爆破振動(dòng)高程放大效應(yīng)的試驗(yàn)研究

白 楊，段衛(wèi)東，徐園園，蔣 培

(武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢，430065)

爆破振動(dòng)高程放大效應(yīng)的試驗(yàn)研究

白 楊，段衛(wèi)東，徐園園，蔣 培

(武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢，430065)

采用實(shí)體模型進(jìn)行不同裝藥參數(shù)下的臺(tái)階爆破試驗(yàn)，通過分析各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度幅值和波形特征來研究爆破地震波傳播過程中高程放大效應(yīng)的存在規(guī)律及誘發(fā)原因。結(jié)果表明，高程放大效應(yīng)的強(qiáng)度不與裝藥量正相關(guān)，高程放大效應(yīng)的產(chǎn)生與爆破中心區(qū)巖土表面的鼓包運(yùn)動(dòng)有關(guān)，同一臺(tái)階面上不同部位質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度衰減規(guī)律可以用“鞭梢效應(yīng)”來解釋。

爆破振動(dòng)；臺(tái)階爆破；高程放大效應(yīng)；振動(dòng)速度；鞭梢效應(yīng)

爆破振動(dòng)是爆破施工中產(chǎn)生的主要危害之一，可導(dǎo)致邊坡、建筑物的損害或破壞。影響爆破振動(dòng)的因素有很多，其中巖體或邊坡的高程對(duì)爆破振動(dòng)的強(qiáng)度具有放大效應(yīng)[1-4]。唐海等[5]通過量綱分析得到一個(gè)能反映正高程放大效應(yīng)的爆破振動(dòng)公式。周同嶺等[6]分析了高程放大效應(yīng)的機(jī)理，認(rèn)為是界面群的影響才導(dǎo)致正高差地形的放大效應(yīng)。大部分露天礦、開挖深度超過20 m的鐵路和公路路塹、水利工程中的邊坡多采用分臺(tái)階爆破，當(dāng)?shù)撞颗_(tái)階爆破時(shí)，上部臺(tái)階會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，因此研究爆破振動(dòng)高程放大效應(yīng)的機(jī)理和規(guī)律對(duì)指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)、控制爆破振動(dòng)意義重大。本文擬通過不同裝藥參數(shù)下的高程臺(tái)階混凝土模型爆破試驗(yàn)，分析測(cè)得振動(dòng)速度峰值及波形圖，結(jié)合理論與實(shí)際探索爆破地震波在高程變化時(shí)的傳播規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1.2 模型尺寸及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)實(shí)體模型及測(cè)點(diǎn)布置情況如圖1所示。模型的基本尺寸為：底面1000 mm×1600 mm，坡底寬600 mm,每個(gè)臺(tái)階寬200 mm，相鄰臺(tái)階高差300 mm，頂部臺(tái)階寬300 mm。預(yù)留炮孔深度為150 mm，炮孔直徑為10 mm。1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)均勻分布在坡底與第一層臺(tái)階相交線上，2#、4#、5#、6#、7#、8#測(cè)點(diǎn)位于臺(tái)階中軸線上，4#、7#測(cè)點(diǎn)位于各臺(tái)階面的外邊沿，5#、6#、8#測(cè)點(diǎn)位于各臺(tái)階面的中心。

1.3 測(cè)試方法

采用成都泰測(cè)科技有限公司的Mini-Blast I 爆破測(cè)振系統(tǒng)測(cè)量爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)預(yù)留炮孔，通過改變裝藥參數(shù)來研究不同高程臺(tái)階處的振動(dòng)速度以及波形特征。炮孔布置情況見圖2。

試驗(yàn)起爆方式均采用單孔起爆，根據(jù)炮孔的起爆順序進(jìn)行測(cè)點(diǎn)距離和裝藥參數(shù)的記錄，如表2所示，其中，裝藥量為合計(jì)藥量，即雷管藥量與炸藥量之和，單發(fā)雷管按1.0 g藥量計(jì)算；測(cè)點(diǎn)距離中，“水平”是指測(cè)點(diǎn)與爆源之間的水平距離，“高差”是指測(cè)點(diǎn)與爆源之間的高程差。一共進(jìn)行10次爆破。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 振動(dòng)速度

