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 ·