蔣海明， 李 杰， 王明洋,2

(1.陸軍工程大學(xué) 爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210007；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

蓬勃發(fā)展的采礦工業(yè)、土工建設(shè)中爆破施工作業(yè)等促進(jìn)了巖石爆炸動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展[1]。天然巖體總是被大量的不同等級(jí)的不連續(xù)間斷面所間隔，將巖體分割為一個(gè)個(gè)尺度大小不同的結(jié)構(gòu)單元(巖塊)，這些不連續(xù)間斷面的尺度具有很大的尺寸范圍：其延度從10-6(組成巖石礦物的晶格缺陷)～106m(大的構(gòu)造斷層尺度)，其裂隙(裂縫)寬度從10-8～102m。這些巖塊中的間隙具有相當(dāng)小的強(qiáng)度特性，爆炸、地震等作用后由于巖塊的旋轉(zhuǎn)、相互間的滑移以及擠壓和分離引起巖體位移場(chǎng)的間斷，在爆炸和地震中總是出現(xiàn)巖體的不連續(xù)結(jié)構(gòu)，利用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)解釋距離震中一定距離處構(gòu)件的不可逆變形是不可能的，因?yàn)檫B續(xù)介質(zhì)力學(xué)忽略了巖體內(nèi)在的最重要的特性—巖塊結(jié)構(gòu)造成附加自由度的存在[2]。

最近十年來(lái)，一些科學(xué)家越來(lái)越注意到巖石的塊狀層次結(jié)構(gòu)在巖土材料和巖石動(dòng)力學(xué)行為的非線性方面扮演的重要角色，促使人們對(duì)這些方面展開(kāi)了系列的試驗(yàn)和理論研究，并已逐漸形成非線性巖石力學(xué)的重要研究方向—塊系構(gòu)造巖體力學(xué)[3-4]。Kurlenya等[5-9]通過(guò)研究深部礦山在大當(dāng)量化爆作用下應(yīng)力波的傳播特性，首次發(fā)現(xiàn)了一種新型非線性“變形”波，稱為“擺型波”，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了與此相關(guān)的不規(guī)則超低摩擦現(xiàn)象；同時(shí)設(shè)計(jì)擺錘沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了初步模擬試驗(yàn)研究。賈寶新等[10]采用小球自由落體模擬沖擊載荷的方式，研究含夾層塊系巖體在沖擊載荷下動(dòng)力傳播特性。王洪亮等[11-12]利用深部巖體動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)塊體模型進(jìn)行低速?zèng)_擊試驗(yàn)，得到了塊系巖體超低摩擦現(xiàn)象的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

上述室內(nèi)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)均基于落錘撞擊施加沖擊擾動(dòng)的原理，操作穩(wěn)定性不強(qiáng)，且得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，如今飛速發(fā)展的測(cè)試手段，允許我們進(jìn)行更加精細(xì)的物理力學(xué)模擬試驗(yàn)，從而更加清晰地揭示沖擊擾動(dòng)下塊系構(gòu)造介質(zhì)中波傳播的基本特性、規(guī)律及其與巖體構(gòu)造特性間的定量描述。本文基于激振器的使用原理，設(shè)計(jì)研制了一套塊系巖體動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)花崗巖塊體模型進(jìn)行一維動(dòng)力沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)應(yīng)用情況表明，該系統(tǒng)性能優(yōu)良，操作方便，可用于研究塊系巖體非線性巖石力學(xué)現(xiàn)象。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)的研制思路

在研究塊系構(gòu)造巖體中變形波傳播的物理力學(xué)特性時(shí)，需要獲得塊系構(gòu)造巖體在一定的沖擊能量條件下塊體振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，包括加速度、速度及位移等。

若干塊尺寸相同巖塊疊放組成試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。圖1分別給出了三種工況下塊體模型沖擊試驗(yàn)的示意圖。工況1為塊體模型僅受豎向沖擊作用(見(jiàn)圖1(a))，通過(guò)測(cè)量各塊體的加速度時(shí)程，揭示沖擊擾動(dòng)下塊系構(gòu)造介質(zhì)中波傳播的基本特性。工況2為塊體模型受水平靜力和豎向沖擊共同作用(見(jiàn)圖1(b))；工況3為塊體模型受考慮延時(shí)的水平和豎向雙向沖擊(見(jiàn)圖1(c))。通過(guò)對(duì)塊體模型進(jìn)行垂直沖擊和水平靜力的動(dòng)靜組合加載試驗(yàn)，測(cè)量工作塊體水平動(dòng)力響應(yīng)，可以為揭示沖擊擾動(dòng)誘發(fā)塊體滑移現(xiàn)象的規(guī)律、影響因素及臨界條件提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

圖1 塊體模型沖擊擾動(dòng)試驗(yàn)示意圖Fig.1 Scheme of blocky rock mass under impact

2 塊系巖體動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)的組成

在反復(fù)論證和調(diào)研的基礎(chǔ)上，研制出塊系巖體動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)。試驗(yàn)系統(tǒng)由工作臺(tái)、控制加載裝置以及測(cè)量系統(tǒng)三部分組成。

