巖體爆破震動的監(jiān)測與衰減規(guī)律

李雄偉，李欣杭（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074）

巖體爆破震動的監(jiān)測與衰減規(guī)律

李雄偉，李欣杭
（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074）

為研究爆破震動波在巖體及減震孔中的傳播及其影響，本文以重慶兩江新區(qū)SK廠區(qū)周邊土石方爆破工程為例，運(yùn)用ANSYS/Ls-dyna軟件和薩道夫斯基經(jīng)驗公式，計算出現(xiàn)場地質(zhì)條件下的場地系數(shù) K = 4 724.98，衰減系數(shù) α = 1.9955，并通過現(xiàn)場試驗，測算了減震孔前后地表質(zhì)點(diǎn)振動速度，最后將現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析.結(jié)果表明：現(xiàn)場試驗結(jié)果與數(shù)值模擬有一定的差異，但存在同樣的變化規(guī)律.

巖體爆破；減震孔；質(zhì)點(diǎn)震速；衰減規(guī)律

巖體在爆炸動力的瞬間沖擊荷載作用下，爆炸沖擊波和應(yīng)力波向四周傳播，使巖體產(chǎn)生變形和破壞.在早期的研究中，國內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注的是爆破地震波的震速及其峰值的作用，以現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析得出的薩道夫斯基公式為代表的爆破地震波傳播衰減經(jīng)驗公式得到廣泛應(yīng)用[1].李保珍[2]、韓子榮[3]、于亞倫[4]等以地面質(zhì)點(diǎn)震動速度或加速度為測試參數(shù)對地面震動及其爆破地震波的衰減規(guī)律進(jìn)行了研究，建立以薩道夫斯基公式為參考的區(qū)域性的爆破地震波參數(shù)隨藥量和距離及地形參數(shù)和地質(zhì)條件衰減的經(jīng)驗公式.在高差和地形對爆破地震波的傳播規(guī)律影響方面的研究也取得許多成果.目前，國內(nèi)學(xué)者對爆破地震波的傳播規(guī)律研究主要是圍繞應(yīng)力波在節(jié)理裂隙巖體中進(jìn)行的.如張奇[5]對應(yīng)力波垂直于節(jié)理入射時的傳遞過程進(jìn)行了分析，認(rèn)為應(yīng)力波垂直節(jié)理面?zhèn)鞑r，其應(yīng)力衰減與兩側(cè)介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)的匹配有關(guān).綜上，國內(nèi)外在爆破領(lǐng)域的研究已經(jīng)較為成熟.

研究爆破振動的主要目的是探索爆炸作用下地震波的傳播規(guī)律及建（構(gòu)）筑物的響應(yīng)情況，確定適合的爆破方案，指導(dǎo)爆破設(shè)計與施工，確保施工安全.本文主要分析爆破震動波在巖體與減震孔中的傳播規(guī)律，并分析減震孔前后質(zhì)點(diǎn)震動速度變化，最后與ANSYS數(shù)值分析結(jié)果對比，找出理論計算與數(shù)值模擬的異同點(diǎn).

1 工程概況

SK是一家生產(chǎn)鋰電正極材料的韓資企業(yè)，位于重慶市兩江新區(qū)龍興工業(yè)園區(qū).由于重慶兩江新區(qū)建設(shè)大開發(fā)，在SK廠區(qū)周圍存在待開發(fā)用地平場爆破和道路建設(shè)爆破施工，對廠區(qū)的生產(chǎn)線影響較大，因此需進(jìn)行爆破震動控制研究.

開挖爆破施工時，必須對爆源點(diǎn)周邊振動敏感建（構(gòu)）筑物、巖土體進(jìn)行振動監(jiān)測，嚴(yán)格控制質(zhì)點(diǎn)振動強(qiáng)度，防止爆破振動對建（構(gòu)）筑物、巖土體造成損傷或破壞.相關(guān)爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)見文獻(xiàn)[6].一般當(dāng)質(zhì)點(diǎn)振速超過允許值時應(yīng)暫停爆破作業(yè)，并通過爆破試驗控制爆破藥量與安全距離.

