墜落式危巖振動特性模擬試驗方法研究

姚國專，余波，陳筠，蔡德鉤，閆宏業(yè)，姚建平

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州貴陽550025;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京100081; 3.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院，貴州貴陽550082;4.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

墜落式危巖振動特性模擬試驗方法研究

姚國專1，2，余波3，陳筠1，蔡德鉤2，4，閆宏業(yè)2，4，姚建平2，4

(1.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州貴陽550025;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京100081; 3.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院，貴州貴陽550082;4.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

根據(jù)危巖野外實際存在狀態(tài)分析墜落式危巖與基巖的接觸特點，應(yīng)用相似理論，重點考慮模型幾何關(guān)系、接觸關(guān)系和邊界條件的相似性，建立了能反映危巖振動特性及穩(wěn)固特性的室內(nèi)試驗?zāi)Ｐ?。分析了傳感器的固定方式、激勵力錘類型、激勵力大小和激勵方向?qū)υ囼灲Y(jié)果的影響。結(jié)果表明:測振傳感器宜采用粘結(jié)性較好的膠水來固定;激勵源宜選用激振時作用時間短、產(chǎn)生能量較高的鋼性錘，以滿足要求的振動頻帶范圍;激勵力大小和激勵方向變化時巖塊振動卓越頻率一致，說明激勵方式對危巖振動特性影響較小;在本模型試驗激振作用下，振動幅值隨危巖貫通率減小而減小、卓越頻率隨危巖貫通率減小而增大。

危巖 振動特性 卓越頻率 振動波形 模擬試驗

危巖體多發(fā)育于高山峽谷的岸坡、曲流的凹岸、沖溝的溝壑、陡崖等地段［1-4］，離地面高，不易攀爬，人工觀測難度大。影響危巖穩(wěn)定性的因素繁多，各影響因素相互之間存在內(nèi)部聯(lián)系，人為判斷這些因素時往往帶有主觀性［5］。此外，危巖接觸面隱藏在下部山體中，觀察不到，很難用簡單方法評估其穩(wěn)定狀態(tài)。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對危巖做了大量的研究。日本的緒方健治、山田剛二等［6-7］的研究著眼于浮石部的振動特性，認為從浮石部的下部傳播出的彈性波的振幅、加速度、卓越頻率等振動特性是不同的，通過闡明其振動特性，可以判斷落石的危險度。在國內(nèi)，李秉生、鄭黎明等［8-9］研究了鐵路巖質(zhì)邊坡裂隙結(jié)構(gòu)條件下列車振動激發(fā)的路塹振動的不同衰減特性，認為巖體結(jié)構(gòu)按某種規(guī)律控制著巖體的自振特性。

室內(nèi)模型試驗的可操控性強，對于影響因素多、作用機理復(fù)雜的研究對象，易于通過調(diào)整試驗參數(shù)和改變試驗條件而集中研究其中一項或幾項因素，從而揭示工程問題的本質(zhì)［10］。本文開展危巖振動特性室內(nèi)試驗方法研究，對于深入研究危巖振動特性具有指導(dǎo)意義。

1 試驗的理論基礎(chǔ)

1.1 墜落式危巖野外存在狀態(tài)

墜落式危巖體后部為傾角＞80°的卸荷結(jié)構(gòu)面或斷裂結(jié)構(gòu)面(圖1)，結(jié)構(gòu)面主要承受拉剪作用。不同的危巖塊體由于結(jié)構(gòu)面貫通程度不同，其穩(wěn)定狀態(tài)不一。

圖1 野外墜落式危巖

根據(jù)巖石斷裂力學(xué)，控制危巖破壞的核心問題是主控制結(jié)構(gòu)面的斷裂擴展。墜落式危巖結(jié)構(gòu)面發(fā)展的力學(xué)運動模式主要是結(jié)構(gòu)面端部形成一個倒轉(zhuǎn)的支點，在危巖自重應(yīng)力和裂隙水壓力等作用力下，處于危巖上端的結(jié)構(gòu)面受到張拉力作用逐漸被拉裂并向其端部擴展［11］(圖2)，當作用于危巖的外界力大于其結(jié)構(gòu)面抗拉強度時，危巖即發(fā)生崩塌。

1.2 危巖振動理論模型

根據(jù)墜落式危巖與基巖的接觸特點，用一彈性系數(shù)為K的彈簧和一端相連質(zhì)量為M的球體的剛桿組合而成的體系模擬墜落式危巖的振動(圖3)。用線性彈簧模擬具有一定剛度的危巖結(jié)構(gòu)面，用剛性桿件和球體模擬危巖，質(zhì)點O為基巖與危巖的接觸點，彈簧作用點與O點距離取為粘結(jié)面長度的1/2。激勵作用下，質(zhì)量一定的危巖振動特性取決于主結(jié)構(gòu)面剛度的大小。

