基于固有振动频率的危岩安全监测的探索

基于固有振动频率的危岩安全监测的探索

李一兵1龙国梁2

中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司云南昆明650033

摘要：我国幅员辽阔，地质环境复杂，频繁发生各种灾害性气候，尤其三分之二以上的国土面积为山区，易发生各种地质灾害，制约着国家的可持续发展，其中，危岩是最薄弱的研究环节。它具有突发、快速、强制等危害，严重威胁山区的建设、居民的生命安全、矿山的开发和交通的运行。当危岩体潜在破坏节理面发生损伤时，其造成的结果就会引起系统物理特性的变化，从而导致动力特征参数的变化。因此，科学地识别危岩体，对其稳定性进行评价，系统地提出治理措施成为了迫切需求。

关键词：固有振动频率；危岩安全监测

前言：危岩是指位于陡崖或陡坡上被的多组岩体结构面结合，由于重力、地震、水体等因素诱发处于不稳定的结构体及组合，目前，国内外对危岩的概念有一定的差异，具体名称有“崩塌（collapse）”、“落石（rockfall）”和“危岩”，但都是从发育和失稳模式来定义，具有相似性，只是侧重面不同，而危岩这一概念，涵盖了成因、破坏和运动的力学行为。

1存在的问题

目前危岩的研究还存在的问题有：（1）危岩的量化计算，运动方式复杂，滚落轨迹和路径不能确定，使量化变得困难；（2）危岩是否会失稳并造成伤害，还缺乏确定的依据。对此，国内外学者经过不断地探索与努力，在危岩的研究中取得了不小的成果，笔者根据现有存在的问题进行综合的分析，对危岩的稳定性分析中的数值分析方法、危岩的勘察及危岩的治理方法的研究新进展做综述。危岩体可以被认为是由刚度、质量、阻尼等物理参数组成的力学系统。当边坡上的岩块体逐步发生分离变化进而发生崩塌破坏的过程中，诸如固有振动频率、振动振幅和傅里叶振幅比等振动特征参数必然发生相应变化，因此，引入固有振动频率作为一种新的监测指标，具有很强的现实意义。

2固有振动频率的危岩安全监测

1.危岩的勘察。危岩勘察是为了保证危岩在治理前、治理过程中和治理之后的安全，危岩的勘察，一直是专家力图突破的难题，从过去的人工用皮尺等简易监测，到现在已经能逐步实现自动化。目前，危岩的勘察方法有：大地测量法、近景摄影测量法、声发射监测、应力监测等，下面，详细介绍2种危岩勘察的最新技术。

2.危岩勘察新判据——固有频率。在传统的危岩勘测中，快速识别和早期安全预警成为开发重点以应力、应变作为危岩状态变化的判据，很难识别实际的损伤变化，又因为在实际监测中，危岩在极小的位移下就会发生崩塌，传统的勘测不能做到精确计算和预测，在这里，专家引入了判断危岩稳定性的新指标——固有频率。专家认为，当危岩体发生破坏时，以固有振动频率为主的物理特性就会发生变化（其他如振动频率，傅里叶振幅比等振动特征参数），用实际摩擦力是否达到最大摩擦力的方法来科学判断危岩的稳定情况。专家在通过实验结果得出：（1）通过固有频率计算摩擦力分析危岩稳定性有效可行；（2）在危岩固有频率降低到6Hz以下时，危岩趋于破坏；（3）在破坏后期，摩擦力占据抗滑力的比重升高，不降反升。基于固有频率的监测，对危岩损伤定量判断的新技术，应该在实际工程中发挥重大作用。通过新型多普勒激光测试技术测出固有频率，分析危岩体的粘结力和摩擦力等力学指标，借以判断危岩的稳定情况，用实际摩擦力是否达到最大摩擦力的方法来科学判断危岩的稳定情况。

