鈣質(zhì)砂地基含水率對爆破振動特性影響分析*

鐘冬望，杜 泉，孟慶山，雷學文，何 理，司劍峰，伍 岳

(1.武漢科技大學，武漢430065；2.湖北省智能爆破工程技術(shù)研究中心，武漢 430065；3.中國科學院 武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071)

近年來，隨著國家海上絲綢之路戰(zhàn)略的推出，海洋資源的開發(fā)和國防安全的需要，使得我國海域建設不斷加速。 在我國南海諸島廣泛分布著鈣質(zhì)砂。鈣質(zhì)砂是由海洋生物成因的、富含碳酸鈣或碳酸鎂等物質(zhì)的特殊巖土介質(zhì)組成，經(jīng)物理、 生物、化學及化學作用過程形成的碳酸鹽沉積物。鈣質(zhì)砂顆粒具有多孔隙、形狀不規(guī)則、易破碎、顆粒間易膠結(jié)等特點[1]。我國對于南海島礁的相關研究，主要開始時期可追溯到上世紀70年。到目前為止，研究成果頗豐。這些成果中對于鈣質(zhì)砂在靜荷載下鈣質(zhì)砂的力學物理特性的研究較為多見，張家銘等人對鈣質(zhì)砂進行了一維和等向壓縮試驗闡述了鈣質(zhì)砂的壓縮特性及其壓縮機理同時探討了破碎與塑性功、膨脹、應力應變、強度之間的關系[2]。錢煒對某島礁一定深度范圍內(nèi)的鈣質(zhì)砂,開展了剪切性能及壓縮特性試驗研究，發(fā)現(xiàn)珊瑚砂礫混合碎屑物的壓縮變形與珊瑚礫塊和珊瑚砂的質(zhì)量組成有關,同時也受到含水量的影響[3]。魏久淇等利用改進的直徑37 mm分離式霍普金森鋁制壓桿，對級配相同的鈣質(zhì)砂與福建標準砂開展35組被動圍壓沖擊試驗，研究了應變率和密度對兩種砂動態(tài)力學特性的影響[4]。趙章泳使用經(jīng)過系統(tǒng)標定的霍普金森壓桿試驗裝置對不同含水率鈣質(zhì)砂進行了在準一維應變條件下的動態(tài)壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)當鈣質(zhì)砂應變小于0.025時潮濕試樣的切向模量高于干燥試樣，而在應變大于0.025時則相反。潮濕鈣質(zhì)砂的切線模量隨含水率的增加先減后增[5]。同時提出了非飽和鈣質(zhì)砂鎖變現(xiàn)象的模型。徐學勇等人在自己制作的1 m3立方體試驗箱中，研究了飽和鈣質(zhì)砂在小藥量爆炸荷載作用下的動力響應特性，比較了相同試驗條件下石英砂鈣質(zhì)砂的爆炸響應[6,7]。但在露天大尺度模型條件下，鈣質(zhì)砂地基在爆破荷載作用下質(zhì)點振動響應的研究尚不多見。

開展了干鈣質(zhì)砂地基、濕鈣質(zhì)砂地基和飽和鈣質(zhì)砂地基中球形藥包爆炸試驗，測試各含水狀態(tài)鈣質(zhì)砂地基的不同爆心距的質(zhì)點振動速度。分析不同含水狀態(tài)鈣質(zhì)砂地基中的爆破振動速度峰值和能量衰減規(guī)律，并對試驗中各含水狀態(tài)鈣質(zhì)砂地基的質(zhì)點振動速度峰值基于薩氏公式進行擬合，得到了相應的K、α值。

1 試驗設計

1.1 試驗材料與設備

本試驗所用的地基材料為南海某島礁上的鈣質(zhì)砂細顆粒，如圖1所示。如圖2所示為本次試驗的試驗現(xiàn)場環(huán)境。本次采用的振動測試儀器為中科測控生產(chǎn)的TC-4850，采樣頻率設置為8 kHz。爆破試驗所用的炸藥類型為巖石乳化炸藥。