圖2 塊系巖體動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Test system for dynamic characteristics of blocky rock mass

工作臺(tái)用于承載塊系巖體模型，其水平方向上設(shè)有導(dǎo)向槽，水平激振加載單元可沿著導(dǎo)向槽滑動(dòng)，便于適應(yīng)不同尺寸的模型試件。

控制加載裝置包括水平靜力加載單元、垂直及水平?jīng)_擊加載單元及其附屬的固定設(shè)備。水平靜力加載單元通過(guò)一根不可伸長(zhǎng)的鋼絲可拆卸地連接于模型試件上，鋼絲的另一端穿過(guò)滑輪組與砝碼盤相連，通過(guò)改變砝碼盤承載的砝碼重量，實(shí)現(xiàn)水平拉力大小的調(diào)節(jié)。

垂直及水平?jīng)_擊加載單元均采用揚(yáng)州巨豐JZK50電動(dòng)式激振器實(shí)現(xiàn)沖擊沖擊加載，最大作用力為500 N(見(jiàn)圖3)。電動(dòng)式激振器是一種電動(dòng)轉(zhuǎn)換器，即將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，對(duì)試件提供激振力的一種裝置。相較于落錘沖擊的原理，激振器沖擊加載可精確控制作用于模型試件的沖擊的力學(xué)參數(shù)及沖擊能量，可以定量地展開(kāi)試驗(yàn)研究；整體穩(wěn)定性好、易于操作，可重復(fù)性強(qiáng)。垂直、水平方向的激振器安裝于固定架上，其可以通過(guò)絲杠旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)上下位置的調(diào)整。

圖3 沖擊加載系統(tǒng)組成Fig.3 Impact loading system

垂直及水平激振器的控制圖如圖4所示。信號(hào)發(fā)生器通過(guò)一控制單元控制信號(hào)源輸入的時(shí)間差，可以調(diào)節(jié)兩個(gè)沖擊加載單元的激振器作用于試件的時(shí)間點(diǎn)及作用時(shí)長(zhǎng)，用于模擬不同工況下塊系巖體受沖擊的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)異步工作或同步工作，即實(shí)現(xiàn)單獨(dú)施加沖擊擾動(dòng)，或同時(shí)施加沖擊擾動(dòng)，或不同延時(shí)作用的雙向沖擊擾動(dòng)。

圖4 沖擊加載系統(tǒng)延時(shí)控制Fig.4 Delay control in impact loading system

測(cè)量系統(tǒng)由力傳感器、加速度傳感器、光纖位移傳感器、電荷放大器、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及電腦組成(見(jiàn)圖5)。力傳感器采用長(zhǎng)沙NOS輪輻式力傳感器，量程為0～1 000 N。加速度傳感器采用揚(yáng)州巨豐公司的JF110三向加速度計(jì)，能同時(shí)測(cè)量同一點(diǎn)的X，Y，Z三個(gè)方向上的加速度。其測(cè)量靈敏度為0.1 g/PC，量程為500 g，安裝諧振頻率為30 kHz，頻響為5 kHz。電荷放大器為揚(yáng)州巨豐公司的HY5853型，頻響為100 kHz。由于試驗(yàn)過(guò)程中位移量值集中在微米級(jí)，所以一般接觸式位移計(jì)無(wú)法滿足測(cè)量要求，故采用美國(guó)PHILTEC公司的D-169型光纖位移計(jì)，測(cè)量靈敏度為1.1 μm/mV，量程為20 mm，頻響為20 kHz。上述所有量測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)東華5 922 N動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并保存于計(jì)算機(jī)內(nèi)。基于LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)的塊系巖體動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)軟件界面見(jiàn)圖6，集實(shí)時(shí)信號(hào)控制觸發(fā)、采集參數(shù)設(shè)置、加載參數(shù)控制、激振器位置調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)瀏覽顯示、數(shù)據(jù)保存等模塊化功能于一體，使用簡(jiǎn)單便捷。

圖5 測(cè)量系統(tǒng)組成部分Fig.5 Measurement system components

3 試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

利用自主研發(fā)的塊系巖體動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)對(duì)六塊花崗巖組成的塊系塊體模型進(jìn)行一維低速?zèng)_擊試驗(yàn)，揭示沖擊載荷作用下塊系巖體波的傳播特性。

圖6 塊體模型動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)軟件界面Fig.6 Interface of monitoring software of the test system

3.1 試驗(yàn)材料準(zhǔn)備

試驗(yàn)?zāi)Ｐ?由六個(gè)花崗巖塊體組成的塊系巖體模型。巖塊尺寸為250 mm×125 mm×80 mm，質(zhì)量為6.8 kg，運(yùn)用波速儀測(cè)速得到縱波波速為4 500 m/s。對(duì)各塊體表面進(jìn)行平整配合處理，在反映真實(shí)巖體的表面特性的同時(shí)，保證整個(gè)塊系模型的穩(wěn)定性。

