反复微小地震对两种岩质 边坡（顺层和反倾）的动力响应. 王来贵等[35] 通过 边坡振动台模拟试验揭示边坡内部应力状态的调 整变化规律. 冯细霞等[36] 通过振动台试验研究具 有两组正交节理的边坡动力响应，揭示了反倾岩 质边坡在不同波形、不同振幅和频率下的动力响 应规律. 综上所述，岩质边坡在动载作用下的振动台 物理模型试验取得了较多的研究成果，但针对高 海拔寒区岩质边坡在地震荷载、爆破采动等动载 作用下的动力响应特征研究较少，存在的主要问 题有：①传统的物理模型较大，而高寒边坡存在冻 融环境，如何将较大尺寸的边坡模型进行冻融之 后再加载，这是进行高寒边坡物理模型试验的一 大难点；②传统的边坡模型振动台试验采用接触 式手段测量变形，当边坡模型内发生较大变形时， 接触测量装置便与监测对象分离，无法继续获取 该点监测数据，需要采用新的监测手段或研发新 装备来解决边坡模型振动台试验中这一问题 ； ③如何在边坡物理模型中构建真实复杂的节理， 如何模拟控制高寒边坡模型的含水量和含冰量也 是边坡振动台物理模拟需要研究的难点之一. 1.3 高海拔寒区岩体结构数值模拟研究现状 高海拔寒区岩体工程破坏是由各种化学和力 学机制多场耦合作用造成的，影响高海拔寒区岩 体的因素众多，边坡稳定性研究非常复杂，但是边 坡失稳的根源是水−热−力多场耦合作用[37] ，寒区 金属矿山开采过程中冻融温度场、应力场、渗流 场耦合作用影响岩质边坡稳定性，与常温多场耦 合不同的是寒区岩体内会出现水冰相变，寒区岩 体工程岩−水−冰与多场耦合关系如图 4 所示. Huang 等[39−41] 根据能量守恒定律、质量守恒 定律并考虑水/冰相变的静力平衡原理，推求低温 冻结岩体热−水−力 （thermo-hydro-mechanical 简写 为 THM）完全耦合控制方程，并应用于寒区隧道的 稳定性分析. 刘乃飞[42] 建立了高海拔寒区裂隙岩 体的应力−渗流−温度−化学四场耦合数学模型，基 于自行开发的 4G2017 岩土工程仿真软件建立典 型寒区岩体工程模型. 李国峰等[38] 推导寒区岩体 含相变的温度场−渗流场−应力场三场耦合简化算 法，通过 FLAC3D 对室内岩样力学试验仿真验证了 该算法的正确性. Shen 等[43] 对准砂岩试样进行了 从 20 ℃ 到−20 ℃ 冻融循环试验，建立了考虑潜热 效应的表观热容模型（AHCM），并将该模型嵌入 COMSOL 程序中，模拟岩体内部温度场的变化规 律. 李滨锷[44] 建立非饱和土固−液−气三相耦合模 型，揭示了非饱和边坡渗流、气体运移对边坡稳定 系数的影响. 陈益峰等[45] 建立了岩土固−液−气三 相 THM 完全耦合模型. 班改革和戴剑勇[46] 建立 了非饱和岩体基于固−液−气三相系统守恒定律的 热−流−固完全耦合数学模型. 从以上研究成果来看，国内外学者针对寒区 岩体建立了多个耦合模型，但目前关于高寒岩体 的多场耦合模型多是在冻土力学的理论基础上， 将岩体看作各向同性的孔隙介质，对于寒区露天 矿山岩体各向异性、裂隙内水冰相变、流−固−气 多相多场耦合模型的研究较少，边坡多场多相耦 合致灾过程方面的研究尚不完善. 1.4 高海拔寒区岩质边坡变形破坏原位监测研究 现状 为了更好地研究高寒边坡的变形破坏机理，国 内外专家学者对寒区边坡使用多种手段进行了监测. 渗透压力 冻胀力 自重应力 机械能 水热迁移 正温 负温 岩 温度场 渗流场 应力场 水 冰 水冰相变 冰水相变 体应变 渗透压力 孔隙压力 附加应力 孔隙压力 热胀冷缩 渗透压力 渗透系数降低 热应变 渗透系数变化 图 4 岩−水−冰系统与多场耦合关系[38] Fig.4 Relationship of coupled rock−water−ice system[38] · 1378 · 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期
李长洪等：高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 .1379 1.4.1声发射(AE)监测 冻融温度循环时（如图5），与岩体冻融循环产生的 近年来，声发射(AE)监测系统在岩石材料中 高能量等变化产生了清晰的声发射信号.Smith 的应用前景受到广泛关注，通过分析采集到的 和Dixon等使用声发射实时监测系统（预警）对滑 响应信息可以为岩体破坏失稳提供早期预警 坡进行评估，通过监测产生的有源波导声发射，可 Codeglia等47-4I研制了一种利用波导将声发射波 以实现边坡变形的实时连续量化，能够为边坡失 从形变区传输到压电换能器的系统，当边坡受到 稳提供早期预警49-50 温度 3000 一水平波导1 2400 （） 1800 200 600 4000 一水平波导2 3000 2000 1000 6000 一垂直波导 4500 3000 1500 2015-02-12 2015-02-14 2015-02-16 2015-02-18 2015-02-20 2015-02-22 日期 国5冻融循环条件下岩质边坡的声发射率切 Fig.5 Acoustic emissions of rock slopes under freeze-thaw cyclel47 1.4.2遥感监测技术 (SAR)的主要技术特点，并总结了不同SAR技术 地面激光扫描(TLS)、红外热像仪(IRT)及摄 和其他监测系统的主要特点（如表1所示）.Matteo 影测量等非接触式遥感技术的发展，使有效地绘 等B阿使用陆基千涉合成孔径雷达(GB-InSAR)对 制岩体边坡地形及监测地质力学行为能够快速实 奥地利某高寒边坡进行了监测，指出造成滑坡的 现.Luo等s利用地面激光扫描技术，结合全球导 重要影响因素包括快速融雪、春季降雨以及岩石 航卫星系统(GNSS)监测青藏高原永冻土坡面变 热膨胀等.秦宏楠首次在国内矿山排土场边坡 化，揭示了融冻层的水文热动力学特征.Teza等 采用GB-InSAR进行监测，通过对监测信息的分析 为研究意大利某岩质边坡稳定性，利用地面激光 揭示了矿山排土场的变形破坏动态发展过程，包 扫描和红外热像仪监测倾斜不连续面，并确认了 括边坡裂缝形成、扩展及最终剪断.Meng等Is7通 一条清晰地开放节理.Draebing等s]通过地面激 过连续的高时空分辨率地形合成孔径雷达 光扫描和延时摄影观察积雪深度分布，研究雪对 (TerraSAR)图像，指出寒区边坡变形速率在春末 瑞士阿尔卑斯山脉斯坦泰利山(Steintaelli)永久冻 晚秋有明显增加的趋势，而在冬季则略有增加，边 岩边坡稳定性的影响，结果表明岩质边坡的失稳 坡坡面中部至坡脚部位经常发生移动 主要由昼夜性以及季节性冰性断裂的反复发生破 1.4.3其他原位监测试验 坏而引起.Atzeni等s网论述了现代合成孔径雷达 传统监测边坡地表位移的仪器主要有经纬
