潘長春， 徐 穎， 宗 琦

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

基于單孔爆破的節(jié)理裂隙減振模型試驗(yàn)研究

潘長春， 徐 穎， 宗 琦

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

在復(fù)雜環(huán)境的城市地下工程進(jìn)行爆破開挖，對青島地鐵控制爆破振動危害提出了極高標(biāo)準(zhǔn)；基于考慮富含天然裂隙巖石地質(zhì)條件下，通過模型試驗(yàn)研究了巖體裂隙對爆破振動波傳播規(guī)律的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，巖體裂隙的存在阻礙了爆破振動波的傳播，明顯降低了爆破振動效應(yīng)，當(dāng)增加裝藥量時(shí)，爆破振動效應(yīng)就越強(qiáng)且趨勢變快，爆破振動頻率也越靠近建筑物固有頻率；當(dāng)裂隙深度發(fā)育越深時(shí)，爆破振動效應(yīng)就越弱，可裂隙深度過大，降低爆破振動效應(yīng)程度并不明顯；同時(shí)裂隙深度的發(fā)育，對各向爆破振動頻率影響趨勢基本一致，表現(xiàn)出波動性極小。波形頻譜表明單孔爆破試驗(yàn)中爆破振動信號波形簡單，振動峰值和頻率單一。

爆破振動效應(yīng)；單孔爆破；裝藥量；裂隙深度；頻率

隨著城市高速發(fā)展，爆破技術(shù)的廣泛運(yùn)用，爆破引起的附近結(jié)構(gòu)物的受振或破壞的防護(hù)問題已越來越突出。爆破振動是爆破作業(yè)中無法消除的效應(yīng)之一，位列爆破公害之首，爆破振動危害控制一直是國內(nèi)外爆破安全技術(shù)的重大研究課題[1-4]。爆破振動效應(yīng)是指爆破振動波在介質(zhì)傳播過程中，造成附近非爆破目標(biāo)的結(jié)構(gòu)物不同程度上的破壞現(xiàn)象，爆破振動波在地層中傳播及其產(chǎn)生的地面擾動是一個非常復(fù)雜的動力學(xué)過程，受到爆炸、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)物自身特性等因素的影響。爆破振動效應(yīng)主要研究爆破振動波的傳播規(guī)律及其控制手段、方法，選擇適當(dāng)?shù)谋萍夹g(shù)，在保證爆破效果的條件下，確保周圍結(jié)構(gòu)物的安全穩(wěn)定[5-7]。國內(nèi)外大量研究成果和實(shí)踐表明，多數(shù)國家現(xiàn)有安全標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮了振動速度峰值和主振頻率兩個因素做為聯(lián)合判據(jù)是合理的。

近三十年，眾多學(xué)者圍繞爆破振動控制做了諸多理論研究、進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬對比研究[8]。盧文波等[9]對水電工程中爆破振動安全判據(jù)的關(guān)鍵問題的探討和深入分析；周劍等[10]數(shù)值模擬了應(yīng)力波傳播規(guī)律受結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀的影響；唐海等[11]通過現(xiàn)場測試對預(yù)裂爆破減振效應(yīng)進(jìn)行了分析；由于巖石是非均勻各向異性介質(zhì)，無論是低孔隙率、狹窄性和形狀特性難測的微觀裂縫，還是存在的空間方向、連續(xù)或非連續(xù)、寬度以及空間的充填物等因素的節(jié)理、層面和裂隙的宏觀裂縫，它們的存在會導(dǎo)致振動波振幅的衰減及傳播速度的變化，是影響爆破振動波傳播的一個重要因素[12-14]。丁黃平等[15-16]考慮到位移、應(yīng)力連續(xù)等彈塑性邊界條件，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波穿越單節(jié)理時(shí)振動幅值下降并伴有波形轉(zhuǎn)變。趙堅(jiān)等[17]采用有限差分法模擬炸藥爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波在節(jié)理裂隙巖體中的傳播規(guī)律。Wheeler運(yùn)用快速傅里葉變換原理，采用不同單一頻率波形的疊加合成波形為單孔爆破振動波形，得到具有微差延時(shí)的多孔爆破模擬預(yù)測波形；吳從師等[18]使用單孔爆破振動記錄波形作為源函數(shù)，通過線性疊加實(shí)現(xiàn)多孔爆破振動波形的預(yù)測。

