坠落式危岩振动特性模拟试验方法研究

姚国专，余波，陈筠，蔡德钩，闫宏业，姚建平

(1.贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳550025;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081; 3.中国电建集团贵阳勘测设计研究院，贵州贵阳550082;4.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

坠落式危岩振动特性模拟试验方法研究

姚国专1，2，余波3，陈筠1，蔡德钩2，4，闫宏业2，4，姚建平2，4

(1.贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳550025;2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081; 3.中国电建集团贵阳勘测设计研究院，贵州贵阳550082;4.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

根据危岩野外实际存在状态分析坠落式危岩与基岩的接触特点，应用相似理论，重点考虑模型几何关系、接触关系和边界条件的相似性，建立了能反映危岩振动特性及稳固特性的室内试验模型。分析了传感器的固定方式、激励力锤类型、激励力大小和激励方向对试验结果的影响。结果表明:测振传感器宜采用粘结性较好的胶水来固定;激励源宜选用激振时作用时间短、产生能量较高的钢性锤，以满足要求的振动频带范围;激励力大小和激励方向变化时岩块振动卓越频率一致，说明激励方式对危岩振动特性影响较小;在本模型试验激振作用下，振动幅值随危岩贯通率减小而减小、卓越频率随危岩贯通率减小而增大。

危岩 振动特性 卓越频率 振动波形 模拟试验

危岩体多发育于高山峡谷的岸坡、曲流的凹岸、冲沟的沟壑、陡崖等地段［1-4］，离地面高，不易攀爬，人工观测难度大。影响危岩稳定性的因素繁多，各影响因素相互之间存在内部联系，人为判断这些因素时往往带有主观性［5］。此外，危岩接触面隐藏在下部山体中，观察不到，很难用简单方法评估其稳定状态。

近年来，国内外学者对危岩做了大量的研究。日本的緒方健治、山田刚二等［6-7］的研究着眼于浮石部的振动特性，认为从浮石部的下部传播出的弹性波的振幅、加速度、卓越频率等振动特性是不同的，通过阐明其振动特性，可以判断落石的危险度。在国内，李秉生、郑黎明等［8-9］研究了铁路岩质边坡裂隙结构条件下列车振动激发的路堑振动的不同衰减特性，认为岩体结构按某种规律控制着岩体的自振特性。

室内模型试验的可操控性强，对于影响因素多、作用机理复杂的研究对象，易于通过调整试验参数和改变试验条件而集中研究其中一项或几项因素，从而揭示工程问题的本质［10］。本文开展危岩振动特性室内试验方法研究，对于深入研究危岩振动特性具有指导意义。

1 试验的理论基础

1.1 坠落式危岩野外存在状态

坠落式危岩体后部为倾角＞80°的卸荷结构面或断裂结构面(图1)，结构面主要承受拉剪作用。不同的危岩块体由于结构面贯通程度不同，其稳定状态不一。

图1 野外坠落式危岩

根据岩石断裂力学，控制危岩破坏的核心问题是主控制结构面的断裂扩展。坠落式危岩结构面发展的力学运动模式主要是结构面端部形成一个倒转的支点，在危岩自重应力和裂隙水压力等作用力下，处于危岩上端的结构面受到张拉力作用逐渐被拉裂并向其端部扩展［11］(图2)，当作用于危岩的外界力大于其结构面抗拉强度时，危岩即发生崩塌。

1.2 危岩振动理论模型

根据坠落式危岩与基岩的接触特点，用一弹性系数为K的弹簧和一端相连质量为M的球体的刚杆组合而成的体系模拟坠落式危岩的振动(图3)。用线性弹簧模拟具有一定刚度的危岩结构面，用刚性杆件和球体模拟危岩，质点O为基岩与危岩的接触点，弹簧作用点与O点距离取为粘结面长度的1/2。激励作用下，质量一定的危岩振动特性取决于主结构面刚度的大小。

图2 危岩主结构面向端部扩展

图3 坠落式危岩振动模型

2 模型试验系统的建立

危岩试验模型由基岩试块、危岩试块和粘结面三部分组成，分别模拟基岩、危岩及主结构面。

室内开展相似模型试验，可以很好地控制危岩与基岩条件，实现在特定条件下控制试验工况。在进行室内模型试验设计时应保证模拟危岩几何相似、危岩与基岩的接触关系相似和边界条件相似，尽可能减小试验条件对试验结果准确性的影响。

2.1 模型相似条件

2.1.1 几何相似

模拟基岩和危岩的试块用砂、水泥、外加剂等配制的水泥砂浆预制(图4)，且基岩试块强度大于危岩试块。危岩主结构面用硅酮玻璃胶形成的粘结面模拟，硅酮玻璃胶固化是由表面向内发展，固化达到一定时间其粘结强度达到最大。因相似现象发生在几何相似的空间内，故模型中各个关键结构的几何形状和尺寸应与实际情况相似，主要是指危岩尺寸、基岩尺寸、主结构面厚度等几何相似比相等，模型中各结构的尺寸按照几何相似比4∶1制作。