1.4.1 声发射（AE）监测 近年来，声发射（AE）监测系统在岩石材料中 的应用前景受到广泛关注，通过分析采集到的 响应信息可以为岩体破坏失稳提供早期预警. Codeglia 等[47−48] 研制了一种利用波导将声发射波 从形变区传输到压电换能器的系统，当边坡受到 冻融温度循环时（如图 5），与岩体冻融循环产生的 高能量等变化产生了清晰的声发射信号. Smith 和 Dixon 等使用声发射实时监测系统（预警）对滑 坡进行评估，通过监测产生的有源波导声发射，可 以实现边坡变形的实时连续量化，能够为边坡失 稳提供早期预警[49−50] . 1.4.2 遥感监测技术 地面激光扫描（TLS）、红外热像仪（IRT）及摄 影测量等非接触式遥感技术的发展，使有效地绘 制岩体边坡地形及监测地质力学行为能够快速实 现. Luo 等[51] 利用地面激光扫描技术，结合全球导 航卫星系统（GNSS）监测青藏高原永冻土坡面变 化，揭示了融冻层的水文热动力学特征. Teza 等[52] 为研究意大利某岩质边坡稳定性，利用地面激光 扫描和红外热像仪监测倾斜不连续面，并确认了 一条清晰地开放节理. Draebing 等[53] 通过地面激 光扫描和延时摄影观察积雪深度分布，研究雪对 瑞士阿尔卑斯山脉斯坦泰利山（Steintaelli）永久冻 岩边坡稳定性的影响，结果表明岩质边坡的失稳 主要由昼夜性以及季节性冰性断裂的反复发生破 坏而引起. Atzeni 等[54] 论述了现代合成孔径雷达 （SAR）的主要技术特点，并总结了不同 SAR 技术 和其他监测系统的主要特点（如表 1 所示）. Matteo 等[55] 使用陆基干涉合成孔径雷达（GB-InSAR）对 奥地利某高寒边坡进行了监测，指出造成滑坡的 重要影响因素包括快速融雪、春季降雨以及岩石 热膨胀等. 秦宏楠[56] 首次在国内矿山排土场边坡 采用 GB-InSAR 进行监测，通过对监测信息的分析 揭示了矿山排土场的变形破坏动态发展过程，包 括边坡裂缝形成、扩展及最终剪断. Meng 等[57] 通 过 连 续 的 高 时 空 分 辨 率 地 形 合 成 孔 径 雷 达 （TerraSAR）图像，指出寒区边坡变形速率在春末 晚秋有明显增加的趋势，而在冬季则略有增加，边 坡坡面中部至坡脚部位经常发生移动. 1.4.3 其他原位监测试验 传统监测边坡地表位移的仪器主要有经纬 2015−02−12 2015−02−14 2015−02−16 2015−02−18 2015−02−20 2015−02−22 垂直波导 温度 水平波导1 0 6000 4500 3000 1500 0 2400 1800 1200 600 3000 0 8 −8 温度/℃ 日期 声发射振铃计数率 （次数）/h−1 声发射振铃计数率 （次数）/h−1 水平波导2 0 4000 3000 2000 1000 声发射振铃计数率 （次数）/h−1 图 5 冻融循环条件下岩质边坡的声发射率[47] Fig.5 Acoustic emissions of rock slopes under freeze–thaw cycle[47] 李长洪等： 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 · 1379 ·
1380 工程科学学报.第41卷，第11期 表1不同监测技术的特点网 Table 1 Characteristics of different monitoring technologiess 监测技术 精度 平均扫描时间 空间分辨率 范围 信息密度 GB-InSAR ≤mm <3min(不限覆盖范围) 连续图像，成千上万像素 ≤4km 高 真实孔径雷达 ≤mm 5~30min(依据覆盖范围) 连续图像，几千像素 ≤2.5km 高、中 激光扫描仪 <cm 几分钟~几小时（依据覆盖范围） 连续图像，百万点 ≤3km 超高 自动化全站仪 mm 几十分钟 逐点 ≤1km 逐点 全球导航卫星系统(RAR) ≤cm 几分钟 逐点 几十公里 逐点 仪、全站仪，受环境条件限制，它们在高寒边坡的 降雨饱和之后，受冻融循环作用，水冰相变致使裂 使用适应性较差.针对传统的测斜仪存在的精度 隙逐渐扩展至最终贯通，从而引起岩质边坡失稳 低及耐久性差等缺点，裴华富等5开发了一套新 崩塌（失稳过程如图6所示）. 型测斜仪，该仪器采用光纤光栅传感技术，并在某 刘泉声等6]采用冻结缘理论研究裂隙岩体的 高速公路高危边坡布置了3套装置进行长期监 冻融损伤机理.黄勇B7指出高寒边坡岩体裂隙结 测，测得不同边坡台阶处的水平位移.张云龙59 构面上静水压力超过其抗拉强度后，裂隙发展贯 构建了北斗/GPS抗差位移探测模型，研发北斗高 通致使边坡失稳.周志东等6的通过对西藏多个高 精度位移探测技术，此外，多点位移计、地理信息 寒边坡进行研究，总结工程边坡的失稳机理包括 系统(GIS)等位移监测技术也为边坡工程变形监 开挖-热融滑塌变形破坏、卸荷一松动一滑塌变形破 测提供了多种便捷有效的手段 坏、松动一牵引-开裂-滑塌变形破坏、卸荷-倾倒- 从以上研究成果来看，声发射(AE)监测准确 溃决变形破坏 率与布点数量、位置有较大关系，目前的遥感监测 1.5.2岩体结构变异机理 设备在高寒高海拔地区适应性较差，而高海拔低 Li等I6应用Hoek-Brown经验准则计算了冻 温条件下矿山存在冻融滑坡发展快、预报难，传统 融循环前后边坡的安全系数，结果表明冻融循环 的边坡监测手段布点少、精度低，人工监测工作量 作用降低了花岗岩的抗压强度以及边坡安全系 和难度大，难以实时精确监测预警等问题 数.Luo等67建立了地质强度指数(GSI)与天山边 1.5高海拔寒区岩质边坡失稳机理研究现状 坡岩体等级(TSMR)系统之间的线性关系，分析了 国内外关于寒区土质边坡稳定性的研究取得 边坡力学特征和稳定状态.Chen等指出对边坡 了丰硕的研究成果6@，相对而言较成熟，而冻岩 稳定性影响最大的两个参数是含水量和FT周期 边坡的失稳机理研究较少，主要采用数值模型，室 数.