工程科学学报，第39卷.第1期：141-146,2017年1月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.1:141-146,January 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.018;http://journals.ustb.edu.cn 应用激光多普勒测振仪的岩块体累计损伤评价试验 研究 杜 岩2)，谢漠文)四，蒋宇静)，宋红克”，李博3》，刘日成) 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)长崎大学工学部，长崎852-8521，日本 3)绍兴文理学院山体地质灾害防治协同创新中心，绍兴3120994)中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州221116 ☒通信作者，E-mail:mowenxie@usth.cedu.cn 摘要岩块体崩塌破坏的突发性使其成为最难预防的地质灾害，严重威胁人类的生命财产安全.边坡岩块体崩塌破坏多 是系统不稳定导致的动力破坏，而用振动特征参数来进行安全监测和损伤评价更为有效.本文应用激光多普勒测振技术，通 过固有振动频率对危岩块体主控结构面的黏结力损伤进行定量分析.通过改进后的极限平衡模型，得出结构面不断劣化块 体的安全系数由原来的1.17下降到1.04，与实际破坏结果相符.试验结果表明：固有振动频率一方面可对危岩块体累积损 伤进行有效识别，另一方面可以为黏结力参数的合理确定提供客观的数据支持.因此，基于固有振动频率分析的激光多普勒 测振技术可实现边坡岩块体的累计损伤评价，并将在未来的工程应用中发挥巨大的作用. 关键词岩石力学；损伤评价；激光多普勒测振仪；固有振动频率；黏结力 分类号TU458.4 Experimental study on cumulative damage assessment of rock-block using a laser Doppler vibrometer DU Yan'2),XIE Mo-wen,JIANG Yu-jing,SONG Hong-ke,LI Bo,LIU Ri-cheng 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Faculty of Engineering,Nagasaki University,Nagasaki 852-8521,Japan 3)Rock Mechanics and Geohazards Center,Shaoxing University,Shaoxing 312099,China 4)State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China Corresponding author,E-mail:mowenxie@ustb.edu.cn ABSTRACT Rock-block collapse has been a hot issue in the study of geological hazards for many years,and it is difficult to prevent because of its sudden disintegration,which is a serious threaten to human life and property safety.Rock-block collapse is caused by dynamic failure derived from system instability,so it can be more effective to apply vibration characteristic parameters in damage as- sessment and early warning.By using a laser Doppler vibrometer,the cohesion damage of control fissure was analyzed by natural vibra- tion frequency in the paper.Based on the modified limit equilibrium model,the safety factor of the block with a deteriorating structural plane was calculated by the frequency,which decreased from 1.17 to 1.04,in accordance with the reality.The results show that the natural vibration frequency can effectively identify the unstable rock cumulative damage and provide objective data for reasonable deter- mination of the cohesion.The laser Doppler vibrometer technology based on natural vibration frequency can satisfy cumulative damage evaluation of unstable rocks.It will play a significant role in engineering applications in the future. KEY WORDS rock mechanics;damage assessment;laser Doppler vibrometers;natural vibration frequency;cohesion 收稿日期：2016-04-28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41572274,41372370)：中国博士后科学基金资助项目(2016M591078):中央高校基本科研业务费资助 项目(RF-TP-16-014A1):北京科技大学“创新人才培养”项目(USTB201309FX):浙江省山体地质灾害防治协同创新中心开放基金课题 (PCMGH-2016-Y-02)