基于單孔爆破振動基波的疊加組合預(yù)測模型是當(dāng)前國內(nèi)外主要研究方向，以往研究應(yīng)力波在裂縫處的傳播規(guī)律，通常假設(shè)裂縫是連續(xù)黏結(jié)的界面。本文以單孔爆破振動波形為基礎(chǔ)，采用線性不連續(xù)裂縫減振模型，研究應(yīng)力波穿越非連續(xù)性裂縫的傳播規(guī)律，為制定降低或控制爆破振動技術(shù)措施方面提供參考。

1 應(yīng)力波在節(jié)理裂隙巖體中的傳播

當(dāng)應(yīng)力波在節(jié)理巖體中傳播時(shí)，節(jié)理的存在會導(dǎo)致波振幅的衰減及傳播速度的變化。當(dāng)炸藥在炮孔內(nèi)引爆之后，在爆轟沖擊波的作用下炮孔壁周圍出現(xiàn)了較密集、很不規(guī)則的徑向裂紋網(wǎng)絡(luò)。巖石爆破瞬間其應(yīng)力波的傳播過程經(jīng)歷時(shí)間最長，變化最復(fù)雜。當(dāng)爆炸應(yīng)力波遇到兩種巖石的界面，將產(chǎn)生反射和透射，不連續(xù)面對應(yīng)力波的衰減產(chǎn)生影響，炸藥在巖體內(nèi)爆炸激起的應(yīng)力波是縱波。張奇[19]考慮了含充填物的節(jié)理時(shí)應(yīng)力波傳遞遇節(jié)理面的透反射系數(shù)。PYRAK-NOLTE等[20-22]綜合考慮了裂隙的數(shù)量、寬度、以及充填物的影響，當(dāng)應(yīng)力波傳遞到節(jié)理面時(shí)，發(fā)生了反射和透射現(xiàn)象，先提出縱波垂直入射單個節(jié)理面的透射系數(shù)

(1)

繼而給出應(yīng)力波入射平行多節(jié)理時(shí)透射系數(shù)簡便計(jì)算公式

(2)

尚嘉蘭等[23]在只考慮壓應(yīng)力波在裂隙間的透射與反射影響， 得到縱波經(jīng)過n條平行閉合裂隙后的透射系數(shù)為

(3)

式中：A和B分別為人射縱波的透、反射系數(shù)；K′為影響透射波的入射波范圍和透射的上升階數(shù)。

以上給出了應(yīng)力波垂直入射到節(jié)理面后的透反射情況，是理論與數(shù)值模擬的計(jì)算公式。由于模型實(shí)驗(yàn)也是一種有效的研究手段，可以運(yùn)用相似比理論，探析應(yīng)力波在節(jié)理裂隙巖體中的傳播規(guī)律，為以后理論研究、數(shù)值計(jì)算提供參考的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 單孔爆破減振模型試驗(yàn)

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)

試驗(yàn)設(shè)備采用Minimate Plus振動記錄儀(見圖1)，該臺儀器由主機(jī)、傳感器、麥克風(fēng)和適配器四部分組成，有4個通道(3個信號通道、1個聲通道)，信號通道接三向振動傳感器，設(shè)備具有體小質(zhì)輕、頻響寬、分辨高、靈敏度高，低失真、儲量大和軟件功能強(qiáng)等特點(diǎn)，在高級設(shè)置下可記錄500 s 的波形事件，單一通道采樣率可高達(dá)65 000樣本·s-1，最大量程254 mm·s-1，閾值范圍為0.25～57.9 mm·s-1，能監(jiān)測到最低幅值為0.03 mm·s-1，滿足試驗(yàn)要求。