贾海梁等6网将由水的冻结膨胀引起的岩石损 内试验、原位监测等手段研究高海拔寒区岩质边 伤定义为岩石冻融损伤第一类机制，将其他原因 坡的失稳机理，大体上分为岩体结构面劣化机理 的岩石损伤定义为第二类机制，将FT循环作用视 和岩体结构变异机理 作一种疲劳荷载.纪洪广等61综合“三带”理论及 1.5.1结构面劣化机理 高密度电法探测结果，探究边坡岩体稳定性与岩 Zhou等6l指出构成岩体边坡滑坡的主要原因 体开采后力学参数劣化变异的关系，指出由于开 是冻融循环作用、冰川融化加之强降雨导致结构 采扰动及采空区作用，致使边坡岩体孔隙率增大， 面强度降低.Li等6指出高寒岩质边坡原生裂隙 岩体结构完整性破坏，岩体参数劣化致使边坡失 裂隙贯通后边 坡表面崩塌 降雨、降雪 融水流人 水冰相变 裂隙扩展 原生裂隙 ,冻胀力 产生新裂隙 (a) (b) (c) (d 因6高寒岩质边坡冻融破坏示意图.(a)裂隙充水：(b)产生新裂隙：(c)裂原扩展：(d)表面崩塌 Fig.6 Freeze-thaw failure diagrams of alpine rock slopes!(a)fracture filling;(b)new fractures extension;(c)melt water flow into the extension fractures;(d)surface collapse
仪、全站仪，受环境条件限制，它们在高寒边坡的 使用适应性较差. 针对传统的测斜仪存在的精度 低及耐久性差等缺点，裴华富等[58] 开发了一套新 型测斜仪，该仪器采用光纤光栅传感技术，并在某 高速公路高危边坡布置了 3 套装置进行长期监 测，测得不同边坡台阶处的水平位移. 张云龙[59] 构建了北斗/GPS 抗差位移探测模型，研发北斗高 精度位移探测技术. 此外，多点位移计、地理信息 系统（GIS）等位移监测技术也为边坡工程变形监 测提供了多种便捷有效的手段. 从以上研究成果来看，声发射（AE）监测准确 率与布点数量、位置有较大关系，目前的遥感监测 设备在高寒高海拔地区适应性较差，而高海拔低 温条件下矿山存在冻融滑坡发展快、预报难，传统 的边坡监测手段布点少、精度低，人工监测工作量 和难度大，难以实时精确监测预警等问题. 1.5 高海拔寒区岩质边坡失稳机理研究现状 国内外关于寒区土质边坡稳定性的研究取得 了丰硕的研究成果[60−61] ，相对而言较成熟，而冻岩 边坡的失稳机理研究较少，主要采用数值模型，室 内试验、原位监测等手段研究高海拔寒区岩质边 坡的失稳机理，大体上分为岩体结构面劣化机理 和岩体结构变异机理. 1.5.1 结构面劣化机理 Zhou 等[62] 指出构成岩体边坡滑坡的主要原因 是冻融循环作用、冰川融化加之强降雨导致结构 面强度降低. Li 等[63] 指出高寒岩质边坡原生裂隙 降雨饱和之后，受冻融循环作用，水冰相变致使裂 隙逐渐扩展至最终贯通，从而引起岩质边坡失稳 崩塌（失稳过程如图 6 所示）. 刘泉声等[64] 采用冻结缘理论研究裂隙岩体的 冻融损伤机理. 黄勇[37] 指出高寒边坡岩体裂隙结 构面上静水压力超过其抗拉强度后，裂隙发展贯 通致使边坡失稳. 周志东等[65] 通过对西藏多个高 寒边坡进行研究，总结工程边坡的失稳机理包括 开挖−热融滑塌变形破坏、卸荷−松动−滑塌变形破 坏、松动−牵引−开裂−滑塌变形破坏、卸荷−倾倒− 溃决变形破坏. 1.5.2 岩体结构变异机理 Li 等[66] 应用 Hoek-Brown 经验准则计算了冻 融循环前后边坡的安全系数，结果表明冻融循环 作用降低了花岗岩的抗压强度以及边坡安全系 数. Luo 等[67] 建立了地质强度指数（GSI）与天山边 坡岩体等级（TSMR）系统之间的线性关系，分析了 边坡力学特征和稳定状态. Chen 等[6] 指出对边坡 稳定性影响最大的两个参数是含水量和 FT 周期 数. 贾海梁等[68] 将由水的冻结膨胀引起的岩石损 伤定义为岩石冻融损伤第一类机制，将其他原因 的岩石损伤定义为第二类机制，将 FT 循环作用视 作一种疲劳荷载. 纪洪广等[69] 综合“三带”理论及 高密度电法探测结果，探究边坡岩体稳定性与岩 体开采后力学参数劣化变异的关系，指出由于开 采扰动及采空区作用，致使边坡岩体孔隙率增大， 岩体结构完整性破坏，岩体参数劣化致使边坡失 表 1 不同监测技术的特点[54] Table 1 Characteristics of different monitoring technologies[54] 监测技术 精度 平均扫描时间 空间分辨率 范围 信息密度 GB-InSAR ≤mm <3 min（不限覆盖范围） 连续图像，成千上万像素 ≤4 km 高 真实孔径雷达 ≤mm 5～30 min（依据覆盖范围） 连续图像，几千像素 ≤2.5 km 高、中 激光扫描仪 ≤cm 几分钟～几小时（依据覆盖范围） 连续图像，百万点 ≤3 km 超高 自动化全站仪 mm 几十分钟 逐点 ≤1 km 逐点 全球导航卫星系统（RAR） ≤cm 几分钟 逐点 几十公里 逐点 降雨、降雪 原生裂隙 (a) 水冰相变 产生新裂隙 冻胀力 (b) 融水流入 裂隙扩展 (c) 裂隙贯通后边 坡表面崩塌 (d) 图 6 高寒岩质边坡冻融破坏示意图[63] . （a）裂隙充水；（b）产生新裂隙；（c）裂隙扩展；（d）表面崩塌 Fig.6 Freeze –thaw failure diagrams of alpine rock slopes[63] : (a) fracture filling; (b) new fractures extension; (c) melt water flow into the extension fractures; (d)surface collapse · 1380 · 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期