2.1.2 接触关系相似

坠落式危岩与基岩是通过其后部倾角＞80°主结构面相接触。采用粘结剂将危岩试块与基岩试块粘结，通过控制粘结面物质参数(粘结强度大小、粘结面面积和厚度大小)来实现其与野外危岩和基岩接触面相似(图5)。

图4 危岩与基岩试块

图5 试验模型中的粘结面

图6 固定边界条件下危岩运动模式

2.1.3 边界条件相似

固定边界条件下危岩运动模式如图6所示。基岩试块用强力胶固定在室内地面上，选用的强力胶的粘结强度要大于基岩试块的强度。这是为了确保基岩试块与大地是一个整体，保证在外界激励力作用下基岩试块不与危岩试块同步振动，而是危岩试块振动时相对基岩试块发生一个微小的转动角θ和一个微小位移u，确保在该边界条件下危岩体和基岩运动真实性。

2.2 室内试验危岩模型的建立

根据坠落式危岩与基岩的接触特点以及主结构面的特征，设计出主结构面贯通率分别为70%，55%，40%和25%的4种坠落式危岩试验模型。

基岩试块尺寸为60 cm(长)×40 cm(宽)× 30 cm(高);危岩试块尺寸为40 cm(长)×10 cm (宽)×10 cm(高);4种贯通率对应的粘结长度分别为12，18，24和30 cm，依次标记为1#，2#，3#和4#危岩试块。

3 试验过程

3.1 传感器的固定方式

在传感器固定方式中，用螺丝、螺柱安装是最佳方式，但实际应用中加速度计的设计不允许带有螺孔或者有些被测结构不允许钻孔。此时，可用粘结性较好的胶水来固定传感器。本试验选用带黏性的橡皮泥来固定传感器，该材料具有粘结性好、操作便捷的特点(图7)。

图7 用粘结性较好的胶水固定传感器

3.2 激励源的选取

选取的激励源应能激励起较宽频域的振动。用力锤瞬态激振施加给物体一个瞬态变化的力，刚度不同的锤头激励时输入的振动频带宽度不同(图8)。钢锤头激励时作用时间最短、频带最宽、能量最高，硬塑锤头次之，橡胶锤头最小。本试验选用刚度最大的钢锤头作为激励源。

3.3 激励方式对试验的影响

对激励力大小及激励点位置的选取有必要加以研究。采用大小不同的激励从不同方向对基岩试块进行激励，分析贯通率最小的4#危岩试块的频谱特性，发现用不同大小的激励力激励基岩试块的侧面(传感器x向)、正面(传感器y向)和顶面(传感器z向)，4#危岩体的卓越频率都在83 Hz左右(图9)。

图8 不同锤头激励起的频带范围

图9 不同激励方式下4#危岩的幅频特性

一般而言，结构的振动响应与激励点位置有一定的关系，但本试验基岩模型为素混凝土结构，可视为连续的线弹性体系，从不同方向输入的振动信息在基岩传播过程中相同，而同一力锤不同激励力大小只会改变输入能量大小，输入的振动信号频带范围不受太大的影响。因此，用不同大小的力和从不同方向激励同一岩块振动卓越频率响应一致。

4 试验数据分析过程

以钢锤头作为激励源，采用小力锤击基岩(激振力峰值约为100 N)，测振传感器采用如图7所示的固定方式，测试的振动记录不应夹杂噪声等特殊波形，以保证处理结果的正确性，采样过程采用全程平均方式，计算过程中采用汉宁窗进行处理，对危岩体进行快速傅里叶变换得到傅里叶频谱，从而获得卓越频率。振动测试信号处理流程如图10所示。图11为各危岩的振动加速度全程波形图，可见1#～4#危岩振动加速度分别为0.21，0.12，0.07和0.02 m/s2，激振作用下危岩振动加速度随贯通率减小而减小。图12为各危岩振动响应的卓越频率，可见1#～4#危岩卓越频率分别为89，149，294和375 Hz，激振作用下危岩卓越频率随贯通率减小而增大。

图10 振动测试信号处理流程

图11 危岩的振动加速度全程波形

图12 激振作用下各危岩的卓越频率

5 结论

1)根据坠落式危岩与基岩接触和贯通的特点，用混凝土材料模拟危岩和基岩，用硅酮玻璃胶形成的粘结面模拟危岩主结构面，通过改变粘结面的粘结长度来模拟危岩不同的贯通率，这种试验方法是可行的。

2)测振传感器固定方式宜采用粘结性较好的胶水来固定;钢锤头作为激励源激起的能量高，激励作用时间短、频带宽，能较好地满足试验要求。

3)用不同大小的激励力和从不同方向激励同一岩块振动卓越频率响应一致，说明激励方式对本试验危岩模型振动特性影响较小。

4)通过本试验建立的危岩试验模型和确定的试验方法，获得了激振作用下振动加速度随危岩贯通率减小而减小，卓越频率随危岩贯通率减小而增大的规律。

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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

(责任审编李付军)

2015-08-20;

2015-10-13

中国铁道总公司铁道科学技术研究发展中心科研项目(J2014G006);中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2014Z003-A，2014Z003-B，2014Z003-D);贵州省地质工程研究生教育创新实践基地创新项目(DZ2014001)

姚国专(1989—)，男，硕士研究生。