基于目標(biāo)站點(diǎn)的氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、水汽壓和風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù),進(jìn)行逐日天氣模態(tài)SOM訓(xùn)練。SOM分析中神經(jīng)元個(gè)數(shù)由量化誤差和拓?fù)湔`差共同決定(Alvarez-Guerra et al.,2008)。量化誤差表示某一向量與其對(duì)應(yīng)的最佳匹配神經(jīng)元之間的平均距離,拓?fù)湔`差表示第一匹配神經(jīng)元與第二匹配神經(jīng)元之間不相鄰的百分比,SOM最優(yōu)尺寸的確定基于量化誤差和拓?fù)湔`差數(shù)值最小原則。本文最終設(shè)置SOM競爭層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為20(4×5),對(duì)應(yīng)20種主要天氣模態(tài)。

對(duì)1#和4#炮孔爆破后各測(cè)點(diǎn)的垂直方向振動(dòng)速度峰值進(jìn)行分析，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表3，表中爆心距是指爆源與測(cè)點(diǎn)之間的直線距離。

由表3可以看出，1#炮孔爆破時(shí)，總的來說，隨著爆心距的增加，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值呈減小趨勢(shì)，但比較爆心距近似相等的3#測(cè)點(diǎn)和5#測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，與炮孔高程差為30 cm的5#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值大于高程差為0的3#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值，其放大系數(shù)k=7.2617/4.8690=1.4914，故表現(xiàn)出比較明顯的爆破振動(dòng)高程放大效應(yīng)。4#炮孔爆破時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值具有同樣的變化規(guī)律，即各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值總體上隨爆心距的增加而降低，但1#測(cè)點(diǎn)和5#測(cè)點(diǎn)的爆心距近似相等，而5#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值較大，放大系數(shù)k=1.0754，也表現(xiàn)出高程放大效應(yīng)。另外，與1#炮孔相比，4#炮孔的裝藥量增加，但放大系數(shù)反而減小，也就是說，高程放大效應(yīng)的強(qiáng)弱不與裝藥量正相關(guān)。

2.2 振動(dòng)速度波形

接近于地表面的一次爆炸總共傳遞四種波：縱向壓縮波(P波)、縱向稀疏波(N波)、剪切波(S波)和Rayleigh表面波(R波)[7]。在實(shí)際的巖土爆破中，由于各種波的振幅隨傳播距離的變化不同，當(dāng)?shù)刭|(zhì)結(jié)構(gòu)比較均勻和規(guī)則時(shí)，不同范圍內(nèi)起主要作用的波一般是不相同的。地震儀上記錄的第一個(gè)輸入波形即是P波。P波中的主要振動(dòng)來源于爆炸初期的爆炸沖擊與地介質(zhì)作用傳遞的壓力波。與R波相比，P波的作用時(shí)間很短。它的效應(yīng)與瞬間沖量的效應(yīng)相當(dāng)。N波是由爆炸后期爆炸中心區(qū)巖土表面的鼓包運(yùn)動(dòng)傳遞的。N波是一種體波，在P波之后形成非常明顯的N波第一波段，它是朝向震中方向的水平運(yùn)動(dòng)。第一波段之后會(huì)接著出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)較小振幅的波段。但從整體上分析，N波的振蕩運(yùn)動(dòng)是由幾個(gè)半波所組成。最后的一個(gè)波段屬于S波和R波。由于S波傳播速度只稍微高于R波，所以在傳播過程中，這兩個(gè)波在較長的時(shí)間內(nèi)能保持不脫離。R波是一種高振幅載波。R波在傳播過程中會(huì)帶動(dòng)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。像N波一樣，當(dāng)R波使質(zhì)點(diǎn)離開并回復(fù)到平衡位置后，運(yùn)動(dòng)大體上就結(jié)束了，隨后的振動(dòng)幅值一般都很小。

1#炮孔爆破時(shí)1#、2#、3#、5#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)域圖如圖3所示。由圖3可見，在4個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)波形圖中，P、N、S、R四種波的初至?xí)r刻相隔較遠(yuǎn)，區(qū)別明顯，易于分辨，且初期均有較低振幅的高頻波P波，最后以R波結(jié)束；與高程差為0的3#測(cè)點(diǎn)相比，有高程差的5#測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度幅值和頻率較大，振幅的增長較快，而且5#測(cè)點(diǎn)處于較大振動(dòng)幅值的時(shí)段更長。

圖3 測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)域圖

Fig.3 Time-domain plots of vibration velocity at the measuring points

分析產(chǎn)生高程放大效應(yīng)的5#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)域圖可以發(fā)現(xiàn)，其處于較大振幅的波段不是初至波,而是P波之后的N波波段，而N波是由爆炸中心區(qū)巖土表面的鼓包運(yùn)動(dòng)傳遞的，因此推斷高程放大效應(yīng)是由于鼓包運(yùn)動(dòng)引起的。在分析4#炮孔爆破時(shí)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)域圖的時(shí)候也發(fā)現(xiàn)了類似規(guī)律。