工程科学学报,第 39 卷,第 1 期:141鄄鄄146,2017 年 1 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 1: 141鄄鄄146, January 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 01. 018; http: / / journals. ustb. edu. cn 应用激光多普勒测振仪的岩块体累计损伤评价试验 研究 杜 岩1,2) , 谢谟文1) 苣 , 蒋宇静2) , 宋红克1) , 李 博3) , 刘日成4) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083 2) 长崎大学工学部, 长崎 852鄄鄄8521, 日本 3) 绍兴文理学院山体地质灾害防治协同创新中心, 绍兴 312099 4) 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室, 徐州 221116 苣 通信作者, E鄄mail: mowenxie@ ustb. edu. cn 收稿日期: 2016鄄鄄04鄄鄄28 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(41572274,41372370);中国博士后科学基金资助项目(2016M591078);中央高校基本科研业务费资助 项目(FRF鄄鄄TP鄄鄄16鄄鄄014A1);北京科技大学“创新人才培养冶项目(USTB201309FX);浙江省山体地质灾害防治协同创新中心开放基金课题 (PCMGH鄄鄄2016鄄鄄Y鄄鄄02) 摘 要 岩块体崩塌破坏的突发性使其成为最难预防的地质灾害,严重威胁人类的生命财产安全. 边坡岩块体崩塌破坏多 是系统不稳定导致的动力破坏,而用振动特征参数来进行安全监测和损伤评价更为有效. 本文应用激光多普勒测振技术,通 过固有振动频率对危岩块体主控结构面的黏结力损伤进行定量分析. 通过改进后的极限平衡模型,得出结构面不断劣化块 体的安全系数由原来的 1郾 17 下降到 1郾 04,与实际破坏结果相符. 试验结果表明:固有振动频率一方面可对危岩块体累积损 伤进行有效识别,另一方面可以为黏结力参数的合理确定提供客观的数据支持. 因此,基于固有振动频率分析的激光多普勒 测振技术可实现边坡岩块体的累计损伤评价,并将在未来的工程应用中发挥巨大的作用. 关键词 岩石力学; 损伤评价; 激光多普勒测振仪; 固有振动频率; 黏结力 分类号 TU458 + 郾 4 Experimental study on cumulative damage assessment of rock鄄block using a laser Doppler vibrometer DU Yan 1,2) , XIE Mo鄄wen 1) 苣 , JIANG Yu鄄jing 2) , SONG Hong鄄ke 1) , LI Bo 3) , LIU Ri鄄cheng 4) 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Faculty of Engineering, Nagasaki University, Nagasaki 852鄄鄄8521, Japan 3) Rock Mechanics and Geohazards Center, Shaoxing University, Shaoxing 312099, China 4) State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China 苣 Corresponding author, E鄄mail: mowenxie@ ustb. edu. cn ABSTRACT Rock鄄block collapse has been a hot issue in the study of geological hazards for many years, and it is difficult to prevent because of its sudden disintegration, which is a serious threaten to human life and property safety. Rock鄄block collapse is caused by dynamic failure derived from system instability, so it can be more effective to apply vibration characteristic parameters in damage as鄄 sessment and early warning. By using a laser Doppler vibrometer, the cohesion damage of control fissure was analyzed by natural vibra鄄 