杜 巖 霍磊晨 謝謨文 蔣宇靜 賈北凝 叢曉明

?(北京科技大學(xué)城市地下空間工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

?(山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,山東青島 266590)

??(建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院,北京 100007)

引言

隨著我國“一帶一路”重大戰(zhàn)略的深入部署,越來越多的大型水電站、公路、鐵路、橋梁、隧道和能源管線將在我國西南山區(qū)進(jìn)行建設(shè)[1].復(fù)雜的高山峽谷地形地貌,惡劣的氣候條件以及大量高陡邊坡的工程開挖擾動,使得巖體崩塌災(zāi)害事故的發(fā)生概率大大增大.這些潛在危巖體作為目前我國工程建設(shè)最主要的安全隱患點(diǎn),一旦發(fā)生,輕則造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤,重則還會造成嚴(yán)重的人員傷亡.因此,如何實(shí)現(xiàn)崩塌災(zāi)害的早期監(jiān)測預(yù)警是巖土工程領(lǐng)域亟待解決的主要工程問題之一.

實(shí)際上,巖體脆性破壞多是系統(tǒng)不穩(wěn)定導(dǎo)致的動力破壞,因此引入動力學(xué)監(jiān)測指標(biāo),可有助于實(shí)現(xiàn)巖塊體的穩(wěn)定評價(jià)與早期預(yù)警[2-3].Amitrano 等[4]分析了法國西部諾曼底海岸巖體崩塌前的振動情況,得出振動幅值等振動特征可以為崩塌的早期監(jiān)測預(yù)警起到一定的指示作用;Got 等[5]監(jiān)測了法國東南部維科爾斯山東南部一處天然石灰?guī)r懸崖巖體崩塌前的位移和振動情況,得出頻譜分析可以作為位移速度的補(bǔ)充應(yīng)用于崩塌的早期預(yù)警中;Bottelin 等[6]基于振動監(jiān)測技術(shù),對阿爾卑斯山4 個(gè)不穩(wěn)定巖體的動力響應(yīng)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定巖體的振動譜共振頻率下顯示出清晰的能量峰值;Ma 等[7]以混凝土試塊為實(shí)驗(yàn)案例,將頻率監(jiān)測與試塊安全性系數(shù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),頻率等振動特征參數(shù)對巖塊體的穩(wěn)定程度有一定指示作用;杜巖等[8-10]基于模型試驗(yàn),通過固有振動頻率來對危巖的黏結(jié)力和摩擦力等力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析,得出基于振動模態(tài)的巖體安全監(jiān)測將在實(shí)際工程中發(fā)揮重大作用;隨后賈艷昌等[11]通過理論推導(dǎo),建立了危巖塊體固有振動頻率、危巖塊體與母巖粘結(jié)面積、彈性模量和危巖塊體質(zhì)量之間的關(guān)系,并用試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證.大量研究表明,基于動力學(xué)指標(biāo)的巖塊體的早期監(jiān)測預(yù)警是人類應(yīng)對崩塌災(zāi)害最為有效的技術(shù)手段之一.

崩塌災(zāi)害除受到巖體強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)面力學(xué)狀況等內(nèi)部因素作用外,還與降雨、地震、爆破等多種外界觸發(fā)因素有關(guān)[12],導(dǎo)致崩塌的預(yù)警難度相對較大[13].因此,目前相對單一的監(jiān)測指標(biāo)體系,必然導(dǎo)致監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的預(yù)警時(shí)效性、準(zhǔn)確性與可實(shí)施性方面存在較大制約,傳統(tǒng)方法中基于位移、應(yīng)力應(yīng)變等監(jiān)測指標(biāo)的監(jiān)測預(yù)警,雖然有較好的準(zhǔn)確性,但具有一定的時(shí)間滯后性和不確定性[14];而單一固有振動頻率的預(yù)警方法,雖然在時(shí)效性方面有較好效果[15],但其監(jiān)測往往會受到環(huán)境白噪音的影響,預(yù)警的準(zhǔn)確性方面存在諸多限制[16].基于此,本研究通過引入激光多普勒測振儀,開展基于多個(gè)時(shí)域動力學(xué)指標(biāo)的監(jiān)測預(yù)警試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)巖體由穩(wěn)定→分離→加速破壞全過程動力學(xué)指標(biāo)的基本變化規(guī)律研究,豐富目前動力學(xué)監(jiān)測指標(biāo)體系的同時(shí),也為工程中更好應(yīng)對崩塌災(zāi)害提供新的技術(shù)支持.

