張小康，潘長(zhǎng)春

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

隨著爆破技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注爆破振動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境和建(構(gòu))筑物的影響及其振動(dòng)規(guī)律，即爆破振動(dòng)效應(yīng)[1-2]。工程實(shí)踐證明，爆破振動(dòng)強(qiáng)度既受爆源如炸藥總量、單響藥量、孔網(wǎng)參數(shù)和起爆順序以及不耦合系數(shù)等因素的影響，又受傳播途徑如測(cè)點(diǎn)距離，地形、地質(zhì)條件等因素的制約，其中藥量的影響是重中之重。在爆破施工時(shí)，由于鉆孔數(shù)及鉆孔深度會(huì)隨實(shí)際情況的變化而變化，結(jié)果是導(dǎo)致裝藥量也發(fā)生改變，為了減弱因藥量突然增加而產(chǎn)生爆破振動(dòng)加強(qiáng)，降低爆破振動(dòng)效應(yīng)的危害，防止居民對(duì)正常施工的干擾，因此，研究裝藥量的變化對(duì)附近建(構(gòu))筑物造成的影響，就顯得十分必要。針對(duì)上述情況，本文利用單孔爆破振動(dòng)模型試驗(yàn)，在存有預(yù)裂縫的條件下，研究了不同裝藥量下的爆破振動(dòng)波的頻率及能量的分布規(guī)律，從而為有效降低爆破振動(dòng)效應(yīng)提供參考依據(jù)。

1 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

1.1 測(cè)試原理

爆破振動(dòng)波傳至傳感器器時(shí)，使傳感器產(chǎn)生感生電壓輸出，感生電壓信號(hào)超過(guò)預(yù)設(shè)的觸發(fā)電平值時(shí)，爆破振動(dòng)記錄儀開(kāi)始自動(dòng)地記錄傳感器輸入的振動(dòng)信號(hào)，并將振動(dòng)波儲(chǔ)存在儀器內(nèi)，關(guān)閉電源后也不會(huì)丟失。監(jiān)測(cè)結(jié)束后，通過(guò)計(jì)算機(jī)中專(zhuān)用軟件與爆破振動(dòng)記錄儀連接、通訊，可以讀取并分析爆破振動(dòng)波。測(cè)試系統(tǒng)基本工作原理如圖 1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)工作原理圖

1.2 測(cè)試儀器

測(cè)試儀器采用美國(guó)生產(chǎn)的Minimate Plus振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，該系統(tǒng)包括四個(gè)組成部分：MINI主機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)三向振動(dòng)傳感器，線性麥克風(fēng)，電源適配器。具有1個(gè)聲通道和3個(gè)爆破振動(dòng)信號(hào)通道。爆破結(jié)束后數(shù)秒就可讀出爆破沖擊波噪聲、3個(gè)向量的速度分量以及各自的主頻率。存儲(chǔ)空間1024k，最多可存儲(chǔ)341個(gè)記錄，最大采樣頻率2048Hz，最大量程254mm/s，觸發(fā)值范圍為0.254～57.9mm/s。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 水泥砂漿模型

試驗(yàn)制作的水泥砂漿模型尺寸為 960mm×900mm×300mm，試件是由425型號(hào)普通硅酸鹽水泥、篩選后的中砂，加水?dāng)嚢铦沧⒍?，配比為水泥∶砂∶?1∶2∶0.45，澆筑時(shí)在距試件一側(cè)100mm處中心對(duì)稱(chēng)位置預(yù)留直徑8.0mm炮孔，孔深為150mm。預(yù)裂縫在澆筑過(guò)程中預(yù)埋，埋置深度200mm，長(zhǎng)度700mm，寬度3.0mm，平面布置如圖2所示。試件的抗壓強(qiáng)度為42.24MPa，泊松比為0.22，彈性模量為18.8GPa，縱波聲速為3123m/s，試件養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行爆破試驗(yàn)。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)研究工作需要，試驗(yàn)采用直線布點(diǎn)，在距試件預(yù)裂縫中心線200mm、650mm處布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，圖中1#和2#分別代表第一測(cè)點(diǎn)和第二測(cè)點(diǎn)。每次布置傳感器時(shí)，分別測(cè)試水平X方向、Y方向以及垂直Z方向的速度振動(dòng)量。為了使傳感器與試件緊緊連成一體，采用粘結(jié)性較好的石灰膏，加水?dāng)嚢杈鶆蚝髮⑵淦戒佋跍y(cè)點(diǎn)位置，再把傳感器緊壓其上，等黏結(jié)牢固之后，可進(jìn)行爆破試驗(yàn)。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.3 裝藥量的確定

