邊坡爆破振動(dòng)傳播規(guī)律的試驗(yàn)研究

鐘冬望,陳江偉,余 剛

(1.武漢科技大學(xué)理學(xué)院,湖北武漢,430065;2.武漢科技大學(xué)冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢,430065)

隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,爆破技術(shù)在采礦、水電、鐵路、高速公路等基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目中的運(yùn)用越來越廣泛,大規(guī)模的爆破開挖邊坡的情況越來越多,但由爆破引起的邊坡滑坡、坍塌等事故屢見不鮮。爆破對邊坡的作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面[1-3]:一是形成的震動(dòng)慣性力增加了邊坡的致滑因素;二是爆破后出現(xiàn)不斷的震動(dòng)使邊坡圍巖中的剪應(yīng)力增加,使原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面、原有的裂紋裂隙擴(kuò)展和延伸,甚至產(chǎn)生新的爆破裂紋和微裂紋,致使其原有的力學(xué)性能下降,從而影響了邊坡的整體穩(wěn)定性。

邊坡在爆破開挖過程中的穩(wěn)定問題是一個(gè)亟待解決的問題。為了探索爆破震動(dòng)的傳播規(guī)律,尋求爆破荷載作用下邊坡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及其響應(yīng)與爆源之間的對應(yīng)關(guān)系,陳士海等[4-7]研究了爆破開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響,并通過現(xiàn)場監(jiān)測提出了切實(shí)可行的減震措施。為此,本文從爆破地震效應(yīng)分析入手,對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)混凝土邊坡的爆破振動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)研究,探討爆破振動(dòng)在邊坡中的傳播規(guī)律,并分析了邊坡爆破振動(dòng)對邊坡作用機(jī)理和地震強(qiáng)度的影響,以期為了解邊坡爆破振動(dòng)對邊坡地震強(qiáng)度的變化規(guī)律提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 模型的制作與安裝

圖1 試件模型的側(cè)視和俯視圖(單位:mm)Fig.1 Side and top view of the specimen model

圖1為試件模型的側(cè)視和俯視圖。模板按圖紙的尺寸進(jìn)行加工,模擬試件的制作由425#硅酸鹽水泥和篩選后的細(xì)砂澆注而成,配比為m(水)∶m(水泥)∶m(砂子)=0.5∶1∶2,養(yǎng)護(hù)28 d。圖2為試件的實(shí)際模型。成型試件模型的主要參數(shù)如下:壓縮強(qiáng)度為42.5 M Pa;體積密度為2 436 kg/m3;泊松比為0.20;拉伸強(qiáng)度為2.53 M Pa;彈性模量為33.4 GPa;縱波速度為4 052 m/s;模型邊坡角為42°。試件規(guī)格為1 200 mm×900 mm×900 mm,共分2組:一組在離底線100 mm處設(shè)有深為250 mm、寬為10 mm預(yù)留的預(yù)裂縫,另一組未設(shè)。每個(gè)模型臺階上預(yù)留14個(gè)炮孔,炮孔的排距為100 mm,孔距為200 mm,炮孔直徑為10 mm,炮孔深度為200 mm,孔內(nèi)采用8#紙質(zhì)普通瞬發(fā)電雷管。為保證炮孔堵塞效果,除預(yù)留裝藥長度外,其余全部用細(xì)沙堵塞。由于試件模型尺寸較小,為了減少和消除試件模型四周自由面對爆破效果的影響,爆破前還在垂直爆破自由面方向的兩側(cè)施加鋼板,并用鋼筋和螺栓夾緊,以便模擬邊界效應(yīng)。

圖2 試件實(shí)際模型圖Fig.2 Actual specimen model

1.2 測試系統(tǒng)和測點(diǎn)布置

本試驗(yàn)所用測試儀器為IDTS3850爆破振動(dòng)記錄儀。該爆破振動(dòng)記錄儀可同時(shí)記錄3個(gè)方向的振動(dòng)速度,其分辨率高,最小分辨振動(dòng)速度可達(dá)0.001 6 cm/s,讀數(shù)精度達(dá)到0.5%,并可自動(dòng)地實(shí)時(shí)采集8次爆破振動(dòng)波形。在坡頂?shù)乳g距分別布置3個(gè)測點(diǎn),在坡身正中間布置1個(gè)測點(diǎn),在坡底與坡身交界處布置3個(gè)測點(diǎn),共計(jì)7個(gè)測點(diǎn)。每個(gè)測點(diǎn)布置1臺爆破振動(dòng)記錄儀和1臺水平垂直2個(gè)方向速度傳感器。速度傳感器的安裝是在設(shè)計(jì)點(diǎn)位鉆鑿一直徑為6 mm、深為50 mm的孔,將傳感器的尖錐插入并固定,保持與試件耦合即可。圖3為試件模型的俯視平面圖。