1 原理

危巖體多發(fā)育于裂縫帶后緣的地形較陡且?guī)r體破碎的地區(qū)[17],其破壞也多發(fā)生在由節(jié)理裂隙發(fā)育的堅(jiān)硬巖體組成而并非均勻介質(zhì)陡峻山崖或者斜坡上部[18],因此其破壞過程通?？梢暈橐粋€(gè)非線性動力系統(tǒng)的演化過程[19].在崩塌發(fā)生前,隨著巖體損傷的發(fā)生與內(nèi)部節(jié)理裂隙的擴(kuò)展,振動幅值等動力學(xué)指標(biāo)一定會產(chǎn)生變異[20-23].因此,建立包含多個(gè)動力學(xué)指標(biāo)參量的崩塌破壞早期預(yù)警指標(biāo)體系,是目前工程監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警的必然選擇.巖體的動力學(xué)指標(biāo)按照其信息屬性可分為時(shí)域動力學(xué)指標(biāo)、頻域動力學(xué)指標(biāo)、能量指標(biāo)與模態(tài)指標(biāo)4 種.相對于其他3 類指標(biāo),時(shí)域動力學(xué)指標(biāo)是從監(jiān)測得到的時(shí)間振動信號中直接提取,不需要進(jìn)行傅里葉等變換計(jì)算,因此該類指標(biāo)作為振動監(jiān)測的常態(tài)化指標(biāo),可率先應(yīng)用于崩塌災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系中.

圖1 為某時(shí)刻巖體的時(shí)域振動信號.基于該振動波形圖,可得振動幅值、振動絕對均值、變異系數(shù)和峭度指標(biāo)等5 種時(shí)域動力學(xué)指標(biāo),振動幅值xp為

其中,xi為某時(shí)刻的振動速度.振動幅值越大,說明巖體越不穩(wěn)定,趨于危險(xiǎn);反之則趨于安全.

圖1 某時(shí)刻的振動歷史曲線Fig.1 Vibration history at some time

振動絕對均值xav為

其中,N為監(jiān)測樣本數(shù).由振動絕對均值可知,當(dāng)均值越大,說明巖體的振動能量越高,預(yù)示巖體穩(wěn)定程度越差.

振動方差Dx為

變異系數(shù)Kv為

由變異系數(shù)可知,當(dāng)變異系數(shù)越大,說明時(shí)域振動信號具有較大的離散性,可能預(yù)示巖體穩(wěn)定程度發(fā)生變異,巖體趨于危險(xiǎn).

峭度指標(biāo)β 為

通常,峭度指標(biāo)對周期性的沖擊信號十分敏感[24],因此該指標(biāo)可用于分析某時(shí)刻巖體振動中的沖擊能量Ei為

其中,c為轉(zhuǎn)換系數(shù),本文取最大峭度指標(biāo)的倒數(shù).由式(6)可得某時(shí)刻賦存在巖體中的沖擊能量指標(biāo),該指標(biāo)可為崩塌災(zāi)害的預(yù)警預(yù)測分析提供參考.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 基于多種時(shí)域指標(biāo)的早期預(yù)警分析

