彭亞雄, 吳 立, 蘇 瑩, 李紅勇, 李春軍
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院,武漢 430074; 3.長(zhǎng)江重慶航道工程局,重慶 630025;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心, 武漢 430074)
考慮高程效應(yīng)的水下爆破振動(dòng)衰減擬合模型研究
彭亞雄1,2, 吳立1,2, 蘇瑩1,2, 李紅勇3, 李春軍3
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院,武漢430074; 3.長(zhǎng)江重慶航道工程局,重慶630025;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 巖土鉆掘與防護(hù)教育部工程研究中心, 武漢430074)
由于水介質(zhì)的存在,影響爆破振動(dòng)衰減的因素大幅增加,同時(shí)導(dǎo)致了水下爆破監(jiān)測(cè)的困難。因此,水下爆破工程中,傳統(tǒng)的薩道夫斯基公式(TSF)已不完全適用。通過(guò)引入高程差因子β,得到修正的薩道夫斯基公式(MSF)。分別建立修正公式的線性與非線性擬合模型,并求解K,α,β三個(gè)相關(guān)參數(shù)。結(jié)合萬(wàn)州公路長(zhǎng)江大橋防撞帶水下爆破工程,用線性與非線性擬合模型分別進(jìn)行計(jì)算,并求解出K、α、β及殘差平方和RSS。分析結(jié)果表明,非線性模型的擬合精度高于線性模型,而且非線性擬合模型能夠更好地研究考慮高程效應(yīng)的水下爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。
水下爆破;振動(dòng)衰減;高程效應(yīng);擬合模型
適合場(chǎng)地條件下的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律是進(jìn)行工程爆破設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)的重要依據(jù),也是研究爆破對(duì)臨近建筑物影響的關(guān)鍵問(wèn)題。我國(guó)爆破工程中通常采用薩道夫斯基公式研究爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。
由于該公式的非線性和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的離散性,如何求得精確且滿足工程條件的K,α值,成為問(wèn)題的關(guān)鍵。饒運(yùn)章等[1]利用SPSS軟件進(jìn)行了爆破振速衰減規(guī)律計(jì)算。胡建華等[2]利用多元線性回歸方法分析了單孔爆破條件下的振動(dòng)衰減規(guī)律。盧文波等[3]基于多種應(yīng)力波理論對(duì)質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)衰減公式進(jìn)行改進(jìn)。呂濤等[4]利用非線性擬合法對(duì)爆破振動(dòng)衰減公式的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了研究。近來(lái),很多學(xué)者采用遺傳算法[5-6]或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7-11]等,對(duì)振動(dòng)衰減公式進(jìn)行了高精度擬合。
上述研究基本解決了陸地上各類爆破振動(dòng)衰減公式的求解問(wèn)題,但是由于水下爆破影響條件的復(fù)雜性和工程監(jiān)測(cè)的困難,水下爆破工程中傳統(tǒng)的薩道夫斯基公式(TSF)已不完全適用。本文通過(guò)引入新的參數(shù)高程差因子β[12-13],對(duì)薩道夫斯基公式進(jìn)行修正(MSF),并分別建立MSF線性與非線性擬合模型,分析滿足水下爆破條件的振動(dòng)衰減規(guī)律。
1.1薩道夫斯基公式
爆破工程中,爆破振動(dòng)衰減規(guī)律受到多重因素的影響,如:振速、頻率、裝藥量等。由爆破工程經(jīng)驗(yàn)可知,振速與裝藥量成正比,與爆心距成反比[14]。TSF可以較好的反映上述變化關(guān)系。
V=K(Q1/3/R)α
(1)
式中,V為質(zhì)點(diǎn)振速幅值,cm/s;Q為單段最大藥量,kg;為爆心距,m;K、α為與傳播介質(zhì)相關(guān)的參數(shù)。
《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2011)[15]給出了不同巖石條件下K、α的推薦值。對(duì)于水下爆破通常采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。
1.2水下爆破振動(dòng)影響分析
