緒論1.1研究背景及意義我國地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，且種類多樣，主要包括滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降、地面塌陷等?；拢ㄈ鐖D1.1）造成巨大的破壞性后果。滑坡是一種自然現(xiàn)象，主要是源于地震、地下水活動以及工程建設(shè)擾動等多重因素的共同作用，在這些因素的影響下，斜坡上的土體或巖體由于重力作用，沿著軟弱面或軟弱帶，以整體或分散的形式向下滑動?；聻?zāi)害具有分布廣泛、發(fā)生頻繁、災(zāi)害鏈效應(yīng)、突發(fā)性強和危害性大等特點，規(guī)模較大的滑坡災(zāi)害往往會對公路、鐵路、礦場以及水利水電等國家重大工程造成安全隱患，滑坡過程中還可能伴隨崩塌、泥石流等其他地質(zhì)災(zāi)害，也有可能引起水庫涌浪、堰塞湖等次生災(zāi)害，加劇災(zāi)害后果和損失REF_Ref27740\r\h[1]?？偠灾率且环N嚴重的自然災(zāi)害，一旦發(fā)生便可能對人類社會造成巨大的危害，需要引起人們的高度重視。在滑坡防治工作中，應(yīng)該加強地質(zhì)勘查和監(jiān)測，綜合考慮災(zāi)害特點，從而采取有效的措施來降低滑坡的風(fēng)險，保護人民的生命和財產(chǎn)安全。圖1.1滑坡現(xiàn)場圖據(jù)統(tǒng)計，2015~2022年期間，全國滑坡災(zāi)害總數(shù)多達3萬多起，是發(fā)生數(shù)量最多的地質(zhì)災(zāi)害，約占總地質(zhì)災(zāi)害的66.9%。具體數(shù)據(jù)如圖1.2所示，滑坡災(zāi)害數(shù)量在2016年高達8194起，于2018年下降至1631起，但是在隨后兩年間又增加至4000多起，接著于2021年下降至2335起，后又在2022年上升至3919起。由此可見，滑坡災(zāi)害數(shù)雖然在2016年之后明顯減少，但在往后幾年偶有回升，曲線走勢不平穩(wěn)，滑坡災(zāi)害對人類生命安全和財產(chǎn)安全的威脅仍十分嚴峻，滑坡監(jiān)測和預(yù)警工作急需進一步加強。圖1.22015~2022年滑坡災(zāi)害統(tǒng)計本文研究的是松散體滑坡。松散顆粒堆積體在日常生產(chǎn)活動中廣泛存在，例如礦山排土場堆放的廢石土、選礦廠排放的尾礦及工程廢棄土方等REF_Ref28060\r\h[2]。隨著松散顆粒堆積體數(shù)量越來越多，規(guī)模逐漸擴大，因管理不善、連續(xù)降雨等因素引發(fā)的滑坡災(zāi)害頻發(fā)。近年來，隨著科技不斷發(fā)展，各類新型傳感器、全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、3D掃描儀及合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）等先進技術(shù)逐步應(yīng)用于松散體滑坡監(jiān)測工作，并取得了顯著成效。然而，值得注意的是，這些技術(shù)主要聚焦于地表或淺層的位移與變形場，對于邊坡內(nèi)部的變形情況以及滑坡孕育的過程，其監(jiān)測能力相對有限。換言之，只有在邊坡整體發(fā)生滑移或出現(xiàn)明顯的宏觀破壞特征時，我們才能較為準確地判斷其變化，在宏觀變形出現(xiàn)之前，邊坡內(nèi)部的破壞情況往往難以被有效捕捉。因此，如何進一步提升監(jiān)測技術(shù)的深度和精度仍是我們需要深入研究和探索的重要課題REF_Ref28125\r\h[3]。而聲發(fā)射技術(shù)是一種通過檢測和分析材料內(nèi)部因應(yīng)力、損傷或斷裂而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波來進行無損檢測的技術(shù)，能夠探測到微小的聲發(fā)射事件，從而捕捉邊坡內(nèi)部的破壞情況。與前文提到的新技術(shù)相比，聲發(fā)射技術(shù)成本低、靈敏度高，幾乎不受材料種類的限制，且具有長期連續(xù)地監(jiān)測缺陷等優(yōu)勢。因此，將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于滑坡監(jiān)測能及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)防滑坡災(zāi)害，具有重要的社會意義和經(jīng)濟價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1滑坡監(jiān)測研究現(xiàn)狀滑坡監(jiān)測是一項重要的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和防治工作。在20世紀60年代，日本學(xué)者齋藤迪孝首次提出了滑坡預(yù)報的經(jīng)驗公式，這一開創(chuàng)性的舉措標志著滑坡監(jiān)測研究的開始。隨后，眾多專家和學(xué)者紛紛投身于滑坡監(jiān)測技術(shù)的研究與總結(jié)之中，推動了該領(lǐng)域的不斷發(fā)展與進步REF_Ref5850\r\h[4]。傳統(tǒng)的滑坡監(jiān)測手段主要依賴于水準儀、全球定位系統(tǒng)（GPS）以及裂縫計等。這些方法側(cè)重于捕捉滑坡的形變信息，然而它們在反映區(qū)域尺度上滑坡形態(tài)的整體變化特征及趨勢方面，卻存在顯著的局限性REF_Ref5961\r\h[5-REF_Ref32292\r\h6]。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷進步，滑坡監(jiān)測技術(shù)與方法呈現(xiàn)出日新月異的發(fā)展態(tài)勢。