李长洪等：高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 ·1381 稳.姚文敏等指出岩层倾角、边坡走向与岩层 重大问题，也是岩石力学领域的经典应用性命题 走向的夹角对岩质边坡的稳定系数、破坏模式有 岩质边坡稳定受到岩体节理、含水量、环境风化、 显著影响 覆盖层以及爆破开挖等多种因素影响，国内外学 1.5.3稳定性评价方法 者对边坡稳定性的评价方法不胜枚举，归纳起来， 露天矿山边坡稳定性不仅是矿山安全生产的 主要有五大类川，如表2所示 表2边坡稳定性分析方法 Table 2 Slope stability analysis methods 工程地质分析法 极限平衡分析法 极限分析法 数值分析方法 可靠性分析方法 分析边坡地质体假设边坡出现滑动面且处于将滑坡体看作服从流动法则的理基于强度折减的有限元法(SM)、基 成因、演化史、变极限平衡状态，然后将边坡离想塑性材料，以极限状态时自重于滑面应力分析的有限元法(SSA)、 蒙特卡洛模拟法 形破坏方式、力学散成有垂直边界的刚体条块， 和外荷载所做的功等于滑裂面上有限差分法、有限单元法、边界元法、 (Monte Carlo) 一次二阶矩法统 机制、影响稳定性建立条块之间的静力平衡方阻力所消耗的功为条件，结合塑无单元法、无网格法、离散单元法、不 的因素等，是定性程，通过求解静力平衡方程得性极限分析的上、下限定理，求得连续变形分析方法、快速拉格朗日插 计矩法随机有限 元法 分析方法 到边坡的安全系数 边坡极限荷载与安全系数 值方法，流形元方法等 由于高寒岩质边坡稳定性影响因素多而复 化以至于整体滑坡.因此，综合运用宏细观岩石力 杂，一些学者在传统边坡稳定性评价的基础上对 学理论，开展有针对性的室内岩石力学试验和相 高寒岩质边坡稳定性做出了很多有益的尝试.李 似物理模拟试验，研究在冻融循环及开采扰动条 建峰等四基于模糊综合评价法(AHP),选取12类 件下高寒边坡失稳机理，再现边坡岩体结构变形 对高寒岩质边坡有主要影响的指标，构建模糊综 破坏过程中应变场演化过程，揭示高寒边坡采动 合评价体系模型.乔国文等1综合考虑边坡岩体 响应特征及岩体结构渐进性破坏特征，探明开采 结构面、水文条件、冻融风化、地震和爆破开挖等 扰动条件下高寒边坡岩体结构损伤劣化机制，而 因素，建立了高寒岩质边坡稳定性的预测评价体 上述工作的开展将为高寒边坡稳定性在未来的研 系(TFBQ).王斌等阿采用物质点法评价边坡的稳 究提供重要基础理论 定性，不仅可以揭示边坡失稳破坏机制.而且可以 (2)冻融循环条件下流-固-气多相多场耦合 评价边坡导致的次生灾害. 边坡失稳时效特征与评价方法 综上所述，高海拔寒区岩质边坡的失稳机理 高海拔寒区岩体边坡失稳的根源是水-热-力 可以归纳为两类，一是岩体结构面劣化导致边坡 多场耦合作用，目前有关寒区岩体物理力学性质 失稳，二是岩体结构变异所致，但已有研究成果考 的研究多有报道，而有关高寒边坡岩体在多场多 虑因素并不全面，而高海拔寒区岩质边坡变形破 相耦合致灾过程方面的研究尚不完善.为此，对典 坏影响因素众多，高寒地区岩质边坡稳定性评价 型节理岩体进行工程地质调查和岩芯定向勘查， 标准和评价体系尚不完善. 获取单一节理及多组密集节理岩体的变形和强度 2关键问题探讨与分析 特征，研究适用于高海拔寒区节理岩体结构的非 接触识别方法，实现不同岩体结构单元的探测和 2.1关键问题探讨 识别，建立高寒地区裂隙岩体流-固-气多相耦合 针对高海拔高寒地区金属露天矿山开采过程 模型，构建表征裂隙岩体边坡真实结构的多相多 中所面临的边坡失稳问题，笔者尝试总结出未来 场耦合工程地质力学模型，研究高海拔高寒地区 该领域亟待解决的两项关键问题 露天采场边坡储能机制及释能机制，揭示坡体冻 (1)开采扰动条件下高海拔寒区刊矿山边坡岩 胀变形、蠕滑拉裂、坡体加剧变形、锁骨段失效致 体结构损伤劣化机制 灾的动态演化链式灾害模式 冻融循环诱发高寒边坡岩体结构冻融损伤， 2.2未来研究方向及发展趋势 露天矿山受连续开挖及强开采扰动影响，岩体结 通过上述对高海拔寒区边坡变形和破坏研究 构进一步损伤劣化，产生更多节理裂隙并使节理 现状的大量调研以及未来关键问题探讨，本文从 裂隙扩展发育，其影响稳定性的因素较常温地区 如下六个方面对未来高寒边坡的变形和破坏研究 更多更复杂，在受到雨水侵蚀、风化及地震荷载等 方向及发展趋势作出一定的建议与展望 作用时，边坡岩体结构会出现不同程度的损伤劣 (1)开展不同应力路径冻融循环耦合作用下
稳. 姚文敏等[70] 指出岩层倾角、边坡走向与岩层 走向的夹角对岩质边坡的稳定系数、破坏模式有 显著影响. 1.5.3 稳定性评价方法 露天矿山边坡稳定性不仅是矿山安全生产的 重大问题，也是岩石力学领域的经典应用性命题. 岩质边坡稳定受到岩体节理、含水量、环境风化、 覆盖层以及爆破开挖等多种因素影响，国内外学 者对边坡稳定性的评价方法不胜枚举，归纳起来， 主要有五大类[71] ，如表 2 所示. 由于高寒岩质边坡稳定性影响因素多而复 杂，一些学者在传统边坡稳定性评价的基础上对 高寒岩质边坡稳定性做出了很多有益的尝试. 李 建峰等[72] 基于模糊综合评价法（AHP），选取 12 类 对高寒岩质边坡有主要影响的指标，构建模糊综 合评价体系模型. 乔国文等[73] 综合考虑边坡岩体 结构面、水文条件、冻融风化、地震和爆破开挖等 因素，建立了高寒岩质边坡稳定性的预测评价体 系（TFBQ）. 王斌等[74] 采用物质点法评价边坡的稳 定性，不仅可以揭示边坡失稳破坏机制，而且可以 评价边坡导致的次生灾害. 综上所述，高海拔寒区岩质边坡的失稳机理 可以归纳为两类，一是岩体结构面劣化导致边坡 失稳，二是岩体结构变异所致，但已有研究成果考 虑因素并不全面，而高海拔寒区岩质边坡变形破 坏影响因素众多，高寒地区岩质边坡稳定性评价 标准和评价体系尚不完善. 2 关键问题探讨与分析 2.1 关键问题探讨 针对高海拔高寒地区金属露天矿山开采过程 中所面临的边坡失稳问题，笔者尝试总结出未来 该领域亟待解决的两项关键问题. （1）开采扰动条件下高海拔寒区矿山边坡岩 体结构损伤劣化机制. 冻融循环诱发高寒边坡岩体结构冻融损伤， 露天矿山受连续开挖及强开采扰动影响，岩体结 构进一步损伤劣化，产生更多节理裂隙并使节理 裂隙扩展发育，其影响稳定性的因素较常温地区 更多更复杂，在受到雨水侵蚀、风化及地震荷载等 作用时，边坡岩体结构会出现不同程度的损伤劣 化以至于整体滑坡. 