圖3 試件模型的俯視平面圖(單位:mm)Fig.3 Planar graph of the specimen model

2 結(jié)果與分析

2.1 試件爆破振動(dòng)分析

爆破地震波的破壞作用主要決定于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,而不是波自身的傳播速度,其傳播和衰減遵循一定的規(guī)律。因此,只要估計(jì)質(zhì)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度并采取一定的控制手段,就可減少爆破振動(dòng)帶來的危害。質(zhì)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度公式為

式中:V為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,cm/s;Q為單段最大藥量,kg;R為爆破中心至被保護(hù)對象或測點(diǎn)的距離,m;a為爆破地震波傳遞的衰減指數(shù);K為爆破現(xiàn)場地質(zhì)條件的系數(shù)。

對預(yù)裂縫減振的效果可直接采用計(jì)算法、推算法、頻響分析法和動(dòng)力學(xué)計(jì)算法等[8]。采用推算法,即首先在與現(xiàn)場實(shí)際相似的臺階模型上測得大量爆破振動(dòng)數(shù)據(jù),再根據(jù)測點(diǎn)與不同爆源的距離采用

式中:ri為測點(diǎn)至第i爆源的距離,m;qi為測點(diǎn)至第i爆源的藥量,kg。式(2)～式(4)求等效距離R—、等效藥量Q—和相應(yīng)的比例距離r—;最后再對振動(dòng)速度和比例距離取對數(shù),通過回歸分析后,得出預(yù)裂縫振動(dòng)衰減公式。

2.2 試件爆破振動(dòng)傳播規(guī)律的分析

在無減震溝的情況下,先對每個(gè)孔使用單發(fā)8#瞬發(fā)電雷管,然后逐個(gè)孔進(jìn)行爆破,并對不同炮孔爆破時(shí)同一測點(diǎn)的振動(dòng)速度進(jìn)行分析。表1為起爆孔點(diǎn)爆破時(shí)測點(diǎn)1監(jiān)測的振動(dòng)速度。由表1可看出,在同一個(gè)測點(diǎn)上,距離爆源越遠(yuǎn)振動(dòng)速度越慢,地震波隨著距離的延長呈衰減的趨勢,但垂直方向振動(dòng)速度的衰減速度明顯大于水平方向振動(dòng)速度的衰減速度。

表1 起爆孔點(diǎn)爆破時(shí)測點(diǎn)1檢測的振動(dòng)速度Table 1 Vibration velocity of first monitoring point after blasting

再對某一炮孔爆破后不同測點(diǎn)的振動(dòng)速度進(jìn)行分析。表2為孔點(diǎn)10起爆后6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的振動(dòng)速度。圖4為表2所列數(shù)據(jù)制作的振動(dòng)速度衰減圖。由圖4可看出,當(dāng)炮孔起爆后,距離爆源越遠(yuǎn),振動(dòng)速度越慢,地震波隨著距離的延長呈衰減的趨勢,但垂直方向振動(dòng)速度的衰減速度明顯大于水平方向振動(dòng)速度的衰減速度,這與振動(dòng)傳播理論相吻合。

表2 孔點(diǎn)10爆破時(shí)各測點(diǎn)監(jiān)測的振動(dòng)速度Table 2 Vibration velocity of each monitoring point after blasting

圖4 振動(dòng)速度隨距離的變化Fig.4 Variation of vibration velocity with the distance

由于工程實(shí)踐中通常用垂直方向的最大振動(dòng)速度作為判據(jù),因此根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)用Sadovsk公式進(jìn)行回歸分析,即可得振動(dòng)速度衰減公式。對坡頂測點(diǎn)垂直方向的振動(dòng)速度回歸后,得:K1=153.62,a1=1.77;對坡底測點(diǎn)垂直方向的振動(dòng)速度回歸后,得:K2=104.87,a2=2.28。由此可得試件模型的振動(dòng)速度衰減公式,即:

式中:V坡頂為坡頂測點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,cm/s;V坡底為坡底測點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,cm/s;Q為單段最大藥量,kg;R為爆源至測點(diǎn)的水平距離,m。

比較式(5)、式(6)后發(fā)現(xiàn),在同樣條件下坡頂振動(dòng)速度大于坡底振動(dòng)速度,具有明顯的高程放大效應(yīng);其次在同樣條件下坡頂振動(dòng)速度的衰減速度明顯小于坡底振動(dòng)速度的衰減速度,表明在臨近邊坡爆破時(shí),邊坡具有放大振動(dòng)速度的作用,且振動(dòng)速度的衰減速度變慢。

