危巖集合體激振特性試驗研究

王春華，陳洪凱

（1. 深圳市深水兆業(yè)工程顧問有限公司，廣東 深圳 518001；2. 棗莊學(xué)院城市與建筑工程學(xué)院，山東 棗莊 277160）

危巖崩塌災(zāi)害嚴重威脅著山區(qū)公路、 鐵路、城鎮(zhèn)、礦山等基礎(chǔ)設(shè)施及其營運安全。 迄今，國內(nèi)外眾多學(xué)者致力于崩塌災(zāi)害成災(zāi)機制研究，如劉傳正認為武隆雞尾山地形高陡臨空，山下鐵礦大面積采空形成的“懸板張拉效應(yīng)”是山體拉裂形成大規(guī)模危巖崩塌災(zāi)害的動力機制[1]；何思明等認為地震和暴雨是誘發(fā)危巖崩塌災(zāi)害的兩個最關(guān)鍵因素[2]；程宇等認為暴雨引發(fā)了貴州納雍骔嶺特大型崩塌災(zāi)害[3]；Sobolev 基于學(xué)者提出的崩塌不穩(wěn)定斷裂模型提出了高陡巖石邊坡雁式裂縫系統(tǒng)的形成機制[4]；Chen等提出了危巖主控結(jié)構(gòu)面損傷模型[5]，并基于Paris方程建立了危巖疲勞壽命估算方法[6]；崔宏環(huán)等采用材料力學(xué)方法提出了懸挑式危巖穩(wěn)定性分析方法[7]。 危巖破壞存在結(jié)構(gòu)振動問題，Zhang 等提出了一種結(jié)構(gòu)損傷振動分析法[8]；劉學(xué)等提出一種基于雙數(shù)復(fù)小波的多尺度噪聲調(diào)節(jié)隨機共振分析方法[9]；劉義佳等發(fā)現(xiàn)爆破振動中接近結(jié)構(gòu)自振頻率的優(yōu)勢頻率使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大振動響應(yīng)[10]；Bhowmik 等分析了基樁諧振頻率和振幅變化問題，發(fā)現(xiàn)基樁在周圍土體中的滑移影響了土-樁基礎(chǔ)系統(tǒng)的共振頻率和振幅[11]。

然而，前述研究并未找到大型特大型崩塌災(zāi)害成災(zāi)動力學(xué)機制。 近十年來，陳洪凱等基于對三峽庫區(qū)崩塌災(zāi)害的深入調(diào)查和現(xiàn)場觀測，發(fā)現(xiàn)大型特大型崩塌災(zāi)害源頭均存在危巖集合體。 危巖集合體中任何單一危巖體的失穩(wěn)破壞均會突然釋放應(yīng)變能，形成激振，推斷激振作用可能是引發(fā)大型特大型崩塌災(zāi)害的內(nèi)在動力機制[12]。 推導(dǎo)建立了危巖集合體破壞振動方程[13]，并通過初步模型試驗探討了平面條件下危巖破壞激振信號的概率統(tǒng)計特征[14]、頻域特征[15]、局部與細節(jié)信息特征[16]。 而實際工程中，危巖集合體都屬于三維組合體，其中任一危巖體破壞產(chǎn)生的激振作用都不是平面問題。 通過危巖集合體三維激振試驗，并對激振信號進行小波消噪[17-18]處理，分析激振信號在危巖集合體內(nèi)的傳播特性，可為深入研究大型特大型崩塌災(zāi)害爆發(fā)機制提供科學(xué)借鑒。