因此，综合运用宏细观岩石力 学理论，开展有针对性的室内岩石力学试验和相 似物理模拟试验，研究在冻融循环及开采扰动条 件下高寒边坡失稳机理，再现边坡岩体结构变形 破坏过程中应变场演化过程，揭示高寒边坡采动 响应特征及岩体结构渐进性破坏特征，探明开采 扰动条件下高寒边坡岩体结构损伤劣化机制，而 上述工作的开展将为高寒边坡稳定性在未来的研 究提供重要基础理论. （2）冻融循环条件下流−固−气多相多场耦合 边坡失稳时效特征与评价方法. 高海拔寒区岩体边坡失稳的根源是水−热−力 多场耦合作用，目前有关寒区岩体物理力学性质 的研究多有报道，而有关高寒边坡岩体在多场多 相耦合致灾过程方面的研究尚不完善. 为此，对典 型节理岩体进行工程地质调查和岩芯定向勘查， 获取单一节理及多组密集节理岩体的变形和强度 特征，研究适用于高海拔寒区节理岩体结构的非 接触识别方法，实现不同岩体结构单元的探测和 识别，建立高寒地区裂隙岩体流−固−气多相耦合 模型，构建表征裂隙岩体边坡真实结构的多相多 场耦合工程地质力学模型，研究高海拔高寒地区 露天采场边坡储能机制及释能机制，揭示坡体冻 胀变形、蠕滑拉裂、坡体加剧变形、锁骨段失效致 灾的动态演化链式灾害模式. 2.2 未来研究方向及发展趋势 通过上述对高海拔寒区边坡变形和破坏研究 现状的大量调研以及未来关键问题探讨，本文从 如下六个方面对未来高寒边坡的变形和破坏研究 方向及发展趋势作出一定的建议与展望. （1）开展不同应力路径冻融循环耦合作用下 表 2 边坡稳定性分析方法 Table 2 Slope stability analysis methods 工程地质分析法 极限平衡分析法 极限分析法 数值分析方法 可靠性分析方法 分析边坡地质体 成因、演化史、变 形破坏方式、力学 机制、影响稳定性 的因素等，是定性 分析方法 假设边坡出现滑动面且处于 极限平衡状态，然后将边坡离 散成有垂直边界的刚体条块， 建立条块之间的静力平衡方 程，通过求解静力平衡方程得 到边坡的安全系数 将滑坡体看作服从流动法则的理 想塑性材料，以极限状态时自重 和外荷载所做的功等于滑裂面上 阻力所消耗的功为条件，结合塑 性极限分析的上、下限定理，求得 边坡极限荷载与安全系数 基于强度折减的有限元法（SRM）、基 于滑面应力分析的有限元法（SSA）、 有限差分法、有限单元法、边界元法、 无单元法、无网格法、离散单元法、不 连续变形分析方法、快速拉格朗日插 值方法、流形元方法等 蒙特卡洛模拟法 （Monte Carlo） 一次二阶矩法 统 计矩法 随机有限 元法 李长洪等： 高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 · 1381 ·
·1382 工程科学学报，第41卷，第11期 岩体结构损伤劣化机理研究 效致灾规律 选取我国西部典型高寒金属矿露天边坡，对 (4)研究多场多相耦合条件下节理岩体损伤 现场工程地质、开挖扰动因素、构造形迹、细观结 劣化机理 构等进行调查并取样，开展不同应力路径下冻融 目前我国对于冻土工程的研究较为深入广 岩石的单轴压缩以及三轴卸围压试验，获取边坡 泛，而风化土石料、黄土及尾矿等散体材料，尤其 地质体材料的冻融参数以及抗压强度（单轴和三 是矿山边坡近地表土石混合料受冻融循环作用的 轴)、弹性模量（动态和静态）、泊松比等力学参 劣化特性目前研究仍然不够深入，而这些散体结 数，采用声发射及压后CT扫描等手段进行观测分 构孔隙、裂隙较多，构成了有岩-水-冰-气等多相 析，研究不同加载频率、不同加载幅值、低围压下 组分耦合而成多孔介质结构.因此，需要考虑岩体 高寒岩体结构损伤劣化机制，研究不同冻结温度、 裂隙储水空间、补水通道、冻融范围等因素，构建 冻融循环次数、风化侵蚀条件下结构面物理性状 高海拔寒区裂隙岩体在温度场、渗流场、应力场 损伤劣化特征，揭示结构面冻胀过程中的应变响 及化学场等多场扰动条件下流-固-气多相耦合损 应机制，建立不同环境因素下结构面损伤劣化与 伤演化模型，分析孔隙水的相变过程中温度场及 冻融循环的关系.从宏、细观两方面分析冻融扰 水冰含量的相对变化，探究节理岩体冻融过程中 动岩体结构损伤劣化机制并寻求其宏、细观关联 未冻水的迁移及冻胀力的变化规律，基于连续- 特征规律 离散方法的先进数值仿真技术构建表征裂隙岩体 (2)开展爆破采动条件下高海拔寒区岩质边 边坡真实结构的工程地质力学模型，再现开采扰 坡结构面致遗机制及边坡失稳破坏研究 动作用下边坡局部开裂、破裂损伤、裂纹扩展到 研究冻融循环条件下岩体边坡结构面在开采 滑面贯通的全过程，揭示多场多相耦合条件下高 扰动下力学性能损伤劣化时效特征，提出冻融循 海拔寒区裂隙岩体损伤与灾变机理 环条件下的抗剪强度经验公式和本构方程.通过 (5)开展高海拔矿山边坡抗寒多参量实时安 现场大量监测并采用多组数据回归获得爆破振动 全监测及失稳预警技术研究 波形数据、岩体结构力学参数、结构面分布特征 高海拔地区低温、低气压使一些监测和预警 等资料，研发可以模拟不同爆破荷载大小、不同爆 设备精度降低、寿命缩短甚至失灵，应研发具备自 破方向、不同爆破荷载加载方式的爆破振动试验 发电、全天时、全天候的拖车式边坡合成孔径雷 台，采用相似原理设计并制作符合工程实际边坡 达工作站，实现对边坡进行大范围、高精度、长距 岩体复杂结构模型，进行爆破振动台模拟试验，全 离的实时监测，自动获取边坡表面位移数据，研发 面模拟爆破振动效应，研究高寒边坡岩体结构面 以拖车式边坡合成孔径雷达为主要监测手段的抗 裂隙产生、扩展与贯通规律以及爆破采动作用下 寒多参量实时监测系统，开发一套适用于高海拔 的岩体结构劣化变异特性，提出高寒岩体爆破采 寒区露天矿山边坡的综合实时监测预警系统，研 动作用下的边坡稳定性评判标准，为评价高寒岩 究多源信息耦合的边坡地质评价模型，提出冻融 体结构在爆破采动作用下的边坡稳定性提供科学 循环岩体破裂度指标判定准则，研究冻融滑坡的 依据 分级预警技术，建立一整套高寒地区滑坡前兆识 (3)开展地震荷载作用下高海拔寒区节理岩 别、预警与险情解危体系，建立高寒边坡三维时空 质边坡地震动力响应及致灾规律研究 预警模型，形成一套高海拔高寒地区节理边坡结 研发能够模拟真实冻融环境并能够准确监测 构特征识别、前兆信息获取与预警一体的边坡失 大变形的振动模拟试验台，以高海拔高寒地区典 稳预警技术 型露天矿山岩质边坡为研究对象，构建具有实际 3结论 矿山复杂节理体系的边坡模型，开展不同振幅、不 同震源及不同持续时间的边坡振动台模拟试验， (1)本文对高海拔寒区岩质边坡变形和破坏 基于高寒边坡模型破坏过程中采集到的加速度和 的室内试验、相似模拟、数值模拟、原位监测以及 位移数据，分析边坡地形、地质和震源参数在地震 失稳机理五个方面做了大量的文献调研，通过对 荷载作用下的响应特征，研究地震荷载作用下结 研究现状的全面梳理和总结，分析当下研究成果 构面与岩体结构三维运动的差异性，揭示高寒边 的不足之处 坡地震动力响应及节理裂隙产生、发展及贯通时 (2)针对高海拔高寒地区金属露天矿山开采