根據(jù)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，在預(yù)裂縫縫深200mm，縫長(zhǎng)700mm，縫寬3.0mm的條件下，分別以單孔總裝藥量為0.7g、1.0g、1.2g、1.5g和2.0g的級(jí)別進(jìn)行爆破振動(dòng)試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)試爆確定主裝藥量為黑索金，起爆藥為150mg的疊氮化鉛，用細(xì)沙和502膠水堵塞，電火花從藥柱上端進(jìn)行起爆。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 爆破效果

不同裝藥量下的試件爆破效果如圖3所示。

圖3 不同裝藥量的爆破效果

圖3(a)、(b)中反映出，在裝藥量較小的情況下，爆破時(shí)只能產(chǎn)生內(nèi)部損傷或表面微裂紋等現(xiàn)象，對(duì)試件的破壞作用比較弱，爆破效果不夠理想。從圖3(c)、(d)可以看出，在加大裝藥量的情況下，對(duì)試件的破壞作用比較強(qiáng)，爆破效果得到明顯改善。當(dāng)裝藥量為2.0g時(shí)，試件的破壞最為嚴(yán)重，且形成類(lèi)似于爆破漏斗的形狀，主要是由于靠近炮孔一側(cè)自由空間好，最小抵抗線方向的夾制作用?。粡膱D3(b)、(c)、(d)可以看出，由于有預(yù)裂縫的存在，阻止了裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，即使加大裝藥量，也很難破壞預(yù)裂縫的另一側(cè)，起到了保護(hù)作用，原因是預(yù)裂縫對(duì)爆炸應(yīng)力波起到了一定的阻隔或減弱作用，消耗了大部分能量。從總體來(lái)看，爆破效果除受到炸藥因素影響外，同樣條件制作的試件在力學(xué)參數(shù)、濕度、微細(xì)觀結(jié)構(gòu)等也會(huì)有所不同，爆破時(shí)的堵塞質(zhì)量也會(huì)有影響。

3.1.2 測(cè)試結(jié)果

不同裝藥量單孔爆破振動(dòng)模型試驗(yàn)，裝藥量分別為0.7g、1.0g、1.2g、1.5g和2.0g，運(yùn)用分析軟件現(xiàn)給出典型爆破振動(dòng)波形圖及功率譜圖如圖4～7所示，由于篇幅的原因，裝藥量為1.2g試件爆破振動(dòng)波形圖略去。圖8～9分別為爆破試驗(yàn)中裝藥量與振動(dòng)峰值速度、主頻率之間的關(guān)系。

圖4 0.7g炸藥的爆破振動(dòng)波形圖及功率譜圖

圖5 1.0g炸藥的爆破振動(dòng)波形圖及功率譜圖

圖6 1.5g炸藥的爆破振動(dòng)波形圖及功率譜圖

圖7 2.0g炸藥的爆破振動(dòng)波形圖及功率譜圖

圖8 裝藥量與振動(dòng)峰值速度的關(guān)系

圖9 裝藥量與主頻率的關(guān)系

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)爆破產(chǎn)生的振動(dòng)波進(jìn)行頻譜分析，能夠?yàn)楸乒こ虦p振設(shè)計(jì)、裝藥量的確定、爆破方法的選擇和爆破振動(dòng)安全距離的計(jì)算提供科學(xué)的依據(jù)[3]。爆破振動(dòng)波含有各種頻率成分，而且各種波的含量的差別很大，通過(guò)頻譜分析可以展示各頻率振動(dòng)波的能量，確定能量相對(duì)集中的頻帶和主頻率[4]。本文主要利用頻譜分析對(duì)爆破振動(dòng)波進(jìn)行了研究。