圖1 Minimate Plus振動記錄儀Fig.1 Minimate Plus vibration monitors

2.2 模型設(shè)計(jì)、制作

由于巖體節(jié)理、層面、裂隙等裂縫廣泛存在，為了研究單孔爆破下宏觀裂縫減振規(guī)律，根據(jù)力學(xué)模型相似理論，主要考慮物理力學(xué)參數(shù)相似，采用砂漿模型，模型尺度為長960 mm、寬900 mm和高300 mm。材料由通用硅酸鹽水泥、中砂及水組成，按材料比配置(水∶水泥∶砂=0.5∶1∶2)，把砂和水泥放入混凝土攪拌機(jī)干拌，分次加水濕拌，分層澆筑振搗。澆筑之前，先預(yù)制涂油的不銹鋼管模擬單孔，鋼管和炮孔直徑相同，其長度比炮孔長約50 mm，鋼管上部軋扁拴上鐵絲，炮孔直徑、深度為10 mm、200 mm；模擬巖體宏觀裂縫采用涂油不銹鋼板，鋼板長度和厚度與裂縫一致，鋼板寬度比裂縫深度多50 mm，鋼板上部兩端各鉆穿一孔，用鐵絲扎緊，裂縫尺度長700 mm、深250 mm和厚2 mm。

用卷尺按試驗(yàn)方案把鋼管和鋼板埋在預(yù)設(shè)處，用架子固定，模型制作程序相同，可保證條件一致，成型之后及時(shí)拆模、養(yǎng)護(hù)和防護(hù)，模型剖面圖如圖2所示。

圖2 模型及測點(diǎn)布置(單位：mm)Fig.2 Model and point arrangement(unit:mm)

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在模型軸線距邊界100 mm安設(shè)鋼管，從臨近炮孔一側(cè)起200 mm埋設(shè)鋼板，鋼板兩端距模型寬兩側(cè)均100 mm。依據(jù)單孔爆破研究需要，測點(diǎn)采用直線型布置，以單孔爆心作為爆源中心，考慮波形特征和傳感器的安全，中軸線上測點(diǎn)均設(shè)置在裂縫一側(cè)，距炮孔臨近一側(cè)模型邊界400 mm和850 mm處，布置方案如圖2所示。為了保證記錄結(jié)果真實(shí)，傳感器必須黏結(jié)牢固，用水泥砂漿均勻涂抹，將傳感器底座緊壓固定，把傳感器徑向(X向)垂直于裂縫走向，切向(Y向)平行于裂縫走向，垂向(Z向)與模型表面垂直。經(jīng)試爆確定黑索金為主裝藥量，150 mg疊氮化鉛為起爆藥，藥柱采用特制雷管，從藥柱上端起爆，炮孔用細(xì)沙堵塞，水泥漿抹平。試驗(yàn)共獲得質(zhì)點(diǎn)振動數(shù)據(jù)較多，本文以垂向振動波形為主要研究對象。

3 試驗(yàn)分析

項(xiàng)目一是固定單孔總裝藥量1.0 g條件下，模擬巖體有、無縫情況爆破試驗(yàn)，爆破效果如圖3所示，取典型垂向測試波形和功率譜圖如圖4所示。

圖3 爆破效果Fig.3 Blasting effect

項(xiàng)目二是在預(yù)設(shè)裂縫(長700 mm、深250 mm和厚2 mm)尺寸條件下，改變單孔總裝藥量，分別以單孔總裝藥量Q=0.7 g、1.0 g、1.2 g、1.5 g和2.0 g進(jìn)行試驗(yàn)，考慮篇幅的問題，只給出Q=1.5 g時(shí)測點(diǎn)1的波形和功率譜圖如圖5所示，試驗(yàn)測得的質(zhì)點(diǎn)爆破振動垂向振速、主頻隨單孔藥量數(shù)據(jù)變化曲線如圖6和圖7所示。