1 模型試驗

1.1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

根據(jù)三峽庫區(qū)羊叉河陡崖危巖集合體發(fā)育情況，提取危巖集合體模擬對象，據(jù)此制作M20 砂漿試驗?zāi)Ｐ停▓D1）。 試驗?zāi)Ｐ统叽?00 mm（長）×1 800 mm（寬）×1 400 mm（高），其中長度是指沿陡崖方向危巖體的長度，寬度是指與陡崖垂直危巖體的寬度。危巖集合體尺寸為600 mm（長）×1 200 mm（寬）×800 mm（高），由下到上分為4 層，層與層之間采用低標(biāo)號砂漿填充飽滿， 危巖集合體下部為巖腔，最大深度500 mm。 危巖集合體由48 個危巖塊（單體危巖）組成，編號如圖1 所示，其中511#危巖塊定義為起崩危巖塊。 危巖塊為立方體，邊長200 mm，其在yz 平面和zx 平面設(shè)置兩個主控結(jié)構(gòu)面，貫通段率均為50%。

圖1 危巖集合體激振試驗?zāi)Ｐ停▎挝唬簃m）Fig.1 Exciting experimental model of overhanging rock aggregate（Unit:mm）

在試驗?zāi)Ｐ偷奈r集合體表層布置9 個加速度傳感器測點，布置方案如圖2 所示。 9 個測點中，1#～5# 測點位于第1 層危巖體，6# 和7# 測點位于第2 層危巖體，8# 測點位于第3 層危巖體，9# 測點位于第4 層危巖體， 危巖層之間填充低標(biāo)號砂漿。1#～3# 測定位于511# 起崩危巖塊的x 方向，4# 和5# 測點位于511# 起崩危巖塊的y 方向，6#、8# 和9# 測點位于511# 起崩危巖塊的z 方向。 每個測點均位于相關(guān)危巖塊測面中央，每個測點布置的加速度傳感器為DH311E 型壓電式加速度傳感器，可同時測量x，y，z 3 個方向的激振加速度。 測點與動態(tài)頻譜測試儀（DH5922 型）連接，并在試驗?zāi)Ｐ颓胺桨苍O(shè)兩臺高速攝像儀（FASTCAM MiniUX），記錄危巖塊破壞情況。 測試內(nèi)容包括起崩危巖塊破壞瞬間各個測點記錄的不同方向的加速度變化數(shù)據(jù)，以及由高速攝像儀記錄的起崩危巖塊破壞過程中所表現(xiàn)出來的物理變化過程。

圖2 試驗?zāi)Ｐ蜏y點Fig.2 Measuring points in experiment model

1.2 危巖破壞加荷方式

由于采用直接加荷方式迫使危巖集合體內(nèi)的起崩危巖塊發(fā)生破壞，并且在加荷過程中不影響危巖集合體內(nèi)其他危巖塊的物理力學(xué)行為，目前具有極大難度。 參照文獻[9]進行平面激振試驗的加荷方式，研究在起崩危巖塊511# 的yz 平面和zx 平面兩個主控結(jié)構(gòu)面貫通段內(nèi)充填Ⅰ型靜態(tài)爆破劑 （在20～40 ℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)，15 min 內(nèi)可達到最大膨脹力）。 通過給靜態(tài)爆破劑注入蒸餾水，使靜態(tài)爆破劑逐漸膨脹并產(chǎn)生膨脹力，引發(fā)主控結(jié)構(gòu)面貫通段斷裂、擴展，直到511#危巖塊破壞。

1.3 試驗過程

①建造試驗?zāi)Ｐ停?②在設(shè)定位置安設(shè)加速度傳感器并連接到動態(tài)頻譜測試儀→在起崩危巖塊511# 的yz 平面和zx 平面兩個主控結(jié)構(gòu)面貫通段內(nèi)充填Ⅰ型靜態(tài)爆破劑；③開啟動態(tài)頻譜測試儀和高速攝像儀；④給靜態(tài)爆破劑注入蒸餾水；⑤動態(tài)頻譜測試儀連續(xù)記錄各個測點x，y，z 3 個方向的激振加速度。 高速攝像儀連續(xù)記錄起崩危巖塊主控結(jié)構(gòu)面的斷裂擴展過程及起崩危巖塊的崩落過程，獲得了約27 萬個測試數(shù)據(jù)即為激振加速度， 單位為重力加速度g。