1.2 試驗方案

本試驗將曬干的鈣質(zhì)砂細砂顆粒填滿試驗長4 m、寬3 m、深度為0.6 m的基坑中并用夯機壓實。對鈣質(zhì)砂地基干、濕、飽和3種含水狀態(tài)進行藥量為0.05 kg、0.1 kg、0.15 kg的爆破振動試驗，其中干鈣質(zhì)砂地基含水率為0%，濕鈣質(zhì)砂地基含水率為50%，飽和鈣質(zhì)砂地基含水率為100%，試驗參數(shù)如表1所示。試驗裝藥埋深為25 cm，測振儀器在地基中的布置測點如圖3所示，測點距離爆源的位置，即爆心距分別為1.3 m、1.5 m、1.7 m、1.9 m、2.1 m。

表1 鈣質(zhì)砂地基振動試驗參數(shù)Table 1 Vibration test parameters of calcareous sand foundation

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 振速峰值(ppv)比較及其衰減規(guī)律

對鈣質(zhì)砂地基3種不同含水率分別進行了0.05 kg、0.1 kg、0.15 kg藥量的爆破試驗，分析3種不同含水率鈣質(zhì)砂地基徑向、切向、垂向的爆破質(zhì)點振動速度峰值(ppv)，測試數(shù)據(jù)如表2所示，數(shù)據(jù)繪制成圖4所示。

結(jié)合表2及圖4，可得各種地基質(zhì)點振動速度與爆源藥量和爆心距的規(guī)律。對于同一藥量，3種不同含水率的鈣質(zhì)砂地基的ppv均為徑向最大，垂直向次之，切向最小。相同爆心距，含水率越高的鈣質(zhì)砂地基ppv越大。藥量越大，振動速度越大。藥量一定時，隨著爆心距增加，振動速度減小。ppv衰減速率隨爆心距的增加而減小。對比不同含水率地基的ppv可以看出，同等藥量，同一爆心距的條件下，飽和鈣質(zhì)砂地基ppv較濕鈣質(zhì)砂大，濕鈣質(zhì)砂地基ppv較干鈣質(zhì)砂地基ppv大。在1.3 m到2.1 m范圍內(nèi)，干鈣質(zhì)砂地基質(zhì)點ppv的衰減速率較濕鈣質(zhì)砂地基ppv和飽和鈣質(zhì)砂地基ppv大。

表2 藥量不同爆心距質(zhì)點3向振速峰值Table 2 The peak of the 3-speed vibration velocity

2.2 薩道夫斯基公式擬合

薩道夫斯基公式在平整地形條件下預測地面的爆破振動質(zhì)點速度具有較高的精度。我國長期以來在爆破地震安全距離與質(zhì)點振動速度計算方面也是采用薩道夫斯基公式。目前，《爆破安全規(guī)程》對陸源巖土的薩氏公式的K,α值有相應的范圍。對島礁的鈣質(zhì)砂類的巖土卻是空白。由上述比較得知，徑向ppv為最大，危害較大。利用python進行編程對徑向振動速度擬合得到不同地基的薩道夫斯基公式的K,α的值及相關擬合優(yōu)度，如表3所示。

表3 鈣質(zhì)砂地基薩氏公式及K值、α值Table 3 Sadowski formula and K value and α value of various calcareous sand foundations

表3中列出了通過試驗數(shù)據(jù)擬合的薩式公式，從擬合結(jié)果優(yōu)度值來看，試驗數(shù)據(jù)的擬合效果較好，擬合結(jié)果可以為今后的工程實踐和科研工作作為參考。從表中可以看出鈣質(zhì)砂地基的含水狀態(tài)對薩氏公式中的K值、α值較大的影響。鈣質(zhì)砂地基中含水越高，其對應的薩氏公式K值和α值越小。