遙感監(jiān)測法作為一種重要的技術(shù)手段，通過衛(wèi)星獲取不同時間點的遙感圖像，利用遙感解譯等手段對數(shù)據(jù)進行精細處理，從而實現(xiàn)對滑坡區(qū)域變化情況的動態(tài)分析REF_Ref20359\r\h[7]。由于合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）具有高精度、全天候等顯著優(yōu)勢，該技術(shù)在大面積滑坡的初步勘察中表現(xiàn)卓越，然而由于受大氣干擾和衛(wèi)星環(huán)繞周期的限制，該技術(shù)在實際應(yīng)用中可能存在延遲REF_Ref21045\r\h[8]。近年來，無人機技術(shù)以其低成本、高效率、低風(fēng)險以及高分辨率的特性，在滑坡監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其在地形復(fù)雜區(qū)域的滑坡監(jiān)測中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，為滑坡防治工作提供了有力的技術(shù)支持REF_Ref21045\r\h[9]。除此之外，研究學(xué)者們將大量先進監(jiān)測設(shè)備如三維激光掃描儀、分布式光纖、地震儀等引入滑坡監(jiān)測研究中。這些設(shè)備的引入不僅拓展了以形變、位移、微震、次聲等信息為主的滑坡監(jiān)測手段，還豐富了滑坡多源參數(shù)信息的獲取途徑REF_Ref21114\r\h[10-REF_Ref21133\r\h13]。隨著科技的日新月異，新興的監(jiān)測技術(shù)與傳統(tǒng)方法相互結(jié)合，不僅豐富了監(jiān)測手段，還使得滑坡監(jiān)測工作得以更加細致入微地展開。1.2.2AE技術(shù)應(yīng)用于滑坡監(jiān)測研究現(xiàn)狀滑坡變形破壞過程中,顆粒之間存在脆性破壞行為或相互擠壓摩擦現(xiàn)象,并釋放能量,產(chǎn)生的信號波在巖土體介質(zhì)中傳播,聲學(xué)信號特征對于滑坡監(jiān)測和預(yù)警工作具有重要的參考意義。上世紀80年代初期，Koerner等REF_Ref21195\r\h[14]首先針對無粘性土開展聲發(fā)射實驗，隨后利用聲發(fā)射技術(shù)來探測土壩的的穩(wěn)定性，通過實驗表明，邊坡在變形過程中會產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象，定性地說明了信號強度與邊坡所受應(yīng)力之間的直接關(guān)聯(lián)性。英國學(xué)者DixonREF_Ref21398\r\h[15-REF_Ref21293\r\h22]將鋼管作為波導(dǎo)桿，并選取膨脹土、砂子和碎石等作為填充材料，研究了AE信號參數(shù)的變化情況，實驗結(jié)果表明，有源波導(dǎo)結(jié)合相關(guān)信號處理方法可用于邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測工作中。隨著波導(dǎo)桿技術(shù)的日益普及，眾多學(xué)者提出將波導(dǎo)桿與聲發(fā)射技術(shù)以及其他先進儀器相結(jié)合，共同用于邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場試驗REF_Ref21297\r\h[23]。2003年，英國DixonREF_Ref21453\r\h[24]采用波導(dǎo)桿與聲發(fā)射儀并聯(lián)合SAA測斜儀（位移監(jiān)測裝置）來監(jiān)測邊坡的穩(wěn)定性。2016年，Michlmayr等REF_Ref21522\r\h[25]使用了智能分布式聲學(xué)傳感（DAS）技術(shù)，研究聲發(fā)射信號作為邊坡破壞的先兆，并評估基于該技術(shù)的滑坡預(yù)警潛力。HuW等REF_Ref11028\r\h[26]分析了土體滑坡的彈性波前兆，并用聲發(fā)射和微震監(jiān)測來進一步豐富邊坡的監(jiān)測手段，使得準確、及時的預(yù)測預(yù)報成為可能。我國于20世紀70年代初從國外引進了聲發(fā)射技術(shù)，國內(nèi)聲發(fā)射邊坡監(jiān)測技術(shù)主要是利用聲發(fā)射儀器對邊坡現(xiàn)場進行監(jiān)測。1984年到1985年，于濟民等REF_Ref11106\r\h[27]利用聲發(fā)射技術(shù)研究了振鈴計數(shù)與巖體高邊坡地下水位的關(guān)系；1985年至1987年期間，在陜西韓城電廠使用埋設(shè)在監(jiān)測孔中的聲發(fā)射探頭，確定了滑坡帶形成的過程，并且找出了孔內(nèi)應(yīng)力集中部位；隨后，于濟民在黃土地區(qū)使用聲發(fā)射滑坡監(jiān)測技術(shù)，通過實驗研究了土體失穩(wěn)破壞時的聲發(fā)射參數(shù)變化規(guī)律REF_Ref21819\r\h[28]。2002年，胡偉等REF_Ref21868\r\h[29]利用聲發(fā)射技術(shù)，可以精確定位出邊坡破壞面的具體位置，進而借助極限平衡算法來計算安全系數(shù)，從而準確判斷邊坡的穩(wěn)定性。隨著聲發(fā)射技術(shù)的不斷發(fā)展，聲發(fā)射技術(shù)也逐漸用于實驗室研究，實現(xiàn)了實驗室研究與現(xiàn)場監(jiān)測的有機結(jié)合。2007年，易武等REF_Ref21933\r\h[30]將現(xiàn)場的巖質(zhì)邊坡監(jiān)測與實驗室內(nèi)的巖石聲發(fā)射實驗相結(jié)合，經(jīng)過深入研究，提出了巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)時的預(yù)警方法。