項(xiàng)目三是固定單孔總裝藥量1.5 g，分別以裂縫深度為h= 5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm進(jìn)行試驗(yàn)，限于篇幅問題，只給出h=15 cm和h=25 cm時(shí)測點(diǎn)1的波形如圖8和圖9所示，試驗(yàn)測得爆破質(zhì)點(diǎn)三向主頻率、振速和縫深數(shù)據(jù)關(guān)系曲線如圖10和11所示，其中垂向振速受縫深影響較大，垂向振速隨縫深變化的減振率如圖12所示，減振率隨縫深和孔深的比值的數(shù)據(jù)變化如圖13所示。

爆破質(zhì)點(diǎn)振動衰減規(guī)律影響因素很多，主要包括地質(zhì)狀況、場地條件、炸藥埋置深度、與裝藥中心位置關(guān)系、裝藥量、爆心距。鑒于上述原因，從理論上很難得出通用性很強(qiáng)的爆破振動波的傳播衰減規(guī)律，但工程實(shí)踐中常遇到復(fù)雜環(huán)境下爆破振動危害控制，文中著重考慮節(jié)理裂隙巖體條件下，對爆破振動波傳播和衰減的影響。

(a) 無縫測點(diǎn)1

(b) 無縫測點(diǎn)2

(c) 有縫測點(diǎn)1

(d) 有縫測點(diǎn)2

圖5 Q=1.5 g的質(zhì)點(diǎn)爆破振動波形及功率譜圖Fig.5 Mass point blasting vibration waveform of charge 1.5 g and power spectrum

圖6 質(zhì)點(diǎn)振速隨單孔藥量的數(shù)據(jù)變化曲線圖Fig.6 Relational curves between charge and velocity

圖7 質(zhì)點(diǎn)主頻隨單孔藥量的數(shù)據(jù)變化曲線圖Fig.7 Relational curves between charge and frequency

圖8 縫深為15 cm時(shí)爆破振動波形圖Fig.8 Blasting vibration waveform under crack depth of 15 cm

圖9 縫深為25 cm時(shí)爆破振動波形圖Fig.9 Blasting vibration waveform under crack depth of 25 cm

圖10 質(zhì)點(diǎn)主頻隨縫深的數(shù)據(jù)變化曲線圖Fig. 10 Relational curves between crack depth and dominating frequency

圖11 質(zhì)點(diǎn)振速隨縫深的數(shù)據(jù)變化曲線圖Fig. 11 Relational curves between crack depth and vibration velocity

圖12 減振率隨質(zhì)點(diǎn)振速的數(shù)據(jù)變化曲線圖Fig.12 Relational curves between damping rate and vibration velocity

圖13 減振率隨縫深/孔深的數(shù)據(jù)變化曲線圖Fig.13 Relational curves between damping rate and crack depth/hole depth

為了更加直觀觀察裂隙對爆破振動傳播規(guī)律的影響，從項(xiàng)目一選2組特殊情況做爆破質(zhì)點(diǎn)振速和頻率分析。圖4(a)～圖4(d)給出了有縫和無縫波形，從圖4中對比可以明顯看出：測點(diǎn)1的質(zhì)點(diǎn)振速由0.4 cm·s-1降到0.3 cm·s-1，測點(diǎn)2的質(zhì)點(diǎn)振速0.35 cm·s-1降到0.17 cm·s-1，無縫情況質(zhì)點(diǎn)振速衰減較慢，有縫情況質(zhì)點(diǎn)振速衰減較快；在忽略測點(diǎn)1和測點(diǎn)2模擬距離的影響下，單純從質(zhì)點(diǎn)振動速度方面考慮，無縫質(zhì)點(diǎn)最大振速比有縫質(zhì)點(diǎn)最小振速大2.4倍，無縫質(zhì)點(diǎn)最小振速與有縫質(zhì)點(diǎn)最大振速幾乎相等，這說明當(dāng)振動波穿過預(yù)裂縫時(shí)，預(yù)裂縫確實(shí)起到了阻礙作用，使得能量耗散增多，削弱了振動波傳遞的能量。