由于SK項目是鋰電池正極材料的生產(chǎn)廠家，其中有大型的精密儀器，經(jīng)當(dāng)?shù)貙＜已杏?，其爆破振動控制?biāo)準(zhǔn)為5 Hz以上、0.1 cm/s以下，控制標(biāo)準(zhǔn)非常高.經(jīng)過綜合分析，在SK廠區(qū)周邊加設(shè)雙排錯位的減震孔（減震孔平面布置見圖1）.利用空心孔對爆破震動的減震作用，一方面可以保證SK廠區(qū)生產(chǎn)線的正常作業(yè)，另一方面也保證SK廠區(qū)周邊爆破施工的有序進(jìn)行.

圖1 減震孔平面布置圖

2 研究方法與原理

爆破震動強(qiáng)度的質(zhì)點(diǎn)震動速度和頻率與爆區(qū)最大一段裝藥量、爆心距、地質(zhì)地形條件密切相關(guān).爆破過程中，最大限度地減少爆破震動對周邊建筑物的影響為施工關(guān)鍵所在.通過運(yùn)用薩道夫斯基經(jīng)驗公式推斷出圍巖中K、α值，以確定單段最大炸藥量，正確指導(dǎo)爆破施工，成功地控制爆破震動速度.薩道夫斯基地震動最大速度經(jīng)驗公式0：

式中：V為質(zhì)點(diǎn)最大速度，單位cm/s；Q為齊爆藥量，單位kg；R為爆心距，單位m；K為場地系數(shù)，α為衰減系數(shù).對上式兩邊取對數(shù)，則得：

式（3）為一元線性回歸方程，K、α為回歸方程的回歸系數(shù).

根據(jù)最小二乘法，將各監(jiān)測點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)震動速度值V及齊爆藥量Q、爆心距R分別代入上式，進(jìn)行回歸分析計算，得到該地質(zhì)與地形條件下的K和α值.

3 現(xiàn)場試驗

根據(jù)巖土工程勘察報告，SK廠區(qū)附近地質(zhì)構(gòu)造位于大盛場向斜北西翼，為單斜巖層產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀為：傾向122°，傾角9°.層面裂隙不發(fā)育，局部有泥化現(xiàn)象，結(jié)合很差，屬軟弱結(jié)構(gòu)面.廠區(qū)附近上覆土層為第四系全新統(tǒng)人工素填土（Q4ml）、粉質(zhì)粘土（Q4dl+el）；下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2S）砂質(zhì)泥巖、砂巖、粉砂巖層.

通過在距SK廠區(qū)350 m的貴格土石方平場程兩江總部城做試爆試驗，并嚴(yán)格按照SK廠區(qū)精密儀器爆破控制標(biāo)準(zhǔn)0.1 cm/s，TC-4850N爆破測震儀來監(jiān)測SK廠區(qū)地面質(zhì)點(diǎn)的震動速度.在試爆過程中，先從最小炸藥量2 kg開始試爆，通過TC-4850N爆破測震儀監(jiān)測SK廠區(qū)地表質(zhì)點(diǎn)震動速度峰值，逐步增加炸藥量，使SK廠區(qū)地表質(zhì)點(diǎn)震動速度峰值接近0.1 cm/s.

按照以上的標(biāo)準(zhǔn)，在控制的試爆炸藥量之間重復(fù)做了20次試爆試驗，用TC-4850N爆破測震儀測得20組數(shù)據(jù)如表2.

表2 試爆試驗結(jié)果

4 理論計算

根據(jù)試爆的數(shù)據(jù)，結(jié)合式（1）、（2），就能夠?qū)、Q、R、K及α轉(zhuǎn)換為線性關(guān)系，其中 y = l g V，x=lg(Q1/3/R).應(yīng)用Excel軟件進(jìn)行函數(shù)擬合，結(jié)果見圖2.

圖2 lgV與 l g(Q1/3/R)的線性關(guān)系

因為 R2＞ 0 .99，所以這是一個線性特征非常明顯的實驗?zāi)Ｐ?，由圖2可得擬合方程為：

因此，lg K=3.674 4,α = 1 .9955，解得：

K=4 724.98,α =1.9955.

這樣，通過本次試爆試驗，就求得了SK廠區(qū)周圍地形地質(zhì)條件下的薩達(dá)夫斯基經(jīng)驗公式中的參數(shù)K和α.隨著施工的進(jìn)行，爆破震源位置變化，爆心距發(fā)生改變，利用計算得到的K、α，反算炸藥量，控制施工中最大炸藥量不超過這個值，指導(dǎo)后續(xù)爆破作業(yè)安全可靠的經(jīng)行.

