危岩集合体激振特性试验研究

王春华，陈洪凯

（1. 深圳市深水兆业工程顾问有限公司，广东 深圳 518001；2. 枣庄学院城市与建筑工程学院，山东 枣庄 277160）

危岩崩塌灾害严重威胁着山区公路、 铁路、城镇、矿山等基础设施及其营运安全。 迄今，国内外众多学者致力于崩塌灾害成灾机制研究，如刘传正认为武隆鸡尾山地形高陡临空，山下铁矿大面积采空形成的“悬板张拉效应”是山体拉裂形成大规模危岩崩塌灾害的动力机制[1]；何思明等认为地震和暴雨是诱发危岩崩塌灾害的两个最关键因素[2]；程宇等认为暴雨引发了贵州纳雍骔岭特大型崩塌灾害[3]；Sobolev 基于学者提出的崩塌不稳定断裂模型提出了高陡岩石边坡雁式裂缝系统的形成机制[4]；Chen等提出了危岩主控结构面损伤模型[5]，并基于Paris方程建立了危岩疲劳寿命估算方法[6]；崔宏环等采用材料力学方法提出了悬挑式危岩稳定性分析方法[7]。 危岩破坏存在结构振动问题，Zhang 等提出了一种结构损伤振动分析法[8]；刘学等提出一种基于双数复小波的多尺度噪声调节随机共振分析方法[9]；刘义佳等发现爆破振动中接近结构自振频率的优势频率使结构产生较大振动响应[10]；Bhowmik 等分析了基桩谐振频率和振幅变化问题，发现基桩在周围土体中的滑移影响了土-桩基础系统的共振频率和振幅[11]。

然而，前述研究并未找到大型特大型崩塌灾害成灾动力学机制。 近十年来，陈洪凯等基于对三峡库区崩塌灾害的深入调查和现场观测，发现大型特大型崩塌灾害源头均存在危岩集合体。 危岩集合体中任何单一危岩体的失稳破坏均会突然释放应变能，形成激振，推断激振作用可能是引发大型特大型崩塌灾害的内在动力机制[12]。 推导建立了危岩集合体破坏振动方程[13]，并通过初步模型试验探讨了平面条件下危岩破坏激振信号的概率统计特征[14]、频域特征[15]、局部与细节信息特征[16]。 而实际工程中，危岩集合体都属于三维组合体，其中任一危岩体破坏产生的激振作用都不是平面问题。 通过危岩集合体三维激振试验，并对激振信号进行小波消噪[17-18]处理，分析激振信号在危岩集合体内的传播特性，可为深入研究大型特大型崩塌灾害爆发机制提供科学借鉴。

1 模型试验

1.1 试验模型设计

根据三峡库区羊叉河陡崖危岩集合体发育情况，提取危岩集合体模拟对象，据此制作M20 砂浆试验模型（图1）。 试验模型尺寸600 mm（长）×1 800 mm（宽）×1 400 mm（高），其中长度是指沿陡崖方向危岩体的长度，宽度是指与陡崖垂直危岩体的宽度。危岩集合体尺寸为600 mm（长）×1 200 mm（宽）×800 mm（高），由下到上分为4 层，层与层之间采用低标号砂浆填充饱满， 危岩集合体下部为岩腔，最大深度500 mm。 危岩集合体由48 个危岩块（单体危岩）组成，编号如图1 所示，其中511#危岩块定义为起崩危岩块。 危岩块为立方体，边长200 mm，其在yz 平面和zx 平面设置两个主控结构面，贯通段率均为50%。

图1 危岩集合体激振试验模型（单位：mm）Fig.1 Exciting experimental model of overhanging rock aggregate（Unit:mm）