2014年，侯訓(xùn)田等REF_Ref21992\r\h[31]根據(jù)滑坡時聲發(fā)射信號與巖體應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，設(shè)計了室內(nèi)巖體樣本破壞試驗，證明了AE技術(shù)在山體滑坡災(zāi)害預(yù)測中應(yīng)用的可行性。2022年，陳楊等REF_Ref22058\r\h[32]根據(jù)滑坡變形過程和聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了基于聲發(fā)射監(jiān)測的滑坡過程預(yù)警模型，并通過實驗室和現(xiàn)場滑坡的實踐證明了其預(yù)警的準確性和穩(wěn)定性。1.2.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)在滑坡監(jiān)測和預(yù)警領(lǐng)域，傳統(tǒng)的探測技術(shù)和許多新興技術(shù)已被廣泛采用并取得了不錯的成效。隨著研究的深入，聲發(fā)射技術(shù)因其在滑坡穩(wěn)定性預(yù)測方面的顯著優(yōu)勢，逐漸受到國內(nèi)外學(xué)者的青睞，此后越來越多的學(xué)者開始研究這項技術(shù)并將其應(yīng)用于滑坡監(jiān)測和預(yù)警工作中。但是，目前對松散體滑坡過程研究仍不充分，對松散體內(nèi)部變化因素分析也相對不足?；诖?，本文將對松散體滑坡過程進行更加全面、系統(tǒng)的分析，從而得出聲發(fā)射特征參數(shù)與邊坡危險性的關(guān)系，提升滑坡監(jiān)測和預(yù)警能力。1.3研究內(nèi)容及方法1.3.1研究內(nèi)容此次研究旨在探究松散體滑坡過程中的力學(xué)特征和聲發(fā)射信號參數(shù)的變化特征。本文主要研究內(nèi)容如下：設(shè)計并開展剪切試驗，對試驗砂的性質(zhì)進行測定，從而確定其抗剪強度參數(shù)，即粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。開展松散體滑坡聲發(fā)射試驗，設(shè)計試驗?zāi)Ｐ筒⒋罱ɑ破脚_，模擬松散體在自然條件下的滑坡過程，并利用聲發(fā)射傳感器收集滑坡過程中的信號參數(shù)，以此來研究松散體在滑移過程中的力學(xué)特征和聲學(xué)信號特征演化規(guī)律。通過分析試驗所得的聲發(fā)射數(shù)據(jù)，研究滑坡過程中各階段所對應(yīng)的聲學(xué)信號演化規(guī)律，進而建立基于聲發(fā)射技術(shù)的松散體滑坡監(jiān)測和預(yù)警體系，有效識別和管理高風(fēng)險的滑坡隱患點。1.3.2研究方法本文在文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上，以所得資料為理論指導(dǎo)，采用實驗室試驗與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的研究方法，將松散體滑坡聲發(fā)射試驗獲得的大量聲發(fā)射數(shù)據(jù)進行處理，再通過作圖直觀地呈現(xiàn)出AE特征參數(shù)的變化形式，并分析松散體在滑移過程中的力學(xué)特征和聲學(xué)信號特征演化規(guī)律，然后建立基于聲發(fā)射技術(shù)的松散體滑坡監(jiān)測和預(yù)警體系。本文研究流程見圖1.3。圖1.3研究流程2聲發(fā)射監(jiān)測原理及試驗設(shè)計2.1聲發(fā)射監(jiān)測原理聲發(fā)射（AcousticEmission，簡稱AE）是一種普遍存在的物理現(xiàn)象，它是由于材料中局部區(qū)域應(yīng)力集中導(dǎo)致快速釋放能量并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。當材料受到外力作用時，其內(nèi)部會形成局部應(yīng)力集中區(qū)域。一旦應(yīng)力峰值超出材料的局部強度，材料將在該點發(fā)生破裂或變形，從而釋放能量，此點即為聲發(fā)射源。從聲發(fā)射源處發(fā)出的彈性波會通過不同材料的交界面，最終被放置于材料表面的傳感器所捕獲。隨后，微弱的信號經(jīng)放大器放大后傳入信息采集處理系統(tǒng)，進行精細的處理、儲存及可視化，再通過數(shù)據(jù)分析便可以從中提取出所需的關(guān)鍵信息。在分析時最常用的聲發(fā)射特征參數(shù)包括幅度、振鈴計數(shù)、能量、b值、上升時間、持續(xù)時間等。幅度為聲發(fā)射事件信號波形振幅的最大值，通常用來描述聲學(xué)信號的能量大小或強度，單位常用dB表示；振鈴計數(shù)也稱為聲發(fā)射計數(shù),指在整個檢測過程中,高于預(yù)設(shè)門檻的撞擊數(shù)；能量指聲發(fā)射事件釋放的彈性能，反映試驗過程中聲發(fā)射信號的強度；b值指的是小事件數(shù)與大事件數(shù)的比值，常用作判定裂隙發(fā)展情況的參數(shù)；上升時間指聲發(fā)射信號從出現(xiàn)到上升到信號峰值所用的時間；持續(xù)時間指聲發(fā)射信號開始和終止之間的時間間隔。圖2.1聲發(fā)射特征參數(shù)定義利用聲發(fā)射技術(shù)進行滑坡監(jiān)測是一種基于材料內(nèi)部微裂紋和微損傷的監(jiān)測方法。在滑坡體內(nèi)部存在著許多微小的裂紋和損傷，這些微裂紋和微損傷會導(dǎo)致局部應(yīng)力場的集中，當應(yīng)力超過了巖石或土壤的承載能力時，就會引起滑坡的發(fā)生。此時，微裂紋和微損傷會進一步擴展，釋放出能量，形成聲學(xué)信號，即聲發(fā)射。聲發(fā)射滑坡監(jiān)測利用高靈敏度的傳感器對聲學(xué)信號進行實時監(jiān)測，并通過分析聲學(xué)信號的特征演化規(guī)律，判斷巖土體內(nèi)部的微裂紋和微損傷狀況，預(yù)測滑坡的發(fā)生概率和時間。