圖2 危巖主結(jié)構(gòu)面向端部擴展

圖3 墜落式危巖振動模型

2 模型試驗系統(tǒng)的建立

危巖試驗?zāi)Ｐ陀苫鶐r試塊、危巖試塊和粘結(jié)面三部分組成，分別模擬基巖、危巖及主結(jié)構(gòu)面。

室內(nèi)開展相似模型試驗，可以很好地控制危巖與基巖條件，實現(xiàn)在特定條件下控制試驗工況。在進行室內(nèi)模型試驗設(shè)計時應(yīng)保證模擬危巖幾何相似、危巖與基巖的接觸關(guān)系相似和邊界條件相似，盡可能減小試驗條件對試驗結(jié)果準確性的影響。

2.1 模型相似條件

2.1.1 幾何相似

模擬基巖和危巖的試塊用砂、水泥、外加劑等配制的水泥砂漿預(yù)制(圖4)，且基巖試塊強度大于危巖試塊。危巖主結(jié)構(gòu)面用硅酮玻璃膠形成的粘結(jié)面模擬，硅酮玻璃膠固化是由表面向內(nèi)發(fā)展，固化達到一定時間其粘結(jié)強度達到最大。因相似現(xiàn)象發(fā)生在幾何相似的空間內(nèi)，故模型中各個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸應(yīng)與實際情況相似，主要是指危巖尺寸、基巖尺寸、主結(jié)構(gòu)面厚度等幾何相似比相等，模型中各結(jié)構(gòu)的尺寸按照幾何相似比4∶1制作。

2.1.2 接觸關(guān)系相似

墜落式危巖與基巖是通過其后部傾角＞80°主結(jié)構(gòu)面相接觸。采用粘結(jié)劑將危巖試塊與基巖試塊粘結(jié)，通過控制粘結(jié)面物質(zhì)參數(shù)(粘結(jié)強度大小、粘結(jié)面面積和厚度大小)來實現(xiàn)其與野外危巖和基巖接觸面相似(圖5)。

圖4 危巖與基巖試塊

圖5 試驗?zāi)Ｐ椭械恼辰Y(jié)面

圖6 固定邊界條件下危巖運動模式

2.1.3 邊界條件相似

固定邊界條件下危巖運動模式如圖6所示?；鶐r試塊用強力膠固定在室內(nèi)地面上，選用的強力膠的粘結(jié)強度要大于基巖試塊的強度。這是為了確?；鶐r試塊與大地是一個整體，保證在外界激勵力作用下基巖試塊不與危巖試塊同步振動，而是危巖試塊振動時相對基巖試塊發(fā)生一個微小的轉(zhuǎn)動角θ和一個微小位移u，確保在該邊界條件下危巖體和基巖運動真實性。

2.2 室內(nèi)試驗危巖模型的建立

根據(jù)墜落式危巖與基巖的接觸特點以及主結(jié)構(gòu)面的特征，設(shè)計出主結(jié)構(gòu)面貫通率分別為70%，55%，40%和25%的4種墜落式危巖試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

基巖試塊尺寸為60 cm(長)×40 cm(寬)× 30 cm(高);危巖試塊尺寸為40 cm(長)×10 cm (寬)×10 cm(高);4種貫通率對應(yīng)的粘結(jié)長度分別為12，18，24和30 cm，依次標記為1#，2#，3#和4#危巖試塊。

3 試驗過程

3.1 傳感器的固定方式

在傳感器固定方式中，用螺絲、螺柱安裝是最佳方式，但實際應(yīng)用中加速度計的設(shè)計不允許帶有螺孔或者有些被測結(jié)構(gòu)不允許鉆孔。此時，可用粘結(jié)性較好的膠水來固定傳感器。本試驗選用帶黏性的橡皮泥來固定傳感器，該材料具有粘結(jié)性好、操作便捷的特點(圖7)。

圖7 用粘結(jié)性較好的膠水固定傳感器

3.2 激勵源的選取

選取的激勵源應(yīng)能激勵起較寬頻域的振動。用力錘瞬態(tài)激振施加給物體一個瞬態(tài)變化的力，剛度不同的錘頭激勵時輸入的振動頻帶寬度不同(圖8)。鋼錘頭激勵時作用時間最短、頻帶最寬、能量最高，硬塑錘頭次之，橡膠錘頭最小。本試驗選用剛度最大的鋼錘頭作為激勵源。

3.3 激勵方式對試驗的影響

對激勵力大小及激勵點位置的選取有必要加以研究。采用大小不同的激勵從不同方向?qū)鶐r試塊進行激勵，分析貫通率最小的4#危巖試塊的頻譜特性，發(fā)現(xiàn)用不同大小的激勵力激勵基巖試塊的側(cè)面(傳感器x向)、正面(傳感器y向)和頂面(傳感器z向)，4#危巖體的卓越頻率都在83 Hz左右(圖9)。