岩体结构损伤劣化机理研究. 选取我国西部典型高寒金属矿露天边坡，对 现场工程地质、开挖扰动因素、构造形迹、细观结 构等进行调查并取样，开展不同应力路径下冻融 岩石的单轴压缩以及三轴卸围压试验，获取边坡 地质体材料的冻融参数以及抗压强度（单轴和三 轴）、弹性模量（动态和静态）、泊松比等力学参 数，采用声发射及压后 CT 扫描等手段进行观测分 析，研究不同加载频率、不同加载幅值、低围压下 高寒岩体结构损伤劣化机制，研究不同冻结温度、 冻融循环次数、风化侵蚀条件下结构面物理性状 损伤劣化特征，揭示结构面冻胀过程中的应变响 应机制，建立不同环境因素下结构面损伤劣化与 冻融循环的关系. 从宏、细观两方面分析冻融扰 动岩体结构损伤劣化机制并寻求其宏、细观关联 特征规律. （2）开展爆破采动条件下高海拔寒区岩质边 坡结构面致溃机制及边坡失稳破坏研究. 研究冻融循环条件下岩体边坡结构面在开采 扰动下力学性能损伤劣化时效特征，提出冻融循 环条件下的抗剪强度经验公式和本构方程. 通过 现场大量监测并采用多组数据回归获得爆破振动 波形数据、岩体结构力学参数、结构面分布特征 等资料，研发可以模拟不同爆破荷载大小、不同爆 破方向、不同爆破荷载加载方式的爆破振动试验 台，采用相似原理设计并制作符合工程实际边坡 岩体复杂结构模型，进行爆破振动台模拟试验，全 面模拟爆破振动效应，研究高寒边坡岩体结构面 裂隙产生、扩展与贯通规律以及爆破采动作用下 的岩体结构劣化变异特性，提出高寒岩体爆破采 动作用下的边坡稳定性评判标准，为评价高寒岩 体结构在爆破采动作用下的边坡稳定性提供科学 依据. （3）开展地震荷载作用下高海拔寒区节理岩 质边坡地震动力响应及致灾规律研究. 研发能够模拟真实冻融环境并能够准确监测 大变形的振动模拟试验台，以高海拔高寒地区典 型露天矿山岩质边坡为研究对象，构建具有实际 矿山复杂节理体系的边坡模型，开展不同振幅、不 同震源及不同持续时间的边坡振动台模拟试验， 基于高寒边坡模型破坏过程中采集到的加速度和 位移数据，分析边坡地形、地质和震源参数在地震 荷载作用下的响应特征，研究地震荷载作用下结 构面与岩体结构三维运动的差异性，揭示高寒边 坡地震动力响应及节理裂隙产生、发展及贯通时 效致灾规律. （4）研究多场多相耦合条件下节理岩体损伤 劣化机理. 目前我国对于冻土工程的研究较为深入广 泛，而风化土石料、黄土及尾矿等散体材料，尤其 是矿山边坡近地表土石混合料受冻融循环作用的 劣化特性目前研究仍然不够深入，而这些散体结 构孔隙、裂隙较多，构成了有岩−水−冰−气等多相 组分耦合而成多孔介质结构. 因此，需要考虑岩体 裂隙储水空间、补水通道、冻融范围等因素，构建 高海拔寒区裂隙岩体在温度场、渗流场、应力场 及化学场等多场扰动条件下流−固−气多相耦合损 伤演化模型，分析孔隙水的相变过程中温度场及 水冰含量的相对变化，探究节理岩体冻融过程中 未冻水的迁移及冻胀力的变化规律，基于连续− 离散方法的先进数值仿真技术构建表征裂隙岩体 边坡真实结构的工程地质力学模型，再现开采扰 动作用下边坡局部开裂、破裂损伤、裂纹扩展到 滑面贯通的全过程，揭示多场多相耦合条件下高 海拔寒区裂隙岩体损伤与灾变机理. （5）开展高海拔矿山边坡抗寒多参量实时安 全监测及失稳预警技术研究. 高海拔地区低温、低气压使一些监测和预警 设备精度降低、寿命缩短甚至失灵，应研发具备自 发电、全天时、全天候的拖车式边坡合成孔径雷 达工作站，实现对边坡进行大范围、高精度、长距 离的实时监测，自动获取边坡表面位移数据，研发 以拖车式边坡合成孔径雷达为主要监测手段的抗 寒多参量实时监测系统，开发一套适用于高海拔 寒区露天矿山边坡的综合实时监测预警系统，研 究多源信息耦合的边坡地质评价模型，提出冻融 循环岩体破裂度指标判定准则，研究冻融滑坡的 分级预警技术，建立一整套高寒地区滑坡前兆识 别、预警与险情解危体系，建立高寒边坡三维时空 预警模型，形成一套高海拔高寒地区节理边坡结 构特征识别、前兆信息获取与预警一体的边坡失 稳预警技术. 3 结论 （1）本文对高海拔寒区岩质边坡变形和破坏 的室内试验、相似模拟、数值模拟、原位监测以及 失稳机理五个方面做了大量的文献调研，通过对 研究现状的全面梳理和总结，分析当下研究成果 的不足之处. （2）针对高海拔高寒地区金属露天矿山开采 · 1382 · 工程科学学报，第 41 卷，第 11 期
李长洪等：高海拔寒区岩质边坡变形破坏机制研究现状及趋势 ·1383 过程中所面临的边坡失稳问题，探讨性地凝练出 compression.Chin J Rock Mech Eng,2019,38(4):683 两项亟待解决的关键问题，即：开采扰动条件下高 (杨更社，魏尧，申艳军，等.冻结饱和砂岩三轴压缩力学特性及 寒边坡岩体结构损伤劣化机制、冻融循环条件下 强度预测模型研究.岩石力学与工程学报，2019,38(4)：683) [12]Zhang H M,Xia H J,Yang G S,et al.Experimental research of 流-固-气多相多场耦合边坡失稳时效特征与评价 influences of freeze-thaw cycles and confining pressure on 方法 physical-mechanical characteristics of rocks.J China Coal Soc, (3)对高海拔寒区岩质边坡变形和破坏研究 2018.43(2):441 的五个研究方向和发展趋势进行了具体的建议性 (张慧梅，夏浩峻，杨更社，等.