2.2試驗設(shè)計2.2.1試驗材料選取本試驗采用中國ISO標準砂（GSB08-1337），利用土壤分析篩篩分出0.5~1mm的砂粒作為試驗材料，如圖2.2所示。標準砂主要來源于經(jīng)過特定地質(zhì)作用形成的天然砂石資源，是一種經(jīng)過嚴格質(zhì)量控制和標準化生產(chǎn)的砂石材料。它被廣泛用于建筑、道路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中，主要用于制備混凝土、砂漿等建筑材料。此外，標準砂由于其穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)及經(jīng)濟、實惠的價格等因素，成為許多實驗和研究領(lǐng)域的理想選擇。選擇標準砂作為試驗材料具有多方面的優(yōu)勢。首先，其穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)保證了試驗結(jié)果的準確性和可靠性；其次，它在多個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用使得試驗結(jié)果具有很好的可比性和通用性；最后，標準砂的經(jīng)濟性和可獲得性使得試驗更加經(jīng)濟實惠和便捷。圖2.2試驗砂2.2.2試驗材料性質(zhì)測定直接剪切試驗是測定土的抗剪強度的一種常用手法。通過剪切試驗來測定試驗材料的性質(zhì)，從而確定其抗剪強度參數(shù)，即粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。本試驗采用ZFY-1A型非飽和土應(yīng)變控制式直剪儀作為試驗平臺，共進行5組試驗，分別將垂直壓力設(shè)置為50、100、200、300、400kPa，將試驗剪切速率設(shè)置為1.2mm/min,并記錄相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。剪切試驗過程中若無峰值，則剪切位移至6mm時停機。試驗裝置如圖2.3所示。主要試驗步驟如下。首先，將準備好的砂樣倒入剪切盒內(nèi)，拂平表面；其次，將儀表盤調(diào)零并設(shè)置剪切速率等參數(shù)；然后，依次加上加壓部件，施加垂直壓力，采用砝碼加荷。(a)試件剪切區(qū)(b)直剪儀圖2.3試驗裝置根據(jù)剪切試驗采集的數(shù)據(jù)，以剪應(yīng)力τ為縱坐標，剪切位移Δ?為橫坐標，繪制出τ-Δ?關(guān)系曲線（圖2.4）。若剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線中有明顯的峰值或穩(wěn)定值，則將此峰值或穩(wěn)定值作為抗剪強度值；若未觀察到明顯的峰值或穩(wěn)定值，則選取剪切位移為4mm時所對應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強度的代表值。圖2.4剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線以抗剪強度τf為縱坐標，垂直壓力為橫坐標，繪制抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線（圖2.5）。直線的傾角為試驗材料的內(nèi)摩擦角φ，直線在縱坐標上的截距為土的粘聚力c。由此可得，內(nèi)摩擦角φ為22.4°，粘聚力c為16.72kPa。圖2.5抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線2.2.3試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計及試驗平臺搭建為了在松散體滑坡聲發(fā)射試驗中模擬松散體在自然條件下的滑坡過程，設(shè)計了一個試驗裝置（圖2.6），其主要由升降裝置、滑動裝置和聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三個部分組成。升降裝置可控制模擬邊坡傾角大小，滑動裝置可研究松散顆粒的運動過程，聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則負責(zé)捕捉和分析在松散體滑坡過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。除此之外，為模擬自然條件下的坡體表面，將篩選好的標準砂作為滑道表面的填充材料，粒徑分布為0.5~1mm，將其均勻地粘在傾斜滑道上。圖2.6試驗裝置升降裝置（圖2.7）由滑輪、固定物和繩子組成，滑輪采用不銹鋼材質(zhì)，長度為85mm，輪直徑為25mm。滑輪固定在固定物上，繩子繞過滑輪，并將其中的一端綁在傾斜滑道上使其成為一個簡易的上升裝置?；瑒友b置（圖2.8）由兩個自制透明的亞克力空心長方體模型箱組成。將AE探頭位置分別設(shè)置在傾斜滑道的600mm處的底部背面和水平滑道，同時在傾斜滑道上方600mm處安裝一個高清攝像頭來記錄實驗整個過程的變化情況，且攝像頭位置和AE傳感器位置相互對應(yīng)（圖2.6）。圖2.7升降裝置圖2.8滑動裝置2.2.4聲發(fā)射傳感器布置和參數(shù)設(shè)置松散體滑坡聲發(fā)射試驗采用北京軟島公司生產(chǎn)的聲發(fā)射測試與定位儀（圖2.9），型號為DS5-16B。該聲發(fā)射系統(tǒng)由傳感器、信號線、放大器、同軸電纜線、聲發(fā)射儀器主機、USB線、計算機依次連接組成。在試驗過程中，聲發(fā)射測試與定位儀以3MHz的采樣頻率進行連續(xù)數(shù)據(jù)采集，信號經(jīng)過40dB前端放大器（圖2.10）后進入聲發(fā)射主機，最后通過終端電腦將AE原始信號提取出來進行處理，得到特征參數(shù)。本次試驗主要研究的聲發(fā)射特征參數(shù)包括振鈴計數(shù)、AE能量、b值等，頻譜分析能得到的參數(shù)有主頻、頻譜重心等。