2.3 爆破振動能量的小波包分析

對于爆破振動的研究，越來越多的學者發(fā)現(xiàn)爆破振動危害不僅與質(zhì)點的振動速度峰值有關還與振動的主振動頻率和爆破地震波中的能量有著密切的關系，有學者提出了用能量分析的方法來研究爆破振動。目前，用小波包分析的方法對質(zhì)點能量進行分析已被廣泛使用[8-11]。本模型試驗使用的采樣頻率為8 kHz，根據(jù)采樣定理，Nyquist頻率為4 kHz。根據(jù)小波包算法，采用二進尺度變換，對信號10層分解后第j個頻帶重構(gòu)信號對應的頻率范圍為

[j～(j+1)]×fa/210

(1)

式中:j=0,1,2,3,…，210-1;fa為分析頻率，fa=4 kHz。

設小波包分解爆破振動信號為x(t)。將信號x(t)投影到小波包基上，通過各個小波包系數(shù)反映爆破振動信號的不同特征，其表達式如下

x(t)=xi,0(t0)+xi,3(t1)+xi,2(t2)+

(2)

式中，xi,j(tj)為微振動信號小波包分解到節(jié)點i、j，即(第i層第j頻帶)上的重構(gòu)信號。

利用小波包變換將爆破振動信號的能量信息映射到不同頻段上，結(jié)合巴什瓦定理及式(2)可知，第層信號分量的能量為

(3)

式中:vj,m表示重構(gòu)信號;xi,j離散點對應的賦值；m為離散點的個數(shù)，n為采樣數(shù)據(jù)的長度，其中m=1,2,3,4,5,…,n。

所以，爆破振動的總能量為

(4)

依據(jù)式(1)～(4)，通過python進行相應的編程，統(tǒng)計歸納得出不同含水狀態(tài)的鈣質(zhì)砂地基的各測點爆破振動信號能量值如表4 所示，采用樣條曲線繪制如圖5所示。

表4 鈣質(zhì)砂地基測點總能量Table 4 Measurement total energy of calcareous sand foundation

結(jié)合表4和圖5可以看出，在爆心距1.3 m的測點，3種含水狀態(tài)的地基能量，飽和鈣質(zhì)砂地基質(zhì)點能量最大，濕鈣質(zhì)砂的次之，干鈣質(zhì)砂的最小，爆心距在1.3 m后3種地基的爆破振動能量的衰減速率逐步減緩，爆破振動能量速率在飽和鈣質(zhì)砂地基中最快，在濕鈣質(zhì)砂中次之，在干鈣質(zhì)砂中最慢。

3 結(jié)論與展望

目前，隨著國家綜合國力的日益增強，科研與基建能力的大幅提升，對于海洋的開發(fā)和科研探索將會迅速增長，這有利于國家的國防安全建設以及科研綜合能力的增長。本文通過對鈣質(zhì)砂地基的爆炸振動響應特性試驗探索，得出如下結(jié)論：

(1)本文比較了0.05 kg藥量下的鈣質(zhì)砂地基的測點的徑向、切向、垂向3個方向質(zhì)點振動速度峰值(ppv)，每種含水狀態(tài)的鈣質(zhì)砂地基ppv，徑向最大，垂向次之，切向最小。

(2)得出了同種條件下3種含水狀態(tài)的鈣質(zhì)砂地基的振動衰減公式。實驗表明：質(zhì)點振動速度衰減速率隨爆心距的增加而減小。在爆破荷載作用下，飽和鈣質(zhì)砂質(zhì)地基的質(zhì)點振動速度較濕鈣質(zhì)砂地基的大，濕鈣質(zhì)砂地基的質(zhì)點振動速度較干鈣質(zhì)砂地基的大。

(3)本文基于小波包技術(shù)對鈣質(zhì)砂地基測點的能量進行了分析，同藥量情況下，飽和鈣質(zhì)砂地基的質(zhì)點爆破振動的能量比濕鈣質(zhì)砂地基的大，濕鈣質(zhì)砂地基的質(zhì)點爆破振動能量比干鈣質(zhì)砂地基的大，質(zhì)點爆破振動的能量衰減速率隨著爆心距的增加而逐漸趨緩，其衰減速率：飽和鈣質(zhì)砂地基大于濕鈣質(zhì)砂地基大于干鈣質(zhì)砂地基。