越來越多的研究證明,巖塊脆性破壞往往是拉伸或剪切破壞的同時(shí),也伴隨著強(qiáng)度的實(shí)時(shí)退化[25].如果不考慮結(jié)構(gòu)面的弱化效應(yīng),很難模擬巖體在自重狀態(tài)下發(fā)生崩塌破壞的全過程.為模擬巖塊體在累積損傷作用下發(fā)生崩塌破壞的全過程,實(shí)驗(yàn)通過預(yù)設(shè)粘結(jié)力不斷弱化的凍結(jié)冰層作為結(jié)構(gòu)面,隨著冰層不斷融化,實(shí)現(xiàn)在自重作用下發(fā)生脆性崩塌破壞的全過程[26].相比較其他實(shí)驗(yàn)方式,該模型實(shí)驗(yàn)可以自發(fā)模擬巖體在累積損傷過程中由穩(wěn)定到破壞的全過程,進(jìn)而為巖體崩塌前動力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律研究提供實(shí)驗(yàn)支持.實(shí)驗(yàn)中,采用激光多普勒測振儀(laser doppler vibrometer,LDV) 來實(shí)現(xiàn)巖體崩塌全過程的振動監(jiān)測,如圖2 所示.實(shí)驗(yàn)自計(jì)時(shí)起,445 s 后發(fā)生崩塌破壞,其中0 ～390 s 為穩(wěn)定階段,390 ～440 s為分離階段,440 ～445 s 為加速破壞階段.激光多普勒測振儀分別測量了不同階段的巖體時(shí)域動力學(xué)指標(biāo).振動幅值、振動絕對均值和變異系數(shù)3 種時(shí)域動力學(xué)監(jiān)測指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示.

圖2 模型實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.2 Schematic view of the model experiment

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results

圖3 為振動幅值、振動絕對均值與變異系數(shù)的過程線圖.由圖3 可知,在穩(wěn)定階段(0 ～390 s),振動幅值和振動絕對均值隨著結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度的下降不斷呈上升趨勢,并在390 s 出現(xiàn)急劇升高,分別較前一時(shí)刻增長2.4 和3.1 倍,明顯觸發(fā)分離破壞前兆預(yù)警;而變異系數(shù)指標(biāo)則出現(xiàn)較大的波動性,分離破壞前兆識別并不敏感;在分離階段(390 ～440 s),振動幅值和振動絕對均值隨著巖體穩(wěn)定性的下降繼續(xù)呈上升趨勢,并在440 s 出現(xiàn)明顯升高,較前一時(shí)刻增大1.5 和1.9 倍,可觸發(fā)加速破壞前兆預(yù)警,而變異系數(shù)指標(biāo)則在該時(shí)間段呈整體下降趨勢,加速破壞前兆識別不敏感.

圖3 振動幅值,振動絕對均值和變異系數(shù)的過程線Fig.3 Curves of vibration amplitude,absolute mean and variation coefficient

綜上,振動幅值與振動絕對均值這兩種時(shí)域動力學(xué)指標(biāo)均可識別分離破壞與加速破壞前兆,而變異系數(shù)在分離破壞與加速破壞前兆識別的敏感性方面較差.在振動幅值與振動絕對均值的分離階段前兆識別中較前一時(shí)刻增長2 倍以上,敏感性良好,因此振動幅值與振動絕對均值可為基于分離破壞前兆識別的早期預(yù)警方法提供新的敏感性指標(biāo),可提前55 s 實(shí)現(xiàn)崩塌災(zāi)害的早期預(yù)警.

圖4 為430 s 后的過程線曲線.結(jié)果顯示,相比較于分離階段,加速破壞階段時(shí)的振動幅值、振動絕對均值和變異系數(shù)等均在破壞前表現(xiàn)出明顯的非協(xié)調(diào)變化特征.這種振蕩特征是巖體在崩塌前其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定狀態(tài)下的外在指標(biāo)表現(xiàn)[27],通過多種時(shí)域動力學(xué)指標(biāo)可識別出這種加速破壞前兆特征.在破壞前的最后5 s 內(nèi),變異系數(shù)從最小值0.160 81 到最大值2.052 18,增大12.8 倍,明顯優(yōu)于振動幅值(2.0 倍)與振動絕對均值(3.5 倍) 這兩個(gè)時(shí)域指標(biāo).因此,通過變異系數(shù)可識別巖體崩塌破壞前的非協(xié)調(diào)動力特征,為崩塌災(zāi)害的加速破壞前兆識別提供新的技術(shù)方法,從而為更好地實(shí)現(xiàn)崩塌災(zāi)害的早期預(yù)警提供參考.