爆破振動(dòng)衰減規(guī)律主要受到爆破設(shè)計(jì)參數(shù)、爆破振動(dòng)控制參數(shù)及巖體物理力學(xué)性能的影響。在TSF公式中,爆破設(shè)計(jì)參數(shù)以單段最大藥量Q的影響最大,爆破振動(dòng)控制參數(shù)則主要考慮爆心距R的影響,并通過(guò)K、α的值反映巖體物理力學(xué)性能。在實(shí)際爆破工程,一般通過(guò)兩組爆破試驗(yàn),測(cè)得在不同爆破裝藥量和不同爆心距條件下的振速幅值,求解TSF方程組獲得K,α的取值。
然而在水下爆破工程中,由于水介質(zhì)的存在,爆破振動(dòng)衰減還受到了高程差H、流速v及水溫T等因素影響。然而TSF公式?jīng)]有考慮到水的影響,工程中采用該方法求得的值離散性較大,無(wú)法滿足工程要求。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),測(cè)點(diǎn)與爆源間的相對(duì)高差H對(duì)振動(dòng)有很大的影響,即高程差越大,振動(dòng)效應(yīng)越大。而水的流速v及水溫T對(duì)振動(dòng)效應(yīng)影響極小,工程中可基本忽略。因此,有必要對(duì)TSF公式進(jìn)行修正,以考慮高程差的影響。
1.3考慮高程效應(yīng)的修正公式
在進(jìn)行水下爆破施工時(shí),由于水深的影響,并且爆破測(cè)振儀無(wú)法安放在水下基巖表面,而是安放在岸邊或橋墩上,導(dǎo)致了高程效應(yīng)。
(2)
式中,H為質(zhì)點(diǎn)距爆心高程差,m;β為高程差因子;其余同前式。
MSF包含了多個(gè)自變量,且因變量爆破質(zhì)點(diǎn)振速V與修正裝藥量Q、爆心距R、高程差H也不是線性關(guān)系。因此,該函數(shù)屬于最復(fù)雜的多元非線性函數(shù)[17]。
(3)
對(duì)式(3)進(jìn)行線性化處理,并采用最小二乘法原理建立MSF線性擬合模型。具體步驟如下:
對(duì)式(3)兩邊取對(duì)數(shù)得:
lnV=lnK+αlnρR+βlnρH
(4)
為了簡(jiǎn)化計(jì)算,設(shè)y=lnV,x1=lnρR,x2=lnρH,a1=α,a2=β,a0=lnK,b為附加系數(shù)。則式(4)改寫為:
y=a0+a1x1+a2x2+b
(5)
假設(shè)進(jìn)行n次爆破試驗(yàn),則可得到n組MSF線性化方程組,并轉(zhuǎn)化為矩陣方程。
(6)
(7)
式中,
(8)
(9)
整理式(9),得出矩陣方程組:
(10)
(11)
對(duì)MSF中參數(shù)進(jìn)行變量替換,可得到MSF線性擬合模型。
(12)
由于擬合值并不是真實(shí)值,在建立擬合模型后需對(duì)偏離程度進(jìn)行計(jì)算。數(shù)學(xué)上一般采用殘差平方和(RSS)進(jìn)行評(píng)價(jià),RSS越小說(shuō)明擬合精度越高。
(13)
3.1非線性擬合模型
上述方法能夠依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出K、α、β值。但是由于MSF是非線性的,而進(jìn)行上述推導(dǎo)時(shí)進(jìn)行了線性化處理,所以求得的K,α,β值并非真正意義上的擬合值。
對(duì)比式(8)和式(13)可知,Qe2是經(jīng)過(guò)線性化處理的公式,而RSS則保有MSF的原型。采用殘差平方和(RSS)作為擬合準(zhǔn)則,建立MSF非線性擬合模型可以消除線性化影響。
根據(jù)非線性最小二乘法原理,對(duì)式(13)求偏導(dǎo):
(14)
即:
(15)
經(jīng)整理,可以得到如下方程組:
(16)
式(16)為非線性最小二乘法估計(jì)的正規(guī)方程組。由于方程的非線性,無(wú)法直接解得解析解。需進(jìn)行Newton迭代求解K、α、β的估計(jì)值。
3.2Newton迭代法求解
對(duì)式(16)進(jìn)行Taylor展開(kāi),并取一階偏導(dǎo)數(shù)。
(17)
(18)
寫出式(18)的矩陣表達(dá)式:
Δx(k)=-[D(k)f(x)]-1f(x(k))
(19)
式中:D(k)f(x)稱Jacobian矩陣,表達(dá)式如下:
(20)
所以,
x(k+1)=x(k)+Δx(k)=-[D(k)f(x)]-1f(x(k)〗
(21)
當(dāng)Jacobian矩陣D(k)f(x)為非奇異,且初值x(0)∈0(x*,δ),δ趨于無(wú)窮小,則通過(guò)式(21)可以迭代收斂。
4.1工程概況
由于三峽水庫(kù)蓄水影響和通航船舶載重加大,易引發(fā)惡劣的船撞橋梁的安全事故。為了保護(hù)萬(wàn)州公路長(zhǎng)江大橋安全,需進(jìn)行防撞帶工程建設(shè)。工程采用水上升降式防撞裝置。防撞帶與橋軸線大致對(duì)稱布置。
建設(shè)防撞設(shè)施需對(duì)導(dǎo)向槽進(jìn)行水下爆破開(kāi)挖。通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)采集的爆破數(shù)據(jù),研究爆破振動(dòng)衰減規(guī)律,提供爆破設(shè)計(jì)參數(shù),并預(yù)測(cè)爆破振速。
