土體變形破壞電磁輻射效應(yīng)及前兆特征識(shí)別研究項(xiàng)目摘要

土體破壞失穩(wěn)會(huì)帶來崩塌、滑坡及地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害與工程問題，造成慘重的損失。災(zāi)害前兆信息的準(zhǔn)確識(shí)別是防治地質(zhì)災(zāi)害的重要基礎(chǔ)。本項(xiàng)目擬研究不同性質(zhì)土體材料在不同加載條件下失穩(wěn)破壞過程多頻電磁輻射特征規(guī)律，分析土體性質(zhì)、預(yù)制弱面、視電阻率及含水量對(duì)其變形破裂過程電磁輻射影響；研究確定土體破壞電磁輻射前兆特征規(guī)律及優(yōu)勢特征頻率，并分析其與土體材料損傷的關(guān)系，建立基于電磁輻射的土體損傷力-電-能耦合模型；現(xiàn)場測試邊坡動(dòng)力失穩(wěn)破壞過程的多頻電磁輻射響應(yīng)規(guī)律，建立多頻電磁輻射信號(hào)與邊坡穩(wěn)定性及危險(xiǎn)程度的關(guān)系，初步提出土體邊坡穩(wěn)定性評(píng)估的電磁輻射監(jiān)測方法。項(xiàng)目的研究成果對(duì)進(jìn)一步揭示土體材料損傷破壞的微觀過程和電磁輻射產(chǎn)生機(jī)理，促進(jìn)煤巖電磁輻射監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有深遠(yuǎn)的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

項(xiàng)目從巖體、土體試樣損傷過程的電磁輻射、表面電位信號(hào)入手，研究了不同加載過程巖體、土體試樣的電磁輻射、表面電位的規(guī)律及前兆特征，分析材料參數(shù)、含水量、加載速率等因素對(duì)電磁信號(hào)的影響，建立土體損傷過程的力-電模型。通過相似實(shí)驗(yàn)分析邊坡孕育過程表面電位特性，現(xiàn)場測試分析了邊坡穩(wěn)態(tài)電磁輻射特征規(guī)律。 （1）巖體、土體試樣在單軸壓縮、劈裂、摩擦等加載過程中均有電磁輻射信號(hào)、表面電位信號(hào)產(chǎn)生，電磁信號(hào)的強(qiáng)度與試樣力學(xué)性質(zhì)成正比，較好地反映了巖體、土體損傷過程。從波譜特性分析，巖體在30kHz、300kHz、800 kHz、1000 kHz等頻段響應(yīng)明顯，低頻段的電磁輻射幅值高于中高段，高頻電磁輻射信號(hào)在不同應(yīng)力水平下，主頻頻率變化較大，低頻電磁輻射信號(hào)的主頻相對(duì)穩(wěn)定。土體試樣為重塑樣，各向異性明顯，300kHz、800 kHz電磁輻射傳感器未采集到電磁輻射信號(hào)，其它頻段電磁輻射主頻幅值低于同頻段巖體試樣電磁輻射。土體電磁輻射信號(hào)的低頻電磁輻射峰值主頻相對(duì)巖質(zhì)邊坡體而言，更加穩(wěn)定，高頻電磁輻射峰值主頻偏離方向相反，偏差接近。 （2）土體材料含水率的增加，對(duì)于其損傷過程產(chǎn)生的電磁輻射峰值主頻頻率影響較小，但其幅值呈下降的趨勢。加載速率的增加，使得土體破壞峰值壓力增加，其峰值主頻幅值增加，通過數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。 （3）表面電位相似模擬實(shí)驗(yàn)表明，人為擾動(dòng)影響下，邊坡表面電位波動(dòng)顯著，自然狀態(tài)下，電位信號(hào)僅為人為擾動(dòng)階段的0.7% ~ 2.1%。在邊坡的孕育發(fā)展過程中，表面電位信號(hào)呈現(xiàn)出“活躍-平靜-活躍”交替式變化特征。 （4）建立了土體試樣變形破壞低頻電磁輻射力-電模型，在土體應(yīng)力水平（0~0.7σmax） 條件下，低頻電磁輻射幅值呈現(xiàn)先下降后增長的趨勢，可應(yīng)用于其穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)?，F(xiàn)場巖體邊坡穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，電磁輻射頻譜呈多峰特性、雙峰特性，峰值頻段集中30~30kHz，多峰電磁輻射頻譜的峰值較小，雙峰電磁輻射頻譜輻值高。 2100433B

地震導(dǎo)致斜坡巖土體失去穩(wěn)定，觸發(fā)各種斜坡變形或破壞，引起斜坡地段的建筑物破壞， 稱為斜坡破壞效應(yīng)。因地震而引發(fā)的崩塌、滑坡、溜滑等均屬斜坡破環(huán)效應(yīng)。

斜坡破壞效應(yīng)不但對(duì)斜坡上的建筑物造成破壞，有時(shí)還會(huì)破壞斜坡下方的道路及其他建筑物，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失例如1920年中國寧夏海原地震，在約250km的范圍內(nèi)發(fā)生了大量的黃土期塌骨坡，死傷18萬人。其中大部分是由于黃土滑坡和窯洞坍場所致。

本項(xiàng)目以土體的氣壓劈裂為研究對(duì)象，采用改進(jìn)的三軸壓力室對(duì)典型細(xì)粒土進(jìn)行大量的氣壓劈裂試驗(yàn)，通過室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬，研究土體氣壓劈裂的破壞機(jī)理及其影響因素，建立氣壓劈裂的判別準(zhǔn)則，確定氣壓劈裂的起劈壓力；進(jìn)而建立考慮氣體低粘滯性、高滲漏性等特征的土體氣壓劈裂裂隙擴(kuò)展理論模型；分析裂隙的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)特征值，建立基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的裂隙統(tǒng)計(jì)概化模型，在此基礎(chǔ)上，分析裂隙對(duì)土體的力學(xué)效應(yīng)，著重研究裂隙對(duì)細(xì)粒土滲透特性的提高效應(yīng)，提出含有裂隙的細(xì)粒土滲流數(shù)學(xué)模型，揭示裂隙對(duì)細(xì)粒土滲透性提高效應(yīng)的內(nèi)在本質(zhì)。預(yù)期成果可為氣壓劈裂技術(shù)在污染土修復(fù)、地基處理新技術(shù)開發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。 2100433B

地震時(shí)地震波在巖土體中傳播，引起地面運(yùn)動(dòng)，使建筑的地基、基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)都發(fā)生抵動(dòng)，亦即給建筑物施加了一個(gè)附加荷載，即地震力。當(dāng)?shù)卣鹆_(dá)到某一限度時(shí)，建筑物即發(fā)生破壞。這種由于地震力作用直接引起建筑物的破壞，稱為振動(dòng)破壞效應(yīng)。

一次強(qiáng)烈地震發(fā)生時(shí)，建筑物的毀壞、傾倒，主要是地震力的直接作用引起的。建筑物破壞的原因是:承重結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不夠和結(jié)構(gòu)剛度或整體性不足。振動(dòng)破壞效應(yīng)是最主要的一種地震效應(yīng)。2100433B