塊系巖體動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)研制及其應(yīng)用

蔣海明， 李 杰， 王明洋,2

(1.陸軍工程大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210007；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

蓬勃發(fā)展的采礦工業(yè)、土工建設(shè)中爆破施工作業(yè)等促進(jìn)了巖石爆炸動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展[1]。天然巖體總是被大量的不同等級的不連續(xù)間斷面所間隔，將巖體分割為一個(gè)個(gè)尺度大小不同的結(jié)構(gòu)單元(巖塊)，這些不連續(xù)間斷面的尺度具有很大的尺寸范圍：其延度從10-6(組成巖石礦物的晶格缺陷)～106m(大的構(gòu)造斷層尺度)，其裂隙(裂縫)寬度從10-8～102m。這些巖塊中的間隙具有相當(dāng)小的強(qiáng)度特性，爆炸、地震等作用后由于巖塊的旋轉(zhuǎn)、相互間的滑移以及擠壓和分離引起巖體位移場的間斷，在爆炸和地震中總是出現(xiàn)巖體的不連續(xù)結(jié)構(gòu)，利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)解釋距離震中一定距離處構(gòu)件的不可逆變形是不可能的，因?yàn)檫B續(xù)介質(zhì)力學(xué)忽略了巖體內(nèi)在的最重要的特性—巖塊結(jié)構(gòu)造成附加自由度的存在[2]。

最近十年來，一些科學(xué)家越來越注意到巖石的塊狀層次結(jié)構(gòu)在巖土材料和巖石動(dòng)力學(xué)行為的非線性方面扮演的重要角色，促使人們對這些方面展開了系列的試驗(yàn)和理論研究，并已逐漸形成非線性巖石力學(xué)的重要研究方向—塊系構(gòu)造巖體力學(xué)[3-4]。Kurlenya等[5-9]通過研究深部礦山在大當(dāng)量化爆作用下應(yīng)力波的傳播特性，首次發(fā)現(xiàn)了一種新型非線性“變形”波，稱為“擺型波”，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了與此相關(guān)的不規(guī)則超低摩擦現(xiàn)象；同時(shí)設(shè)計(jì)擺錘沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了初步模擬試驗(yàn)研究。賈寶新等[10]采用小球自由落體模擬沖擊載荷的方式，研究含夾層塊系巖體在沖擊載荷下動(dòng)力傳播特性。王洪亮等[11-12]利用深部巖體動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)系統(tǒng)對塊體模型進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)，得到了塊系巖體超低摩擦現(xiàn)象的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

上述室內(nèi)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)均基于落錘撞擊施加沖擊擾動(dòng)的原理，操作穩(wěn)定性不強(qiáng)，且得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，如今飛速發(fā)展的測試手段，允許我們進(jìn)行更加精細(xì)的物理力學(xué)模擬試驗(yàn)，從而更加清晰地揭示沖擊擾動(dòng)下塊系構(gòu)造介質(zhì)中波傳播的基本特性、規(guī)律及其與巖體構(gòu)造特性間的定量描述。本文基于激振器的使用原理，設(shè)計(jì)研制了一套塊系巖體動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)。對花崗巖塊體模型進(jìn)行一維動(dòng)力沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)應(yīng)用情況表明，該系統(tǒng)性能優(yōu)良，操作方便，可用于研究塊系巖體非線性巖石力學(xué)現(xiàn)象。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)的研制思路

在研究塊系構(gòu)造巖體中變形波傳播的物理力學(xué)特性時(shí)，需要獲得塊系構(gòu)造巖體在一定的沖擊能量條件下塊體振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，包括加速度、速度及位移等。

若干塊尺寸相同巖塊疊放組成試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀D1分別給出了三種工況下塊體模型沖擊試驗(yàn)的示意圖。工況1為塊體模型僅受豎向沖擊作用(見圖1(a))，通過測量各塊體的加速度時(shí)程，揭示沖擊擾動(dòng)下塊系構(gòu)造介質(zhì)中波傳播的基本特性。工況2為塊體模型受水平靜力和豎向沖擊共同作用(見圖1(b))；工況3為塊體模型受考慮延時(shí)的水平和豎向雙向沖擊(見圖1(c))。通過對塊體模型進(jìn)行垂直沖擊和水平靜力的動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)，測量工作塊體水平動(dòng)力響應(yīng)，可以為揭示沖擊擾動(dòng)誘發(fā)塊體滑移現(xiàn)象的規(guī)律、影響因素及臨界條件提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

圖1 塊體模型沖擊擾動(dòng)試驗(yàn)示意圖Fig.1 Scheme of blocky rock mass under impact

2 塊系巖體動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)的組成

在反復(fù)論證和調(diào)研的基礎(chǔ)上，研制出塊系巖體動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)(見圖2)。試驗(yàn)系統(tǒng)由工作臺(tái)、控制加載裝置以及測量系統(tǒng)三部分組成。

