文摘

危险的岩石的不稳定性主要表现为突然崩溃和失败没有明显位移特征。因此,监测和预警的目的难以实现由传统的位移监测。但现有的稳定监测指标主要是变形、应力和应变。有一个问题,稳定性评价参数与监测参数不一致。滑动式危险的岩石为研究对象,结构面被认为是均匀和各向同性和线弹性变形的幅度范围。基于动力学理论和极限平衡模型,定量关系模型可以建立涉及安全因素,自然振动频率、结构表面键合区,弹性模量和质量。远程激光振动计是用于监控的自然振动频率的滑动式危险的岩石山坡上Huangzangsi Hydrojunction,危险的岩石和稳定性评价是实现基于安全系数之间的定量关系模型和自然振动频率。通过这种方式,滑倒危险的岩石的频率稳定性评价和安全系数可以被监控。结果基本上是相同的与极限平衡法的安全系数计算,表明该方法是正确的和可行的。研究具有较高的理论意义和实用价值的安全监测和先进的警告滑动危险的岩石。

1。介绍

中国有大量的岩石山坡上。危险的岩石斜坡不稳定是由于自然或人为因素如降雨、地震、和振动带来巨大威胁工程和人民生命和财产的安全,社会影响大。目前,理论分析危险的岩石通常是定量或定性进行了通过传统的应力-应变模型,和小注意危险的岩石在外部干扰的结构性破坏。最近的研究结果表明,危险的岩石的动态特性参数会改变定期与结构面强度的减弱,和动态特性参数的变化反映了变化的危险的岩石的安全系数。因此,如何引入新的参数,以反映结构损伤程度的扰动后的危险的岩石,并执行危险的岩石的稳定性分析和预警监测根据该参数的变化,是一个迫切需要解决的问题。根据结构动力学理论,动态特性参数与结构的物理性质有关。结构的损伤将不可避免地导致结构的物理参数的变化,它提供了一种新的技术理念的安全监测和损伤评估危险的岩石。危险的损伤程度岩石结构面可以定性或定量评判自然振动频率等参数的变化。这种方法的安全性评价提供了基础数据支持危险的岩石,它也为工程监测提供了科学合理的技术指标。近年来,随着激光振动测量精度的提高和改善性能,如测量距离,自然振动频率的收购变得更加方便、准确。 Therefore, the stability evaluation method of perilous rock based on natural vibration frequency has the advantages of economy, high efficiency, dynamic and accuracy. This technical is playing an important role in effective monitoring, forecasting, analysis and risk assessment of major disasters, and has strong research value and practical significance.

目前,危险的岩石稳定性的研究主要集中在五个方法:极限平衡法、极限分析方法,数值仿真法、数学模型法(1),基于动态特征参数和稳定性评价方法。极限平衡方法是简单和清晰的物理参数和广泛应用。然而,岩石和土壤质量是一个非常复杂的弹塑性体(2- - - - - -5]。陈的极限分析方法引入塑性力学领域的岩石和土壤的稳定性评价,形成了著名的上、下限理论(6]。锅质疑提出的假说Hoek布雷,并提出了“最大和最小理论”基础上,上、下极限理论。他认为,如果一个滑坡可以沿着许多滑动表面,它将失败沿着阻力最小的滑动面时变得不稳定(7]。根据他提出的问题,陈等人得到安全系数的广义解的危险的岩石通过虚功原理和塑性力学的上、下限定理(8]。尽管极限平衡方法和极限分析方法是简单而有效的实现稳定评估的岩石和土壤的质量,这是不足以实现岩石和土壤质量的稳定性评价与复杂的边界条件,不连续性和各向异性。随着计算机技术的发展,数值方法的出现就是一个很好的解决方案的评价岩石和土壤稳定与复杂的边界条件。主要包括有限元数值方法,离散元素,有限差分,不连续介质力学数值分析方法(DDA方法)。张用有限元法分析危险的岩石的稳定性(9]。郑等人分析了危险的岩石的稳定的下游的左桥台白鹤滩水电站基于离散单元和拉格朗日有限差分法(10]。多哈回合史提出的方法反映了岩体的不连续和大变形特征变形(11]。数值模拟方法简化了机械参数和边界条件的岩石和土壤,同时,不可避免地受到客观和主观因素的仿真过程。因此,许多学者怀疑数值模拟的可靠性和可信度。用数学方法的发展,一些学者已经引入了灰色理论等数学方法,模糊数学,和可靠性领域的岩石和土壤的稳定性评价。王等人提出了一种模糊点估计方法对危险的岩石(12]。太阳等人使用逆算法获得的抗剪强度值滑动面(13]。唐等人使用规范量化危险的岩石的稳定性影响因素(14]。谢和夏意识到危险的岩石的稳定性分析基于灰色系统理论中灰色聚类(15]。数学方法在上面的方法难以定量评价岩石和土壤的稳定性。极限平衡方法和极限分析方法可以达到危险的岩石的稳定性评价(16,17]。然而,关键参数影响稳定性的危险的岩石,凝聚力和内摩擦角,与监测指标不一致,从而无法有效的安全系数和动态获得危险的岩石。