冻融循环和围压对岩石物理力学 展望，探讨了该领域学术界和工程界未来研究的 性质影响的试验研究.煤炭学报，2018,43(2)：441) 重要落脚点 [13] Shen Y J,Yang G S,Wang M,et al.Experiments on the damage characteristics and fracture process of single-joint quasi-sandstone 参考文献 under the cyclic freezing-thawing and cyclic loading.Chin/Rock Mech Eng,2018,37(3):709 [1]Ministry of Natural Resources of the People's Republic of China. (申艳军，杨更社，王铭，等.冻融-周期荷载下单裂隙类砂岩损 National Mineral Resources Planning (2016-2020)EB/OL] 伤及断裂演化试验分析.岩石力学与工程学报，2018,37(3)： Ministry of Natural Resources (2016-11-15)(2019-05-07]. 709) hp://g.mnr..gov.cn/201701/20170123_1430456.html [14]Shen Y J,Yang G S,Wang M,et al.Experimental and theoretical (中华人民共和国自然资源部.全国矿产资源规划(2016- study on thermal conductivity of rock under cyclic freezing and 2020年)EB/0L].自然资源部(2016-11-15)[2019-05-07刃.htp:∥ thawing.Chin J Rock Mech Eng,2016,35(12):2417 g-mnr.gov.cn/201701/201701231430456.html) (申艳军，杨更社，王铭，等.冻融循环过程中岩石热传导规律试 [2]Ke B,Zhou K P,Deng H W,et al.NMR pore structure and 验及理论分析.岩石力学与工程学报，2016,35(12)：2417) dynamic characteristics of sandstone caused by ambient freeze- [15]Zhang Q B,Zhao J.A review of dynamic experimental techniques thaw action.Shock Vib,2017,2017:1 and mechanical behaviour of rock materials.Rock Mech Rock Eng, [3]Ince 1,Fener M.A prediction model for uniaxial compressive 2014,47(4):1411 strength of deteriorated pyroclastic rocks due to freeze-thaw cycle. [16]Ke B,Zhou K P,Xu C S,et al.Dynamic mechanical property JAfr Earth Sci,2016,120:134 deterioration model of sandstone caused by freeze -thaw [4]Jia H L,Xiang W,Krautblatter M.Quantifying rock fatigue and weathering.Rock Mech Rock Eng,2018,51(9):2791 decreasing compressive and tensile strength after repeated freeze. [17]Wang P.Xu JY,Fang X Y,et al.Energy dissipation and damage thaw cycles.Permafrost Periglac Processes,2015,26(4):368 evolution analyses for the dynamic compression failure process of [5]Han T L,Shi J P,Cao X S.Fracturing and damage to sandstone red-sandstone after freeze-thaw cycles.Eng Geol,2017,221:104 under coupling effects of chemical corrosion and freeze-thaw [18]Wang P,Xu J Y,Liu S,et al.A prediction model for the dynamic cycles.Rock Mech Rock Eng,2016,49(11):4245 mechanical degradation of sedimentary rock after a long-term [6]Chen Y L,Wu P,Yu Q,et al.Effects of freezing and thawing freeze-thaw weathering:Considering the strain-rate effect.Cold cycle on mechanical properties and stability of soft rock slope.d Reg Sci Technol,2016,131:16 Mater Sci Eng,2017,2017:1 [19]Wang P,Xu J Y,Liu S,et al.Static and dynamic mechanical [7]Luo X D,Jiang N,Zuo C Q,et al.Damage characteristics of properties of sedimentary rock after freeze-thaw or thermal shock altered and unaltered diabases