3.基于频率的抗滑力指标分析。危岩体发生破坏的主要原因之一是在地震或雨水侵蚀等扰动作用下抗滑力的下降，使得潜在滑移面强度逐渐降低，最终导致破坏。为模拟这一试验过程，将抗滑力分由黏结力和摩擦力两部分。试验中，基于力学平衡，并将整个破坏阶段的黏结力与摩擦力进行有效剥离。以摩擦力是否达到最大静摩擦力作为预警标准，也为实际工程提供新的思路。试验中，随着黏结强度的降低，当黏结层不足以抵抗下滑力时，摩擦力开始成为抗滑力的一部分，并在后期发挥主要作用。相比较前一阶段，该阶段有两个特点：①黏结力等效刚度系数下降，会造成固有振动频率相应下降；②位移会出现较为缓慢的变化。最后，当摩擦力不足以弥补黏结力的进一步损失，岩体出现较大位移，发生破坏。在位移出现急剧的上升，同时频率指标也伴随着出现下降的情况。由于岩体的最大静摩擦力大于动摩擦力，岩体一旦达到最大静摩擦力，会迅速发生破坏，这也是本试验和实际危岩体在微小位移下就会发生突发破坏的主要原因。摩擦力作为一种安全储备，在后期的抗滑力指标中发挥重要作用，从而造成后期摩擦力不降反升。同时，摩擦力作为一种被动型抗滑力，不断发生变化，很难准确评估（如。因此，始终保持下滑力不变，并将摩擦力与黏结力进行有效剥离，评价并分析了摩擦力变化规律。试验将摩擦力与最大静摩擦力比值作为预警线标准，对岩体破坏的早期预警有一定的借鉴意义。

4.固有振动频率监测指标的引入。由于模型力学参数具有获取困难和随机性的特点，使得有限元等数值分析多为寻找危岩体破坏各种作用因素的组合条件。然而随着固有频率的引入，可以为模型参数获取提供实际的动力学指标。通过固有振动频率等参数，可以反向计算数值分析中所需要的力学参数。另外，在判定岩块体损伤状况时，可以为现场监测提供更多的数据信息支持。当岩体的黏结强度下降时，虽然在外观的应变表现上基本相同，但其振动特征参数指标却不尽相同；试验中基于固有振动频率不仅可以调整岩块体的预警阈值，还可以实现崩塌破坏的前兆识别，通过计算摩擦力与最大摩擦力的比较，使崩塌破坏的最佳预警时段较位移预警提前。无论在理论分析还是在技术支持方面，不仅可以为现场工程监测早期预警提供参考，而且可以为数值模拟和工程的快速安全评价提供新的数据信息分析手段。

3展望

综上所述，国内的危岩研究，尚未形成完善的体系，各地方的危岩治理，缺乏一个可参考的、成熟的依据，又随着山区建设越来越多，危岩的治理势在必行，不可草率。（1）关于危岩的分类。现有的分类系统地分为滑移式危岩、倾倒式危岩、坠落式危岩3类，但依然具有局限性，具体的危岩往往更为复杂，现有的破坏模式分类不能比较普遍地反映危岩的破坏情况，今后应总结经验，不断细化危岩的破坏模式。（2）关于稳定性计算方法。目前，危岩稳定性评价方法主要有经历分析法、可靠度分析法、比较识别法，近年来，国内外学者越来越多地运用数值分析、有限元分析等新型方法，相对于传统分析方法更为科学精细，进一步的分析方法也在不断探索和完善中。（3）关于危岩勘察治理方法。研究的目的在于勘察治理，专家既引入了薄层削方的新技术，又在传统的治理方法中引入了如无人机、Catia等先进技术，使治理更高效、经济，但如何将数值计算与具体勘察防治技术相结合，如何针对不同类型的危岩进行量化处理，依然是研究中最大的难题，今后的研究中，应具体情况具体分析，累积经验，得到一个具体的、可行的、经济的治理方案。

根据前期的理论研究和试验研究，基于固有振动频率指标监测可实现对危岩块体的早期损伤识别和预报预警。而在实际应用中还需解决远程监测方案设计、噪音影响和数据分析方法等问题，形成一套可应用于工程现场的监测预警分析技术方法还需进一步探索与研究。

参考文献：

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[2]林国庆.三维借光扫描技术在铁路危岩体监测中的应用[J].测绘与空间地理信息，2017,40（2）：143-145.

[3]陈洪凯，杨红梅，王林峰，叶四桥.危岩崩塌演化理论及应用[M].北京：科学出版社，2019.