圖4 430 s 振動幅值,振動絕對均值和變異系數(shù)的過程線Fig.4 Curves of vibration amplitude,absolute mean and variation coefficient after 430 s

2.2 巖體崩塌實(shí)驗(yàn)的振動沖擊能量分析

由式(6) 可知,基于時(shí)域指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)據(jù)可得巖體振動的沖擊能量,如表2 所示.由表2 可知,巖體振動中的沖擊能量在前435 s 內(nèi)平均值為3.28×10?5J,而破壞前5 s(440 ～445 s)的沖擊能量平均值為10.17×10?5J,為前期平均能量的3.1 倍.因此,巖體在加速破壞階段賦存的振動沖擊能量也遠(yuǎn)大于前期穩(wěn)定階段與分離階段.

表2 峭度系數(shù)與沖擊能量計(jì)算結(jié)果Table 2 Kurtosis and calculation results of impact energy

巖體崩塌破壞前,一般需要經(jīng)歷兩個(gè)階段:一是分離階段,二是加速破壞階段[28].當(dāng)巖體在結(jié)構(gòu)面的破裂位置開始逐漸形成連續(xù)的結(jié)構(gòu)面,從母巖分離,才真正進(jìn)入分離階段,并發(fā)生分離破壞前兆現(xiàn)象[29].實(shí)驗(yàn)采用LDV 對巖體崩塌破壞的全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,巖體在390 s 和440 s 分別出現(xiàn)分離破壞前兆與加速破壞前兆.圖5 為累積損傷作用下發(fā)生崩塌破壞的全過程位移與沖擊能量監(jiān)測數(shù)據(jù)對比.由圖5可知,沖擊能量指標(biāo)在390 s 較前一時(shí)刻增大2.9 倍,與振動幅值(2.4 倍) 和振動絕對均值(3.1 倍) 相比,3 種指標(biāo)信號敏感性良好,均可較好的識別巖體的分離破壞前兆.

圖5 崩塌實(shí)驗(yàn)位移與沖擊能量監(jiān)測數(shù)據(jù)對比Fig.5 Comparison of monitoring data of displacement and impact energy

在加速破壞前兆識別方面,沖擊能量指標(biāo)在440 s 較前一時(shí)刻增大2.8 倍.與振動幅值(1.5 倍)和振動絕對均值(1.9 倍)相比,沖擊能量指標(biāo)信號敏感性最好,可方便識別巖體的分離破壞前兆.

表3 為振動幅值、振動絕對均值和沖擊能量的預(yù)警效果對比.由表3 可知,相對于基于加速破壞前兆識別的傳統(tǒng)預(yù)警方法,基于分離破壞前兆識別的預(yù)警效果無論在時(shí)效性還是在敏感性方面都具有潛在優(yōu)勢.在時(shí)效性方面,3 種動力學(xué)指標(biāo)均在390 s 識別出巖體分離破壞前兆現(xiàn)象,可提前55 s 實(shí)現(xiàn)崩塌災(zāi)害的早期預(yù)警.在敏感性方面,3 種指標(biāo)均在2.0以上,敏感性上均表現(xiàn)良好,其中振動絕對均值最優(yōu),沖擊能量次之,振動幅值最低.振動絕對均值等動力學(xué)指標(biāo)可為基于分離破壞前兆識別的預(yù)警方法提供更豐富的監(jiān)測預(yù)警指標(biāo).

