預(yù)裂縫對爆破振動頻率影響的試驗(yàn)研究

潘長春

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南 232001)

預(yù)裂縫對爆破振動頻率影響的試驗(yàn)研究

潘長春

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南 232001)

在工程爆破施工中因環(huán)境復(fù)雜多變，對優(yōu)化爆破參數(shù)和施工工藝減弱爆破振動效應(yīng)的要求就越高。根據(jù)應(yīng)力波穿過預(yù)裂縫時彼此相互作用規(guī)律，通過爆破振動模型試驗(yàn)結(jié)果，考慮炮孔到預(yù)裂縫兩者之間距離的影響，運(yùn)用功率譜法分析爆炸應(yīng)力波在巖體中傳播遇到預(yù)裂縫時頻率的變化，分析預(yù)裂縫的減振機(jī)理，以期為預(yù)裂爆破施工提供參考。

預(yù)裂縫;減振效果;頻率;爆破試驗(yàn)

0 引言

炸藥在巖土介質(zhì)中爆炸產(chǎn)生應(yīng)力波，研究應(yīng)力波在裂隙處的傳播規(guī)律及與巖石界面間的相互作用時，常假設(shè)兩彈性半空間界面上是具有完全粘結(jié)的界面及完全固結(jié)的界面。但實(shí)際上是非完全固結(jié)界面及兩界面可相互滑移:比如界面間的粘結(jié)力不存在，僅是彈性接觸或界面之間充有流體［1］。許多學(xué)者曾研究過應(yīng)力波與可滑移介質(zhì)界面的相互作用。Murty G S［2］模擬了應(yīng)力波與松散粘結(jié)界面間的相互作用，他認(rèn)為界面允許有位移的間斷，但面力是連續(xù)的;Newmark N M［3］修正了完全粘結(jié)界面條件，允許滑動在界面間發(fā)生;對于界面之間充有粘性物質(zhì)的情況，Mayer.L.R［4］研究認(rèn)為在兩彈性固體的界面上存在速度不連續(xù)、位移間斷等現(xiàn)象。應(yīng)力波與可滑移界面的相互作用計算模型，按對界面強(qiáng)度描述的方法、模型的不同，可分為兩大類:一是用庫侖摩擦定律描述界面強(qiáng)度;二是用節(jié)理剛度描述界面強(qiáng)度。而預(yù)裂縫的縫顯然屬于非完全固結(jié)界面，上述研究對爆炸應(yīng)力波透過非完全固結(jié)界面下振動頻率變化規(guī)律的涉及不多。因此，本文探討了預(yù)裂縫在爆炸作用下對應(yīng)力波頻率變化的影響。

1 爆破試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)設(shè)計

試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽鐬?60 mm×900 mm×300 mm，模型是由普通硅酸鹽水泥PO42.5，細(xì)度模數(shù)為2.7的中砂，加水機(jī)械攪拌，分層澆注而成，三者配合比為水∶水泥∶砂=0.5∶1∶2;在澆筑過程中用鋼條在模型試件一側(cè)預(yù)留炮孔，炮孔直徑8.0 mm，炮孔深度150 mm;預(yù)裂縫同樣采用鋼板預(yù)埋方案，每個試件中放置1個，縫隙尺寸為深度200 mm、長度700 mm、寬度3.0 mm。

測點(diǎn)在模型對稱中央位置進(jìn)行布控，距預(yù)裂縫200 mm、650 mm兩處布置測點(diǎn)，如圖1所示，1#和2#分別代表第一、第二測點(diǎn);為了保證測試效果，在布置傳感器位置均勻涂抹黏土石灰膏，把傳感器緊壓在模型試件上使其成為一個整體，牢固之后進(jìn)行爆破試驗(yàn)。試驗(yàn)對測點(diǎn)3個方向垂向、徑向和切向的振動波形進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，波形完整清晰。