tion frequency in the paper. Based on the modified limit equilibrium model, the safety factor of the block with a deteriorating structural plane was calculated by the frequency, which decreased from 1郾 17 to 1郾 04, in accordance with the reality. The results show that the natural vibration frequency can effectively identify the unstable rock cumulative damage and provide objective data for reasonable deter鄄 mination of the cohesion. The laser Doppler vibrometer technology based on natural vibration frequency can satisfy cumulative damage evaluation of unstable rocks. It will play a significant role in engineering applications in the future. KEY WORDS rock mechanics; damage assessment; laser Doppler vibrometers; natural vibration frequency; cohesion
·142· 工程科学学报，第39卷，第1期 2008年汶川地震后，全球强震灾害频繁发生，地 在岩块体累计损伤破坏期间，其强度参数呈现整 质灾害防治形势十分严峻.仅2015年就出现24次7 体下降的趋势，而实际状态很难予以监测和识别因 级以上地震（截至2015年8月），而其中大部分分布在 此在对岩块体的安全稳定性分析评价时，最重要的任 环太平洋地区和喜马拉雅地震带.震后我国许多省份 务之一是识别力学强度参数的损伤状况，并进行合理 出现数量庞大的崩塌灾害，尤其是在西南山区，经常发 选择[].目前强度参数的获取方法主要是通过静力 生危岩块体崩塌险情.这些看似稳定的岩块体在累积 学测量的方法和手段，多需要较大的经济和时间成本， 损伤后表现出的脆弱性，对人民的生命财产安全造成 且获取的强度参数也是相对静态的.因此如何通过动 了严重威胁.因此，系统开展岩块体的损伤识别并进 力学测量方法直接实现对岩块体强度指标的间接评 行快速安全评价方法研究显得尤为迫切. 价，是边坡岩块体累计损伤评价的关键所在，即通过构 国内外对边坡岩体的崩塌破坏问题进行大量研 建固有振动频率等振动特征参数与岩块体的力学强度 究，虽然在岩体的风险评估、破坏机理、工程治理等方 参数关系模型，从而实现基于固有振动频率监测指标 面有很多可喜的研究成果]，而由于技术设备等原 的岩块体累计损伤的定量识别. 因的限制，很少有学者基于振动特征参数对边坡岩块 1.2理论模型 体累计损伤的定量评价进行更为深入的研究.事实 实际上，岩体的很多脆性破坏多是系统不稳定导 上，岩块体等不良地质体在发生脆性破坏的过程中，也 致的动力破坏)]，因此引入振动特征参数，可有助于 伴随着强度的实时退化).如何引入一个监测指标来 实现岩块体的安全系数的定量分析.通常，岩块体可 定量分析力学参数的损伤变化，是实现岩块体快速安 以被认为由刚度、质量、阻尼等物理参数组成的力学系 全评价的关键所在.近年来，随着激光测振精度的提 统，一旦其结构面发生损伤，必然引起系统物理特性的 高和测量距离等性能指标的提升，基于振动参数的远 变化，进而导致振动特征参数如固有振动频率发生相 程监测在技术上已成为可能[].Ma等[]以混凝土试 应的变化.图1为岩块体的示意图.可将岩块视为一 块为例，通过改变其黏结面积，将频率监测与试块安全 定质量的刚体，并用弹簧表示结构面的强度，根据动力 性系数进行比较发现，振动特征参数可以定量反应岩 学理论，可等效为图2所示的动力学模型，其振动方 块体的稳定程度：随后杜岩等[0山通过激光测振仪监 程为 测的振动特征参数，发现岩块体从稳定到破坏共分为 三个阶段，并得出基于振动特征参数的监测可识别岩 r0+号0=0 (1) 块体崩塌破坏前兆现象：Uehan等]运用激光测振仪 式中，M为试块重量，L为型心到原点0的距离，K为 对危岩块体安全度的间接评价方法进行重点研究，并 刚度系数，1为黏结长度，0为转角. 通过数值分析等进一步验证基于振动特征参数在识别 岩块体稳定状态的可行性 本文基于强度折减和极限平衡理论，引入远程激 光多普勒测振仪]，通过构建岩块体主控结构面的黏 结力参数与振动特征参数关系模型的构建，实现基于 T-ul 固有振动频率的岩体结构面力学参数的定量分析，从 而为岩块体的累计损伤评价提供技术支持 1原理 1.1概述 边坡岩块体的崩塌破坏有多种分类，而从损伤时 效性的角度考虑，可分为两种4)：一是突发损伤破坏， 图1岩块体示意图 Fig.I Sketch of a rock-block 主要是由于地震、工程爆破等自然或人为突发因素引 起的结构损伤，使岩体的抗滑力在短期内降低到一定 频率可由如下公式计算： 限值，从而产生突发性的崩塌破坏：二是累积损伤破 1KP 坏，指岩体由于风化、降雨、余震、人类活动等扰动后较 f=2m√2MD (2) 为长期的一段时间累积损伤后在重力作用下引起的极 假设应变达到最大应变量时，产生破坏，则黏结力 限破坏.由于后者潜伏期较长，危害性也较大，往往能 强度T为 造成更大的经济损伤和安全事故[)]，因此也是本研究 (3) 关注的重点 T=ul=2K10