圖2.9聲發(fā)射測試與定位儀圖2.10放大器聲發(fā)射傳感器（圖2.11）作為一種精密儀器，其表面是易損的陶瓷材質(zhì)，因此在安裝過程中需要細致操作。安裝前，將耦合劑涂抹于探頭表面處，使探頭表面充分與被測物體接觸。耦合劑作為介質(zhì)傳導(dǎo)AE信號，使采集信號更清晰準確，并具有一定的潤滑功能，但由于耦合劑有絕緣效果而傳感器外觀較小巧，涂抹時一定只能涂抹到傳感器表面，不能碰到傳感器接插口處。然后，使用粗細適中的透明膠帶粘連傳感器外端，使傳感器穩(wěn)定地固定于被測物體表面并檢查固定效果。固定完成后，試驗前還需要進行傳感器靈敏度測試。研究人員施加較大外力作用于安裝好的傳感器附近，持續(xù)時間約10s，然后調(diào)取采集到的AE信號，先觀察是否采集到數(shù)據(jù)，再觀察信號時間、電壓值等參數(shù)。如此操作至少兩次，測試完成且檢查無異常情況，再進行正式試驗。圖2.11聲發(fā)射傳感器聲發(fā)射硬件參數(shù)設(shè)置。本試驗設(shè)置具體參數(shù)如下表2.1所示，聲發(fā)射傳感器參數(shù)如下表2.2所示。表2.1聲發(fā)射系統(tǒng)采集設(shè)置參數(shù)采樣率幅值調(diào)整硬件模擬濾波器數(shù)字模擬濾波器存儲設(shè)置波形儲存控制啟動觸發(fā)方式3MHz最大值100~400kHz直通波形連續(xù)存儲門限尺寸/（mm×mm）適應(yīng)工作溫度/℃撞擊極限峰值靈敏度/(v*μbar)工作頻率范圍/kHz方向感應(yīng)/dB10×12-65~17710000-65175~1000±1.5表2.2AE傳感器參數(shù)2.2.5試驗操作本試驗主要探究松散體滑移前后的狀態(tài)和整個過程中AE信號的變化規(guī)律。試驗操作主要步驟如下：搭建好松散體滑移平臺，將傾斜滑道與水平面的初始高度設(shè)置為450mm（與水平面的傾角約為34°），并將400g粒徑分布為0.5~1mm的標準砂均勻鋪撒在傾斜滑道上。按照順序組合連接聲發(fā)射儀器，組合好后開機。分別在對應(yīng)位置安裝好AE探頭和高清攝像頭。試驗開始后，操作人員通過上升裝置使傾斜滑道緩緩上升，上升速度控制為0.75mm/s。當松散體滑移過程結(jié)束后即停止試驗，同時記錄人員停止采集相關(guān)數(shù)據(jù)。如此重復(fù)試驗，減小誤差。試驗結(jié)束后，將各組試驗過程中采集的AE信號數(shù)據(jù)標注好信息并存入電腦。本文主要考慮自然條件下的松散體滑坡聲發(fā)射試驗，其整個滑移過程是研究重點，主要用到的監(jiān)測手段有高速攝像系統(tǒng)以及聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。高速相機幀數(shù)選用30fps，即每秒捕捉30張圖像，分辨率設(shè)為1080p。2.3本章小結(jié)本章首先介紹了聲發(fā)射監(jiān)測原理和常用的聲發(fā)射特征參數(shù)，其次簡要介紹了試驗材料選取和通過直剪試驗對其進行性質(zhì)測定這一過程，然后詳細說明了有關(guān)松散體滑坡聲發(fā)射試驗的模型設(shè)計、平臺搭建、聲發(fā)射傳感器布置、參數(shù)設(shè)置、試驗操作等內(nèi)容。3聲學(xué)信號分析由松散體滑坡試驗得到兩組數(shù)據(jù)。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和試驗過程視頻，每一組均選取了兩個關(guān)鍵時間節(jié)點（分別對應(yīng)松散體顆粒開始滑動和發(fā)生宏觀滑坡），將整個松散體滑坡過程分為三個階段。第Ⅰ階段為穩(wěn)定階段，對應(yīng)滑坡過程中的平穩(wěn)階段，該階段無顆?；瑒?；第Ⅱ階段為蠕變階段，對應(yīng)滑坡過程中的滑移前階段和滑移階段，該階段有少數(shù)顆?；瑒樱坏冖箅A段為滑移階段，對應(yīng)滑坡過程中的滑坡階段，該階段有較多顆粒滑動甚至宏觀滑坡現(xiàn)象。3.1AE信號幅值分析幅值通常用來描述聲學(xué)信號的能量大小或強度，指的是一個聲發(fā)射波形的最高位置，單位常用dB表示。幅值的大小與聲波信號的能量密切相關(guān)。較小的幅值表示聲波信號的能量較低，可能意味著巖土體內(nèi)部的微裂紋和微損傷相對較少，滑坡的危險性較低。而較大的幅值則表示聲波信號的能量較高，可能意味著巖土體內(nèi)部的微裂紋和微損傷較嚴重，滑坡的危險性較高。從圖3.1中可以看出，幅值曲線整體呈現(xiàn)出上升的趨勢。在第Ⅰ階段和第Ⅱ階段初期，幅值趨近于0，這是由于滑坡初期無顆粒或極少數(shù)顆?；瑒樱吰聝?nèi)部變形小，聲波信號的能量低，邊坡的危險性較低；直到第Ⅱ階段末期，越來越多的顆粒開始滑動，顆粒之間會出現(xiàn)相互重疊或重新排列的情況，摩擦力不斷增大，邊坡內(nèi)部變形加劇，此時聲波信號的能量逐漸增強，幅值曲線以較大速率上升，邊坡逐漸失穩(wěn)，直至發(fā)生宏觀滑坡；在第Ⅲ階段，曲線波動逐漸變小，但由于第Ⅲ階段的顆粒狀態(tài)非常不穩(wěn)定，又發(fā)生了二次滑坡，幅值曲線先急劇上升，而后下降。由此可得，幅值與邊坡的危險性呈正相關(guān)。圖3.1幅值-時間曲線3.2AE能量分析能量（Energy）指聲發(fā)射事件釋放的彈性能，是AE波形包絡(luò)線下方所包圍的面積，能反映試驗過程中聲發(fā)射信號的強度。從圖3.2中可以看出，AE能量曲線整體呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。