姚國(guó)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(yáng)550025;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081; 3.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽(yáng)550082;4.中國(guó)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(dòng)特性模擬試驗(yàn)方法研究

姚國(guó)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(yáng)550025;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081; 3.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州貴陽(yáng)550082;4.中國(guó)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(shí)際存在狀態(tài)分析墜落式危巖與基巖的接觸特點(diǎn)，應(yīng)用相似理論，重點(diǎn)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(dòng)特性及穩(wěn)固特性的室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。分析了傳感器的固定方式、激?lì)力錘類型、激勵(lì)力大小和激勵(lì)方向?qū)υ囼?yàn)結(jié)果的影響。結(jié)果表明:測(cè)振傳感器宜采用粘結(jié)性較好的膠水來(lái)固定;激勵(lì)源宜選用激振時(shí)作用時(shí)間短、產(chǎn)生能量較高的鋼性錘，以滿足要求的振動(dòng)頻帶范圍;激勵(lì)力大小和激勵(lì)方向變化時(shí)巖塊振動(dòng)卓越頻率一致，說(shuō)明激勵(lì)方式對(duì)危巖振動(dòng)特性影響較小;在本模型試驗(yàn)激振作用下，振動(dòng)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(dòng)特性 卓越頻率 振動(dòng)波形 模擬試驗(yàn)

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(cè)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(shí)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(jiǎn)單方法評(píng)估其穩(wěn)定狀態(tài)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(dòng)特性，認(rèn)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(dòng)特性是不同的，通過(guò)闡明其振動(dòng)特性，可以判斷落石的危險(xiǎn)度。在國(guó)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(dòng)激發(fā)的路塹振動(dòng)的不同衰減特性，認(rèn)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(yàn)的可操控性強(qiáng)，對(duì)于影響因素多、作用機(jī)理復(fù)雜的研究對(duì)象，易于通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)和改變?cè)囼?yàn)條件而集中研究其中一項(xiàng)或幾項(xiàng)因素，從而揭示工程問(wèn)題的本質(zhì)［10］。本文開展危巖振動(dòng)特性室內(nèi)試驗(yàn)方法研究，對(duì)于深入研究危巖振動(dòng)特性具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)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(wèn)題是主控制結(jié)構(gòu)面的斷裂擴(kuò)展。墜落式危巖結(jié)構(gòu)面發(fā)展的力學(xué)運(yùn)動(dòng)模式主要是結(jié)構(gòu)面端部形成一個(gè)倒轉(zhuǎn)的支點(diǎn)，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(kuò)展［11］(圖2)，當(dāng)作用于危巖的外界力大于其結(jié)構(gòu)面抗拉強(qiáng)度時(shí)，危巖即發(fā)生崩塌。

1.2 危巖振動(dòng)理論模型

根據(jù)墜落式危巖與基巖的接觸特點(diǎn)，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(dòng)(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(diǎn)O為基巖與危巖的接觸點(diǎn)，彈簧作用點(diǎn)與O點(diǎn)距離取為粘結(jié)面長(zhǎng)度的1/2。激勵(lì)作用下，質(zhì)量一定的危巖振動(dòng)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(kuò)展

圖3 墜落式危巖振動(dòng)模型

2 模型試驗(yàn)系統(tǒng)的建立

危巖試驗(yàn)?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(yàn)，可以很好地控制危巖與基巖條件，實(shí)現(xiàn)在特定條件下控制試驗(yàn)工況。在進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)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(yàn)條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)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(qiáng)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(dá)到一定時(shí)間其粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)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(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸應(yīng)與實(shí)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(guò)其后部?jī)A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(guò)控制粘結(jié)面物質(zhì)參數(shù)(粘結(jié)強(qiáng)度大小、粘結(jié)面面積和厚度大小)來(lái)實(shí)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(yàn)?zāi)Ｐ椭械恼辰Y(jié)面