工程科学学报,第 39 卷,第 1 期 2008 年汶川地震后,全球强震灾害频繁发生,地 质灾害防治形势十分严峻. 仅 2015 年就出现 24 次 7 级以上地震(截至 2015 年 8 月),而其中大部分分布在 环太平洋地区和喜马拉雅地震带. 震后我国许多省份 出现数量庞大的崩塌灾害,尤其是在西南山区,经常发 生危岩块体崩塌险情. 这些看似稳定的岩块体在累积 损伤后表现出的脆弱性,对人民的生命财产安全造成 了严重威胁. 因此,系统开展岩块体的损伤识别并进 行快速安全评价方法研究显得尤为迫切. 国内外对边坡岩体的崩塌破坏问题进行大量研 究,虽然在岩体的风险评估、破坏机理、工程治理等方 面有很多可喜的研究成果[1鄄鄄6] ,而由于技术设备等原 因的限制,很少有学者基于振动特征参数对边坡岩块 体累计损伤的定量评价进行更为深入的研究. 事实 上,岩块体等不良地质体在发生脆性破坏的过程中,也 伴随着强度的实时退化[7] . 如何引入一个监测指标来 定量分析力学参数的损伤变化,是实现岩块体快速安 全评价的关键所在. 近年来,随着激光测振精度的提 高和测量距离等性能指标的提升,基于振动参数的远 程监测在技术上已成为可能[8] . Ma 等[9] 以混凝土试 块为例,通过改变其黏结面积,将频率监测与试块安全 性系数进行比较发现,振动特征参数可以定量反应岩 块体的稳定程度;随后杜岩等[10鄄鄄11]通过激光测振仪监 测的振动特征参数,发现岩块体从稳定到破坏共分为 三个阶段,并得出基于振动特征参数的监测可识别岩 块体崩塌破坏前兆现象;Uehan 等[12] 运用激光测振仪 对危岩块体安全度的间接评价方法进行重点研究,并 通过数值分析等进一步验证基于振动特征参数在识别 岩块体稳定状态的可行性. 本文基于强度折减和极限平衡理论,引入远程激 光多普勒测振仪[13] ,通过构建岩块体主控结构面的黏 结力参数与振动特征参数关系模型的构建,实现基于 固有振动频率的岩体结构面力学参数的定量分析,从 而为岩块体的累计损伤评价提供技术支持. 1 原理 1郾 1 概述 边坡岩块体的崩塌破坏有多种分类,而从损伤时 效性的角度考虑,可分为两种[14] :一是突发损伤破坏, 主要是由于地震、工程爆破等自然或人为突发因素引 起的结构损伤,使岩体的抗滑力在短期内降低到一定 限值,从而产生突发性的崩塌破坏;二是累积损伤破 坏,指岩体由于风化、降雨、余震、人类活动等扰动后较 为长期的一段时间累积损伤后在重力作用下引起的极 限破坏. 由于后者潜伏期较长,危害性也较大,往往能 造成更大的经济损伤和安全事故[15] ,因此也是本研究 关注的重点. 在岩块体累计损伤破坏期间,其强度参数呈现整 体下降的趋势,而实际状态很难予以监测和识别. 因 此在对岩块体的安全稳定性分析评价时,最重要的任 务之一是识别力学强度参数的损伤状况,并进行合理 选择[16] . 目前强度参数的获取方法主要是通过静力 学测量的方法和手段,多需要较大的经济和时间成本, 且获取的强度参数也是相对静态的. 因此如何通过动 力学测量方法直接实现对岩块体强度指标的间接评 价,是边坡岩块体累计损伤评价的关键所在,即通过构 建固有振动频率等振动特征参数与岩块体的力学强度 参数关系模型,从而实现基于固有振动频率监测指标 的岩块体累计损伤的定量识别. 1郾 2 理论模型 实际上,岩体的很多脆性破坏多是系统不稳定导 致的动力破坏[17] ,因此引入振动特征参数,可有助于 实现岩块体的安全系数的定量分析. 通常,岩块体可 以被认为由刚度、质量、阻尼等物理参数组成的力学系 统,一旦其结构面发生损伤,必然引起系统物理特性的 变化,进而导致振动特征参数如固有振动频率发生相 应的变化. 图 1 为岩块体的示意图. 可将岩块视为一 定质量的刚体,并用弹簧表示结构面的强度,根据动力 学理论,可等效为图 2 所示的动力学模型,其振动方 程为 ML 2 兹 ·· + Kl 2 2 兹 = 0. (1) 式中,M 为试块重量,L 为型心到原点 O 的距离,K 为 刚度系数,l 为黏结长度,兹 为转角. 图 1 岩块体示意图 Fig. 1 Sketch of a rock鄄block 频率可由如下公式计算: f = 1 2仔 Kl 2 2ML 2 . (2) 假设应变达到最大应变量时,产生破坏,则黏结力 强度 T 为 T = 滋l = 1 2 Kl兹max . (3) ·142·
杜岩等：应用激光多普勒测振仪的岩块体累计损伤评价试验研究 ·143· 第一台多普勒激光测振仪模型诞生于20世纪80 年代，有限的灵敏度和低信噪比使得其只能测量扩张 的表面.随着仪器的硬件和软件的迅猛发展，多普勒 0 激光测振仪测量性能不断提高，适用性也得到加强，因 此许多研究人员开始使用激光多普勒测速仪进行相关 的试验研究和损伤识别] L 目前，国际普遍采用氢-氖激光束，其位移分辨率 和速度分辨率分别可达到8nm和0.5mm·s1,测距最 图2简化危岩块体模型 远也已达到300m.这使得远程振动监测成为可能，非 Fig.2 Simplified model of a rock-block 接触的采集方式更加保证测试人员的安全，同时其精 式中，4为黏结系数，0为最大应变角. 度和灵敏度的提高，以及数据处理流程的进一步完善， 将式(3)代人式(2)可知，频率方程为 也使得其无论在测试效率，还是在高空间分辨率方面 品需 都具有明显优势].图3为本研究采用的U型激光 (4) 多普勒测振仪. 当其他条件不变时，随着黏度系数的降低，会导致 振动频率的显著下降，并意味着岩体趋于危险. 基于式(4)，可计算黏结力折减系数w: F.ulf @=下。g6 (5) 式中，F和F。分别为某时刻和初始时刻黏结力指标，4 和分别为某时刻和初始时刻的黏结系数，∫和。