在第Ⅰ階段和第Ⅱ階段初期，邊坡內(nèi)部變形小，能量曲線走勢較平穩(wěn)，且數(shù)值基本穩(wěn)定在700~1200mV*ms之間，邊坡的危險性較低；第Ⅱ階段末期，越來越多的顆粒發(fā)生滑動，相互作用力不斷增大，顆粒之間的摩擦和力鏈重排等事件越來越頻繁和顯著，導(dǎo)致聲發(fā)射信號不斷增多，AE能量急劇增加，直到發(fā)生宏觀滑坡，能量曲線上升至最高點，兩組分別為35542.1mV*ms和55485.3mV*ms，此時邊坡的危險性最高；隨后，在第Ⅲ階段，顆粒滑動和相互摩擦等事件減少，能量曲線以較大速率下降，但又在幾秒過后發(fā)生了二次滑坡，AE能量急劇增加，曲線出現(xiàn)又一個峰值。由此可得，能量與邊坡的危險性呈正相關(guān)，且達到最大值時危險性最高。圖3.2AE能量-時間曲線3.3AE振鈴計數(shù)分析振鈴計數(shù)（Count）即聲發(fā)射信號大小超過預(yù)設(shè)門檻電壓的次數(shù)，每越過一次門檻即計數(shù)一次，而累計振鈴計數(shù)是指在特定時間段內(nèi)振鈴計數(shù)總和。作為聲發(fā)射試驗中最常用的關(guān)鍵特征參數(shù)之一，振鈴計數(shù)能夠準確判斷聲發(fā)射信號變現(xiàn)形式為連續(xù)型還是突發(fā)型，在一定程度上反映了試驗過程中信號的強度和頻度，對于試件的變形和破壞形式具有較高的敏感性，為深入研究材料性能提供了重要依據(jù)。從圖3.3中可以看出，在整個過程中，振鈴計數(shù)曲線總體呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。在第Ⅰ階段，無顆?；瑒?，振鈴計數(shù)穩(wěn)定在1000次以內(nèi)；第Ⅱ階段初期，振鈴計數(shù)較小且曲線走勢平穩(wěn)，極少數(shù)顆?；瑒樱暟l(fā)射信號較少，邊坡的危險性較低；在第Ⅱ階段末期，聲發(fā)射信號不斷增多，振鈴計數(shù)曲線急劇上升至最高點，此時發(fā)生宏觀滑坡，兩組試驗中的最大值分別為146297次和157251次，邊坡的危險性最高；在第Ⅲ階段，振鈴計數(shù)曲線下降，但由于發(fā)生了二次滑坡，曲線又開始急劇上升，而后下降。由此可得，振鈴計數(shù)與邊坡的危險性呈正相關(guān)，且達到最大值時危險性最高。從圖3.4中可以看出，在整個過程中，累計振鈴計數(shù)曲線隨著時間的增加而不斷上升。在第Ⅰ階段和第Ⅱ階段前期，兩組的累計振鈴計數(shù)都很小，邊坡的危險性較低；第Ⅱ階段末期，曲線斜率陡增，邊坡逐漸失穩(wěn)，危險性增加，即將發(fā)生宏觀滑坡；在第Ⅲ階段，曲線以較大速率上升，但不存在明顯波動。由此可得，累計振鈴計數(shù)與邊坡的危險性呈正相關(guān)。圖3.3振鈴計數(shù)-時間曲線圖3.4累計振鈴計數(shù)-時間曲線3.4b值分析b值（b-value）指的是小事件數(shù)與大事件數(shù)的比值，常用作判定裂隙發(fā)展情況的參數(shù)。b值的計算公式如下REF_Ref26623\r\h[33]：(3-1)其中：A是平均幅值，Amin是最小幅值，e是自然常數(shù)。從圖3.5中可以看出，b值隨時間的增加呈逐漸減小的趨勢。在第Ⅰ階段，由于無顆?；瑒?，b值在0.2~0.25之間波動，曲線走勢較平穩(wěn)，邊坡的危險性較低；第Ⅱ階段初期，有少數(shù)顆?；瑒?，顆粒間的摩擦和力鏈重排等事件較少，大事件占比小，曲線存在小幅度波動；從第Ⅱ階段末期開始，越來越多的顆粒開始滑動甚至產(chǎn)生宏觀滑坡，顆粒間的摩擦和力鏈重排等事件越來越頻繁和顯著，大事件比例不斷增加，曲線急劇下降，聲發(fā)射b值下降至最小值，分別為0.006438和0.004213，此時邊坡的危險性最高；在第Ⅲ階段，曲線波動較為平緩，顆粒之間的相互作用力逐漸減小，但由于發(fā)生了二次滑坡，曲線又以較大斜率下降至最低點附近，然后再回升。由此可得，b值與邊坡的危險性呈負相關(guān)，且下降至最小值時危險性最高。圖3.5b值-時間曲線3.5本章小結(jié)本章主要是對松散體滑坡試驗所得的聲發(fā)射特征參數(shù)進行分析，包括幅值、能量、振鈴計數(shù)、累計振鈴計數(shù)、b值。得出如下結(jié)論：幅值與邊坡的危險性呈正相關(guān)。在第Ⅰ階段和第Ⅱ階段初期，幅值趨近于0，聲波能量較低，滑坡的危險性較低；直到第Ⅱ階段末期，越來越多的顆粒開始滑動，聲波信號的能量逐漸增強，邊坡逐漸失穩(wěn)，邊坡的危險性增加；在第Ⅲ階段，曲線波動逐漸變小，但由于第Ⅲ階段的顆粒狀態(tài)非常不穩(wěn)定，易發(fā)生二次滑坡，幅值曲線先急劇上升，而后下降。能量與邊坡的危險性呈正相關(guān)，且達到最大值時危險性最高。在第Ⅰ階段和第Ⅱ階段初期，能量曲線走勢較平穩(wěn)，數(shù)值較小，邊坡的危險性較低；第Ⅱ階段末期，越來越多的顆粒發(fā)生滑動，相互作用力不斷增大，曲線急劇上升，直到發(fā)生宏觀滑坡，此時能量達到最大值；在第Ⅲ階段，顆粒滑動和相互摩擦等事件減少，能量曲線以較大速率下降，但在幾秒過后發(fā)生了二次滑坡，曲線出現(xiàn)又一個峰值。振鈴計數(shù)與邊坡的危險性呈正相關(guān)，且達到最大值時危險性最高。在第Ⅰ階段，無顆粒滑動，振鈴計數(shù)穩(wěn)定在1000次以內(nèi)；第Ⅱ階段初期，振鈴計數(shù)較小且曲線走勢平穩(wěn)，聲發(fā)射信號較少，滑坡危險性較低；在第Ⅱ階段末期，振鈴計數(shù)曲線急劇上升至最高點，此時發(fā)生宏觀滑坡，邊坡的危險性最高；在第Ⅲ階段，振鈴計數(shù)曲線下降，但由于發(fā)生了二次滑坡，曲線又開始急劇上升，而后下降。累計振鈴計數(shù)與邊坡的危險性呈正相關(guān)。在第Ⅰ階段和第Ⅱ階段前期，累計振鈴計數(shù)很小，邊坡的危險性較低；第Ⅱ階段末期，曲線斜率陡增，邊坡失穩(wěn)，危險性較高；在第Ⅲ階段，累計振鈴計數(shù)曲線以較大速率上升，但不存在明顯波動。b值與邊坡的危險性呈負相關(guān)，且下降至最小值時危險性最高。在第Ⅰ階段，由于無顆?；瑒?