圖2 塊系巖體動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)Fig.2 Test system for dynamic characteristics of blocky rock mass

工作臺(tái)用于承載塊系巖體模型，其水平方向上設(shè)有導(dǎo)向槽，水平激振加載單元可沿著導(dǎo)向槽滑動(dòng)，便于適應(yīng)不同尺寸的模型試件。

控制加載裝置包括水平靜力加載單元、垂直及水平?jīng)_擊加載單元及其附屬的固定設(shè)備。水平靜力加載單元通過一根不可伸長的鋼絲可拆卸地連接于模型試件上，鋼絲的另一端穿過滑輪組與砝碼盤相連，通過改變砝碼盤承載的砝碼重量，實(shí)現(xiàn)水平拉力大小的調(diào)節(jié)。

垂直及水平?jīng)_擊加載單元均采用揚(yáng)州巨豐JZK50電動(dòng)式激振器實(shí)現(xiàn)沖擊沖擊加載，最大作用力為500 N(見圖3)。電動(dòng)式激振器是一種電動(dòng)轉(zhuǎn)換器，即將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，對試件提供激振力的一種裝置。相較于落錘沖擊的原理，激振器沖擊加載可精確控制作用于模型試件的沖擊的力學(xué)參數(shù)及沖擊能量，可以定量地展開試驗(yàn)研究；整體穩(wěn)定性好、易于操作，可重復(fù)性強(qiáng)。垂直、水平方向的激振器安裝于固定架上，其可以通過絲杠旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)上下位置的調(diào)整。

圖3 沖擊加載系統(tǒng)組成Fig.3 Impact loading system

垂直及水平激振器的控制圖如圖4所示。信號發(fā)生器通過一控制單元控制信號源輸入的時(shí)間差，可以調(diào)節(jié)兩個(gè)沖擊加載單元的激振器作用于試件的時(shí)間點(diǎn)及作用時(shí)長，用于模擬不同工況下塊系巖體受沖擊的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)異步工作或同步工作，即實(shí)現(xiàn)單獨(dú)施加沖擊擾動(dòng)，或同時(shí)施加沖擊擾動(dòng)，或不同延時(shí)作用的雙向沖擊擾動(dòng)。

圖4 沖擊加載系統(tǒng)延時(shí)控制Fig.4 Delay control in impact loading system

測量系統(tǒng)由力傳感器、加速度傳感器、光纖位移傳感器、電荷放大器、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及電腦組成(見圖5)。力傳感器采用長沙NOS輪輻式力傳感器，量程為0～1 000 N。加速度傳感器采用揚(yáng)州巨豐公司的JF110三向加速度計(jì)，能同時(shí)測量同一點(diǎn)的X，Y，Z三個(gè)方向上的加速度。其測量靈敏度為0.1 g/PC，量程為500 g，安裝諧振頻率為30 kHz，頻響為5 kHz。電荷放大器為揚(yáng)州巨豐公司的HY5853型，頻響為100 kHz。由于試驗(yàn)過程中位移量值集中在微米級，所以一般接觸式位移計(jì)無法滿足測量要求，故采用美國PHILTEC公司的D-169型光纖位移計(jì)，測量靈敏度為1.1 μm/mV，量程為20 mm，頻響為20 kHz。上述所有量測數(shù)據(jù)可通過東華5 922 N動(dòng)態(tài)信號測試分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并保存于計(jì)算機(jī)內(nèi)?；贚abVIEW編程實(shí)現(xiàn)的塊系巖體動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)軟件界面見圖6，集實(shí)時(shí)信號控制觸發(fā)、采集參數(shù)設(shè)置、加載參數(shù)控制、激振器位置調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)瀏覽顯示、數(shù)據(jù)保存等模塊化功能于一體，使用簡單便捷。

圖5 測量系統(tǒng)組成部分Fig.5 Measurement system components

3 試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

利用自主研發(fā)的塊系巖體動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)對六塊花崗巖組成的塊系塊體模型進(jìn)行一維低速?zèng)_擊試驗(yàn)，揭示沖擊載荷作用下塊系巖體波的傳播特性。

圖6 塊體模型動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)軟件界面Fig.6 Interface of monitoring software of the test system

3.1 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備

試驗(yàn)?zāi)Ｐ?由六個(gè)花崗巖塊體組成的塊系巖體模型。巖塊尺寸為250 mm×125 mm×80 mm，質(zhì)量為6.8 kg，運(yùn)用波速儀測速得到縱波波速為4 500 m/s。對各塊體表面進(jìn)行平整配合處理，在反映真實(shí)巖體的表面特性的同時(shí)，保證整個(gè)塊系模型的穩(wěn)定性。