分 别为某时刻和初始时刻测得的固有振动频率 基于式(5)对极限平衡理论公式进行改进，某时 刻危岩块体安全系数可计算为 SF+Mgcos 0.tan (6) Mgsin 0fo 式中，SF:为某时刻安全系数，c。为初始时刻的黏结力， 图3激光多普勒测振仪 S为黏接宽度，g为重力加速度，0，为坡体坡角，中为内 Fig.3 Laser Doppler vibrometer 摩擦角. 固有振动频率可以为黏结力等力学强度参数的调 3模型试验 整提供客观数据支持[]，基于改进后的极限平衡模 型，采用量化的块体黏结力折减系数，实现岩块体安全 8 3.1试验介绍 系数的分析计算. 为模拟岩块体在累积损伤作用下发生崩塌破坏的 全过程，试验通过预设黏结力不断弱化的结构面实现 2试验设备 在自重作用下发生脆性崩塌破坏的全过程.具体操作 测振设备按照测量手段不同可分为三种：机械式 过程如下： 测振计、电气式测振计和光学测振计.与前两者相比， (1)将岩块体与稳定岩体用黏结剂进行黏结，形 光学测振技术所具有的优点是结构简单、精度高、耐高 成潜在破坏黏结层. 压、耐腐蚀和抗电磁干扰，能在易燃易爆的环境下可靠 (2)用激光多普勒测振仪对危岩块体进行远程实 运行，并且光学测振技术作为一种重要的非接触式无 时监测，获取振动特征参数指标 损测量技术，正日益受到工程师和监测人员的青睐. (3)随着时间推移，黏结层的黏结力逐渐降低 试验采用多普勒激光测振仪(laser Doppler vibro- 随着抗滑力的逐渐减小，块体由稳定阶段进入弱稳定 neter,LDV)基于激光的多普勒效应，通过信号中波长 阶段，最终进入破坏阶段 变化来对物体表面振动进行测量，进而得到物体表面 相对于传统的加载破坏试验，该试验方法可以自 的瞬时速度.由于其计算方法是通过信号中差拍波对 发模拟岩块体在累积损伤下从稳定到破坏的全过程， 物体表面振动速度进行测量，因此有低信噪比、高精 并具有如下几个特点： 度、高灵敏度等优势 (1)试验从始至终都没有人为干扰，具有极强的
杜 岩等: 应用激光多普勒测振仪的岩块体累计损伤评价试验研究 图 2 简化危岩块体模型 Fig. 2 Simplified model of a rock鄄block 式中,滋 为黏结系数,兹max为最大应变角. 将式(3)代入式(2)可知,频率方程为 f = 1 2仔 滋l 2 ML 2 兹max . (4) 当其他条件不变时,随着黏度系数的降低,会导致 振动频率的显著下降,并意味着岩体趋于危险. 基于式(4),可计算黏结力折减系数 棕: 棕 = Fi F0 = 滋i l 滋0 l = f 2 i f 2 0 . (5) 式中,Fi和 F0分别为某时刻和初始时刻黏结力指标,滋i 和 滋0分别为某时刻和初始时刻的黏结系数,f i和 f 0 分 别为某时刻和初始时刻测得的固有振动频率. 基于式(5) 对极限平衡理论公式进行改进,某时 刻危岩块体安全系数可计算为 SFi = c0 Slf 2 i + Mgcos 兹s tan 准f 2 0 Mgsin 兹s f 2 0 . (6) 式中,SFi为某时刻安全系数,c0为初始时刻的黏结力, S 为黏接宽度,g 为重力加速度,兹s为坡体坡角,准 为内 摩擦角. 固有振动频率可以为黏结力等力学强度参数的调 整提供客观数据支持[18] ,基于改进后的极限平衡模 型,采用量化的块体黏结力折减系数,实现岩块体安全 系数的分析计算. 2 试验设备 测振设备按照测量手段不同可分为三种:机械式 测振计、电气式测振计和光学测振计. 与前两者相比, 光学测振技术所具有的优点是结构简单、精度高、耐高 压、耐腐蚀和抗电磁干扰,能在易燃易爆的环境下可靠 运行,并且光学测振技术作为一种重要的非接触式无 损测量技术,正日益受到工程师和监测人员的青睐. 试验采用多普勒激光测振仪( laser Doppler vibro鄄 meter, LDV)基于激光的多普勒效应,通过信号中波长 变化来对物体表面振动进行测量,进而得到物体表面 的瞬时速度. 由于其计算方法是通过信号中差拍波对 物体表面振动速度进行测量,因此有低信噪比、高精 度、高灵敏度等优势. 第一台多普勒激光测振仪模型诞生于 20 世纪 80 年代,有限的灵敏度和低信噪比使得其只能测量扩张 的表面. 随着仪器的硬件和软件的迅猛发展,多普勒 激光测振仪测量性能不断提高,适用性也得到加强,因 此许多研究人员开始使用激光多普勒测速仪进行相关 的试验研究和损伤识别[19] . 目前,国际普遍采用氦鄄鄄氖激光束,其位移分辨率 和速度分辨率分别可达到 8 nm 和 0郾 5 mm·s - 1 ,测距最 远也已达到 300 m. 这使得远程振动监测成为可能,非 接触的采集方式更加保证测试人员的安全,同时其精 度和灵敏度的提高,以及数据处理流程的进一步完善, 也使得其无论在测试效率,还是在高空间分辨率方面 都具有明显优势[20] . 图 3 为本研究采用的 U 型激光 多普勒测振仪. 图 3 激光多普勒测振仪 Fig. 3 Laser Doppler vibrometer 3 模型试验 3郾 1 试验介绍 为模拟岩块体在累积损伤作用下发生崩塌破坏的 全过程,试验通过预设黏结力不断弱化的结构面实现 在自重作用下发生脆性崩塌破坏的全过程. 具体操作 过程如下: (1) 将岩块体与稳定岩体用黏结剂进行黏结,形 成潜在破坏黏结层. (2) 用激光多普勒测振仪对危岩块体进行远程实 时监测,获取振动特征参数指标. (3) 随着时间推移,黏结层的黏结力逐渐降低. 随着抗滑力的逐渐减小,块体由稳定阶段进入弱稳定 阶段,最终进入破坏阶段. 相对于传统的加载破坏试验,该试验方法可以自 发模拟岩块体在累积损伤下从稳定到破坏的全过程, 并具有如下几个特点: (1)试验从始至终都没有人为干扰,具有极强的 ·143·