從圖6可知，單孔總裝藥量小，質(zhì)點(diǎn)振動速度較小，反之較大，兩者變化趨勢一致；但隨單孔總裝藥量達(dá)到較大值時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動速度呈現(xiàn)陡增態(tài)勢，兩者非線性關(guān)系明顯突出，因此，爆破施工時(shí)裝藥量提高要有所限制。在單孔總裝藥量相同下，測點(diǎn)1因距炮孔較近，質(zhì)點(diǎn)振動速度表現(xiàn)出比測點(diǎn)2要大，表明距離對質(zhì)點(diǎn)振動速度有響應(yīng)，但隨單孔總裝藥量增加兩點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動速度變化趨勢越接近。圖7作出了不同單孔總裝藥量的主頻率變化曲線，表明質(zhì)點(diǎn)主頻率隨單孔總裝藥量增加在降低，由于藥量大，爆炸反應(yīng)時(shí)間較長，藥室內(nèi)正、負(fù)壓作用時(shí)間均延長，使爆源激發(fā)的振動波頻率較低，因此工程實(shí)踐中需要警惕低頻建筑物發(fā)生共振的危險(xiǎn)；不過藥量增加到較大時(shí)，主頻率降低的趨勢變得緩和，反向非線性關(guān)系表現(xiàn)突出。在以上圖4和圖5所示中也表明單孔爆破振動信號的功率譜圖曲線峰值單一，振動頻率成分簡單。

圖10給出了在縫深變化下質(zhì)點(diǎn)徑向、切向和垂向主頻率的大小變化圖，從中可以看出，質(zhì)點(diǎn)垂向主頻率遠(yuǎn)大于質(zhì)點(diǎn)徑向、切向主頻率，且質(zhì)點(diǎn)垂向主頻率處于中高頻，質(zhì)點(diǎn)徑向和切向的主頻率處于低頻，質(zhì)點(diǎn)徑向主頻率和切向主頻率幾乎相等；隨縫深的尺度增加，質(zhì)點(diǎn)三向(垂向、切向、徑向)主頻率沒有發(fā)生較大波動，在圖10中，3條線的斜率近似相等，即裂隙對各方向(垂向、切向、徑向)的主頻率的影響趨勢基本一致，所以，在裂隙越發(fā)育的情況下，爆破施工可以提高裝藥量。

圖11表明因裂隙縫深的增加，質(zhì)點(diǎn)垂向振動速度一直處于減小態(tài)勢，減小態(tài)勢越來越平緩，未表現(xiàn)出反向線性關(guān)系，但較之對質(zhì)點(diǎn)徑向、切向振動速度影響較?。粡较蚝颓邢蛸|(zhì)點(diǎn)振動速度非常相近，說明縫深變化對徑向、切向振動速度影響趨勢也基本一致，垂向振動速度處于中高速，徑向、切向振動速度處于低速，所以爆破監(jiān)測時(shí)重點(diǎn)考慮垂向?qū)χ苓吋暗乇斫ㄖ锏挠绊?。圖12說明縫深增加時(shí)減振率不斷加大，當(dāng)縫深增加到一定值時(shí)，減振率逐漸減小，減振效果比較差。圖13說明炮孔深度和裂隙深度的關(guān)系，表明在一定比值(縫深/孔深)范圍內(nèi)，減振效果得以改善，反之減振效果不佳；因此在工程實(shí)踐中，為了降低爆破振動對周圍建筑物影響，盲目減小鉆孔深度或加大預(yù)裂爆破預(yù)裂縫的深度，實(shí)際上并沒有起到降低爆破振動危害，反而增加工程成本和工期，合理選擇比值范圍需要根據(jù)具體工程條件和要求，進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