表3 振動幅值、振動絕對均值和沖擊能量的預(yù)警效果對比Table 3 Comparison of early warning effects of vibration amplitude,absolute mean and impact energy

3 討論

3.1 巖體破壞前的非協(xié)調(diào)動力特征識別

基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論,力學(xué)參數(shù)的變化必然會引起巖塊體動力學(xué)指標(biāo)的變化.本研究通過巖塊體穩(wěn)定?分離?破壞全過程實(shí)驗(yàn)研究,深入分析巖塊體從穩(wěn)定到破壞全過程中時(shí)域動力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律.實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出,基于振動幅值等時(shí)域動力學(xué)指標(biāo)在巖體崩塌破壞前出現(xiàn)短暫而明顯的非協(xié)調(diào)與非線性變化特征,振動幅值、振動絕對均值與變異系數(shù)均在破壞前5 s 出現(xiàn)明顯的振蕩特征(圖4),為巖體破壞前非協(xié)調(diào)動力特征識別提供了新的數(shù)據(jù)支持[30-33].

類似于材料科學(xué)中的位錯(cuò)機(jī)制理論[34],巖體崩塌前巖橋等內(nèi)部缺陷的損傷破裂,是導(dǎo)致巖體破壞前產(chǎn)生明顯非協(xié)調(diào)性破壞特征的原因[35].相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究也表明[36-37],巖體破壞前結(jié)構(gòu)面會出現(xiàn)裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展,諸如巖石即將破壞時(shí)聲發(fā)射指標(biāo)b值會出現(xiàn)大幅度的波動變化.由于這種震蕩特征發(fā)生在巖體破壞之前,因此識別這一震蕩特征可以為巖體崩塌災(zāi)害的早期預(yù)警提供新的技術(shù)思路,即在巖體結(jié)構(gòu)面在破壞前,通過識別變異系數(shù)等時(shí)域動力學(xué)參數(shù)震蕩特征,實(shí)現(xiàn)巖體崩塌災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào).動力學(xué)監(jiān)測指標(biāo)的引入,可完美契合巖體崩塌等脆性破壞前非協(xié)調(diào)破壞特征的監(jiān)測需求,豐富現(xiàn)有的崩塌災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)體系的同時(shí),也為巖體崩塌等脆性破壞災(zāi)害預(yù)警理論方法研究提供技術(shù)支持.因此,在未來基于非協(xié)調(diào)性破壞特征識別的監(jiān)測預(yù)警預(yù)測技術(shù)將作為巖體崩塌等脆性破壞災(zāi)害預(yù)警預(yù)防研究的主要方向之一,在川藏鐵路等高山峽谷建設(shè)崩塌災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與風(fēng)險(xiǎn)防范方面發(fā)揮積極作用.

3.2 巖體崩塌破壞時(shí)的沖擊能量

巖體從穩(wěn)定巖體→母巖分離→加速破壞這一過程中,力學(xué)參數(shù)必然會發(fā)生變化,進(jìn)而會分別出現(xiàn)分離破壞前兆與加速破壞前兆,例如出現(xiàn)若干的破裂信號.由于這些信號多是由微小的裂縫擴(kuò)張引起的,通常很難用肉眼或位移測量設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測識別[25].最新的實(shí)驗(yàn)研究顯示,巖體在損傷破壞過程中,損傷較小則能量釋放較少;損傷變量迅速增加則會導(dǎo)致能量大量的釋放[38],而巖體沖擊能量則來源于巖體發(fā)生損傷時(shí)產(chǎn)生的能量釋放.

表4 為實(shí)驗(yàn)中巖體崩塌三階段沖擊能量指標(biāo)對比.由表4 可知,巖體在穩(wěn)定階段、分離階段與加速破壞階段的平均沖擊能量指標(biāo)的量級有明顯不同:在穩(wěn)定階段由于只有微裂隙的擴(kuò)展,損傷較小,能量釋放較少,只有1.92×10?5J;而在分離階段,裂隙的大量擴(kuò)展,沖擊能量是穩(wěn)定時(shí)期的2.95 倍,分離破壞前兆識別明顯;當(dāng)?shù)竭_(dá)加速破壞階段,由于巖體發(fā)生斷裂破壞,能量釋放進(jìn)一步升高,平均沖擊能量最大,比分離階段又增長了79.68%,是穩(wěn)定階段的5.30 倍.因此,引入沖擊能量指標(biāo)來進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面損傷識別,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)警具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢.