圖8 不同錘頭激勵起的頻帶范圍

圖9 不同激勵方式下4#危巖的幅頻特性

一般而言，結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)與激勵點位置有一定的關(guān)系，但本試驗基巖模型為素混凝土結(jié)構(gòu)，可視為連續(xù)的線彈性體系，從不同方向輸入的振動信息在基巖傳播過程中相同，而同一力錘不同激勵力大小只會改變輸入能量大小，輸入的振動信號頻帶范圍不受太大的影響。因此，用不同大小的力和從不同方向激勵同一巖塊振動卓越頻率響應(yīng)一致。

4 試驗數(shù)據(jù)分析過程

以鋼錘頭作為激勵源，采用小力錘擊基巖(激振力峰值約為100 N)，測振傳感器采用如圖7所示的固定方式，測試的振動記錄不應(yīng)夾雜噪聲等特殊波形，以保證處理結(jié)果的正確性，采樣過程采用全程平均方式，計算過程中采用漢寧窗進行處理，對危巖體進行快速傅里葉變換得到傅里葉頻譜，從而獲得卓越頻率。振動測試信號處理流程如圖10所示。圖11為各危巖的振動加速度全程波形圖，可見1#～4#危巖振動加速度分別為0.21，0.12，0.07和0.02 m/s2，激振作用下危巖振動加速度隨貫通率減小而減小。圖12為各危巖振動響應(yīng)的卓越頻率，可見1#～4#危巖卓越頻率分別為89，149，294和375 Hz，激振作用下危巖卓越頻率隨貫通率減小而增大。

圖10 振動測試信號處理流程

圖11 危巖的振動加速度全程波形

圖12 激振作用下各危巖的卓越頻率

5 結(jié)論

1)根據(jù)墜落式危巖與基巖接觸和貫通的特點，用混凝土材料模擬危巖和基巖，用硅酮玻璃膠形成的粘結(jié)面模擬危巖主結(jié)構(gòu)面，通過改變粘結(jié)面的粘結(jié)長度來模擬危巖不同的貫通率，這種試驗方法是可行的。

2)測振傳感器固定方式宜采用粘結(jié)性較好的膠水來固定;鋼錘頭作為激勵源激起的能量高，激勵作用時間短、頻帶寬，能較好地滿足試驗要求。

3)用不同大小的激勵力和從不同方向激勵同一巖塊振動卓越頻率響應(yīng)一致，說明激勵方式對本試驗危巖模型振動特性影響較小。

4)通過本試驗建立的危巖試驗?zāi)Ｐ秃痛_定的試驗方法，獲得了激振作用下振動加速度隨危巖貫通率減小而減小，卓越頻率隨危巖貫通率減小而增大的規(guī)律。

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Study on simulation test method for vibration characteristics of unstable rock

YAO Guozhuan1，2，YU Bo3，CHEN Jun1，CAI Degou2，4，YAN Hongye2，4，YAO Jianping2，4
(1.College of Resource and Environmental Engineering，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550025，China;2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，China Academy of Rails Science，Beijing 100081，China;3.Guiyang Hydroelectric Investigation＆Design Institute，China Hydropower Engineering Consulting Group Corporation，Guiyang Guizhou 550082，China; 4.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

An indoor test model which can reflect the vibration characteristics and stability of is established according to the actual state of unstable rock in field with analysis of contact characteristics between falling unstable rock and bedrock.Based on Similarity theory，similarity of geometrical relationship，contact relationship and boundary conditions were mainly considered in this model.Analysis the effects on the test results from sensor fixed method，force hammer type，excitation force value and the excitation position.Determine analysis process of vibration signal from which indoor model test.T he results show that vibration sensor should be fixed by glue with strong adhesive strength，and the excitation source should use the rigidity hammer with short acting time and high energy during the excitation to meet the test concerned vibration frequency range.T he same predominant frequency from rock block vibration with different excitation value and different excitation azimuth shows that the excitation method has less impact on the vibration characteristics of unstable rock model.Under the vibration excitation in this test model，the vibration amplitude is decreasing with the decreasing of unstable rock penetration rate，predominant frequency is increasing with the decreasing of unstable rock penetration rate.

Unstable rock;Vibration characteristic;Predominant frequency;Vibration waveform;Simulation test

U216.41+5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.24

1003-1995(2015)12-0088-05

(責任審編李付軍)

2015-08-20;

2015-10-13

中國鐵道總公司鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研項目(J2014G006);中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2014Z003-A，2014Z003-B，2014Z003-D);貴州省地質(zhì)工程研究生教育創(chuàng)新實踐基地創(chuàng)新項目(DZ2014001)

姚國專(1989—)，男，碩士研究生。