塊系巖體動態特性測試系統研制及其應用

蔣海明， 李 杰， 王明洋,2

(1.陸軍工程大學 爆炸沖擊防災減災國家重點實驗室，南京 210007；2.南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

蓬勃發展的采礦工業、土工建設中爆破施工作業等促進了巖石爆炸動力學研究的發展[1]。天然巖體總是被大量的不同等級的不連續間斷面所間隔，將巖體分割為一個個尺度大小不同的結構單元(巖塊)，這些不連續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小的強度特性，爆炸、地震等作用后由于巖塊的旋轉、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巖體的不連續結構，利用連續介質力學解釋距離震中一定距離處構件的不可逆變形是不可能的，因為連續介質力學忽略了巖體內在的最重要的特性—巖塊結構造成附加自由度的存在[2]。

最近十年來，一些科學家越來越注意到巖石的塊狀層次結構在巖土材料和巖石動力學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和理論研究，并已逐漸形成非線性巖石力學的重要研究方向—塊系構造巖體力學[3-4]。Kurlenya等[5-9]通過研究深部礦山在大當量化爆作用下應力波的傳播特性，首次發現了一種新型非線性“變形”波，稱為“擺型波”，同時發現了與此相關的不規則超低摩擦現象；同時設計擺錘沖擊試驗進行了初步模擬試驗研究。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力傳播特性。王洪亮等[11-12]利用深部巖體動態特性試驗系統對塊體模型進行低速沖擊試驗，得到了塊系巖體超低摩擦現象的試驗數據。

上述室內模擬試驗系統均基于落錘撞擊施加沖擊擾動的原理，操作穩定性不強，且得到的試驗數據有限，如今飛速發展的測試手段，允許我們進行更加精細的物理力學模擬試驗，從而更加清晰地揭示沖擊擾動下塊系構造介質中波傳播的基本特性、規律及其與巖體構造特性間的定量描述。本文基于激振器的使用原理，設計研制了一套塊系巖體動態特性測試系統。對花崗巖塊體模型進行一維動力沖擊試驗，試驗應用情況表明，該系統性能優良，操作方便，可用于研究塊系巖體非線性巖石力學現象。

1 試驗系統的研制思路

在研究塊系構造巖體中變形波傳播的物理力學特性時，需要獲得塊系構造巖體在一定的沖擊能量條件下塊體振動的運動學參數，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模型。圖1分別給出了三種工況下塊體模型沖擊試驗的示意圖。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程，揭示沖擊擾動下塊系構造介質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的水平和豎向雙向沖擊(見圖1(c))。通過對塊體模型進行垂直沖擊和水平靜力的動靜組合加載試驗，測量工作塊體水平動力響應，可以為揭示沖擊擾動誘發塊體滑移現象的規律、影響因素及臨界條件提供試驗數據支持。

圖1 塊體模型沖擊擾動試驗示意圖Fig.1 Scheme of blocky rock mass under impact

2 塊系巖體動態特性測試系統的組成

在反復論證和調研的基礎上，研制出塊系巖體動態特性測試系統(見圖2)。試驗系統由工作臺、控制加載裝置以及測量系統三部分組成。

圖2 塊系巖體動態特性測試系統Fig.2 Test system for dynamic characteristics of blocky rock mass

工作臺用于承載塊系巖體模型，其水平方向上設有導向槽，水平激振加載單元可沿著導向槽滑動，便于適應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、垂直及水平沖擊加載單元及其附屬的固定設備。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，實現水平拉力大小的調節。

垂直及水平沖擊加載單元均采用揚州巨豐JZK50電動式激振器實現沖擊沖擊加載，最大作用力為500 N(見圖3)。電動式激振器是一種電動轉換器，即將電能轉換為機械能，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參數及沖擊能量，可以定量地展開試驗研究；整體穩定性好、易于操作，可重復性強。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實現上下位置的調整。