預(yù)裂縫試驗(yàn)裝藥炮孔為單孔，共做了兩種情況爆破試驗(yàn)，分別為有縫和無縫，在試驗(yàn)初期經(jīng)試爆確定黑索金為主裝藥量，采用150 mg的疊氮化鉛作為起爆藥，藥柱使用雷管，電火花從藥柱上端起爆，炮孔先用細(xì)沙堵塞，然后在炮孔周圍用薄薄的一層水泥凈漿液抹平。

圖1 測點(diǎn)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test point arrangement

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用美國生產(chǎn)的Minimate Plus爆破振動儀，具有1個聲通道和3個爆破振動信號通道。爆破結(jié)束后數(shù)秒就測出3個向量的速度矢量;該設(shè)備存儲空間1 024 k，最多可存儲341個記錄，且每個記錄均包含了垂向、徑向、切向三個方向的振動速度和聲波記錄;三分量檢波器具有靈敏度高、低失真、一致性好、最佳的阻尼系數(shù)、結(jié)構(gòu)牢固與密封防水性能好等優(yōu)點(diǎn);每通道采樣率從1 024到16 000樣本/s，單一通道可高達(dá)65 000樣本/s，最大采樣頻率2 048 Hz，觸發(fā)值范圍為0.254～57.9 mm/s，該儀器能探測到的最低速度值為0.03 mm/s。如圖2所示。

圖2 Minimate Plus振動監(jiān)測儀Fig.2 Vibration monitor about Minimate Plus

2 預(yù)裂縫對振動頻率的影響

2.1 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于預(yù)裂縫對振動波垂直分量的影響程度較大，在進(jìn)行波形圖的頻譜特征分析時，只對試驗(yàn)中的垂向振動分量進(jìn)行分析，研究預(yù)裂縫對應(yīng)力波的影響，典型爆破效果如圖3所示。其中功率譜分析提取了信號的頻域特征，根據(jù)不同頻率上的能量情況來判斷振動信號的主要能量對應(yīng)的頻率，以便科學(xué)地進(jìn)行減振設(shè)計、確定段裝藥量、選擇合適的爆破參數(shù)和計算爆破振動的安全距離［5－6］。

圖4 無縫的波形圖及功率譜圖(1#)Fig.4 Seamless oscillogram and power spectrum(1#)

圖3 爆破效果Fig.3 Blasting effect

從圖4－圖7可以看出，預(yù)裂縫對爆破振動信號頻帶能量分布的影響特點(diǎn)，爆炸振動波的頻率范圍較寬，對本次預(yù)裂縫減振試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析時，得到了預(yù)裂縫作用下振動波頻譜的一種特殊變化規(guī)律，爆破振動波有2個主頻2.0 Hz、55.0Hz如圖7所示;在同爆破試驗(yàn)中，即單獨(dú)無縫與有縫情況下，將無縫第一點(diǎn)頻率88.8 Hz與第二點(diǎn)頻率 86.0Hz進(jìn)行比較，有縫第一點(diǎn)頻率60.5 Hz與第二點(diǎn)頻率2.0Hz或55.0Hz進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)爆破振動波主頻率表現(xiàn)為隨著距離的增加均出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，主頻域往低頻方向移動，符合爆破振動波的正常傳播規(guī)律;預(yù)裂縫作用下的爆破振動波的主頻要比無減振措施下的爆破振動波主頻低，有縫頻譜范圍要比無縫頻譜范圍偏窄些。

2.2 預(yù)裂縫減振機(jī)理

預(yù)裂縫減振是爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波在巖體中傳播時對斷裂縫隙阻礙的響應(yīng)，即應(yīng)力波與巖體結(jié)構(gòu)面間的互相作用。應(yīng)力波穿過預(yù)裂縫繼續(xù)向遠(yuǎn)處傳播時，可視為應(yīng)力波通過預(yù)裂縫底部和兩側(cè)分別同時進(jìn)行傳播。當(dāng)應(yīng)力波穿過預(yù)裂縫時，預(yù)裂縫起到阻礙部分應(yīng)力波繼續(xù)傳播，對應(yīng)力波起反射、折射作用［7］，并吸收部分能量，從而使應(yīng)力波的能量大大削弱，達(dá)到降低爆破振動的效果。雖然應(yīng)力波遇到減振帶時產(chǎn)生繞射進(jìn)入安全區(qū)域，由于預(yù)裂減振作用的存在，應(yīng)力波繞射安全區(qū)域后的能量很小，應(yīng)力波能量在傳播過程中因波形受阻其破壞作用大幅度降低。