3.2 試驗(yàn)方法

塊系模型1中每一塊體側(cè)面中央位置處粘貼三向加速度計(jì)測(cè)量塊體的加速度時(shí)程，如圖7所示。為防止地面反射波對(duì)入射波的影響，模型底部墊有橡膠襯墊。本次試驗(yàn)僅施加一維豎向沖擊，分別將塊系模型1放置于試驗(yàn)系統(tǒng)工作平臺(tái)之上，調(diào)整垂直沖擊器的位置，然后對(duì)模型施加逐步增大的沖擊，記錄沖擊力和加速度時(shí)程，用于下一步的比較分析。

圖7 加速度測(cè)量Fig.7 Measurement of acceleration

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)獲得了花崗巖塊系模型在不同沖擊力作用下巖塊振動(dòng)的加速度時(shí)程曲線，限于篇幅，本文僅列出在沖擊沖量0.27 N·s下花崗巖塊系模型各對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)記錄的Y向加速度時(shí)程曲線及Fourier波譜密度曲線(見(jiàn)圖8)。

在加速度頻譜密度曲線中，加速度頻譜密度達(dá)到局部極大值時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，稱之為極值頻率。在圖9中分別標(biāo)出了頻譜密度達(dá)到局部極大值時(shí)的前兩個(gè)或三個(gè)極值頻率。對(duì)于塊系模型，在振動(dòng)通過(guò)一個(gè)塊體一個(gè)塊體向下傳遞過(guò)程中，發(fā)生了從高頻的波動(dòng)向低頻震動(dòng)的轉(zhuǎn)移，第二個(gè)塊體將成為一些特定頻率的諧波的共振器，而第三個(gè)塊體將對(duì)這些頻率(2#塊體)的波產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的抑制作用，同時(shí)放大了某些更低頻率的特定低頻諧波，在第四個(gè)塊體處，低頻諧波已經(jīng)超過(guò)初始高頻沖擊諧波。在記錄到的波形圖通過(guò)一個(gè)個(gè)塊體向下傳遞的時(shí)候，初始的寬帶沖擊脈沖逐漸變化成為一個(gè)包含有寬廣頻率特征的波包。

圖8 傳感器記錄的力時(shí)程曲線Fig.8 Force-time curve recorded by the sensor

表1給出了不同沖量作用下塊系模型Y向加速度極值頻率(包含前1～2極值頻率)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從表中可以看出，對(duì)于塊體模型，加速度波譜曲線中極值頻率不隨沖量的增加而變化，即沖量增加不改變波動(dòng)傳播的波譜形式，僅增加相應(yīng)的波譜幅值，波傳播的波譜形式僅與塊體的構(gòu)造特征相關(guān)。

(a) 塊體1Y方向(b) 塊體2Y方向

(c) 塊體3Y方向(d) 塊體4Y方向

(e) 塊體5Y方向(f) 塊體6Y方向圖9 塊體模型Y方向加速度時(shí)程曲線及頻譜分析Fig.9 Time-dependent curves and spectrum analysis of Y-direction acceleration in blocky model

表1 塊體模型Y方向加速度極值頻率Tab.1 Acceleration extreme freqiency of Y-direction in blocky model

按照俄羅斯擺型波理論研究成果，擺錘沖擊試驗(yàn)、地下爆炸時(shí)，塊系構(gòu)造巖體中擺型波波譜頻率的傳遞特性遵從下列規(guī)范序列關(guān)系

(1)

式中:fi為波譜頻率;f0為塊體振動(dòng)的基礎(chǔ)頻率

(2)

式中:j為塊體振動(dòng)的方向，且j=x,y,z;Δj為j方向巖塊的尺度。

表2 不同沖擊能量作用下塊體模型Y方向加速度幅值Tab.2 Acceleration amplitude of blocky model in Y-direction under different impact energies

(3)

從曲線中可以看出，對(duì)于不同沖擊能量的塊系沖擊運(yùn)動(dòng)，完成了波動(dòng)過(guò)程的幾何相似。

圖10 加速度幅值隨距離增加的衰減規(guī)律Fig.10 Attenuation law of the acceleration amplitude with the scaled-distance

4 結(jié) 論

依據(jù)目前塊系巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)研究需求，改進(jìn)研制出塊系巖體動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)由塊體組成的結(jié)構(gòu)體系中變形波的傳播開(kāi)展試驗(yàn)研究，獲得一維沖擊振動(dòng)條件下波傳播的頻譜、振幅特征，可為后續(xù)的理論分析提供量化的數(shù)據(jù)支撐。結(jié)果表明：

(1)改進(jìn)后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，試驗(yàn)操作方便，量測(cè)精度高，可以滿足進(jìn)行塊系巖體中的擺型波、超低摩擦特性等各項(xiàng)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)研究的要求。

(2)一維沖擊作用下，在沖擊振動(dòng)通過(guò)塊系巖體向前傳播的過(guò)程中，波譜極值頻率不斷減小，波系趨于低頻波，塊系巖體中波動(dòng)傳播的波譜形式僅與塊體的構(gòu)造特征相關(guān)，外部沖擊僅僅改變加速度幅值大小，而對(duì)振動(dòng)極值頻率沒(méi)有影響。