危巖集合體激振特性試驗研究

王春華，陳洪凱

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

危巖崩塌災害嚴重威脅著山區公路、 鐵路、城鎮、礦山等基礎設施及其營運安全。 迄今，國內外眾多學者致力于崩塌災害成災機制研究，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”是山體拉裂形成大規模危巖崩塌災害的動力機制[1]；何思明等認為地震和暴雨是誘發危巖崩塌災害的兩個最關鍵因素[2]；程宇等認為暴雨引發了貴州納雍骔嶺特大型崩塌災害[3]；Sobolev 基于學者提出的崩塌不穩定斷裂模型提出了高陡巖石邊坡雁式裂縫系統的形成機制[4]；Chen等提出了危巖主控結構面損傷模型[5]，并基于Paris方程建立了危巖疲勞壽命估算方法[6]；崔宏環等采用材料力學方法提出了懸挑式危巖穩定性分析方法[7]。 危巖破壞存在結構振動問題，Zhang 等提出了一種結構損傷振動分析法[8]；劉學等提出一種基于雙數復小波的多尺度噪聲調節隨機共振分析方法[9]；劉義佳等發現爆破振動中接近結構自振頻率的優勢頻率使結構產生較大振動響應[10]；Bhowmik 等分析了基樁諧振頻率和振幅變化問題，發現基樁在周圍土體中的滑移影響了土-樁基礎系統的共振頻率和振幅[11]。

然而，前述研究并未找到大型特大型崩塌災害成災動力學機制。 近十年來，陳洪凱等基于對三峽庫區崩塌災害的深入調查和現場觀測，發現大型特大型崩塌災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破壞均會突然釋放應變能，形成激振，推斷激振作用可能是引發大型特大型崩塌災害的內在動力機制[12]。 推導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計特征[14]、頻域特征[15]、局部與細節信息特征[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的傳播特性，可為深入研究大型特大型崩塌災害爆發機制提供科學借鑒。

1 模型試驗

1.1 試驗模型設計

根據三峽庫區羊叉河陡崖危巖集合體發育情況，提取危巖集合體模擬對象，據此制作M20 砂漿試驗模型（圖1）。 試驗模型尺寸600 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 平面設置兩個主控結構面，貫通段率均為50%。

圖1 危巖集合體激振試驗模型（單位：mm）Fig.1 Exciting experimental model of overhanging rock aggregate（Unit:mm）

在試驗模型的危巖集合體表層布置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。 測點與動態頻譜測試儀（DH5922 型）連接，并在試驗模型前方安設兩臺高速攝像儀（FASTCAM MiniUX），記錄危巖塊破壞情況。 測試內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據，以及由高速攝像儀記錄的起崩危巖塊破壞過程中所表現出來的物理變化過程。

圖2 試驗模型測點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的起崩危巖塊發生破壞，并且在加荷過程中不影響危巖集合體內其他危巖塊的物理力學行為，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 平面兩個主控結構面貫通段內充填Ⅰ型靜態爆破劑 （在20～40 ℃環境溫度范圍內，15 min 內可達到最大膨脹力）。 通過給靜態爆破劑注入蒸餾水，使靜態爆破劑逐漸膨脹并產生膨脹力，引發主控結構面貫通段斷裂、擴展，直到511#危巖塊破壞。

1.3 試驗過程

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

2 試驗結果分析

不同測點模型試驗結果如圖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511#危巖塊破壞對鄰近危巖塊產生的激振作用歷時199 ms，而文獻[13-15]僅獲得了30 ms 的二維激振測試數據，說明危巖集合體激振特性更為復雜，激振信號富含更多動力學信息。

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大型特大型崩塌災害的激發因子[12]，次振作用應該是陡崖上危巖體易于從巖腔頂部逐漸向上呈鏈式崩落[19-20]的內在動力機制。

3 危巖破壞崩落機理探討

任何動力災害的產生均需要有激發因素或激發動力，這已在學術界形成共識。如在分析采煤引發動力災害中，竇林名等提出了動靜載疊加誘發高靜載、強動載和低臨界應力3 種類型動力災害原理[21]；來興平等認為急傾斜煤層淺轉深開采誘發實質為水平分段多階段重復擾動下覆層結構失穩產生循環性動力沖擊[22]。對于崩塌災害的誘發機制，多年來一直困擾著地質減災科技工作者。 何思明等強調地震和強降雨是產生崩塌災害的關鍵動力因素[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致危巖破壞，進而引發崩塌災害，強降雨則通過對危巖快速增大裂隙水壓力引發危巖破壞。可是，研究表明， 大約60%～70%的大型及特大型崩塌災害與地震無關， 雨季發生的崩塌災害也只有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。這說明大型特大型崩塌災害的產生必然存在其內在科學原理。

激振作用可能是引發大型特大型崩塌災害的內在動力機制。 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，而是主控結構面貫通段快速延伸的過程。 試驗模型主控結構面初始貫通率為50%， 全部貫通用時不到3 ms，這說明危巖破壞屬于脆性破壞，積聚在危巖體內的應變能釋放具有突發性[24]，這種能量釋放形式是產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

危巖集合體內起崩危巖塊積聚的應變能越大，造成的激振作用越強烈。 試驗模型危巖塊邊長僅為20 cm，產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危巖集合體發生連鎖崩塌。 危巖集合體中單體危巖所處臨空狀態越大時，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， 進而產生破壞崩落，該過程快速連續激發。

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

4 結論

構建了危巖集合體三維激振試驗模型，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據。

1） 危巖集合體是產生大型特大型崩塌災害的物理基礎， 危巖集合體內危巖塊的破壞有隨機性，但危巖塊破壞產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，應變能釋放有突發性，突發性釋放的應變能是產生激振作用的物理機制。 主振可能是引發大型特大型崩塌災害的激發因子，而危巖鏈式崩落則主要受控于次振作用。