4.2爆破監(jiān)測(cè)布設(shè)
本工程爆破炸礁區(qū)域位于萬(wàn)州城區(qū),臨近重點(diǎn)控制對(duì)象為萬(wàn)州公路長(zhǎng)江大橋、居民小區(qū)、某武警部隊(duì)駐地及河岸邊坡。因此,監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置主要在這些區(qū)域內(nèi),具體如圖1所示。圖中,各監(jiān)測(cè)區(qū)域Z坐標(biāo)表示該處高程范圍值。
圖1 爆破監(jiān)測(cè)布設(shè)Fig.1 Layout of blasting monitoring
4.3數(shù)據(jù)采集及擬合
工程中采用TC-4850型和M20型測(cè)振儀,如圖2。爆破振動(dòng)信息由三相分體傳感器接收,并傳輸至監(jiān)測(cè)主機(jī)。使用專用測(cè)試分析軟件可對(duì)其進(jìn)行分析與處理。
圖2 爆破監(jiān)測(cè)儀Fig.2 Layout of blasting monitors
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),獲得18組不同藥量、距離和高程的鉆孔水下爆破監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。表中Q為單段最大藥量;R為爆心距;H為質(zhì)點(diǎn)距爆心高程差;V為振速幅值。
表1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果
利用表1中18組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用上述MSF線性與非線性擬合模型,編寫matlab命令流,計(jì)算待定系數(shù)K、α、β。結(jié)果如表2所示。
表2 擬合結(jié)果與殘差平方和
4.4驗(yàn)證試驗(yàn)與分析
為了驗(yàn)證上述擬合結(jié)果,進(jìn)行了三組爆破試驗(yàn),并分別布置三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),記錄實(shí)測(cè)振速。試驗(yàn)測(cè)試與預(yù)測(cè)振速如表3所示。
由表2結(jié)果可知,非線性殘差平方和小于線性殘差平方和,說(shuō)明MSF非線性擬合模型精度更高,能夠更好的對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
根據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果,線性模型預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差在7.8%~13.8%之間,非線性模型預(yù)測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差在11.1%~23.6%之間,兩種模型結(jié)果均能滿足工程要求。而采用TSF公式進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí),相對(duì)誤差在24.6%~39.1%之間,遠(yuǎn)高于MST公式,說(shuō)明通過(guò)考慮高程效應(yīng)的MST公式能夠提高爆破振速預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
表3 試驗(yàn)實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)結(jié)果
從高程效應(yīng)考慮,線性模型的高程差因子β僅為0.025,說(shuō)明該模型中高程效應(yīng)對(duì)爆破振動(dòng)的影響很低。而非線性回歸分析的高程差因子β為-0.231,β為負(fù)值說(shuō)明水下爆破中爆源與監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的高程差對(duì)振速有放大作用。文獻(xiàn)[18-19]得到了類似的結(jié)論。因此,水下爆破工程中采用MSF非線性擬合模型更為合適。
(1) 在水下爆破工程中,使用原始的薩道夫斯基公式無(wú)法較好地分析爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。因此,通過(guò)引入高程差因子β,提出了考慮高程效應(yīng)的修正公式。
(2) 通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo),分別構(gòu)造MSF線性與非線性擬合模型。并在重慶萬(wàn)州水下爆破工程中進(jìn)行運(yùn)用,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用這兩種方法求解系數(shù)K,α,β。通過(guò)比較殘差平方和RSS,并進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)兩種模型相對(duì)誤差均滿足工程要求,且非線性模型的精度更高。