，曲線走勢較平穩(wěn)，邊坡的危險性較低；第Ⅱ階段初期，顆粒間的摩擦和力鏈重排等事件較少，大事件占比小，曲線存在小幅度波動；從第Ⅱ階段末期開始，越來越多的顆粒開始滑動甚至產(chǎn)生宏觀滑坡，大事件比例不斷增加，聲發(fā)射b值下降至最小值，此時邊坡的危險性最高；在第Ⅲ階段，曲線波動較為平緩，但由于發(fā)生了二次滑坡，曲線又以較大斜率下降至最低點附近，然后再回升。綜上所述，幅值、能量、振鈴計數(shù)、累計振鈴計數(shù)、b值這五個聲學(xué)信號參數(shù)與松散體滑坡過程密切相關(guān)。通過分析松散體滑移前后的狀態(tài)和整個過程中AE信號的變化趨勢，能在一定程度上揭示松散體滑坡的內(nèi)在機制和運動規(guī)律，為滑坡監(jiān)測和預(yù)警工作提供依據(jù)。4邊坡滑移監(jiān)測的AE預(yù)警在滑坡監(jiān)測和預(yù)警中，聲發(fā)射技術(shù)具有靈敏度高、實時性強、非侵入性等優(yōu)點。通過合理選擇監(jiān)測點、儀器和手段，建立基于聲發(fā)射技術(shù)的滑坡監(jiān)測和預(yù)警體系，對滑坡隱患點進行全面的監(jiān)測和分析，從而根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷邊坡內(nèi)部的運動狀態(tài)是否活躍，活動趨勢是否加劇，分析滑坡災(zāi)害發(fā)生的可能性和嚴重性，并采取及時、有效的防范措施，最大限度地避免或減少人員傷亡與財產(chǎn)損失。4.1松散體滑坡監(jiān)測和預(yù)警體系松散體滑坡是一種常見的自然現(xiàn)象，它發(fā)生在由土壤、巖石或其他松散物質(zhì)組成的邊坡上。當這些松散顆粒受到地震、連續(xù)降雨、人為活動等因素的影響，它們就可能失去穩(wěn)定性并沿斜坡滑動，形成松散體滑坡，這往往會給附近居民、國家和社會帶來巨大的生命財產(chǎn)損失。因此，建立基于聲發(fā)射技術(shù)的松散體滑坡監(jiān)測和預(yù)警體系，加強對松散體邊坡的實時管控，對于預(yù)防和減少滑坡災(zāi)害具有重要意義。建立基于聲發(fā)射技術(shù)的松散體滑坡監(jiān)測和預(yù)警體系，如圖4.1、圖4.2。通過地質(zhì)調(diào)查、災(zāi)害風(fēng)險評估等方法識別滑坡隱患點并進行排序，進而在高風(fēng)險的滑坡隱患點附近建立多個聲發(fā)射監(jiān)測站，安裝高靈敏度的聲發(fā)射傳感器和數(shù)據(jù)采集器，同時使用專業(yè)的設(shè)備對附近的地下水、地表位移等進行實時監(jiān)測。利用5G、北斗衛(wèi)星等通信方式將全部監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳至云平臺，再將大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行降噪、濾波等預(yù)處理，同時平臺自動將監(jiān)測數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)樣本庫中的數(shù)據(jù)進行比對和分析，再根據(jù)地區(qū)特點和歷史數(shù)據(jù)進行災(zāi)害分級，觸發(fā)相應(yīng)級別的警報。各地政府、應(yīng)急管理部門根據(jù)預(yù)警級別開展決策工作，從而采取及時、有效的防范措施，保障人民群眾的生命和財產(chǎn)安全REF_Ref22191\r\h[34]。圖4.1滑坡監(jiān)測和預(yù)警流程圖圖4.2滑坡監(jiān)測和預(yù)警體系技術(shù)示意圖由于滑坡受氣候、地貌、地下水等多種因素的影響，在松散體滑坡監(jiān)測和預(yù)警工作中，一定要密切結(jié)合當?shù)靥攸c，考慮多方面影響因素，綜合運用多種方法和手段，對松散體邊坡進行全面的監(jiān)測和分析，從而提高預(yù)警的可靠性和準確性，避免誤報和漏報的情況發(fā)生。4.2面臨的主要挑戰(zhàn)每個滑坡各有特點。滑坡受地形地貌、地下水、地震、氣候等多種因素的影響，并且這些因素均可能隨時間發(fā)生變化，因此難以確定長期有效或普遍使用的預(yù)警閾值，這在一定程度上影響了系統(tǒng)的精度和可靠性。數(shù)據(jù)傳輸存在較長的時耗過程。在實際應(yīng)用中，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲以及服務(wù)器運算時延等情況，從數(shù)據(jù)采集到云平臺信息接收的過程中，可能會出現(xiàn)較長的時耗，使預(yù)警體系存在一定程度的預(yù)警時延。對于突發(fā)性滑坡的監(jiān)測和預(yù)警效果較差。突發(fā)性滑坡的坡體滑移速度極快，從變形、滑移到停止可以在短短20分鐘內(nèi)完成，具有較強的隱蔽性，很容易造成漏報REF_Ref22280\r\h[35]。當前，國產(chǎn)聲發(fā)射傳感器與數(shù)據(jù)采集器在軟硬件方面仍有優(yōu)化空間。具體而言，聲發(fā)射傳感器在野外監(jiān)測環(huán)境中，其抗風(fēng)噪能力弱。同時，采集設(shè)備在長時間作業(yè)過程中，存在發(fā)熱嚴重、穩(wěn)定性欠佳的問題。此外，終端數(shù)據(jù)接收處理軟件的智能化水平也有待進一步提升，以更好地滿足實際應(yīng)用需求REF_Ref22325\r\h[36]。5結(jié)論本文通過開展松散體滑坡聲發(fā)射試驗，利用聲發(fā)射技術(shù)收集滑坡過程的聲學(xué)信號，分析幅值、振鈴計數(shù)、能量等特征參數(shù)，研究松散體在滑移過程中的力學(xué)特征和聲發(fā)射特征演化規(guī)律，由此建立基于聲發(fā)射技術(shù)的松散體滑坡監(jiān)測和預(yù)警體系，通過實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，高效管理高風(fēng)險的滑坡隱患點。