圖5 無縫的波形圖及功率譜圖(2#)Fig.5 Seamless oscillogram and power spectrum(2#)

圖6 有縫的波形圖及功率譜圖(1#)Fig.6 Seamed oscillogram and power spectrum(1#)

圖7 有縫的波形圖及功率譜圖(2#)Fig.7 Seamed oscillogram and power spectrum(2#)

預(yù)裂縫的減振作用大致有兩個過程［8］:其一是預(yù)裂縫具有一定寬度時的減振;另一是預(yù)裂縫的縫面間開始閉合后的減振。兩者均闡釋出預(yù)裂縫對入射爆炸應(yīng)力波具有的高頻濾波的作用。應(yīng)力波的頻率越高，最大振幅值就越小，預(yù)裂縫減弱應(yīng)力波作用就越強(qiáng)。當(dāng)預(yù)裂縫初始閉合后，縫面上的巖體剛度、波阻抗以及應(yīng)力波頻譜的組成最終影響預(yù)裂縫的減振效果。實(shí)際上預(yù)裂縫起到了天然的低通濾波器的作用，是一組集總的濾波網(wǎng)絡(luò)［9］。實(shí)際工程中，由于裂縫面上的巖體剛度、波阻抗以及應(yīng)力波頻譜的組成，均已由具體的巖體本構(gòu)特征、炮孔間排距參數(shù)、炮孔裝藥結(jié)構(gòu)等所確定，故為了確保預(yù)裂縫隙的減振效果比較好，必須阻止在應(yīng)力波作用下縫隙寬度尺寸變小，因此工程爆破設(shè)計施工時的預(yù)裂縫必須具有足夠的縫面寬度才能起到良好的減振效果。

3 結(jié)語

本文介紹了爆破應(yīng)力波在巖體界面處的基本傳播特性，對預(yù)裂縫的減振機(jī)理進(jìn)行了簡單探討，并進(jìn)行了預(yù)裂縫模型試驗(yàn);運(yùn)用功率譜分析方法，研究了在預(yù)裂縫情況下對爆炸應(yīng)力波的頻率影響。由于預(yù)裂縫的研究目前只是初探，相關(guān)結(jié)果是由模型試驗(yàn)得出的;鑒于預(yù)裂爆破在工程現(xiàn)場中的廣泛運(yùn)用，對解決工程爆破振動問題起到較大作用，以期對爆破施工提供參考。

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［4］ Mayer L R，Pyrak-Nolte L J，Cook N G W.Eeffcts of single Farcture on seismieWavePropagation［J］.Rock Joints Bakema Rotterdma，1990，5(4):467－473.

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［9］ 張雪亮，黃樹棠.爆破地震效應(yīng)［M］.北京:地震出版社，1981:85－93.

(責(zé)任編輯:于繼紅)

Experimental Study on Influence of Pre-splitting Slot on the Blasting Vibration Frequency

PAN Changchun
(School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui232001)

In the blasting construction for the complex and changing environment，the optimization of blasting parameters and construction technology and blasting vibration effect weaken is the higher requirements.When the stress waves are through the cracks interacted law with each other，by the results of blasting vibration model test and the distance between the hole and the pre-splitting slot considered，using power spectrum analysis when the stress wave propagation in rock mass encounters the pre-crack for frequency variations and analyzes the pre-crack damping mechanism，in order to provide the reference as the presplitting blasting.

pre-splitting slot;damping effect;frequency;blasting experiment

TD235.371

A

1671－1211(2014)02－0160－04

2013－11－15;改回日期:2014－02－13

安徽理工大學(xué)青年教師科學(xué)研究基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (No 2012QNZ17)。

潘長春 (1983－)，男，助理實(shí)驗(yàn)師，碩士，巖土工程專業(yè)，從事巖土工程方面的研究。E－mail:chcpan@aust.edu.cn