2 試驗結(jié)果分析

不同測點模型試驗結(jié)果如圖3 所示，各個測點激振信號峰值加速度見圖4，其激振特性有如下特征：

圖3 不同測點激振加速度時程曲線Fig.3 Time-history curves of excitation acceleration at various measuring points

圖4 不同測點峰值加速度Fig.4 Peak acceleration at various measuring points

1） 危巖集合體內(nèi)511#危巖塊破壞對鄰近危巖塊產(chǎn)生的激振作用歷時199 ms，而文獻[13-15]僅獲得了30 ms 的二維激振測試數(shù)據(jù)，說明危巖集合體激振特性更為復(fù)雜，激振信號富含更多動力學(xué)信息。

2） 各測點幾乎都是從第19～20 ms 開始進入強烈激振期，稱為主振，但不同測點主振歷時存在差異，1#～9# 測點歷時分別為39，41，44，42，52，45，45，47 ms 和49 ms， 而二維激振歷時僅在18 ms 左右[9]。 危巖體之間界面的完整性對主振歷時有一定影響，如水平方向從1# 測點到3# 測點，激振歷時從39 ms 增長到44 ms， 而豎直方向從6# 測點到8#、9#測點的激振歷時從45 ms 增長到49 ms。

3） 三維激振信號存在次振作用，發(fā)生在第90～100 ms 附近。 距離激振源越遠，次振歷時增長，振幅減小，如次振歷時在6# 測點為10 ms，8# 測點為25 ms，9#測點為29 ms。

4） 每個測點激振信號峰值強度存在顯著差異，位于激振源y 方向的4#測點和5#測點的峰值最大，如5#測點z 方向可達到2.88g。 危巖塊之間界面的完整性對激振信號峰值強度影響較大， 如激振信號從1#測點傳遞到2#測點峰值強度降低8.24%， 但從6#測點傳遞到8#測點降幅達到20.21%。

5） 危巖塊的懸空度對激振信號的影響也是明顯的，懸空度越大，主振及次振越強烈。 如4#測點所處的521# 危巖塊和5# 測點所處的531# 危巖塊懸空度最大，5#測點z 方向的激振信號峰值最大，達到2.88g，y 方向也可達到1.51g。況且，懸空度越大，次振越典型，這也是4#、5#測點次振比6#、8#、9# 測點次振作用強烈的原因。 可以推斷，主振作用可能是危巖集合體引發(fā)大型特大型崩塌災(zāi)害的激發(fā)因子[12]，次振作用應(yīng)該是陡崖上危巖體易于從巖腔頂部逐漸向上呈鏈?zhǔn)奖缆鋄19-20]的內(nèi)在動力機制。

3 危巖破壞崩落機理探討

任何動力災(zāi)害的產(chǎn)生均需要有激發(fā)因素或激發(fā)動力，這已在學(xué)術(shù)界形成共識。如在分析采煤引發(fā)動力災(zāi)害中，竇林名等提出了動靜載疊加誘發(fā)高靜載、強動載和低臨界應(yīng)力3 種類型動力災(zāi)害原理[21]；來興平等認為急傾斜煤層淺轉(zhuǎn)深開采誘發(fā)實質(zhì)為水平分段多階段重復(fù)擾動下覆層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)產(chǎn)生循環(huán)性動力沖擊[22]。對于崩塌災(zāi)害的誘發(fā)機制，多年來一直困擾著地質(zhì)減災(zāi)科技工作者。 何思明等強調(diào)地震和強降雨是產(chǎn)生崩塌災(zāi)害的關(guān)鍵動力因素[2]，認為地震作為一種強烈的動荷載，作用在危巖體上必然會導(dǎo)致危巖破壞，進而引發(fā)崩塌災(zāi)害，強降雨則通過對危巖快速增大裂隙水壓力引發(fā)危巖破壞?？墒?，研究表明， 大約60%～70%的大型及特大型崩塌災(zāi)害與地震無關(guān)， 雨季發(fā)生的崩塌災(zāi)害也只有52%[23]，如重慶武隆雞尾山崩塌，貴州納雍山體崩塌，茂縣6·24 特大型山體崩塌都與地震無關(guān)。這說明大型特大型崩塌災(zāi)害的產(chǎn)生必然存在其內(nèi)在科學(xué)原理。