圖6 固定邊界條件下危巖運(yùn)動(dòng)模式

2.1.3 邊界條件相似

固定邊界條件下危巖運(yùn)動(dòng)模式如圖6所示?；鶐r試塊用強(qiáng)力膠固定在室內(nèi)地面上，選用的強(qiáng)力膠的粘結(jié)強(qiáng)度要大于基巖試塊的強(qiáng)度。這是為了確?；鶐r試塊與大地是一個(gè)整體，保證在外界激勵(lì)力作用下基巖試塊不與危巖試塊同步振動(dòng)，而是危巖試塊振動(dòng)時(shí)相對(duì)基巖試塊發(fā)生一個(gè)微小的轉(zhuǎn)動(dòng)角θ和一個(gè)微小位移u，確保在該邊界條件下危巖體和基巖運(yùn)動(dòng)真實(shí)性。

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)危巖模型的建立

根據(jù)墜落式危巖與基巖的接觸特點(diǎn)以及主結(jié)構(gòu)面的特征，設(shè)計(jì)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(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

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

3 試驗(yàn)過(guò)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(shí)際應(yīng)用中加速度計(jì)的設(shè)計(jì)不允許帶有螺孔或者有些被測(cè)結(jié)構(gòu)不允許鉆孔。此時(shí)，可用粘結(jié)性較好的膠水來(lái)固定傳感器。本試驗(yàn)選用帶黏性的橡皮泥來(lái)固定傳感器，該材料具有粘結(jié)性好、操作便捷的特點(diǎn)(圖7)。

圖7 用粘結(jié)性較好的膠水固定傳感器

3.2 激勵(lì)源的選取

選取的激勵(lì)源應(yīng)能激勵(lì)起較寬頻域的振動(dòng)。用力錘瞬態(tài)激振施加給物體一個(gè)瞬態(tài)變化的力，剛度不同的錘頭激勵(lì)時(shí)輸入的振動(dòng)頻帶寬度不同(圖8)。鋼錘頭激勵(lì)時(shí)作用時(shí)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(yàn)選用剛度最大的鋼錘頭作為激勵(lì)源。

3.3 激勵(lì)方式對(duì)試驗(yàn)的影響

對(duì)激勵(lì)力大小及激勵(lì)點(diǎn)位置的選取有必要加以研究。采用大小不同的激勵(lì)從不同方向?qū)鶐r試塊進(jìn)行激勵(lì)，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(lì)力激勵(lì)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(lì)起的頻帶范圍

圖9 不同激勵(lì)方式下4#危巖的幅頻特性

一般而言，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)與激勵(lì)點(diǎn)位置有一定的關(guān)系，但本試驗(yàn)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(dòng)信息在基巖傳播過(guò)程中相同，而同一力錘不同激勵(lì)力大小只會(huì)改變輸入能量大小，輸入的振動(dòng)信號(hào)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(lì)同一巖塊振動(dòng)卓越頻率響應(yīng)一致。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析過(guò)程

以鋼錘頭作為激勵(lì)源，采用小力錘擊基巖(激振力峰值約為100 N)，測(cè)振傳感器采用如圖7所示的固定方式，測(cè)試的振動(dòng)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(guò)程采用全程平均方式，計(jì)算過(guò)程中采用漢寧窗進(jìn)行處理，對(duì)危巖體進(jìn)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(dòng)測(cè)試信號(hào)處理流程如圖10所示。圖11為各危巖的振動(dòng)加速度全程波形圖，可見1#～4#危巖振動(dòng)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(dòng)加速度隨貫通率減小而減小。圖12為各危巖振動(dòng)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(dòng)測(cè)試信號(hào)處理流程

圖11 危巖的振動(dòng)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(diǎn)，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(guò)改變粘結(jié)面的粘結(jié)長(zhǎng)度來(lái)模擬危巖不同的貫通率，這種試驗(yàn)方法是可行的。

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

3)用不同大小的激勵(lì)力和從不同方向激勵(lì)同一巖塊振動(dòng)卓越頻率響應(yīng)一致，說(shuō)明激勵(lì)方式對(duì)本試驗(yàn)危巖模型振動(dòng)特性影響較小。

4)通過(guò)本試驗(yàn)建立的危巖試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃痛_定的試驗(yàn)方法，獲得了激振作用下振動(dòng)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(zé)任審編李付軍)

2015-08-20;

2015-10-13

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

姚國(guó)專(1989—)，男，碩士研究生。