在试验模型的危岩集合体表层布置9 个加速度传感器测点，布置方案如图2 所示。 9 个测点中，1#～5# 测点位于第1 层危岩体，6# 和7# 测点位于第2 层危岩体，8# 测点位于第3 层危岩体，9# 测点位于第4 层危岩体， 危岩层之间填充低标号砂浆。1#～3# 测定位于511# 起崩危岩块的x 方向，4# 和5# 测点位于511# 起崩危岩块的y 方向，6#、8# 和9# 测点位于511# 起崩危岩块的z 方向。 每个测点均位于相关危岩块测面中央，每个测点布置的加速度传感器为DH311E 型压电式加速度传感器，可同时测量x，y，z 3 个方向的激振加速度。 测点与动态频谱测试仪（DH5922 型）连接，并在试验模型前方安设两台高速摄像仪（FASTCAM MiniUX），记录危岩块破坏情况。 测试内容包括起崩危岩块破坏瞬间各个测点记录的不同方向的加速度变化数据，以及由高速摄像仪记录的起崩危岩块破坏过程中所表现出来的物理变化过程。

图2 试验模型测点Fig.2 Measuring points in experiment model

1.2 危岩破坏加荷方式

由于采用直接加荷方式迫使危岩集合体内的起崩危岩块发生破坏，并且在加荷过程中不影响危岩集合体内其他危岩块的物理力学行为，目前具有极大难度。 参照文献[9]进行平面激振试验的加荷方式，研究在起崩危岩块511# 的yz 平面和zx 平面两个主控结构面贯通段内充填Ⅰ型静态爆破剂 （在20～40 ℃环境温度范围内，15 min 内可达到最大膨胀力）。 通过给静态爆破剂注入蒸馏水，使静态爆破剂逐渐膨胀并产生膨胀力，引发主控结构面贯通段断裂、扩展，直到511#危岩块破坏。

1.3 试验过程

①建造试验模型； ②在设定位置安设加速度传感器并连接到动态频谱测试仪→在起崩危岩块511# 的yz 平面和zx 平面两个主控结构面贯通段内充填Ⅰ型静态爆破剂；③开启动态频谱测试仪和高速摄像仪；④给静态爆破剂注入蒸馏水；⑤动态频谱测试仪连续记录各个测点x，y，z 3 个方向的激振加速度。 高速摄像仪连续记录起崩危岩块主控结构面的断裂扩展过程及起崩危岩块的崩落过程，获得了约27 万个测试数据即为激振加速度， 单位为重力加速度g。

2 试验结果分析

不同测点模型试验结果如图3 所示，各个测点激振信号峰值加速度见图4，其激振特性有如下特征：

图3 不同测点激振加速度时程曲线Fig.3 Time-history curves of excitation acceleration at various measuring points

图4 不同测点峰值加速度Fig.4 Peak acceleration at various measuring points

1） 危岩集合体内511#危岩块破坏对邻近危岩块产生的激振作用历时199 ms，而文献[13-15]仅获得了30 ms 的二维激振测试数据，说明危岩集合体激振特性更为复杂，激振信号富含更多动力学信息。

2） 各测点几乎都是从第19～20 ms 开始进入强烈激振期，称为主振，但不同测点主振历时存在差异，1#～9# 测点历时分别为39，41，44，42，52，45，45，47 ms 和49 ms， 而二维激振历时仅在18 ms 左右[9]。 危岩体之间界面的完整性对主振历时有一定影响，如水平方向从1# 测点到3# 测点，激振历时从39 ms 增长到44 ms， 而竖直方向从6# 测点到8#、9#测点的激振历时从45 ms 增长到49 ms。

3） 三维激振信号存在次振作用，发生在第90～100 ms 附近。 距离激振源越远，次振历时增长，振幅减小，如次振历时在6# 测点为10 ms，8# 测点为25 ms，9#测点为29 ms。

4） 每个测点激振信号峰值强度存在显著差异，位于激振源y 方向的4#测点和5#测点的峰值最大，如5#测点z 方向可达到2.88g。 危岩块之间界面的完整性对激振信号峰值强度影响较大， 如激振信号从1#测点传递到2#测点峰值强度降低8.24%， 但从6#测点传递到8#测点降幅达到20.21%。

5） 危岩块的悬空度对激振信号的影响也是明显的，悬空度越大，主振及次振越强烈。 如4#测点所处的521# 危岩块和5# 测点所处的531# 危岩块悬空度最大，5#测点z 方向的激振信号峰值最大，达到2.88g，y 方向也可达到1.51g。况且，悬空度越大，次振越典型，这也是4#、5#测点次振比6#、8#、9# 测点次振作用强烈的原因。 可以推断，主振作用可能是危岩集合体引发大型特大型崩塌灾害的激发因子[12]，次振作用应该是陡崖上危岩体易于从岩腔顶部逐渐向上呈链式崩落[19-20]的内在动力机制。

