杜岩等：基于动力学监测指标的崩塌早期预警研究进展 ·429· 力特征监测在理论、室内实验和初期应用实践可以 1动力学监测指标 为危岩体的损伤识别和安全评价提供新的技术支 通常，结构可以被认为由刚度、质量、阻尼等物 持：一方面可以定量识别岩块体的损伤，识别崩塌破 理参数组成的力学系统.一旦结构发生损伤，必然 坏前的动力破坏前兆，另一方面也促进了基于输出 起系统物理特性的变化，进而导致动力学监测指 模态损伤识别技术的安全评价方法的发展，为工 标的变化.常用的指标参数主要有：固有振动频率、 程现场形成一套考虑累计损伤的实时安全评价和早 阻尼比、模态振型、模态应变能、模态曲率、模态柔 期预警方法提供数据支持 度、模态刚度、传递函数等.基于结构动力学，通过 2基础实验研究 选取合理的动力学监测指标，将测得的动力特征参 数与基准值做比较，对结构损伤进行定性乃至定量 2.1岩块体稳定评价基础实验 分析，是最为典型的损伤识别方法. 崩塌的核心是岩体主控结构面的断裂扩展，而 国内外学者在对岩土体破坏过程中的动力学监 如何识别其断裂情况是早期预警的关键问题之一. 测上做了大量工作.王来贵等从动力学系统稳 基于此，Ma等网以混凝土试块为例，通过改变其黏 定性的观点出发，认为滑体滑动的稳定与滑动的阻 结面积，将频率监测与试块安全性系数进行比较，取 尼性质密切相关，系统存在的正负阻尼的差别，是边 得了良好的效果.如图1所示，通过改变黏结面积 坡稳定与破坏的一个标志，并提出判别边坡滑动系 的形式来测量滑体在不同损伤条件下的频率变化 统稳定性的准则.林成功认为边坡于地震期间 情况 的动力行为的变化是受地震波特性、边坡几何形状、 材料性质及是否有弱面存在等因素的影响，指出动 力数值分析法是最佳模拟应力应变行为的方法. Zheng等根据现场调查，发现汶川地震引起的边 坡破坏是由地震的蹦床机理效应所致，以此提出了 一种新的“多元加速度模型”，并在振动台试验中进 行验证.殷跃平等运用FLAC3D模拟大光包滑 坡变形失稳特征，并输入距离滑坡约4.3km的清平 图1模型示意图 Fig.1 Schematic of the model 台站强震加速度三向记录，认为动力响应较为复杂， 其结果与岩体结构等多种因素有关.Burjanek等m 表1为岩块体模型实验数据结果及误差分析 利用环境振动来分析边坡的动力响应，得出在不稳 结果可知：根据黏结面积得出的抗滑力与频率计算 定边坡测点的光谱比与稳定边坡测点相比表现出放 出来的折减系数误差在5%左右.误差来源主要是 大效应和一定的方向性，并得出固有振动频率分析 黏结层物理属性不同造成动力响应不同阅，从而引 可以有效分析边坡的物理参数变化.随后Burjanek 起的频率误差.基于结构面物理参数测试困难，用 等网又通过一k方法、基点光谱比率法和时频依赖 动力学指标，可反向分析岩块体的损伤和断裂情 极化等方法对潜在不稳定边坡体的波场进行分析， 况，使得崩塌的早期预警在理论上成为可能 据此划分边坡体的不稳定区域，这种边坡动力特征 表1实验数据误差分析 评价是一种十分新颖的评价方法，可有效将稳定区 Table 1 Analysis of the experimental data error 域与不稳定区域进行划分.Gao等四用依据二维动 有效黏结实际折减 频率/ 计算折减误差/ 力学模型和加速度计成功监测山体隧洞的损伤，并 模型 面积/m2 系数/% Hz 系数/% % 验证了基于固有振动频率的动力特性参数监测技术 1 0.048 310 可以有效评价结构的健康状况，这为危岩体的安全 2* 0.030 62.5 210 67.7 5.2 监测与损伤识别提供了新的技术思路. 3# 0.015 31.3 111 35.4 4.1 相比较于其他动力学监测指标，基于固有振动 频率的损伤识别不需要较多的测点与转动自由度等 随着黏结面积的减少，频率也发生相应下降 测试信息0，因此，固有振动频率作为一个简单直 由实验可知，自振频率可以有效反应边坡损伤后潜 接易得的动力特征参数，首先应用于工程监测领域 在滑移面的结构参数变化.随着岩体因地震，或是 变得可能.最新的研究也表明，固有振动频率等动 降雨引起的抗滑面物理力学等属性的变化的，必然杜 岩等: 基于动力学监测指标的崩塌早期预警研究进展 1 动力学监测指标 通常，结构可以被认为由刚度、质量、阻尼等物 理参数组成的力学系统． 