由于危险的岩石必须被破坏毁灭,危险的岩石的损伤识别是一种有效的方法来实现的稳定性评估危险的岩石。目前,对结构损伤识别的研究主要集中在高层建筑、桥梁、机械等领域。损伤识别方法主要包括模态固有频率模态(18)、振动模态(19),模态阻尼20.],模态柔度矩阵[21),模态质量22)、模态刚度(23],模态曲率[24),和模态应变25]。尽管上述方法广泛应用于大型结构损伤识别的研究与应用,其应用在危险的岩石稳定性的评价仍处于起步阶段。斋藤等人发现危险的岩石的稳定性密切相关,动态特性(26]。马等人发现,粘结面积呈正相关,自然振动频率(27]。Fukata等人发现危险的岩石表面的埋藏深度与质量密切相关,杨氏模量,自然振动频率,和危险的岩石的泊松比(28]。谢等人发现,探地雷达(GPR)调查可以用来评价边坡稳定性(29日]。杜等人,贾等人进一步倾倒危险的岩石上进行了实验研究,发现自然振动频率的稳定性密切相关(30.- - - - - -33]。然而,上述研究才刚刚开始,在实验阶段,和理论尚未完善34,35]。和上面的测试发现,危险的岩石的动态特性参数的稳定性密切相关(36]。因此,自然振动频率可以用来识别和监控的损害危险的岩石,然后判断其稳定性。

2。项目概述

Huangzangsi Hydrojunction位于黑河的主流,约11公里的下游Huangzangsi村,青海省。这是一个碾压混凝土重力坝。三峡大坝蓄水区面积7648公里2水库的总存储容量是4.03亿米3,安装容量490000千瓦的电站,投资是2782 .09点几百万元。河谷狭窄,形状的“V”。山谷的底部的海拔是2520.85 - -2533.50 m,左岸最高的海拔3121 - 3130米,最大仰角的右岸是3254米。银行坝轴的两侧斜坡陡峭,左岸是超过2576,斜率是一般60°~ 80°,右岸边坡是一般45°~ 60°。工程地点位于Liupanshan-Qilianshan地震带。根据地震危险性分析结果,峰值地面加速度在网站是0.19克,和相应的基本的地震强度是七度。

地层岩性在坝址区主要是寒武纪中间系统变质岩和第四纪松散积累层,和总体岩性主要是绿泥石,莫斯科,石英片岩、中硬岩,包含软岩石绿泥石片岩或云母等部分地区。坝址区位于北祁连褶皱带。受多相地壳运动的影响,故障和其他结构性的飞机开发和左岸边坡是稳定的,但也有不同尺度的崩溃。正确的桥台river-trending断层附近,适度陡倾角结构面,和岩体的完整性差。在重力作用下,振动载荷和裂隙水压力,当结构面的抗剪强度不足以抵抗滑动,滑动破坏的主要控制结构表面将严重威胁施工人员的生命和财产安全的建设项目。一个典型卡瓦式危险的岩石模型如图1。


图1
一个典型卡瓦式危险的岩石模型。

3所示。滑动危险的岩石的稳定性评价模型基于自然振动频率

3.1。固有振动频率

振动是物体的固有财产。从自然到工业领域,振动现象无处不在。危险的岩石、山体滑坡、各种机械、电力设备、仪器、建筑和桥梁,等等,每个对象在不同的自由。当对象的结构被破坏,对象的自然振动频率将会改变在不同自由度。目前,自然振动频率的原则广泛应用于结构损伤监测桥梁结构、建筑结构、航空设备、船舶、等,和结构健康状况或损坏程度的监控对象通过监测数据进行了分析。因此,它被认为自然振动频率的理论引入到危险的岩石结构损伤识别的实现其稳定性评价。

