不同裝藥量單孔爆破振動效應試驗研究

張小康，潘長春

(1.北京科技大學土木與環(huán)境工程學院，北京 100083;2.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

隨著爆破技術的廣泛應用，人們越來越關注爆破振動對周圍環(huán)境和建(構)筑物的影響及其振動規(guī)律，即爆破振動效應[1-2]。工程實踐證明，爆破振動強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，又受傳播途徑如測點距離，地形、地質條件等因素的制約，其中藥量的影響是重中之重。在爆破施工時，由于鉆孔數(shù)及鉆孔深度會隨實際情況的變化而變化，結果是導致裝藥量也發(fā)生改變，為了減弱因藥量突然增加而產(chǎn)生爆破振動加強，降低爆破振動效應的危害，防止居民對正常施工的干擾，因此，研究裝藥量的變化對附近建(構)筑物造成的影響，就顯得十分必要。針對上述情況，本文利用單孔爆破振動模型試驗，在存有預裂縫的條件下，研究了不同裝藥量下的爆破振動波的頻率及能量的分布規(guī)律，從而為有效降低爆破振動效應提供參考依據(jù)。

1 振動測試系統(tǒng)

1.1 測試原理

爆破振動波傳至傳感器器時，使傳感器產(chǎn)生感生電壓輸出，感生電壓信號超過預設的觸發(fā)電平值時，爆破振動記錄儀開始自動地記錄傳感器輸入的振動信號，并將振動波儲存在儀器內，關閉電源后也不會丟失。監(jiān)測結束后，通過計算機中專用軟件與爆破振動記錄儀連接、通訊，可以讀取并分析爆破振動波。測試系統(tǒng)基本工作原理如圖 1所示。

圖1 測試系統(tǒng)工作原理圖

1.2 測試儀器

測試儀器采用美國生產(chǎn)的Minimate Plus振動監(jiān)測儀，該系統(tǒng)包括四個組成部分：MINI主機，標準三向振動傳感器，線性麥克風，電源適配器。具有1個聲通道和3個爆破振動信號通道。爆破結束后數(shù)秒就可讀出爆破沖擊波噪聲、3個向量的速度分量以及各自的主頻率。存儲空間1024k，最多可存儲341個記錄，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 模型試驗設計

2.1 水泥砂漿模型

試驗制作的水泥砂漿模型尺寸為 960mm×900mm×300mm，試件是由425型號普通硅酸鹽水泥、篩選后的中砂，加水攪拌澆注而成，配比為水泥∶砂∶水=1∶2∶0.45，澆筑時在距試件一側100mm處中心對稱位置預留直徑8.0mm炮孔，孔深為150mm。預裂縫在澆筑過程中預埋，埋置深度200mm，長度700mm，寬度3.0mm，平面布置如圖2所示。試件的抗壓強度為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28d后進行爆破試驗。

2.2 測點布置

根據(jù)研究工作需要，試驗采用直線布點，在距試件預裂縫中心線200mm、650mm處布置兩個測點，測點布置如圖2所示，圖中1#和2#分別代表第一測點和第二測點。每次布置傳感器時，分別測試水平X方向、Y方向以及垂直Z方向的速度振動量。為了使傳感器與試件緊緊連成一體，采用粘結性較好的石灰膏，加水攪拌均勻后將其平鋪在測點位置，再把傳感器緊壓其上，等黏結牢固之后，可進行爆破試驗。

圖2 測點布置示意圖

2.3 裝藥量的確定

根據(jù)模型試驗設計方案，在預裂縫縫深200mm，縫長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的級別進行爆破振動試驗。經(jīng)過試爆確定主裝藥量為黑索金，起爆藥為150mg的疊氮化鉛，用細沙和502膠水堵塞，電火花從藥柱上端進行起爆。