表4 巖體崩塌三階段沖擊能量指標(biāo)對比Table 4 Comparison of impact energy indexes in three phases of rock collapse

實(shí)際上自然界的巖石在風(fēng)化、降雨等累計(jì)損傷下,不可避免會發(fā)生復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),因此巖體從穩(wěn)定到破壞全過程中需要識別損傷的發(fā)生時(shí)刻進(jìn)而分析其抵御變形和破壞的能力.由表4 可知,最大沖擊能量指標(biāo)可顯示其發(fā)生時(shí)刻,表明巖體發(fā)生了較大的損傷,這為巖體累計(jì)損傷的過程評價(jià)識別提供了新的數(shù)據(jù)支持.例如在穩(wěn)定階段,310 s 時(shí)沖擊能量指標(biāo)最大,表明巖體在這一時(shí)刻發(fā)生了較大損傷,實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)在310 s 巖體有輕微振動的出現(xiàn).因此,巖體在穩(wěn)定到破壞的全過程中,其抵御變形和破壞的能力并非呈規(guī)律性的下降[39],會因?yàn)槟硶r(shí)刻某隨機(jī)破裂的發(fā)生出現(xiàn)大幅下降[40],而只有采用綜合信息的識別技術(shù),才能準(zhǔn)確分析巖體由穩(wěn)定到破壞發(fā)生的應(yīng)力應(yīng)變與損傷程度,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巖體分離破壞前兆與加速破壞前兆的有效區(qū)分[41].結(jié)合傳統(tǒng)的監(jiān)測分析手段,現(xiàn)場還可通過綜合分析以下特征,實(shí)現(xiàn)分離破壞前兆和加速破壞前兆的合理判識,如表5所示.

表5 分離破壞與加速破壞前兆分析綜合識別Table 5 Comprehensive identification of precursors in the detachment and acceleration phase

3.3 巖體崩塌啟程劇動分析探討

巖體崩滑的啟程劇動機(jī)制一直是巖土工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[42].多個(gè)大型案例表明,巖體滑動發(fā)生時(shí)均有明顯的地面震動,且這種強(qiáng)振動是在結(jié)構(gòu)面突然剪斷時(shí)觸發(fā)的,并發(fā)生于巖體下滑啟動之前[32].雖然實(shí)際案例分析中已經(jīng)得出巖體在崩塌前就已經(jīng)具備了較大的沖擊能量,但在該能量的來源解釋上還未給予明確解釋.本實(shí)驗(yàn)中,巖體在破壞前(445 s)的最大沖擊能量高達(dá)18.73×10?5J,為穩(wěn)定時(shí)期(310 s)最大值的4.94 倍,如表4 所示.因此,巖體在破壞前是可能具備一定的沖擊速度與沖擊能量,進(jìn)而從室內(nèi)試驗(yàn)中解釋了巖體啟程劇動機(jī)制的能量來源.

圖6 為巖體由穩(wěn)定到破壞全過程中的耗散能與沖擊能量關(guān)系分析.由圖6 可知,當(dāng)處于穩(wěn)定階段(OA段),巖體處于彈性應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),耗散能UD1較小,進(jìn)而該階段巖體獲得的沖擊能量較小,往往可以忽略不計(jì);當(dāng)進(jìn)入分離破壞階段(AB段),巖體處于塑形應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),耗散能UD2相比較于UD1有明顯增大,耗散能的釋放導(dǎo)致該階段巖體的沖擊能量有明顯提高;當(dāng)巖體進(jìn)入加速破壞階段(BC段),巖體內(nèi)部裂隙不斷擴(kuò)展,耗散能UD3最大,該巖體破壞時(shí)不僅具有非?？捎^的沖擊能量,同時(shí)破壞時(shí)刻伴有巖體彈性能(UE)的釋放,使得巖體破壞時(shí)的彈沖效應(yīng)非常顯著.實(shí)驗(yàn)與工程研究表明,鎖固段巖體對崩塌災(zāi)害的動力反應(yīng)起著控制性作用[43],且鎖固段巖體的峰殘強(qiáng)降差是高速啟動的根本原因[44].當(dāng)峰殘強(qiáng)降差越大,表明巖體結(jié)構(gòu)面破壞前釋放耗散能越大,進(jìn)而導(dǎo)致巖體在崩滑破壞發(fā)生時(shí)會賦存很大的沖擊能量.因此,在巖體在崩塌破壞的全過程中,耗散能的釋放使得巖體具有一定的沖擊速度,進(jìn)而使得巖體在破壞時(shí)刻出現(xiàn)明顯的“彈沖效應(yīng)”[32].

