降雨诱发滑坡的NPR锚索控制机理及临滑预警

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.04.015

摘要/Abstract

摘要：

为研究降雨滑坡的控制及临滑预警技术，以熊家山滑坡为原型，通过分析边坡变形的时空特征，设计了相似模型试验.以普通预应力锚索（简称PR锚索）和NPR锚索为加固材料，运用高速摄像机、孔压、土压和锚索力传感器，分析了降雨诱发的滑坡规律和锚索控制机理，并结合现场试验探究了滑坡牛顿力变化规律.结果表明：孔隙水压力突降与边坡局部滑塌近似同步；NPR锚索力突降，边坡内部产生局部变形；PR锚索因无法承受大变形被拉断失效，而NPR锚索凭借恒阻大变形特性产生高应力吸能控制功能，促使边坡达到二次平衡状态；NPR锚索在滑坡前表现出明显的“先突增，后突降”的变形-临滑动力学规律；现场试验揭示了滑坡全过程牛顿力演变规律，提前7.5 h发出临滑预警.

关键词: 滑坡, 降雨, NPR锚索, 控制机理, 监测预警

Abstract:

In order to study the control and the early?warning prediction technology for rainfall?induced landslide， the similar model test was designed by analyzing the spatial and temporal characteristics of slope deformation of Xiongjia Mountain landslide. Using ordinary Poisson’s ratio （PR） anchor cable and negative Poisson’s ratio （NPR） anchor cable as reinforcement materials， the law of rainfall?induced landslide and control mechanism of anchor cable were analyzed by using high?speed photography， pore pressure， earth pressure and anchor cable force sensors， and the evolution law of the Newtonian force during landslide was explored based on field tests. The results show that the sudden drop in pore water pressure is approximately synchronized with the local collapse of slope. NPR anchor force drop abruptly， causing local deformation in slope. The PR anchor cables fail because they cannot withstand large deformation， while the NPR anchor cables have high?stress energy absorption control functions due to the constant resistance and large deformation characteristics， enabling the slope to reach a secondary equilibrium state. The NPR anchor cable exhibits a significant deformation?slip dynamic law characterized by a first sudden increase followed by a sudden drop before the landslide. The field test revealed the Newtonian force evolution law in the whole process of the landslide， and obtained the early?warning time parameters of the Xiongjia Mountain landslide 7.5 h in advance.

Key words: landslide, rainfall, negative Poisson’s ratio （NPR） anchor cable, control mechanism, monitoring and early?warning

中图分类号:

P 694

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图/表 25

图1 边坡地貌特征

Fig.1 Geomorphology of the slope

图2 边坡纵向剖面图

Fig.2 Longitudinal profile of the slope

图3 第一次滑坡后的边坡概况

Fig.3 Slope condition after the first landslide

图4 滑坡纵向剖面图

Fig.4 Longituginal profile of landslide

图5 第二次滑坡后的边坡概况

Fig.5 Slope condition after the second landslide

图6 物理模型设计图（单位：cm）（a）—模型剖面图；（b）—三维模型图.

Fig.6 Design drawing of physical model (unit：cm)

表1 边坡岩体的主要物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of the slope rocks

材料类型	容重/（kN·m^-3）		单轴抗压强度/MPa		黏聚力/kPa		摩擦角/(°)		泊松比	弹性模量
材料类型	天然	饱和	天然	饱和	天然	饱和	天然	饱和	泊松比	GPa
滑体	21.3	22.6	1.1	0.8	5.4	2.5	33.1	26.5	0.35	2.2
滑床	24.9	25.4	80.7	60.3	493.4	451.3	35.6	33.8	0.29	25.5
基岩	26.2	26.4	109.1	103.9	3 126.9	3 045.5	36.8	35.4	0.27	35.4

表2 物理模型相似材料物理力学参数

Table 2 Physical and mechanical parameters of similar materials in physical model