固定频率也称为自然频率。当一个对象自由振动,与时间对象执行周期性的往复运动,往复循环的周期是固定的。最典型的振动是简谐振动,计算的公式简单的自然振动频率谐波振动方程(1)。简单的谐波振动图所示2。 在哪里 是无阻尼固有振动频率(赫兹); 是等效刚度系数(N / m);和 质量(公斤)。


图2
简单的谐波振动。
3.2。动态特性模型的建设

假设危险的岩石是均匀和各向同性,主要控制结构面是一个平面,和系统阻尼比小于1的变形幅度范围是线性弹性变形,然后危险的岩石的振动模型可以简化为一个简单的谐波振动模型,如图3。


图3
振动模型的危险的岩石。

基本可视为无限块相对于危险的岩石。的整体刚度基础和危险的岩石相对较大,结构面强度是相对较弱而危险的岩石和基础。当受到外力时,块可以被视为一个质子,结构表面可以被看作是一个春天,基本传输功率通过结构性危险的岩石表面,和危险的岩石沿着构造面上下振动。自从基地被视为无限块,所以基本没有影响的振动系统。因此,滑动危险的岩石的动态特性模型可以被视为简单的谐波振动。

K在公式(1)是用于描述的基本物理量的弹性变形形式材料在外力的作用下,一般来说,产生单位位移所需的力。表达式是方程(2)。

将方程(2)方程(1的振动频率公式),危险的岩石

系统阻尼没有考虑在上面的理论推导。当系统组阻尼= 1(临界阻尼)或大于1(阻尼),系统的振动迅速衰减,没有振动特性和振动频率的危险的岩石并不存在。因此,该模型不适合临界阻尼和过阻尼的危险的岩石系统;当危险的岩石的衰减率小于1(弱阻尼系统)、阻尼系统的振动频率和理论上推导出振动频率有以下关系。 在哪里 系统的阻尼比,无量纲 是系统的阻尼振动频率(赫兹)。

用方程(4)方程(3),危险的岩石的自然振动频率关系条件下的弱阻尼可以获得

3.3。基于自然振动频率稳定性评价模型

根据极限平衡方法,滑动式危险的岩石的安全系数是方程(6)。 在哪里 是裂隙水压力(kN / m); 水平地震系数,无单位; 是内聚力(kPa); 摩擦角(°); 是滑动面倾角; 的重量是危险的岩石;和 危险的岩石之间的粘结面积,基础(m2)。

代入方程(5)方程(6)获得方程(7)。

根据方程(7),当质量、倾角、水平地震系数、内聚力、内摩擦角、弹性模量、阻尼和结构表面的滑动式危险的岩石是已知的,危险的岩石的安全系数可以通过监测自然振动频率计算。

4所示。稳定滑动式评估危险的岩石的斜率Huangzangsi坝址

4.1。选择危险的岩石

开挖和支持后,大坝的过度左倾——并以个人喜好开拓右斜坡整体稳定的站点区域是好的,还有空或者相对宽松一些不支持的地区的岩石和土壤质量。在施工或降雨的影响下,危险的岩石在上述地区可能会变得不稳定。破碎的主要不稳定区域的表面上方的斜坡2号路坝址右岸和松散斜坡的下游一侧开挖区左岸。选择一个典型的滑动式危险的岩石在这两个领域,使用远程激光振动计作为一种工具来监控的自然振动频率这两个危险的岩石,然后计算安全系数基于本文提出的理论模型,然后比较与当前的情况。一些极限平衡方法用于计算的安全系数危险的岩石,和典型的滑动式危险的岩石图所示4。


图4
Sliding-slip危险的岩石在大坝的两家银行网站。
4.2。仪器测试

仪器测试是rsv - 150远程激光Polytec产生的振动计。rsv - 150激光振动计使用双频激光振动计,这是不同于单频激光振动计具有较强的抵抗干扰的能力和高信噪比。rsv - 150远程激光振动计如图5和技术参数如表所示1。


图5
rsv - 150远程激光振动计。
表1
技术参数rsv - 150远程激光振动计。
4.3。危险的岩石监控
4.3.1。监控过程

场工程数据收集:它主要包括主结构面倾角、危险的岩石,单位重量,结构面厚度、弹性模量、凝聚力和内摩擦角。

数据采集:远程激光振动计现场安排。收集每一个危险的岩石的动态特性数据,并测量每一个危险的岩石至少三次。

数据分析:收集到的数据筛选和监测数据与大的振幅应当选择,所以数据信噪比高。快速傅里叶变换用于分析危险的岩石的振动频率,和三个监测结果的平均值。危岩稳定性评价模型的基础上构建本文的安全系数计算危险的岩石。