從圖4～7中的波形圖可以看出，此次起爆的最小裝藥量為0.7g，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)峰值速度為1.14mm/s；最大裝藥量為2.0g，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)峰值速度為27.9mm/s。當(dāng)裝藥量較小時(shí)峰值速度很小，增加裝藥量其峰值速度緩緩在變大，當(dāng)裝藥量達(dá)到一定值時(shí)，振動(dòng)峰值速度急劇增大。由圖8可知振動(dòng)峰值速度與裝藥量呈現(xiàn)同向變化趨勢(shì)，即隨著裝藥量的增加而變大，但非正比關(guān)系。同時(shí)在相同裝藥量情況下，較近測(cè)點(diǎn)1#要比遠(yuǎn)測(cè)點(diǎn)2#的的振動(dòng)峰值速度偏大，表明振動(dòng)峰值速度還與測(cè)點(diǎn)距離有關(guān)。

從圖4～7中的功率譜圖可以看出，本次起爆的最小裝藥量為0.7g，對(duì)應(yīng)最大主頻率為88.8Hz；最大裝藥量為2.0g，對(duì)應(yīng)最大主頻率為56.0Hz。在其他參數(shù)基本相同的前提下，隨著裝藥量的增加主頻率有往低頻發(fā)展的趨勢(shì)。其原因是裝藥量大時(shí)，炸藥爆炸反應(yīng)的歷史較長(zhǎng)，爆轟氣體膨脹做功能量較大，藥室內(nèi)正、負(fù)壓作用時(shí)間均延長(zhǎng)，使爆源激發(fā)的振動(dòng)波頻率較低。顯然，由于工程結(jié)構(gòu)體的自振頻率往往較低，這不利于受控對(duì)象的安全。因此，在工程實(shí)踐中增加雷管段別，可以減少低頻波的出現(xiàn)，對(duì)地面建(構(gòu))筑物破壞作用將有所減弱；由圖9可知，主頻率與裝藥量呈現(xiàn)異向變化趨勢(shì)，即隨著裝藥量的增加而減小，也是非正比關(guān)系，且這種變化趨勢(shì)非常緩慢。

總體還呈現(xiàn)出不同裝藥量單孔爆破振動(dòng)信號(hào)的功率譜曲線的形態(tài)較簡(jiǎn)單，峰值數(shù)量較少，表明單孔爆破產(chǎn)生的振動(dòng)頻率成分相對(duì)簡(jiǎn)單。

4 結(jié)論

1)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度與爆破藥量和測(cè)點(diǎn)距離密切相關(guān)。裝藥量不同時(shí)，振動(dòng)峰值速度隨著裝藥量的增加而增大，但不是線性關(guān)系，同時(shí)近距離測(cè)點(diǎn)與遠(yuǎn)距離測(cè)點(diǎn)的峰值速度相比要大。

2)不同的裝藥量對(duì)爆破振動(dòng)主頻率有所影響。在其他參數(shù)基本相同的條件下，隨著裝藥量的增加主頻率在降低，照這樣趨勢(shì)發(fā)展下去，將對(duì)建(構(gòu))筑物的安全構(gòu)成直接威脅。

3)單孔爆破振動(dòng)信號(hào)的功率譜曲線的形態(tài)單一，出現(xiàn)的峰值數(shù)量比較少，說(shuō)明爆破產(chǎn)生的振動(dòng)頻率組成不復(fù)雜，這為研究多孔微差爆破振動(dòng)效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。

[1] 張雪亮，黃樹(shù)棠.爆破地震效應(yīng)[M].北京：地震出版社，1981.

[2] 李翼祺，馬素貞.爆炸力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1992.

[3] 宋熙太.爆炸震動(dòng)中的頻譜實(shí)例及初步規(guī)律[C].防護(hù)工程學(xué)術(shù)交流會(huì)文選，1995，(7)：27-28

[4] 劉國(guó)振，楊軍，陳鵬萬(wàn)，等.某工會(huì)大樓爆破拆除地震效應(yīng)監(jiān)測(cè)分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2004，4(增刊)：153-155