块系岩体动态特性测试系统研制及其应用

2018-11-21蒋海明王明洋

振动与冲击 2018年21期

蒋海明，李杰，王明洋,2

(1.陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，南京 210007；2.南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

蓬勃发展的采矿工业、土工建设中爆破施工作业等促进了岩石爆炸动力学研究的发展[1]。天然岩体总是被大量的不同等级的不连续间断面所间隔，将岩体分割为一个个尺度大小不同的结构单元(岩块)，这些不连续间断面的尺度具有很大的尺寸范围：其延度从10-6(组成岩石矿物的晶格缺陷)～106m(大的构造断层尺度)，其裂隙(裂缝)宽度从10-8～102m。这些岩块中的间隙具有相当小的强度特性，爆炸、地震等作用后由于岩块的旋转、相互间的滑移以及挤压和分离引起岩体位移场的间断，在爆炸和地震中总是出现岩体的不连续结构，利用连续介质力学解释距离震中一定距离处构件的不可逆变形是不可能的，因为连续介质力学忽略了岩体内在的最重要的特性—岩块结构造成附加自由度的存在[2]。

最近十年来，一些科学家越来越注意到岩石的块状层次结构在岩土材料和岩石动力学行为的非线性方面扮演的重要角色，促使人们对这些方面展开了系列的试验和理论研究，并已逐渐形成非线性岩石力学的重要研究方向—块系构造岩体力学[3-4]。Kurlenya等[5-9]通过研究深部矿山在大当量化爆作用下应力波的传播特性，首次发现了一种新型非线性“变形”波，称为“摆型波”，同时发现了与此相关的不规则超低摩擦现象；同时设计摆锤冲击试验进行了初步模拟试验研究。贾宝新等[10]采用小球自由落体模拟冲击载荷的方式，研究含夹层块系岩体在冲击载荷下动力传播特性。王洪亮等[11-12]利用深部岩体动态特性试验系统对块体模型进行低速冲击试验，得到了块系岩体超低摩擦现象的试验数据。

上述室内模拟试验系统均基于落锤撞击施加冲击扰动的原理，操作稳定性不强，且得到的试验数据有限，如今飞速发展的测试手段，允许我们进行更加精细的物理力学模拟试验，从而更加清晰地揭示冲击扰动下块系构造介质中波传播的基本特性、规律及其与岩体构造特性间的定量描述。本文基于激振器的使用原理，设计研制了一套块系岩体动态特性测试系统。对花岗岩块体模型进行一维动力冲击试验，试验应用情况表明，该系统性能优良，操作方便，可用于研究块系岩体非线性岩石力学现象。

1 试验系统的研制思路

在研究块系构造岩体中变形波传播的物理力学特性时，需要获得块系构造岩体在一定的冲击能量条件下块体振动的运动学参数，包括加速度、速度及位移等。

若干块尺寸相同岩块叠放组成试验模型。图1分别给出了三种工况下块体模型冲击试验的示意图。工况1为块体模型仅受竖向冲击作用(见图1(a))，通过测量各块体的加速度时程，揭示冲击扰动下块系构造介质中波传播的基本特性。工况2为块体模型受水平静力和竖向冲击共同作用(见图1(b))；工况3为块体模型受考虑延时的水平和竖向双向冲击(见图1(c))。通过对块体模型进行垂直冲击和水平静力的动静组合加载试验，测量工作块体水平动力响应，可以为揭示冲击扰动诱发块体滑移现象的规律、影响因素及临界条件提供试验数据支持。

图1 块体模型冲击扰动试验示意图Fig.1 Scheme of blocky rock mass under impact

2 块系岩体动态特性测试系统的组成

在反复论证和调研的基础上，研制出块系岩体动态特性测试系统(见图2)。试验系统由工作台、控制加载装置以及测量系统三部分组成。

图2 块系岩体动态特性测试系统Fig.2 Test system for dynamic characteristics of blocky rock mass

工作台用于承载块系岩体模型，其水平方向上设有导向槽，水平激振加载单元可沿着导向槽滑动，便于适应不同尺寸的模型试件。

控制加载装置包括水平静力加载单元、垂直及水平冲击加载单元及其附属的固定设备。水平静力加载单元通过一根不可伸长的钢丝可拆卸地连接于模型试件上，钢丝的另一端穿过滑轮组与砝码盘相连，通过改变砝码盘承载的砝码重量，实现水平拉力大小的调节。