圖3 沖擊加載系統組成Fig.3 Impact loading system

垂直及水平激振器的控制圖如圖4所示。信號發生器通過一控制單元控制信號源輸入的時間差，可以調節兩個沖擊加載單元的激振器作用于試件的時間點及作用時長，用于模擬不同工況下塊系巖體受沖擊的現象，實現異步工作或同步工作，即實現單獨施加沖擊擾動，或同時施加沖擊擾動，或不同延時作用的雙向沖擊擾動。

圖4 沖擊加載系統延時控制Fig.4 Delay control in impact loading system

測量系統由力傳感器、加速度傳感器、光纖位移傳感器、電荷放大器、動態數據采集系統及電腦組成(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州巨豐公司的JF110三向加速度計，能同時測量同一點的X，Y，Z三個方向上的加速度。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。電荷放大器為揚州巨豐公司的HY5853型，頻響為100 kHz。由于試驗過程中位移量值集中在微米級，所以一般接觸式位移計無法滿足測量要求，故采用美國PHILTEC公司的D-169型光纖位移計，測量靈敏度為1.1 μm/mV，量程為20 mm，頻響為20 kHz。上述所有量測數據可通過東華5 922 N動態信號測試分析系統實時采集并保存于計算機內。基于LabVIEW編程實現的塊系巖體動態測試系統軟件界面見圖6，集實時信號控制觸發、采集參數設置、加載參數控制、激振器位置調節、數據瀏覽顯示、數據保存等模塊化功能于一體，使用簡單便捷。

圖5 測量系統組成部分Fig.5 Measurement system components

3 試驗系統的應用

利用自主研發的塊系巖體動態特性測試系統對六塊花崗巖組成的塊系塊體模型進行一維低速沖擊試驗，揭示沖擊載荷作用下塊系巖體波的傳播特性。

圖6 塊體模型動態測試系統軟件界面Fig.6 Interface of monitoring software of the test system

3.1 試驗材料準備

試驗模型1由六個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，質量為6.8 kg，運用波速儀測速得到縱波波速為4 500 m/s。對各塊體表面進行平整配合處理，在反映真實巖體的表面特性的同時，保證整個塊系模型的穩定性。

3.2 試驗方法

塊系模型1中每一塊體側面中央位置處粘貼三向加速度計測量塊體的加速度時程，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。本次試驗僅施加一維豎向沖擊，分別將塊系模型1放置于試驗系統工作平臺之上，調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 試驗結果分析

試驗獲得了花崗巖塊系模型在不同沖擊力作用下巖塊振動的加速度時程曲線，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測點記錄的Y向加速度時程曲線及Fourier波譜密度曲線(見圖8)。

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

圖8 傳感器記錄的力時程曲線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)的統計結果。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傳播的波譜形式，僅增加相應的波譜幅值，波傳播的波譜形式僅與塊體的構造特征相關。

(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、地下爆炸時，塊系構造巖體中擺型波波譜頻率的傳遞特性遵從下列規范序列關系

(1)

式中:fi為波譜頻率;f0為塊體振動的基礎頻率

(2)

式中:j為塊體振動的方向，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動，完成了波動過程的幾何相似。

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

4 結 論

依據目前塊系巖體動態力學特性試驗研究需求，改進研制出塊系巖體動態特性測試系統，對由塊體組成的結構體系中變形波的傳播開展試驗研究，獲得一維沖擊振動條件下波傳播的頻譜、振幅特征，可為后續的理論分析提供量化的數據支撐。結果表明：

(1)改進后的系統設計合理，試驗操作方便，量測精度高，可以滿足進行塊系巖體中的擺型波、超低摩擦特性等各項動態特性試驗研究的要求。

(2)一維沖擊作用下，在沖擊振動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，塊系巖體中波動傳播的波譜形式僅與塊體的構造特征相關，外部沖擊僅僅改變加速度幅值大小，而對振動極值頻率沒有影響。