從以上分析可以看出：當(dāng)巖石存在裂隙時(shí)，周邊監(jiān)測點(diǎn)的速度振動值和頻率往往是有變化的，在通過試驗(yàn)確定爆破施工參數(shù)，提出爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮裂隙的影響，甚至當(dāng)巖石裂隙條件對爆破振動的影響較大時(shí)，可以根據(jù)爆破施工方案提出不同的控制標(biāo)準(zhǔn)，在布置監(jiān)測過程中充分考慮巖石裂隙的影響，當(dāng)巖石裂隙條件較為發(fā)育時(shí)可以合理利用已有裂隙降低爆破振動危害。

4 結(jié) 論

(1)爆炸產(chǎn)生的振動波在巖體中傳播時(shí)受到節(jié)理裂隙阻礙的響應(yīng)，降低了質(zhì)點(diǎn)振動速度和質(zhì)點(diǎn)主頻率，阻隔作用影響顯著。

(2)隨單孔裝藥量的增加，質(zhì)點(diǎn)振動速度也在變大，質(zhì)點(diǎn)主頻率反而降低；當(dāng)單孔裝藥量達(dá)到較大值時(shí)，質(zhì)點(diǎn)振動速度呈現(xiàn)陡增態(tài)勢，質(zhì)點(diǎn)主頻率降低趨勢緩和，同時(shí)距離對質(zhì)點(diǎn)振動速度也有響應(yīng)。

(3)節(jié)理裂隙深度對質(zhì)點(diǎn)三向(垂向、切向、徑向)主頻率的影響趨勢基本一致，且各向主頻率發(fā)生波動較小，中高頻段位的質(zhì)點(diǎn)垂向主頻率遠(yuǎn)大于低頻段位的質(zhì)點(diǎn)徑向、切向主頻率，徑向主頻率近似等于切向主頻率。

(4)爆破振動波在巖石中傳播時(shí)，隨節(jié)理裂隙深度的增加，質(zhì)點(diǎn)振動減弱，尤其對垂向影響較大，但裂隙深度過大，對降低爆破振動效應(yīng)程度不大。

(5)單孔爆破試驗(yàn)中爆破振動信號曲線顯示波形簡單和振動峰值、頻率成分單一，有利于為后期多孔微差爆破研究打下基礎(chǔ)。

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Tests for vibration reduction model of joint fracture based on single-hole blasting

PAN Changchun，XU Ying，ZONG Qi

(School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China)

Higher standards were proposed for Qingdao subway controlled blasting vibration possible hazards， in order to do blasting excavation for urban underground engineering under complex environ ment. The propagating laws of blasting vibration waves under rich fractured rock geological conditions were studied using the model tests. The test results indicated that the presence of rock fractures hinders the propagating of blasting vibration waves, the blasting vibration effect is reduced significantly; when explosive charge increases, the blast vibration effect is stronger，its trends becomes faster and the blasting vibration frequency is closer to the building natural frequency; the deeper the growth of fractukes’ depth, the weaker the blasting vibration effect; if the depth of fractures is too big, the reduction of the blasting vibration effect is not obvious; the growth of the fracture’s depth has a basically same effect with a very small fluctuation on the blasting vibration frequencies in all directions. The waveform spectrum analysis showed that the single-hole blasting signals have a simple waveform and their vibration peak and frequency are single.

blasting vibration effect；single-hole blasting；explosive charge；fracture depth；frequency

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274009；51374012；51404010)

2015-11-23 修改稿收到日期： 2016-02-15

潘長春 男，博士生，1983年生

徐 穎 男，教授，博士生導(dǎo)師，1965年生

O38

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.07.038