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·