垂直及水平冲击加载单元均采用扬州巨丰JZK50电动式激振器实现冲击冲击加载，最大作用力为500 N(见图3)。电动式激振器是一种电动转换器，即将电能转换为机械能，对试件提供激振力的一种装置。相较于落锤冲击的原理，激振器冲击加载可精确控制作用于模型试件的冲击的力学参数及冲击能量，可以定量地展开试验研究；整体稳定性好、易于操作，可重复性强。垂直、水平方向的激振器安装于固定架上，其可以通过丝杠旋转实现上下位置的调整。

图3 冲击加载系统组成Fig.3 Impact loading system

垂直及水平激振器的控制图如图4所示。信号发生器通过一控制单元控制信号源输入的时间差，可以调节两个冲击加载单元的激振器作用于试件的时间点及作用时长，用于模拟不同工况下块系岩体受冲击的现象，实现异步工作或同步工作，即实现单独施加冲击扰动，或同时施加冲击扰动，或不同延时作用的双向冲击扰动。

图4 冲击加载系统延时控制Fig.4 Delay control in impact loading system

测量系统由力传感器、加速度传感器、光纤位移传感器、电荷放大器、动态数据采集系统及电脑组成(见图5)。力传感器采用长沙NOS轮辐式力传感器，量程为0～1 000 N。加速度传感器采用扬州巨丰公司的JF110三向加速度计，能同时测量同一点的X，Y，Z三个方向上的加速度。其测量灵敏度为0.1 g/PC，量程为500 g，安装谐振频率为30 kHz，频响为5 kHz。电荷放大器为扬州巨丰公司的HY5853型，频响为100 kHz。由于试验过程中位移量值集中在微米级，所以一般接触式位移计无法满足测量要求，故采用美国PHILTEC公司的D-169型光纤位移计，测量灵敏度为1.1 μm/mV，量程为20 mm，频响为20 kHz。上述所有量测数据可通过东华5 922 N动态信号测试分析系统实时采集并保存于计算机内。基于LabVIEW编程实现的块系岩体动态测试系统软件界面见图6，集实时信号控制触发、采集参数设置、加载参数控制、激振器位置调节、数据浏览显示、数据保存等模块化功能于一体，使用简单便捷。

图5 测量系统组成部分Fig.5 Measurement system components

3 试验系统的应用

利用自主研发的块系岩体动态特性测试系统对六块花岗岩组成的块系块体模型进行一维低速冲击试验，揭示冲击载荷作用下块系岩体波的传播特性。

图6 块体模型动态测试系统软件界面Fig.6 Interface of monitoring software of the test system

3.1 试验材料准备

试验模型1由六个花岗岩块体组成的块系岩体模型。岩块尺寸为250 mm×125 mm×80 mm，质量为6.8 kg，运用波速仪测速得到纵波波速为4 500 m/s。对各块体表面进行平整配合处理，在反映真实岩体的表面特性的同时，保证整个块系模型的稳定性。

3.2 试验方法

块系模型1中每一块体侧面中央位置处粘贴三向加速度计测量块体的加速度时程，如图7所示。为防止地面反射波对入射波的影响，模型底部垫有橡胶衬垫。本次试验仅施加一维竖向冲击，分别将块系模型1放置于试验系统工作平台之上，调整垂直冲击器的位置，然后对模型施加逐步增大的冲击，记录冲击力和加速度时程，用于下一步的比较分析。

图7 加速度测量Fig.7 Measurement of acceleration

3.3 试验结果分析

试验获得了花岗岩块系模型在不同冲击力作用下岩块振动的加速度时程曲线，限于篇幅，本文仅列出在冲击冲量0.27 N·s下花岗岩块系模型各对应测点记录的Y向加速度时程曲线及Fourier波谱密度曲线(见图8)。

在加速度频谱密度曲线中，加速度频谱密度达到局部极大值时对应的频率，称之为极值频率。在图9中分别标出了频谱密度达到局部极大值时的前两个或三个极值频率。对于块系模型，在振动通过一个块体一个块体向下传递过程中，发生了从高频的波动向低频震动的转移，第二个块体将成为一些特定频率的谐波的共振器，而第三个块体将对这些频率(2#块体)的波产生一个较强的抑制作用，同时放大了某些更低频率的特定低频谐波，在第四个块体处，低频谐波已经超过初始高频冲击谐波。在记录到的波形图通过一个个块体向下传递的时候，初始的宽带冲击脉冲逐渐变化成为一个包含有宽广频率特征的波包。