·144· 工程科学学报，第39卷，第1期 重复性和客观性 21.5 10.9 (2)试验中始终保持下滑力不变，可模拟累积损 21.0 0.8 伤下危岩因黏结力逐渐丧失后在重力作用下发生崩塌 20.5 0.7 的全过程 20.0 0.6 Y 0.5 (3)远程非接触的测量方法和单指标因素变化的 试验设计，可实现固有振动频率指标与黏结力指标的 0.3 0.2 动态关系分析. 17.5 0.1 试验方案如图4所示.通过DV对目标块体的实 17.0 0 200 400 *608010001200 时测量，可得到岩块体由稳定到破坏全过程的振动特 时间/s 征参数变化情况.图5为某时刻块体的振动历史曲线 图6固有振动频率与位移曲线 以及去噪后傅里叶变换得到的振动速度谱. Fig.6 Curves of natural vibration frequency and displacement 岩块体 极限平衡理论，可得到块体的实时安全系数.由图7 LDV 可知，安全系数从初始时期的1.17逐渐降低临界破坏 时刻的1.04，并随着结构面黏结强度的进一步丧失， 黏结层 很快发生破坏.试验结果显示：基于固有振动频率可 实现对黏结力参量的定量识别，从而得出与试验结果 基本相符的安全系数 图4模型试验原理 表1试验结果 Fig.4 Schematic view of the model experiment Table 1 Experimental results 测量时间/s 频率/Hz 黏结力/kPa 安全系数 20 21.00 0.28 1.17 0.05r 120 20.51 0.27 1.15 320 19.04 0.23 1.09 520 18.55 0.22 1.07 620 18.07 0.21 1.05 -0.05 0.5 1.0 1.5 650 18.55 0.22 1.07 时间/s 800 17.58 0.20 1.04 1100 17.58 0.20 1.04 ■X:20.51 2 :0.002515 0.31r 11.20 +黏结力 wwwwhwh-ywhacolyww-haN 0.29A +计算安全系数 1.15 0102030405060708090100 0.27 频率Hz 1.10藏 0.25 图5振动历史曲线(a)与其振动速度谱(b) Fig.5 Vibration history (a)and its velocity spectrum (b)of the vi- bration 0.21 1.00 0.19 3.2试验结果 200 400600 8001000 时间s 块体自计时算起，经历1110s后发生破坏.设备 图7黏结力与计算安全系数历时曲线 分别于不同时刻测得固有振动频率，如图6所示.块 Fig.7 Curves of cohesion and safety factor 体在累积损伤作用下，黏结力不断下降，固有振动频率 也呈现较明显的下降趋势，由起始的21Hz逐渐下降 4讨论 到1100s的最低值17.58Hz,并最终在1110s后发生 破坏 4.1固有振动频率监测的技术优势 试验结果如表1所示.基于理论模型对黏结力强 基于结构动力学理论，力学参数的变化必然会引 度进行折减，黏结力由初始时期的0.28kPa,下降到临 起岩块体振动特征参数指标的变化.本研究通过累积 界破坏时刻的0.20kPa:已知滑块为0.3kg,坡体坡度 损伤下岩块体强稳定一弱稳定一破坏全过程固有振动 为30°，初始黏结力为0.28kPa,内摩擦角为23°，基于 频率-应变试验，应用多普勒远程激光测振技术，深入
工程科学学报,第 39 卷,第 1 期 重复性和客观性. (2)试验中始终保持下滑力不变,可模拟累积损 伤下危岩因黏结力逐渐丧失后在重力作用下发生崩塌 的全过程. (3)远程非接触的测量方法和单指标因素变化的 试验设计,可实现固有振动频率指标与黏结力指标的 动态关系分析. 试验方案如图 4 所示. 通过 LDV 对目标块体的实 时测量,可得到岩块体由稳定到破坏全过程的振动特 征参数变化情况. 图 5 为某时刻块体的振动历史曲线 以及去噪后傅里叶变换得到的振动速度谱. 图 4 模型试验原理 Fig. 4 Schematic view of the model experiment 图 5 振动历史曲线(a)与其振动速度谱(b) Fig. 5 Vibration history (a) and its velocity spectrum (b) of the vi鄄 bration 3郾 2 试验结果 块体自计时算起,经历 1110 s 后发生破坏. 设备 分别于不同时刻测得固有振动频率,如图 6 所示. 块 体在累积损伤作用下,黏结力不断下降,固有振动频率 也呈现较明显的下降趋势,由起始的 21 Hz 逐渐下降 到 1100 s 的最低值 17郾 58 Hz,并最终在 1110 s 后发生 破坏. 试验结果如表 1 所示. 基于理论模型对黏结力强 度进行折减,黏结力由初始时期的 0郾 28 kPa,下降到临 界破坏时刻的 0郾 20 kPa;已知滑块为 0郾 3 kg,坡体坡度 为 30毅,初始黏结力为 0郾 28 kPa,内摩擦角为 23毅,基于 图 6 固有振动频率与位移曲线 Fig. 6 Curves of natural vibration frequency and displacement 极限平衡理论,可得到块体的实时安全系数. 由图 7 可知,安全系数从初始时期的 1郾 17 逐渐降低临界破坏 时刻的 1郾 04,并随着结构面黏结强度的进一步丧失, 很快发生破坏. 试验结果显示:基于固有振动频率可 实现对黏结力参量的定量识别,从而得出与试验结果 基本相符的安全系数. 表 1 试验结果 Table 1 Experimental results 测量时间/ s 频率/ Hz 黏结力/ kPa 安全系数 20 120 320 520 620 650 800 1100 21郾 00 20郾 51 19郾 04 18郾 55 18郾 07 18郾 55 17郾 58 17郾 58 0郾 28 0郾 27 0郾 23 0郾 22 0郾 21 0郾 22 0郾 20 0郾 20 1郾 17 1郾 15 1郾 09 1郾 07 1郾 05 1郾 07 1郾 04 1郾 04 图 7 黏结力与计算安全系数历时曲线 Fig. 7 Curves of cohesion and safety factor 4 讨论 4郾 1 固有振动频率监测的技术优势 基于结构动力学理论,力学参数的变化必然会引 起岩块体振动特征参数指标的变化. 本研究通过累积 损伤下岩块体强稳定—弱稳定—破坏全过程固有振动 频率鄄鄄应变试验,应用多普勒远程激光测振技术,深入 ·144·
