非固結(jié)面裂隙深度對爆破振動影響試驗研究

潘長春

摘要：鑒于巖體中存在大量裂隙，為了探索非固結(jié)面裂隙對爆破振動效應(yīng)的影響，通過建立波在裂隙巖體中傳播的砂漿模型，對節(jié)理裂隙巖體進行模擬試驗，研究分析了巖體裂隙深度對應(yīng)力波傳播規(guī)律的影響。研究表明：由于非固結(jié)面裂隙因素影響，裂隙深度對垂直方向質(zhì)點峰值的影響較大，質(zhì)點垂向振動峰值變小，裂隙深度和質(zhì)點峰值大小不是反線性比例關(guān)系；裂隙深度對三個單獨方向（垂向、徑向和切向）主頻率大小的影響并不明顯，但其垂向頻域分布主要集中在中高頻，徑向和切向主要集中在低頻頻域范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：非固結(jié)面；深度；裂隙；爆破振動；減振效果

中圖分類號：TD235. 371文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1672-1098（2014）04-0061-04

天然巖體并非均質(zhì)體，巖體內(nèi)存在大量的不連續(xù)面節(jié)理裂隙。節(jié)理裂隙極大影響應(yīng)力波在巖體中的傳播規(guī)律，因此在研究工程爆破振動及巖體動力學(xué)問題時，節(jié)理裂隙對應(yīng)力波傳播影響成為重點課題。節(jié)理裂隙的存在會導(dǎo)致應(yīng)力波振幅的衰減及傳播速度的變化，是影響爆炸應(yīng)力波傳播的一個重要因素[1- 3]。文獻[4- 5]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)理時振動幅值下降并伴有波形轉(zhuǎn)變。文獻[6-7]從波勢函數(shù)解析方面探討了應(yīng)力橫波、縱波斜入射到可滑動結(jié)構(gòu)面時，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。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)界面，但實際上是非完全固結(jié)界面。以往的減振模型多針對于連續(xù)節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面，本文是以非固結(jié)面巖體裂隙為基礎(chǔ)，采用線性不連續(xù)模型建立了節(jié)理裂隙面減振模型，對應(yīng)力波穿越非固結(jié)面裂隙后，通過研究分析非固結(jié)面裂隙因素的存在對波傳播規(guī)律的影響。

1非固結(jié)面模型試驗

11試驗材料與模型設(shè)計

為了研究巖體非固結(jié)面裂隙的爆破振動規(guī)律，根據(jù)研究目的需要設(shè)計出巖體模型，該試驗?zāi)Ｐ统叽鐬?00mm×900 mm×960 mm （厚×寬×長）（見圖1）。模型試驗設(shè)計中，由于巖體材料是十分復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造體，含有豐富的節(jié)理、層理、裂隙等非連續(xù)面，模型試驗主要考慮物理力學(xué)參數(shù)如拉、壓強度，變形模量相似比。巖體模型是由普硅水泥（P·O425）、細(xì)度28的中砂及加水配置而成，其材料配合比為水∶水泥∶砂=045∶1∶2，將材料放在混凝土攪拌機攪拌，攪拌后共分兩層澆注實體模型；經(jīng)試驗測試材料泊松比為02，彈性模量為176 GPa，縱波聲速為3 692 m/s。

圖1試驗?zāi)Ｐ?/p>

在分層澆筑時，事先在模型試件一側(cè)預(yù)埋一根鋼管作為炮孔，炮孔直徑、深度分別為10 mm、200 mm；同理， 巖體非固結(jié)面裂隙采用尺寸為200 mm×700 mm×3 mm（深度×長度×寬度）的不銹鋼板預(yù)埋方案，每個巖體模型中放置1個。

12試驗設(shè)備

試驗設(shè)備采用通道數(shù)為三通道、采樣率是1～50 kHz的TC-4850爆破振動監(jiān)測儀（見圖2）。

圖2TC-4850爆破振動監(jiān)測儀13試驗方案

試驗布置點設(shè)在中軸線上距巖體模型非固結(jié)面裂隙200 mm、650 mm處（見圖1），其中1#、2#代表第一、第二試驗點，預(yù)裂縫代表巖體模型非固結(jié)面裂隙；為了保證試驗效果，試件上布置傳感器時必須安裝牢固才能進行爆破試驗，在布置傳感器位置處均勻涂抹石灰膏，使傳感器與試塊緊密粘結(jié)，形成整體，試驗過程中對布置點3個方向（徑向、切向和垂向）進行測試。