2.3 鞭梢效應(yīng)

在試驗(yàn)監(jiān)測(cè)過程中還發(fā)現(xiàn)，位于同一臺(tái)階的內(nèi)、外不同測(cè)點(diǎn)，其速度振幅也不相同，一般表現(xiàn)為處在臺(tái)階邊沿的測(cè)點(diǎn)的速度振幅較大，即出現(xiàn)所謂的“鞭梢效應(yīng)”。對(duì)2#、9#、12#炮孔爆破時(shí)同一臺(tái)階面相鄰兩測(cè)點(diǎn)的垂直方向振動(dòng)速度進(jìn)行分析，相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。由于測(cè)振儀的傳感器有一定的體積，可近似認(rèn)為4#和5#測(cè)點(diǎn)、7#和8#測(cè)點(diǎn)的爆心距相同，故排除爆心距不同對(duì)這兩組測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度的影響。

由表4可見，2#、9#、12#炮孔爆破時(shí)，位于第一臺(tái)階面外邊沿的4#測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值均比臺(tái)階面中部的5#測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)值大；12#炮孔爆破時(shí)，位于第三臺(tái)階面外邊沿的7#測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度峰值也較臺(tái)階面中部的8#測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)值大。因此，即使裝藥量、爆心距等爆破參數(shù)發(fā)生變化，位于臺(tái)階外邊沿的測(cè)點(diǎn)處也都表現(xiàn)出明顯的“鞭梢效應(yīng)”。

3 結(jié)論

(1)在爆破地震波傳播過程中，總體上而言，振動(dòng)速度隨著爆心距的增加呈衰減趨勢(shì)，但在爆心距相同的情況下，有高程差的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度要明顯高于沒有高程差的測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度，即確實(shí)存在高程放大效應(yīng)。另外，高程放大效應(yīng)的強(qiáng)弱不與裝藥量正相關(guān)。

(2)產(chǎn)生高程放大效應(yīng)的測(cè)點(diǎn)處的地震波為高頻高幅波。高程放大效應(yīng)的誘因與爆破中心區(qū)巖土表面的鼓包運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

(3)位于同一臺(tái)階面的內(nèi)、外不同測(cè)點(diǎn)，其速度振幅也不相同，一般表現(xiàn)為處在臺(tái)階邊沿的測(cè)點(diǎn)幅值較大，即出現(xiàn)所謂的“鞭梢效應(yīng)”。

[1] 蔣楠，周傳波，平雯，等.巖質(zhì)邊坡爆破振動(dòng)速度高程效應(yīng)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，45(1)：237-243.

[2] 陳明，盧文波，李鵬，等.巖質(zhì)邊坡爆破振動(dòng)速度的高程放大效應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011，30(11)：2189-2195.

[3] Havenith H B,Vanini M,Jongmans D, et al. Initiation of earthquake-induced slope failure: influence of topographical and other site specific amplification effects[J].Journal of Seismology, 2003,7(3):397-412.

[4] Song Xiaolin, Zhang Jichun, Guo Xuebin,et al. Influence of blasting on the properties of weak intercalation of a layered rock slope[J].International Journal of Minerals,Metallurgy and Materials,2009,16(1): 7-11.

[5] 唐海,李海波.反映高程放大效應(yīng)的爆破振動(dòng)公式研究[J].巖土力學(xué)，2011，32(3)：820-824.

[6] 周同嶺,楊秀甫,翁家杰.爆破地震高程效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].建井技術(shù),1997，18(S1)：31-35.

[7] 林大超,白春華.爆炸地震效應(yīng)[M].北京:地質(zhì)出版社,2007:63-64.

[責(zé)任編輯 尚 晶]

Experimental study on elevation amplification effect of blasting vibration

BaiYang,DuanWeidong,XuYuanyuan,JiangPei

(College of Science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065,China)

Bench blasting experiments with different charge parameters were conducted on entity models. By analyzing the vibration velocity amplitude and waveform characteristics at each measuring point, the law and inducement of elevation amplification effect during the propagation of blasting seismic wave were studied. The results show that the intensity of elevation amplification effect is not positively related to the explosive charge amount, and this effect is attributed to the bulging process of rock surface at the blasting central area. The “whipping effect” can be used to explain the attenuation law of vibration velocity at different positions on the same level.

blasting vibration; bench blasting; elevation amplification effect; vibration velocity; whipping effect

2015-01-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174147).

白 楊(1987-)，男，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail:120103296@qq.com

段衛(wèi)東(1965-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士.E-mail:duanweidong@wust.edu.cn

O382

A

1674-3644(2015)03-0216-04