杜岩等：应用激光多普勒测振仪的岩块体累计损伤评价试验研究 ·145· 分析边坡岩块体从稳定到破坏全过程中振动特征变化 频率相关图”，实现了工程实测参数与安全指标的初 规律.试验中应用固有振动频率比对黏结力进行实时 步对接.而振动频率监测技术的不断更新和发展，尤 折减，从而实现危岩块体累计损伤的定量识别 其是非接触式的光学测振设备在岩体安全监测领域的 试验结果显示：在累计损伤作用下，岩块体的位移 应用，可进一步实现岩块体力学强度指标的定量识别 变化规律并不明显：相反，固有振动频率却在临滑前有 与安全稳定性的实时评价. 较大的下降.这一现象可以为现场早期预警评价提供 目前工程应用进一步研究的主要瓶颈之一仍然是 参考.很多实践表明：当损伤的位置在结构的高应力 监测设备的创新和发展.我国在光学测振技术开发以 区域时，利用固有频率的变化进行损伤识别比较可 及试验研究起步较晚，在危岩块体等地质体的监测应 靠)，而岩块体的损伤正是发生在高应力集中处，因 用研究还处于试验研究阶段.而从国内外的工程实践 此引入固有振动频率来对危岩块体力学性能的损伤劣 和研究结果[0]，基于固有振动频率等振动特征参 化程度进行评价，可为边坡岩体安全评价和早期监测 数，可以快速识别结构物理力学指标的变化，从而可以 预警提供新的技术支持[2四] 判定岩块体是否存在损伤的可能，并进行安全系数的 通常，岩体的累积损伤破坏潜伏期较长，且由微小 定量分析，进而可以形成一种相对实时、动态和客观的 的损伤裂缝引起的，而很难用肉眼或观测仪器进行监 岩块体安全评价思路 测.基于结构动力学原理，固有振动频率可以有效反 不可否认，实现边坡岩块体的安全评价，还需要更 应岩块体在累计损伤后自身属性的变化，因此基于固 多的仪器设备的引入和数据信息的获取.而激光多普 有振动频率等振动特征参数的损伤识别则会有事半功 勒测振仪作为其中一种高精密仪器，应用在危险性和 倍的效果.试验中，在其他条件不变的情况下，主控结 施工难度较大的岩土工程监测具有无可比拟的优越 构面的力学参数逐渐发生变化，通过引入固有振动频 性.因此，基于激光多普勒测振仪的岩块体安全评价 率指标，对黏结力进行动态修正，实现基于动力学监测 方法无疑将进一步提升地质灾害时空预测水平并促进 指标的岩块体累计损伤定量评价. 基于输出模态损伤识别技术的现场安全评价方法的 4.2基于固有振动频率的强度折减 发展 事实上，岩石在复杂应力环境下，不可避免会发生 5结论 损伤破坏，其材料抵御变形和破坏的能力也在逐渐降 低，即黏结力等力学参数是随时间不断下降的过程. (1)基于振动力学原理，建立固有振动频率与黏 试验中，物理力学强度的演化过程并非呈现单一线性 结力理论关系模型.由模型可知，固有振动频率的变 的下降，而在520~650s之间出现频率异常提升.实 化能够直观反应危岩块体的黏结强度的变化，从而实 际在岩体等破坏的过程中，其物理力学性质呈现先变 现岩块体累计损伤程度的定量识别. 坏，后变好，再变坏的整体下降状态[2]，因此在局部时 (2)应用非接触式激光多普勒测振仪，测得块体 域内会出现固有振动频率的不降反升. 的频率由原来的21.00Hz下降到17.58Hz,通过理论 最新研究表明固有振动频率作为一种反应整体黏 关系模型与极限平衡理论，计算块体的安全系数由原 结力的监测指标，可以为力学参数的修正提供参考依 来的1.17下降到1.04，与实际观测结果相符.相比之 据.根据试验结果可知，固有振动频率提供了贴近现 前静力学理论分析，基于固有振动频率等振动特征参 实的黏结力参量.这种岩块体损伤程度的评价方法， 数的累计损伤评价方法，可为岩块体的安全性评价提 具备操作简单、分析快捷等特点，在累积损伤后的岩块 供更贴切实际的力学参数指标. 体实时安全评价方面具有较大的应用潜力和发展空 (3)动力学监测指标可实现对岩块体力学强度参 间.而通过对固有振动频率的监测，一方面可以在某 数的定量识别，基于固有振动频率等动力学参数监测 种程度上从动力学角度反应岩块体的损伤演化规律， 指标的引入，可为工程现场形成一套考虑累计损伤的 另一方面通过固有振动频率将黏结力看作是非定常的 实时安全评价和早期预警方法，从而进一步提升岩块 安全稳定评价，更能客观反映岩块体的非线性损伤变 体崩塌灾害的时空预测水平并促进基于输出模态损伤 化特征，并得到与客观实际相吻合的安全稳定性指标. 识别技术的安全评价方法的发展 4.3岩块体实时安全评价 参考文献 为了防止由于地震等造成滑坡等地质灾害，日本 等光学测振技术发展较为成熟的国家已开发了一套岩 [1]Strom A L,Korup 0.Extremely large rockslides and rock ava- 石边坡稳定性评价系统.这套最新的系统初步验证了 lanches in the Tien Shan Mountains,Kyrgyzstan.Landslides, 2006,3(2):125 岩块体稳定性和其固有振动频率的关系，并提出一种 [2]Frayssines M,Hantz D.Modelling and back-analysing failures in 新的岩石稳定性评价方法：基于“安全系数-固有振动 steep limestone cliffs.Int J Rock Mech Min Sci,2009,46(7):