3.2 試驗(yàn)方法

塊系模型1中每一塊體側(cè)面中央位置處粘貼三向加速度計(jì)測量塊體的加速度時(shí)程，如圖7所示。為防止地面反射波對入射波的影響，模型底部墊有橡膠襯墊。本次試驗(yàn)僅施加一維豎向沖擊，分別將塊系模型1放置于試驗(yàn)系統(tǒng)工作平臺(tái)之上，調(diào)整垂直沖擊器的位置，然后對模型施加逐步增大的沖擊，記錄沖擊力和加速度時(shí)程，用于下一步的比較分析。

圖7 加速度測量Fig.7 Measurement of acceleration

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)獲得了花崗巖塊系模型在不同沖擊力作用下巖塊振動(dòng)的加速度時(shí)程曲線，限于篇幅，本文僅列出在沖擊沖量0.27 N·s下花崗巖塊系模型各對應(yīng)測點(diǎn)記錄的Y向加速度時(shí)程曲線及Fourier波譜密度曲線(見圖8)。

在加速度頻譜密度曲線中，加速度頻譜密度達(dá)到局部極大值時(shí)對應(yīng)的頻率，稱之為極值頻率。在圖9中分別標(biāo)出了頻譜密度達(dá)到局部極大值時(shí)的前兩個(gè)或三個(gè)極值頻率。對于塊系模型，在振動(dòng)通過一個(gè)塊體一個(gè)塊體向下傳遞過程中，發(fā)生了從高頻的波動(dòng)向低頻震動(dòng)的轉(zhuǎn)移，第二個(gè)塊體將成為一些特定頻率的諧波的共振器，而第三個(gè)塊體將對這些頻率(2#塊體)的波產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的抑制作用，同時(shí)放大了某些更低頻率的特定低頻諧波，在第四個(gè)塊體處，低頻諧波已經(jīng)超過初始高頻沖擊諧波。在記錄到的波形圖通過一個(gè)個(gè)塊體向下傳遞的時(shí)候，初始的寬帶沖擊脈沖逐漸變化成為一個(gè)包含有寬廣頻率特征的波包。

圖8 傳感器記錄的力時(shí)程曲線Fig.8 Force-time curve recorded by the sensor

表1給出了不同沖量作用下塊系模型Y向加速度極值頻率(包含前1～2極值頻率)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表中可以看出，對于塊體模型，加速度波譜曲線中極值頻率不隨沖量的增加而變化，即沖量增加不改變波動(dòng)傳播的波譜形式，僅增加相應(yīng)的波譜幅值，波傳播的波譜形式僅與塊體的構(gòu)造特征相關(guān)。

(a) 塊體1Y方向(b) 塊體2Y方向

(c) 塊體3Y方向(d) 塊體4Y方向

(e) 塊體5Y方向(f) 塊體6Y方向圖9 塊體模型Y方向加速度時(shí)程曲線及頻譜分析Fig.9 Time-dependent curves and spectrum analysis of Y-direction acceleration in blocky model

表1 塊體模型Y方向加速度極值頻率Tab.1 Acceleration extreme freqiency of Y-direction in blocky model

按照俄羅斯擺型波理論研究成果，擺錘沖擊試驗(yàn)、地下爆炸時(shí)，塊系構(gòu)造巖體中擺型波波譜頻率的傳遞特性遵從下列規(guī)范序列關(guān)系

(1)

式中:fi為波譜頻率;f0為塊體振動(dòng)的基礎(chǔ)頻率

(2)

式中:j為塊體振動(dòng)的方向，且j=x,y,z;Δj為j方向巖塊的尺度。

表2 不同沖擊能量作用下塊體模型Y方向加速度幅值Tab.2 Acceleration amplitude of blocky model in Y-direction under different impact energies

(3)

從曲線中可以看出，對于不同沖擊能量的塊系沖擊運(yùn)動(dòng)，完成了波動(dòng)過程的幾何相似。

圖10 加速度幅值隨距離增加的衰減規(guī)律Fig.10 Attenuation law of the acceleration amplitude with the scaled-distance

4 結(jié) 論

依據(jù)目前塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)研究需求，改進(jìn)研制出塊系巖體動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)，對由塊體組成的結(jié)構(gòu)體系中變形波的傳播開展試驗(yàn)研究，獲得一維沖擊振動(dòng)條件下波傳播的頻譜、振幅特征，可為后續(xù)的理論分析提供量化的數(shù)據(jù)支撐。結(jié)果表明：

(1)改進(jìn)后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，試驗(yàn)操作方便，量測精度高，可以滿足進(jìn)行塊系巖體中的擺型波、超低摩擦特性等各項(xiàng)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究的要求。

(2)一維沖擊作用下，在沖擊振動(dòng)通過塊系巖體向前傳播的過程中，波譜極值頻率不斷減小，波系趨于低頻波，塊系巖體中波動(dòng)傳播的波譜形式僅與塊體的構(gòu)造特征相關(guān)，外部沖擊僅僅改變加速度幅值大小，而對振動(dòng)極值頻率沒有影響。