一旦结构发生损伤，必然 引起系统物理特性的变化，进而导致动力学监测指 标的变化． 常用的指标参数主要有: 固有振动频率、 阻尼比、模态振型、模态应变能、模态曲率、模态柔 度、模态刚度、传递函数等． 基于结构动力学，通过 选取合理的动力学监测指标，将测得的动力特征参 数与基准值做比较，对结构损伤进行定性乃至定量 分析，是最为典型的损伤识别方法． 国内外学者在对岩土体破坏过程中的动力学监 测上做了大量工作． 王来贵等［23］从动力学系统稳 定性的观点出发，认为滑体滑动的稳定与滑动的阻 尼性质密切相关，系统存在的正负阻尼的差别，是边 坡稳定与破坏的一个标志，并提出判别边坡滑动系 统稳定性的准则． 林成功［24］认为边坡于地震期间 的动力行为的变化是受地震波特性、边坡几何形状、 材料性质及是否有弱面存在等因素的影响，指出动 力数值分析法是最佳模拟应力应变行为的方法． Zheng 等［25］根据现场调查，发现汶川地震引起的边 坡破坏是由地震的蹦床机理效应所致，以此提出了 一种新的“多元加速度模型”，并在振动台试验中进 行验证． 殷跃平等［26］运用 FLAC3D 模拟大光包滑 坡变形失稳特征，并输入距离滑坡约 4. 3 km 的清平 台站强震加速度三向记录，认为动力响应较为复杂， 其结果与岩体结构等多种因素有关． Burjánek 等［27］ 利用环境振动来分析边坡的动力响应，得出在不稳 定边坡测点的光谱比与稳定边坡测点相比表现出放 大效应和一定的方向性，并得出固有振动频率分析 可以有效分析边坡的物理参数变化． 随后 Burjánek 等［28］又通过 f--k 方法、基点光谱比率法和时频依赖 极化等方法对潜在不稳定边坡体的波场进行分析， 据此划分边坡体的不稳定区域，这种边坡动力特征 评价是一种十分新颖的评价方法，可有效将稳定区 域与不稳定区域进行划分． Gao 等［29］用依据二维动 力学模型和加速度计成功监测山体隧洞的损伤，并 验证了基于固有振动频率的动力特性参数监测技术 可以有效评价结构的健康状况，这为危岩体的安全 监测与损伤识别提供了新的技术思路． 相比较于其他动力学监测指标，基于固有振动 频率的损伤识别不需要较多的测点与转动自由度等 测试信息［30］，因此，固有振动频率作为一个简单直 接易得的动力特征参数，首先应用于工程监测领域 变得可能． 最新的研究也表明，固有振动频率等动 力特征监测在理论、室内实验和初期应用实践可以 为危岩体的损伤识别和安全评价提供新的技术支 持: 一方面可以定量识别岩块体的损伤，识别崩塌破 坏前的动力破坏前兆，另一方面也促进了基于输出 模态损伤识别技术的安全评价方法的发展［31］，为工 程现场形成一套考虑累计损伤的实时安全评价和早 期预警方法提供数据支持． 2 基础实验研究 2. 1 岩块体稳定评价基础实验 崩塌的核心是岩体主控结构面的断裂扩展，而 如何识别其断裂情况是早期预警的关键问题之一． 基于此，Ma 等［32］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，取 得了良好的效果． 如图 1 所示，通过改变黏结面积 的形式来测量滑体在不同损伤条件下的频率变化 情况． 图 1 模型示意图 Fig． 1 Schematic of the model 表 1 为岩块体模型实验数据结果及误差分析． 结果可知: 根据黏结面积得出的抗滑力与频率计算 出来的折减系数误差在 5% 左右． 误差来源主要是 黏结层物理属性不同造成动力响应不同［33］，从而引 起的频率误差． 基于结构面物理参数测试困难，用 动力学指标，可反向分析岩块体的损伤和断裂情 况［34］，使得崩塌的早期预警在理论上成为可能． 表 1 实验数据误差分析 Table 1 Analysis of the experimental data error 模型 有效黏结 面积/m2 实际折减 系数/% 频率/ Hz 计算折减 系数/% 误差/ % 1# 0. 048 — 310 — — 2# 0. 030 62. 5 210 67. 7 5. 2 3# 0. 015 31. 3 111 35. 4 4. 1 随着黏结面积的减少，频率也发生相应下降． 由实验可知，自振频率可以有效反应边坡损伤后潜 在滑移面的结构参数变化． 随着岩体因地震，或是 降雨引起的抗滑面物理力学等属性的变化［35］，必然 · 924 ·