杜 岩等: 应用激光多普勒测振仪的岩块体累计损伤评价试验研究 分析边坡岩块体从稳定到破坏全过程中振动特征变化 规律. 试验中应用固有振动频率比对黏结力进行实时 折减,从而实现危岩块体累计损伤的定量识别. 试验结果显示:在累计损伤作用下,岩块体的位移 变化规律并不明显;相反,固有振动频率却在临滑前有 较大的下降. 这一现象可以为现场早期预警评价提供 参考. 很多实践表明:当损伤的位置在结构的高应力 区域时,利用固有频率的变化进行损伤识别比较可 靠[21] ,而岩块体的损伤正是发生在高应力集中处,因 此引入固有振动频率来对危岩块体力学性能的损伤劣 化程度进行评价,可为边坡岩体安全评价和早期监测 预警提供新的技术支持[22] . 通常,岩体的累积损伤破坏潜伏期较长,且由微小 的损伤裂缝引起的,而很难用肉眼或观测仪器进行监 测. 基于结构动力学原理,固有振动频率可以有效反 应岩块体在累计损伤后自身属性的变化,因此基于固 有振动频率等振动特征参数的损伤识别则会有事半功 倍的效果. 试验中,在其他条件不变的情况下,主控结 构面的力学参数逐渐发生变化,通过引入固有振动频 率指标,对黏结力进行动态修正,实现基于动力学监测 指标的岩块体累计损伤定量评价. 4郾 2 基于固有振动频率的强度折减 事实上,岩石在复杂应力环境下,不可避免会发生 损伤破坏,其材料抵御变形和破坏的能力也在逐渐降 低,即黏结力等力学参数是随时间不断下降的过程. 试验中,物理力学强度的演化过程并非呈现单一线性 的下降,而在 520 ~ 650 s 之间出现频率异常提升. 实 际在岩体等破坏的过程中,其物理力学性质呈现先变 坏,后变好,再变坏的整体下降状态[23] ,因此在局部时 域内会出现固有振动频率的不降反升. 最新研究表明固有振动频率作为一种反应整体黏 结力的监测指标,可以为力学参数的修正提供参考依 据. 根据试验结果可知,固有振动频率提供了贴近现 实的黏结力参量. 这种岩块体损伤程度的评价方法, 具备操作简单、分析快捷等特点,在累积损伤后的岩块 体实时安全评价方面具有较大的应用潜力和发展空 间. 而通过对固有振动频率的监测,一方面可以在某 种程度上从动力学角度反应岩块体的损伤演化规律, 另一方面通过固有振动频率将黏结力看作是非定常的 安全稳定评价,更能客观反映岩块体的非线性损伤变 化特征,并得到与客观实际相吻合的安全稳定性指标. 4郾 3 岩块体实时安全评价 为了防止由于地震等造成滑坡等地质灾害,日本 等光学测振技术发展较为成熟的国家已开发了一套岩 石边坡稳定性评价系统. 这套最新的系统初步验证了 岩块体稳定性和其固有振动频率的关系,并提出一种 新的岩石稳定性评价方法:基于“安全系数鄄鄄固有振动 频率相关图冶,实现了工程实测参数与安全指标的初 步对接. 而振动频率监测技术的不断更新和发展,尤 其是非接触式的光学测振设备在岩体安全监测领域的 应用,可进一步实现岩块体力学强度指标的定量识别 与安全稳定性的实时评价. 目前工程应用进一步研究的主要瓶颈之一仍然是 监测设备的创新和发展. 我国在光学测振技术开发以 及试验研究起步较晚,在危岩块体等地质体的监测应 用研究还处于试验研究阶段. 而从国内外的工程实践 和研究结果[10鄄鄄13] ,基于固有振动频率等振动特征参 数,可以快速识别结构物理力学指标的变化,从而可以 判定岩块体是否存在损伤的可能,并进行安全系数的 定量分析,进而可以形成一种相对实时、动态和客观的 岩块体安全评价思路. 不可否认,实现边坡岩块体的安全评价,还需要更 多的仪器设备的引入和数据信息的获取. 而激光多普 勒测振仪作为其中一种高精密仪器,应用在危险性和 施工难度较大的岩土工程监测具有无可比拟的优越 性. 因此,基于激光多普勒测振仪的岩块体安全评价 方法无疑将进一步提升地质灾害时空预测水平并促进 基于输出模态损伤识别技术的现场安全评价方法的 发展. 5 结论 (1) 基于振动力学原理,建立固有振动频率与黏 结力理论关系模型. 由模型可知,固有振动频率的变 化能够直观反应危岩块体的黏结强度的变化,从而实 现岩块体累计损伤程度的定量识别. (2) 应用非接触式激光多普勒测振仪,测得块体 的频率由原来的 21郾 00 Hz 下降到 17郾 58 Hz,通过理论 关系模型与极限平衡理论,计算块体的安全系数由原 来的 1郾 17 下降到 1郾 04,与实际观测结果相符. 相比之 前静力学理论分析,基于固有振动频率等振动特征参 数的累计损伤评价方法,可为岩块体的安全性评价提 供更贴切实际的力学参数指标. (3) 动力学监测指标可实现对岩块体力学强度参 数的定量识别,基于固有振动频率等动力学参数监测 指标的引入,可为工程现场形成一套考虑累计损伤的 实时安全评价和早期预警方法,从而进一步提升岩块 体崩塌灾害的时空预测水平并促进基于输出模态损伤 识别技术的安全评价方法的发展. 参 考 文 献 [1] Strom A L, Korup O. Extremely large rockslides and rock ava鄄 lanches in the Tien Shan Mountains, Kyrgyzstan. Landslides, 2006, 3(2): 125 [2] Frayssines M, Hantz D. Modelling and back鄄analysing failures in steep limestone cliffs. Int J Rock Mech Min Sci, 2009, 46 (7): ·145·
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