2.3 試件預(yù)裂縫減振效果分析

在試件模型中,坡底距離坡面100 mm的斷面處有一個(gè)深為250 mm的減震溝,其平面圖如圖3(b)所示。為了便于分析,分別在預(yù)裂縫兩側(cè)設(shè)2組對稱測點(diǎn)(測點(diǎn)3與測點(diǎn)4,測點(diǎn)5與測點(diǎn)6),其中處于預(yù)裂縫爆破區(qū)一邊的有測點(diǎn)3和測點(diǎn)6,處于預(yù)裂縫保護(hù)區(qū)一邊的有測點(diǎn)4和測點(diǎn)5,距離預(yù)裂縫均為50 mm。表3為孔點(diǎn)14用單個(gè)8#瞬發(fā)電雷管起爆后7個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)峰值。據(jù)此分別將預(yù)裂縫兩側(cè)對稱測點(diǎn)(測點(diǎn)3與測點(diǎn)4,測點(diǎn)5與測點(diǎn)6)的垂直方向振動(dòng)速度和水平方向振動(dòng)速度制作對比直方圖,如圖5所示。由圖5(a)可看出,將爆破區(qū)測點(diǎn)3與保護(hù)區(qū)測點(diǎn)4的振動(dòng)峰值作比較,其水平方向振動(dòng)峰值降低了67.9%,垂直方向振動(dòng)峰值降低了72.7%。同樣地,由圖5(b)可看出,將爆破區(qū)測點(diǎn)6與保護(hù)區(qū)測點(diǎn)5的振動(dòng)峰值作比較,其水平方向振動(dòng)峰值降低了64.7%,垂直方向振動(dòng)峰值降低了86.2%,表明試件模型中的減震溝可將水平方向振動(dòng)峰值降至64.7%～67.9%,垂直方向振動(dòng)峰值降至72.7%～86.2%。分析結(jié)果表明,人工預(yù)留的預(yù)裂縫作為減震溝有明顯的減震效果。

圖5 預(yù)裂縫的減震效果示意圖Fig.5 Schematic diagram of dam ping effect on the pre-split crack

表3 孔點(diǎn)14爆破時(shí)各測點(diǎn)監(jiān)測的振動(dòng)速度Table 3 Vibration velocity of each monitoring point after blasting

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)條件下,混凝土試件模型的振動(dòng)速度衰減公式分別為V坡頂=153.62(Q1/3/R)1.77;V坡底=104.87(Q1/3/R)2.28。

(2)距離爆源越遠(yuǎn),振動(dòng)速度越慢,地震波隨著距離的延長呈衰減的趨勢,且垂直方向振動(dòng)速度的衰減速度明顯大于水平方向振動(dòng)速度的衰減速度。

(3)在同樣條件下,坡頂振動(dòng)速度大于坡底振動(dòng)速度,具有明顯的高程放大效應(yīng),且坡頂振動(dòng)速度的衰減速度明顯小于坡底振動(dòng)速度的衰減速度,表明臨近邊坡爆破時(shí),邊坡具有振動(dòng)速度放大作用,且振動(dòng)速度的衰減速度變慢。

(4)試件模型中的減震溝可將水平方向振動(dòng)峰值降至64.7%～67.9%,垂直方向降至72.7%～86.2%,表明預(yù)裂縫具有明顯的減震效果,可運(yùn)用于實(shí)際的邊坡爆破工程。

[1] 李祥龍,廟延鋼,楊溢,等.爆破震動(dòng)對邊坡穩(wěn)定性影響分析[J].爆破,2006,23(4):15-19.

[2] 李廷春,沙小虎,鄒強(qiáng).爆破作用下高邊坡的地震效應(yīng)及控爆減振方法研究[J].爆破,2005,22(1):1-6.

[3] 李海波,蔣會(huì)軍.動(dòng)荷載作用下巖體工程安全的幾個(gè)問題[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(11):1 887-1 890.

[4] 陳士海.爆破地震動(dòng)研究現(xiàn)狀[J].爆破,2003,20(1):13-18.

[5] 嚴(yán)曉新,李玉河.爆破動(dòng)力對巖石邊坡穩(wěn)定性影響[J].隧道建設(shè),2003,23(6):15-30.

[6] 舒大強(qiáng),何蘊(yùn)龍.巖質(zhì)高邊坡開挖爆破震動(dòng)載荷及其對邊坡穩(wěn)定性影響的研究[J].工程爆破,1996,2(4):4-7.

[7] 賈虎.爆破動(dòng)載作用下鄰近硐室圍巖穩(wěn)定性的研究[D].淮南:安徽理工大學(xué),2006.

[8] 鐘冬望,林大澤,肖紹青.爆炸安全技術(shù)[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1992:24-56.