3 危岩破坏崩落机理探讨

任何动力灾害的产生均需要有激发因素或激发动力，这已在学术界形成共识。如在分析采煤引发动力灾害中，窦林名等提出了动静载叠加诱发高静载、强动载和低临界应力3 种类型动力灾害原理[21]；来兴平等认为急倾斜煤层浅转深开采诱发实质为水平分段多阶段重复扰动下覆层结构失稳产生循环性动力冲击[22]。对于崩塌灾害的诱发机制，多年来一直困扰着地质减灾科技工作者。 何思明等强调地震和强降雨是产生崩塌灾害的关键动力因素[2]，认为地震作为一种强烈的动荷载，作用在危岩体上必然会导致危岩破坏，进而引发崩塌灾害，强降雨则通过对危岩快速增大裂隙水压力引发危岩破坏。可是，研究表明， 大约60%～70%的大型及特大型崩塌灾害与地震无关， 雨季发生的崩塌灾害也只有52%[23]，如重庆武隆鸡尾山崩塌，贵州纳雍山体崩塌，茂县6·24 特大型山体崩塌都与地震无关。这说明大型特大型崩塌灾害的产生必然存在其内在科学原理。

激振作用可能是引发大型特大型崩塌灾害的内在动力机制。 模型试验中，起崩危岩块511#破坏及其崩落过程如图5 所示。 按照自由落体理论，起崩危岩块的崩落速度应为2.8 m/s，而实际只有0.13 m/s，约为理论速度的5%，说明危岩崩落不是自由落体，而是主控结构面贯通段快速延伸的过程。 试验模型主控结构面初始贯通率为50%， 全部贯通用时不到3 ms，这说明危岩破坏属于脆性破坏，积聚在危岩体内的应变能释放具有突发性[24]，这种能量释放形式是产生激振作用的根本原因。

图5 危岩集合体中起崩危岩块511#破坏与崩落过程Fig.5 Failure and falling process of initial rock block 511# in overhanging rock aggregate

危岩集合体内起崩危岩块积聚的应变能越大，造成的激振作用越强烈。 试验模型危岩块边长仅为20 cm，产生的最大激振加速度可达2.88g，实际工程如甄子崖危岩体的边长30～50 m， 产生的激振加速度势必会超过100g，如此巨大的激振荷载足可以引发危岩集合体发生连锁崩塌。 危岩集合体中单体危岩所处临空状态越大时，强烈的主振和次振作用易使危岩集合体底部受到约束较少的危岩体率先破坏崩落。崩落后该危岩体顶部的危岩体（如512#）底部约束被快速解除而临空， 进而产生破坏崩落，该过程快速连续激发。

试验表明，危岩集合体是产生大型特大型崩塌灾害的物理基础[12]，危岩集合体内危岩块的破坏有随机性， 但危岩破坏产生激振作用则是必然的，危岩块突发性破坏引发的激振作用应该是引发大型特大型崩塌灾害的动力机制。

4 结论

构建了危岩集合体三维激振试验模型，并开展了危岩破坏模型试验，获得了丰富的危岩集合体三维激振测试数据。

1） 危岩集合体是产生大型特大型崩塌灾害的物理基础， 危岩集合体内危岩块的破坏有随机性，但危岩块破坏产生激振作用则具有必然性。

2） 与激振源距离越大， 激振信号峰值强度越小，危岩体之间界面的完整性影响着激振信号在危岩集合体内的传递效率。

3） 激振信号存在主振和次振，危岩体之间界面的完整性影响着主振的峰值大小和次振分散性，界面越完整，主振峰值越大，界面完整性较差时，次振分散性越显著。

4） 危岩破坏属于脆性破坏，应变能释放有突发性，突发性释放的应变能是产生激振作用的物理机制。 主振可能是引发大型特大型崩塌灾害的激发因子，而危岩链式崩落则主要受控于次振作用。