激振作用可能是引發(fā)大型特大型崩塌災(zāi)害的內(nèi)在動力機制。 模型試驗中，起崩危巖塊511#破壞及其崩落過程如圖5 所示。 按照自由落體理論，起崩危巖塊的崩落速度應(yīng)為2.8 m/s，而實際只有0.13 m/s，約為理論速度的5%，說明危巖崩落不是自由落體，而是主控結(jié)構(gòu)面貫通段快速延伸的過程。 試驗?zāi)Ｐ椭骺亟Y(jié)構(gòu)面初始貫通率為50%， 全部貫通用時不到3 ms，這說明危巖破壞屬于脆性破壞，積聚在危巖體內(nèi)的應(yīng)變能釋放具有突發(fā)性[24]，這種能量釋放形式是產(chǎn)生激振作用的根本原因。

圖5 危巖集合體中起崩危巖塊511#破壞與崩落過程Fig.5 Failure and falling process of initial rock block 511# in overhanging rock aggregate

危巖集合體內(nèi)起崩危巖塊積聚的應(yīng)變能越大，造成的激振作用越強烈。 試驗?zāi)Ｐ臀r塊邊長僅為20 cm，產(chǎn)生的最大激振加速度可達2.88g，實際工程如甄子崖危巖體的邊長30～50 m， 產(chǎn)生的激振加速度勢必會超過100g，如此巨大的激振荷載足可以引發(fā)危巖集合體發(fā)生連鎖崩塌。 危巖集合體中單體危巖所處臨空狀態(tài)越大時，強烈的主振和次振作用易使危巖集合體底部受到約束較少的危巖體率先破壞崩落。崩落后該危巖體頂部的危巖體（如512#）底部約束被快速解除而臨空， 進而產(chǎn)生破壞崩落，該過程快速連續(xù)激發(fā)。

試驗表明，危巖集合體是產(chǎn)生大型特大型崩塌災(zāi)害的物理基礎(chǔ)[12]，危巖集合體內(nèi)危巖塊的破壞有隨機性， 但危巖破壞產(chǎn)生激振作用則是必然的，危巖塊突發(fā)性破壞引發(fā)的激振作用應(yīng)該是引發(fā)大型特大型崩塌災(zāi)害的動力機制。

4 結(jié)論

構(gòu)建了危巖集合體三維激振試驗?zāi)Ｐ?，并開展了危巖破壞模型試驗，獲得了豐富的危巖集合體三維激振測試數(shù)據(jù)。

1） 危巖集合體是產(chǎn)生大型特大型崩塌災(zāi)害的物理基礎(chǔ)， 危巖集合體內(nèi)危巖塊的破壞有隨機性，但危巖塊破壞產(chǎn)生激振作用則具有必然性。

2） 與激振源距離越大， 激振信號峰值強度越小，危巖體之間界面的完整性影響著激振信號在危巖集合體內(nèi)的傳遞效率。

3） 激振信號存在主振和次振，危巖體之間界面的完整性影響著主振的峰值大小和次振分散性，界面越完整，主振峰值越大，界面完整性較差時，次振分散性越顯著。

4） 危巖破壞屬于脆性破壞，應(yīng)變能釋放有突發(fā)性，突發(fā)性釋放的應(yīng)變能是產(chǎn)生激振作用的物理機制。 主振可能是引發(fā)大型特大型崩塌災(zāi)害的激發(fā)因子，而危巖鏈?zhǔn)奖缆鋭t主要受控于次振作用。