圖6 巖體崩塌耗散能與沖擊能量關(guān)系示意Fig.6 Relationship diagram between dissipation energy and impact energy of rock collapse

實(shí)際上在高速巖體崩塌破壞的啟動劇動機(jī)制研究中,人們往往只關(guān)注巖體賦存的彈性能量,而很少關(guān)注巖體破壞前賦存的沖擊能量[32],因此在巖體啟動速度和下滑距離的分析中存在一定誤差.實(shí)驗(yàn)與工程研究表明,鎖固段巖體對崩塌災(zāi)害的動力反應(yīng)起著控制性作用[43],且鎖固段巖體的峰殘強(qiáng)降差是高速啟動的根本原因[44].當(dāng)峰殘強(qiáng)降差越大,表明巖體結(jié)構(gòu)面破壞前釋放耗散能UD3越大,進(jìn)而導(dǎo)致巖體在崩滑破壞發(fā)生時(shí)會賦存很大的沖擊能量.因此,在巖體崩塌運(yùn)動軌跡等數(shù)值模擬過程中,應(yīng)充分考慮巖體崩滑前的沖擊振動速度,只有這樣才能保證計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確可靠.該試驗(yàn)研究結(jié)果為巖體破壞啟程劇動機(jī)理研究提供了新的啟示,為崩塌巖體的速度、運(yùn)動軌跡與落點(diǎn)位置等運(yùn)動特性分析提供新的參考.

4 結(jié)論

本研究通過引入峭度指標(biāo)、沖擊能量等多個(gè)新的動力學(xué)監(jiān)測指標(biāo),開展了巖體崩塌破壞全過程的早期監(jiān)測預(yù)警實(shí)驗(yàn)研究,得出如下結(jié)論:

(1) 在巖體分離破壞前兆識別方面,振動幅值、振動絕對均值與沖擊能量均在390 s 識別巖體的分離破壞前兆.由于分離破壞前兆識別預(yù)警方法在巖體崩塌等脆性破壞災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警方面具有更好的時(shí)效性,可提前55 s 實(shí)現(xiàn)巖塊體崩塌破壞的早期預(yù)警.

(2)在巖體崩塌加速破壞前兆識別方面,振動幅值、振動絕對均值與沖擊能量均可在在440 s 識別其加速破壞前兆.但在識別的敏感性方面,沖擊能量最優(yōu),而振動絕對均值與振動幅值敏感性較差.

(3)巖體在破壞前多個(gè)時(shí)域動力學(xué)指標(biāo)呈現(xiàn)短暫而明顯的非協(xié)調(diào)動力特征,其中變異系數(shù)在識別這一振蕩特征上優(yōu)勢最為明顯.因此,時(shí)域動力學(xué)指標(biāo)監(jiān)測可以為巖體破壞前非協(xié)調(diào)動力特征識別與相關(guān)預(yù)警理論研究提供數(shù)據(jù)支持.

(4)巖體在破壞前具備較大的沖擊速度,是崩塌巖體產(chǎn)生彈沖加速效應(yīng)的主要原因之一.因此在巖體崩塌破壞后的運(yùn)動特性分析時(shí)需要考慮巖體的沖擊振動速度的影響.研究結(jié)果為崩塌巖體啟程劇動機(jī)制等相關(guān)研究提供了新的啟示.