3 試驗結果及數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗結果

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，爆破時只能產(chǎn)生內部損傷或表面微裂紋等現(xiàn)象，對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，對試件的破壞作用比較強，爆破效果得到明顯改善。當裝藥量為2.0g時，試件的破壞最為嚴重，且形成類似于爆破漏斗的形狀，主要是由于靠近炮孔一側自由空間好，最小抵抗線方向的夾制作用小；從圖3(b)、(c)、(d)可以看出，由于有預裂縫的存在，阻止了裂紋的繼續(xù)擴展，即使加大裝藥量，也很難破壞預裂縫的另一側，起到了保護作用，原因是預裂縫對爆炸應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參數(shù)、濕度、微細觀結構等也會有所不同，爆破時的堵塞質量也會有影響。

3.1.2 測試結果

不同裝藥量單孔爆破振動模型試驗，裝藥量分別為0.7g、1.0g、1.2g、1.5g和2.0g，運用分析軟件現(xiàn)給出典型爆破振動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試件爆破振動波形圖略去。圖8～9分別為爆破試驗中裝藥量與振動峰值速度、主頻率之間的關系。

圖4 0.7g炸藥的爆破振動波形圖及功率譜圖

圖5 1.0g炸藥的爆破振動波形圖及功率譜圖

圖6 1.5g炸藥的爆破振動波形圖及功率譜圖

圖7 2.0g炸藥的爆破振動波形圖及功率譜圖

圖8 裝藥量與振動峰值速度的關系

圖9 裝藥量與主頻率的關系

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

對爆破產(chǎn)生的振動波進行頻譜分析，能夠為爆破工程減振設計、裝藥量的確定、爆破方法的選擇和爆破振動安全距離的計算提供科學的依據(jù)[3]。爆破振動波含有各種頻率成分，而且各種波的含量的差別很大，通過頻譜分析可以展示各頻率振動波的能量，確定能量相對集中的頻帶和主頻率[4]。本文主要利用頻譜分析對爆破振動波進行了研究。

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，對應的振動峰值速度為1.14mm/s；最大裝藥量為2.0g，對應的振動峰值速度為27.9mm/s。當裝藥量較小時峰值速度很小，增加裝藥量其峰值速度緩緩在變大，當裝藥量達到一定值時，振動峰值速度急劇增大。由圖8可知振動峰值速度與裝藥量呈現(xiàn)同向變化趨勢，即隨著裝藥量的增加而變大，但非正比關系。同時在相同裝藥量情況下，較近測點1#要比遠測點2#的的振動峰值速度偏大，表明振動峰值速度還與測點距離有關。

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，對應最大主頻率為88.8Hz；最大裝藥量為2.0g，對應最大主頻率為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。其原因是裝藥量大時，炸藥爆炸反應的歷史較長，爆轟氣體膨脹做功能量較大，藥室內正、負壓作用時間均延長，使爆源激發(fā)的振動波頻率較低。顯然，由于工程結構體的自振頻率往往較低，這不利于受控對象的安全。因此，在工程實踐中增加雷管段別，可以減少低頻波的出現(xiàn)，對地面建(構)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，即隨著裝藥量的增加而減小，也是非正比關系，且這種變化趨勢非常緩慢。

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

4 結論

1)質點振動峰值速度與爆破藥量和測點距離密切相關。裝藥量不同時，振動峰值速度隨著裝藥量的增加而增大，但不是線性關系，同時近距離測點與遠距離測點的峰值速度相比要大。

2)不同的裝藥量對爆破振動主頻率有所影響。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，照這樣趨勢發(fā)展下去，將對建(構)筑物的安全構成直接威脅。

3)單孔爆破振動信號的功率譜曲線的形態(tài)單一，出現(xiàn)的峰值數(shù)量比較少，說明爆破產(chǎn)生的振動頻率組成不復雜，這為研究多孔微差爆破振動效應奠定了基礎。

[1] 張雪亮，黃樹棠.爆破地震效應[M].北京：地震出版社，1981.

[2] 李翼祺，馬素貞.爆炸力學[M].北京：科學出版社，1992.

[3] 宋熙太.爆炸震動中的頻譜實例及初步規(guī)律[C].防護工程學術交流會文選，1995，(7)：27-28

[4] 劉國振，楊軍，陳鵬萬，等.某工會大樓爆破拆除地震效應監(jiān)測分析[J].安全與環(huán)境學報，2004，4(增刊)：153-155