4.3.2。监测结果

将远程激光振动计300米以内远离危险的岩石。电脑连接到远程激光振动计收集振动的时域图。频域图是通过快速傅里叶变换。从2019年5月到2021年10月,自然振动频率收集三次为两个监视点。危险的岩石的平均阻尼系数是0.0249,B是0.0588,所以它适用于危险的岩石的动态特性模型建立。第一次监测的结果如图所示6。第二个监测的结果如图所示7。第三个监测的结果如图所示8。


图6
第一个监测的结果。

图7
第二个监测的结果。

图8
第三个监测的结果。

从图可以看出6的自然振动频率第一监控危险的岩石是8.22赫兹,和危险的岩石的自然振动频率B是7.53赫兹。

从图可以看出7的自然振动频率第二监控危险的岩石是8.20赫兹,和第二的自然振动频率监测危险的岩石B是7.51赫兹。

从图可以看出8第三的自然振动频率监测危险的岩石是8.19赫兹,和第三的自然振动频率监测危险的岩石B是7.50赫兹。危险的岩石的自然振动频率和危险的岩石B显示一个下降的趋势。危险的岩石的固有振动频率和危险的岩石B都下降了0.03赫兹。

4.4。稳定性计算

危险的岩石是由三维激光扫描仪扫描,和危险的岩石的大小等参数,结构面厚度、倾角等参数根据扫描结果(图进行了分析9)。图10现场工作图的三维激光扫描仪。


图9
三维激光扫描仪扫描的结果。

图10
三维激光扫描仪工作图。

通过三维激光扫描仪扫描,危险的岩石长6.08米,宽5.91米,厚1.98米,71.15米3在体积,47.3°倾角结构面,结构面厚0.015米,在质量和179290.30公斤;危险的岩石B是长4.88米,宽8.02米,厚3.54米,体积是138.55米3的倾角结构面38.5°,结构表面的厚度0.015米,和质量是349138.70公斤。的地面运动峰值加速度的概率超过10% 50年来在坝址区为0.19 g,和相应的基本的地震强度是八世度,水平地震系数为0.19。指的是调查和设计数据,危险的岩石的参数如表所示2。

表2
参数值。

替代自然振动频率和结构面强度参数方程(7)计算的安全系数两个危险的岩石,如表所示3。

表3
测量结果的危险的岩石的自然振动频率。

从表中3可以看出,自然振动频率单调与安全系数呈正相关的危险的岩石。危险的岩石的自然振动频率降低了从8.22 HZ 8.19赫兹,和安全系数从2.43到2.41。危险的岩石B的自然振动频率降低了从7.53赫兹到7.50赫兹,和安全系数从2.08到2.06。计算结果表明,在外部环境的影响下,如降雨量、振动、和冰融化,逐渐恶化的危险的结构面A和B危险的岩石,岩石强度降低,自然振动频率降低,安全系数降低。安全系数总是大于2.0,处于稳定状态。根据设计数据,利用极限平衡方法,危险的岩石的安全系数为2.52,和危险的岩石B的安全系数为2.12,这是接近危险的岩石的安全系数计算,表明本文的方法是正确的和可行的。通过监测的自然振动频率危险的岩石和实时计算安全系数,可以快速意识到危险的岩石的稳定性评价。研究具有较高的理论意义和应用价值的稳定性评价和安全监测和预警滑动危险的岩石。

5。结论

基于动力学理论,自然振动频率之间的定量关系模型,结合区,弹性模量,建立了滑动式危险的岩石的质量。和极限平衡模型介绍了执行滑动式危险的岩石的稳定性评价的基础上,自然振动频率。稳定性评价指标之间的不一致问题的危险的岩石和危险的岩石的监测指数已经解决。该模型可以计算安全系数的实时监测的自然振动频率危险的岩石。此外,危险的岩石的稳定性评价实时可以很快确定。这一技术具有较强的研究价值和publicical意义。

远程激光振动计是用于监控的自然振动频率的滑动式危险的岩石山坡上Huangzangsi Hydrojunction,危险的岩石和稳定性评价是实现基于安全系数之间的定量关系模型和自然振动频率。与极限平衡方法计算的安全系数,结果基本上是相同的,表明该方法是正确的和可行的。和相关的研究成果可以为安全监测提供重要的指导和先进的警告滑动危险的岩石。

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

本文作者声明的发表没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(没有。U1704243)和自然科学基金会颁发教育部、安徽省(没有。KJ2020A0235)。