論文的主要結(jié)論如下：幅值、能量、振鈴計數(shù)、累計振鈴計數(shù)、b值這五個聲學(xué)信號參數(shù)與松散體滑坡過程密切相關(guān)。幅值、能量、振鈴計數(shù)、累計振鈴計數(shù)與邊坡的危險性呈正相關(guān)，并且當能量或振鈴計數(shù)達到最大值時危險性最高。b值與邊坡的危險性呈負相關(guān)，且下降至最小值時危險性最高。6不足與展望本文僅選用了粒徑為0.5~1mm的標準砂作為試驗材料，只是在室內(nèi)模擬了試驗，但松散體邊坡在實際滑坡過程中，所處的地質(zhì)條件、所受力的狀態(tài)更加復(fù)雜多樣。因此，本文的工作還有待更進一步的完善和深入：應(yīng)選擇不同粒徑、不同類型的松散體顆粒進行滑坡聲發(fā)射試驗，研究多種試驗材料在滑坡過程中的力學(xué)特征和聲發(fā)射特征演化規(guī)律，并將結(jié)果進行對比分析。本試驗主要研究正常條件下干燥的砂類松散體的運動情況，后續(xù)可以開展對于其他條件下的松散體的滑坡過程研究。室內(nèi)松散體滑坡聲發(fā)射試驗處于一個相對安靜、穩(wěn)定的環(huán)境條件下，而在野外進行現(xiàn)場滑坡監(jiān)測時，需要考慮更多現(xiàn)實因素的影響，例如噪聲、地勢、降雨、風(fēng)雪等。參考文獻胡雄.地震作用下反傾層狀巖質(zhì)邊坡破壞機理研究[D].重慶交通大學(xué),2023.鄭場松.導(dǎo)波技術(shù)在順層巖坡和松散介質(zhì)堆積體穩(wěn)定性監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用探索[D].江西理工大學(xué),2022.王雪梅.基于聲發(fā)射信號模式識別的土體剪切速度預(yù)測研究[D].,2022.Masahiro,Saito.ResearchonForecastingtheTimeofOccurrenceofSlopeFailure[J].QuarterlyReportofRtri,1969,10.李曉恩,周亮,蘇奮振等.InSAR技術(shù)在滑坡災(zāi)害中的應(yīng)用研究進展[J].遙感學(xué)報,2021,25(02):614-629.張勤,白正偉,黃觀文等.GNSS滑坡監(jiān)測預(yù)警技術(shù)進展[J].測繪學(xué)報,2022,51(10):1985-2000.劉新華,尚俊娜,施滸立.基于GNSS-RTK技術(shù)的雙層滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2020,46(11):1-7.陳興芳,張福存,王曉東,等.基于時序InSAR技術(shù)的山體滑坡災(zāi)害監(jiān)測研究[J].測繪工程,2020,29(05):45-49.孟永東,袁昌緯,田斌等.基于無人機RTK及空中三角測量的坡體表面位移監(jiān)測試驗研究[J].地球物理學(xué)進展,2022,37(05):2188-2195.趙立都,張雙成,向中富等.地面三維激光掃描點云應(yīng)用于滑坡監(jiān)測中基準統(tǒng)一研究[J].災(zāi)害學(xué),2022,37(02):84-88.程剛,王振雪,朱鴻鵠等.基于分布式光纖感測的巖土體變形監(jiān)測研究綜述[J].激光與光電子學(xué)進展,2022,59(19):51-70.謝凡,夏開文,黃會寶等.基于多重散射波波速變化的滑坡實時監(jiān)測方法與應(yīng)用研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2020,39(11):2274-2282.馮亮,張振.微震技術(shù)在崩塌落石監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用的研究進展[J/OL].工程地質(zhì)學(xué)報:1-20[2024-03-17].M.RK,MartinWM,E.AL.AcousticEmissionBehaviorofCohesiveSoils[J].JournaloftheGeotechnicalEngineeringDivision,1977,103(8):DixonN,HillR,KavanaghJ.TheUseofAcousticEmissiontoMonitortheStabilityofSoilSlopes[C].AdvancesinSiteInvestigationPractice:ProceedingsoftheInternationalConference.London,March30-31,1995:739-749.DixonN,HillR,KavanaghJ.Acousticemissionmonitoringofslopeinstability:developmentofanactivewave-guidesystem[J].2003.DixonN,SpriggsMP,MarcatoG,etal.Landslidehazardevaluationbymeansofseveralmonitoringtechniques,includinganacousticemissionsensor[J].2012.DixonN,SpriggsMP,MeldrumP,etal.Developmentofalowcostacousticemissionearlywarningsystemforslopeinstability[J].2010.DixonN,SpriggsMP,MeldrumP,etal.Fieldtrialofanacousticemissionearlywarningsystemforslopeinstability[J].2012.SmithA,DixonN.Quantificationoflandslidevelocityfromactivewaveguide-generatedacousticemission[J].CanadianGeotechnicalJ