試驗設(shè)置單一炮孔，分別以非固結(jié)面裂隙深度為h=0 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm的級別進行爆破試驗，由試爆確定單孔主裝藥為爆速8134 m/s黑索金，起爆藥采用150 mg的疊氮化鉛，藥柱是由特制加工的雷管代替，電火花從藥柱頂端引爆，炮孔用準(zhǔn)備好的細(xì)沙堵塞，并用水泥漿在炮孔周圍抹平封堵。

2試驗結(jié)果與分析

21試驗結(jié)果

圖7縫深為200 mm時爆破振動波形圖22試驗分析

由表1可知，裂隙深度對垂直方向振動峰值影響較大，限于篇幅原因這里取其中1#點進行分析，運用Origin軟件得出不同裂隙深度情況下縫后1#質(zhì)點垂向振動速度峰值衰減規(guī)律（見圖8）；以裂隙深度為0 mm時振動速度峰值為基礎(chǔ)值，由表1的數(shù)值可以得出不同縫深下減振離散規(guī)律（見圖9）。h/mm

圖8縫深與垂向速度的關(guān)系

h/mm

圖9不同縫深的減振率

利用爆破振動模型試驗對巖體裂隙縫深的減振效果進行了量化分析，由圖3～圖9可以看出，在裂隙縫深存在的情況下，縫后質(zhì)點垂向振動峰值減小。保持縫寬（3 mm）、縫長（700 mm）不變，隨著裂隙縫深的增加，縫后質(zhì)點垂向振動峰值越來越?。坏⒉皇浅煞淳€性比例減小，而是當(dāng)裂隙縫深h達到一定深度時，質(zhì)點峰值變化趨于緩和，對屏蔽區(qū)后質(zhì)點峰值影響越來越小，減振效果越來越差。因此，在實際巖體工程爆破施工時，采用預(yù)裂爆破設(shè)計施工，縫太深成本高，太低減振效果差，為了達到理想預(yù)裂效果應(yīng)確保預(yù)裂縫深度在合理的范圍內(nèi)。

由表1數(shù)據(jù)可知，裂隙深度對徑向、切向質(zhì)點振動峰值影響并不大，雖然穿過縫深有所變小， 但由于應(yīng)力波繞射和反射能量再次疊加， 導(dǎo)致振后峰值減小有限， 甚至略有升高跡象。 且有垂向振速大于徑向振速，徑向振速大于切向振速，因此在爆破監(jiān)測時應(yīng)重點考慮垂向振速對建（構(gòu)）筑物的影響。

由表2數(shù)據(jù)表明，巖體裂隙縫深對三向（垂向、切向、徑向）主頻率的影響并不明顯，但是測試結(jié)果顯示，裂隙的存在對三個方向的主頻率分布范圍有所影響，垂向的主頻率處于中、高頻，低頻范圍不常出現(xiàn)，反而徑向、切向的主頻率處于低頻，因此巖體裂隙具有高頻濾波的作用。

3結(jié)論

本研究以巖體非固結(jié)面裂隙模型試驗為基礎(chǔ)，探討了裂隙的存在對爆破振動效應(yīng)的影響規(guī)律，具有以下振動特性：

在巖體裂隙存在的情況下，縫后質(zhì)點垂向振動峰值變小，裂隙深度的增加與質(zhì)點峰值的減小不是成反線性比例關(guān)系，當(dāng)裂隙超過一定深度時減振效果反而比較差；

巖體裂隙深度對垂向振動峰值速度的影響較大，規(guī)律明顯，對徑向與切向振動峰值的影響甚微，且應(yīng)力波透過非固結(jié)面裂隙后，垂向振動峰值均大于其余方向峰值；

巖體裂隙深度對垂向、切向和徑向的各自主頻率大小影響較小，但垂向的主頻率主要分布在中高頻域，其余方向主頻率主要集中分布在低頻頻域。

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（責(zé)任編輯：何學(xué)華，吳曉紅）