(3) 通過(guò)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果,計(jì)算出了兩種方法的高程差因子β。研究發(fā)現(xiàn)線性模型的β值太小,無(wú)法體現(xiàn)高程效應(yīng)的影響。非線性模型的β為負(fù)值,符合高程放大效應(yīng)規(guī)律。因此,水下爆破工程中采用MSF非線性擬合模型更為合適。
(4) MSF非線性擬合模型在萬(wàn)州公路長(zhǎng)江大橋防撞帶水下爆破工程中得到實(shí)際運(yùn)用。說(shuō)明該模型能夠反映水下爆破振動(dòng)衰減規(guī)律,指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)和爆破振動(dòng)預(yù)測(cè)。
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Fitting models of underwater blasting vibration attenuation considering effects of elevation
PENG Ya-xiong1,2, WU Li1,2, SU Ying1,2, LI Hong-yong3, LI Chun-jun3
(1. Faculty of Engineering, China University of Geoscieneces, Wuhan 430074, China;2. Engineering Research Center of Rock-Soil Drilling & Excavation and Protection, Ministry of Education, China University of Geoscieneces, Wuhan 430074, China;3. The Yangtse Rivesea Route Engineering Bureau, Chongqing 630025, China)
Due to the presence of water medium, the vibration attenuation of underwater blasting is greatly affected by effects of water, they cause practical difficulties during monitoring. Therefore, the traditional Sadove formula (TSF) is no longer completely suitable for the underwater blasting engineering. By introducing β to show the height deviation, the modified Sadove formula (MSF) was derived. Then, the linear and nonlinear fitting models of MSF were built and the relevant parameters ofK,α,βwere solved. Finally, taking the underwater blasting engineering for the collision control region of the bridge over Yangtze river in Wanzhou as an example, the three parameters and the residuals square sum RSS were calculated with the linear and nonlinear fitting model of MSF. The analysis results showed that the nonlinear fitting model is more accurate than the linear one, thus the nonlinear fitting model can be used to better study the vibration attenuation law of underwater blasting considering the effect of elevation.
underwater blasting; vibration attenuation; effects of elevation; fitting model
10.13465/j.cnki.jvs.2016.13.028
湖北省自然科技基金重點(diǎn)基金項(xiàng)目(2013CFA110);中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(SKJ2014065)
2015-01-04修改稿收到日期:2015-06-07
彭亞雄 男,博士生,1990年生
吳立 男,教授,博士生導(dǎo)師,1963年生
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