5 數(shù)值模擬

由于現(xiàn)場試驗受各種自然因素影響，得到的結(jié)果具有一定的不確定性.計算機(jī)仿真模擬爆破過程可以驗證現(xiàn)場試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時，可以從兩種方法的差異中找到各自的不足，以便在后續(xù)研究中不斷優(yōu)化改進(jìn).

圖3 網(wǎng)格劃分后的三維模型

本文采用ANSYS/Ls-dyna進(jìn)行模擬分析，由于模型四周無限延伸，故在模型四周及地面施加無反射邊界條件，模型的上表面為自由面[7].整個模型采用mm-g-ms單位制，網(wǎng)格劃分后的三維模型如圖3.

施加約束后，設(shè)置好能量控制選項、文件輸出和步數(shù).最后生成K文件，修改K文件中炸藥和空氣的材料參數(shù)，添加炸藥的狀態(tài)方程及其爆點(diǎn)位置[8-10].

利用LS-DYNA的后處理器LS-Prepost，取10個不同斷面，得到10組減震孔前后質(zhì)點(diǎn)各方向震動速度峰值列于表3和表4.

表3 孔前各斷面質(zhì)點(diǎn)不同方向震動速度峰值

表4 孔后各斷面質(zhì)點(diǎn)不同方向震動速度峰

6 現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬對比分析

前兩節(jié)分別用現(xiàn)場試驗和ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬得到了SK廠區(qū)地表質(zhì)點(diǎn)的速度.為了進(jìn)一步探討數(shù)值模擬結(jié)果正確與否，下邊對兩種方法得到的質(zhì)點(diǎn)震動速度進(jìn)行對比分析.圖5是現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬得到的減震孔前質(zhì)點(diǎn)震動速度峰值，圖6是現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬得到的減震孔后質(zhì)點(diǎn)震動速度峰值.

由圖4和圖5可以看出，數(shù)值分析得到的質(zhì)點(diǎn)震動速度和現(xiàn)場試驗得到的質(zhì)點(diǎn)震動速度是有差異的，且總體上看，數(shù)值模擬得到的質(zhì)點(diǎn)速度峰值都大于現(xiàn)場試驗得到的質(zhì)點(diǎn)速度峰值.除此之外，現(xiàn)場試驗是在SK廠區(qū)精密儀器爆破控制要求0.1 cm/s的嚴(yán)格控制下實施的，得到的質(zhì)點(diǎn)震動速度峰值滿足精密儀器的爆破控制要求.而數(shù)值模擬得到的結(jié)果，部分質(zhì)點(diǎn)震動速度峰值大于0.1cm/s，這主要是在模擬時，對模型的簡化造成的[11].同時，這也是數(shù)值模擬的不足之處[12].

圖4 孔前質(zhì)點(diǎn)震動速度峰值對比

圖5 孔后質(zhì)點(diǎn)震動速度對比

7 結(jié)論

隨著城市的不斷發(fā)展，爆破施工變得越來越常見，本文的研究結(jié)果有助于指導(dǎo)爆破施工以及對周邊建筑物的保護(hù).由于現(xiàn)場自然因素復(fù)雜多變，存在許多現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬考慮不到的因素，在以后的研究過程中仍需不斷深入細(xì)化.

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[責(zé)任編輯：韋 韜]

Monitoring and Attenuation Law of Blasting Vibration in Rock

LI Xiong-wei1,LI Xin-hang2
(College of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

In order tostudy the propagation law of blast vibration waves in rock and damping holes,this paper,taking the rock blasting engineering surrounding the SK factory in Liangjiang New District, Chongqing,as example,using the ANSYS/Ls-dyna software and Sa Rodolfo J Ki’s empirical formula and through site tests,analyses the vibration velocity of ground particles before and after the shock absorption,and compares the results of the field tests with numerical simulation results.Results show: in the geological conditions of the local surrounding terrain,in the Sa Rodolfo J Ki’s empirical formula the Site coefficient(K)is 4 724.98 and the attenuation coefficient‘α’is 1.995 5;there are some differences between the field test results and numerical analysis,but the law of change is the same; and the cushioning effect of the double row dislocation damping holes is very obvious.

rock blasting;damping holes;particle vibration velocity;attenuation law

TD235.33

A

1006-7302（2016）03-0035-05

2016-04-25

李雄偉（1990—），男，四川資陽人，在讀碩士生，研究方向為隧道開挖技術(shù).