材料类型	容重/（kN·m^-3）		单轴抗压强度/MPa		黏聚力/kPa		摩擦角/(°)		泊松比	弹性模量
材料类型	天然	饱和	天然	饱和	天然	饱和	天然	饱和	泊松比	MPa
滑体	19.6	21.3	0.03	0.01	0.06	0.03	26.7	20.3	0.38	17
滑床	22.4	23.5	0.92	0.71	4.5	3.9	30.3	28.5	0.26	246
基岩	25.9	26.2	1.05	0.93	30.2	27.6	34.1	30.4	0.23	341

图7 NPR锚索结构组成（a）—宏观NPR锚索；（b）—模型NPR锚索.

Fig.7 Structure of NPR anchor cable

图8 模型NPR锚索力测试曲线

Fig.8 Constant resistance test curves of model NPR anchor cable

图9 降雨滑坡试验模型示意图

Fig.9 Schematic diagram of test model for rainfall?induced landslide

图10 传感器分布图（a）—传感器平面分布及编号；（b）—传感器侧视图及编号.

Fig.10 Distribution diagram of sensors

图11 边坡模型（a）—侧视图；（b）—主视图.

Fig.11 Slope model

表3 模型边坡第Ⅰ阶段降雨时间 (min)

Table 3 Duration of rainfall in stage Ⅰ

阶段	降雨时间	静置时间
Ⅰ-1	60	76
Ⅰ-2	60	60

表4 模型边坡第Ⅱ阶段降雨时间 (min)

Table 4 Duration of rainfall in stage Ⅱ

阶段	降雨时间	静置时间
Ⅱ-1	64	70
Ⅱ-2	59	边坡失稳

表5 降雨诱发边坡变形破坏模式

Table 5 Deformation failure mode of slope induced by rainfall

阶段	破坏模式	成因分析	破坏特征
第 Ⅰ 阶段降雨过程	坡表冲蚀	降雨导致坡体形成局部饱和状态	主要位于边坡浅表层
	局部滑塌	边坡开挖回弹变形，雨水入渗形成局部饱和状态	主要位于开挖边坡，扩展速度快
	滑塌扩展	滑塌为破坏扩展提供了空间，降雨降低了破坏区的抗剪强度	主要位于开挖边坡区域，扩展速度快
	冲蚀沟	边坡局部饱和，呈流动状态，在边坡表面形成冲沟	主要位于边坡中上部，冲蚀沟的规模与降雨时间成正比
	坡顶平台张拉裂隙	坡顶平台产生干缩裂隙，随边坡变形不断扩展	产生于静置期，后期雨水汇入内部的主要通道

图12 第Ⅱ阶段降雨过程孔隙水压力变化曲线

Fig.12 Pore water pressure variation curves during

图13 第Ⅱ阶段降雨过程土压力变化曲线

Fig.13 Soil pressure variation curves during stage

图14 PR锚索力演化规律（a）—上排锚索；（b）—下排锚索.

Fig.14 Evolution law of PR anchor cable force

图15 NPR锚索力演化规律（a）—上排锚索；（b）—下排锚索.

Fig.15 Evolution law of NPR anchor cable force

图16 锚索变形破坏特征

Fig.16 Deformation and failure characteristics of anchor cable

图17 边坡分区及监测点分布

Fig.17 Slope zoning and monitoring points distribution

表6 牛顿力监测预警等级及预警准则

Table 6 Newtonian force monitoring early?warning levels and early?warning criteria

预警等级	一级准则：曲线斜率dF / dt	二级准则：牛顿力增量 ΔF/kN
稳定预警	0	20~50升至黄色
中期预警	大于0	50~100升至橙色
短期预警	大于0到小于0的转折点	>100升至红色
临滑预警	小于0	牛顿力突降

图18 No.4监测点牛顿力监测曲线

Fig.18 Newtonian force monitoring curves of No.4 monitoring point

图19 边坡变形破坏特征

Fig.19 Deformation and failure characteristics of slope

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