subjected to extremely cold weathering.Eng Geol,2016,210:148 freeze-thaw cycles.Rock Mech Rock Eng,2014,47(6):1997 [20]Zhou K P,Li B,Li J L,et al.Microscopic damage and dynamic [8]Ghobadi M H,Babazadeh R.Experimental studies on the effects mechanical properties of rock under freeze-thaw environment. of cyclic freezing-thawing,salt crystallization,and thermal shock Trans Nonferrous Met Soc China,2015,25(4):1254 on the physical and mechanical characteristics of selected [21]Li JL,Kaunda R B,Zhou K P.Experimental investigations on the sandstones.Rock Mech Rock Eng,2015,48(3):1001 effects of ambient freeze-thaw cycling on dynamic properties and [9]Fang X Y,Xu J Y,Wang P X.Compressive failure characteristics rock pore structure deterioration of sandstone.Cold Reg Sci of yellow sandstone subjected to the coupling effects of chemical Technol,2018,154:133 corrosion and repeated freezing and thawing.Eng Geol,2018,233: [22]Zhang J,Deng H W,Deng J R,et al.Development of energy- 160 based brittleness index for sandstone subjected to freeze-thaw [10]De Kock T,Boone M A,De Schryver T,et al.A pore-scale study cycles and impact loads.IEEEAccess,018,6:48522 of fracture dynamics in rock using X-ray micro-CT under ambient [23]Liu C J,Deng H W.Zhao H T,et al.Effects of freeze-thaw freeze-thaw cycling.Environ Sci Technol,2015,49(5):2867 treatment on the dynamic tensile strength of granite using the [11]Yang G S,Wei Y,Shen Y J,et al.Mechanical behavior and Brazilian test.Cold Reg Sci Technol,2018,155:327 strength forecast model of frozen saturated sandstone under triaxial [24]Ma Q Y,Ma DD,Yao Z M.Influence of freeze-thaw cycles on
过程中所面临的边坡失稳问题，探讨性地凝练出 两项亟待解决的关键问题，即：开采扰动条件下高 寒边坡岩体结构损伤劣化机制、冻融循环条件下 流−固−气多相多场耦合边坡失稳时效特征与评价 方法. （3）对高海拔寒区岩质边坡变形和破坏研究 的五个研究方向和发展趋势进行了具体的建议性 展望，探讨了该领域学术界和工程界未来研究的 重要落脚点. 参 考 文 献 Ministry of Natural Resources of the People’s Republic of China. National Mineral Resources Planning (2016−2020)[EB/OL]. Ministry of Natural Resources (2016−11−15)[2019−05−07]. http://g.mnr.gov.cn/201701/t20170123_1430456.html （中华人民共和国自然资源部. 全国矿产资源规划(2016− 2020年）[EB/OL]. 自然资源部 (2016−11−15)[2019−05−07]. http:// g.mnr.gov.cn/201701/t20170123_1430456.html） [1] Ke B, Zhou K P, Deng H W, et al. NMR pore structure and dynamic characteristics of sandstone caused by ambient freezethaw action. Shock Vib, 2017, 2017: 1 [2] İnce İ, Fener M. A prediction model for uniaxial compressive strength of deteriorated pyroclastic rocks due to freeze–thaw cycle. J Afr Earth Sci, 2016, 120: 134 [3] Jia H L, Xiang W, Krautblatter M. Quantifying rock fatigue and decreasing compressive and tensile strength after repeated freezethaw cycles. 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