采用壓電波動(dòng)法的水下消能爆破損傷特征試驗(yàn)研究*

熊 偉，鐘冬望，嚴(yán)愛國，司劍峰，王鵬宇，劉振標(biāo)

(1.武漢科技大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430065；2.湖北省智能爆破工程技術(shù)研究中心，武漢 430065；3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

在橋梁、大壩、圍堰拆除等水下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中，通常會(huì)涉及大量的水下鉆孔爆破開挖工程。在巖石的鉆爆開挖過程中，由于爆炸應(yīng)力波的作用，在爆破完畢后，開挖輪廓線下巖體和周圍保留巖體會(huì)新生許多裂紋，加上原有的微裂紋被擴(kuò)大，導(dǎo)致這些區(qū)域巖體的力學(xué)性質(zhì)劣化。這些由于爆破損傷所致的力學(xué)性質(zhì)的劣化將會(huì)導(dǎo)致巖體完整性和穩(wěn)定性受到影響，給保留巖體及巖體建基面上的構(gòu)筑物安全造成了極大的安全隱患。因此，巖石爆破開挖過程中的爆破損傷監(jiān)測和控制是巖石工程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，它對爆破設(shè)計(jì)理論及巖體建基面穩(wěn)定性分析具有重要的指導(dǎo)意義。為了減少爆破開挖中的損傷范圍，必須采用控制爆破技術(shù)。經(jīng)過數(shù)十年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，逐漸延伸出了一系列的爆破開挖技術(shù)，例如分層爆破開挖技術(shù)，水平預(yù)裂爆破技術(shù)，水平光面爆破技術(shù)，帶墊層的臺階爆破技術(shù)等[1]。但這些技術(shù)在水下工程中往往無法使用，或者因?yàn)槭┕?fù)雜導(dǎo)致開挖效率不高?？紤]到這些因素，盧文波和胡皓然等提出了一種在垂直鉆孔底部安裝反射裝置的爆破技術(shù)(消能爆破技術(shù))[2,3]，用于壩基的快速挖掘。通過現(xiàn)場試驗(yàn)表明，該技術(shù)能夠有效的減少巖體基礎(chǔ)的動(dòng)力破壞，并且工藝簡單便捷。

爆破引起的損傷檢測可以通過實(shí)測的震動(dòng)位移、質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度或加速度值來確定。但這些方法都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到的安全閾值，并不能直接判斷爆破損傷大小。近年來，通過聲波速度變化直接判斷巖體爆破損傷的方法被廣泛使用，研究人員基于該方法做了大量的研究。Lai等采用超聲速度法檢測超高性能混凝土在不同深度反復(fù)穿透和爆炸下的損傷[4]。Zhang Y Z等發(fā)現(xiàn)[5]，使用P波上升時(shí)間可以相對容易地區(qū)分損傷區(qū)域。但聲波測量損傷的方法是依據(jù)時(shí)差法，對于較長且寬度很小的微小裂縫，繞過裂縫末端到達(dá)的繞射波有時(shí)并不優(yōu)先到達(dá)接收器，而穿過微裂縫的直達(dá)波一般情況下優(yōu)先到達(dá)傳感器，造成損傷識別的不準(zhǔn)確[6]。因此，迫切需要一種新的檢測技術(shù)來測量爆破荷載對巖石的損傷程度。

隨著對結(jié)構(gòu)損傷檢測要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)得到了迅速的發(fā)展，壓電陶瓷傳感器(PZT)在結(jié)構(gòu)健康和損傷檢測中得到了廣泛的應(yīng)用。它們具有低成本、寬頻帶頻率響應(yīng)、能量收集能力以及即可作為執(zhí)行器也可用作傳感器的功能[7]。壓電傳感器被用來直接測量結(jié)構(gòu)的加速度、應(yīng)變和聲速[8]。同時(shí)，PZT傳感器也廣泛用于監(jiān)測和檢測靜態(tài)荷載、沖擊荷載和動(dòng)態(tài)荷載下混凝土結(jié)構(gòu)的損傷、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕、混凝土的早期加固和水化以及鋼筋和混凝土之間的界面脫粘[9]。Kong等人利用壓電陶瓷智能骨料研究了擬動(dòng)力荷載作用下鋼筋混凝土橋柱的開裂問題[10]。蔡路軍等利用PZT壓電智能骨料監(jiān)測了高強(qiáng)度混凝土板在爆炸荷載作用下的內(nèi)部損傷情況[11]，發(fā)現(xiàn)小波包能量損傷指數(shù)能夠良好的反映混凝土結(jié)構(gòu)的損傷狀況。目前，基于壓電陶瓷傳感器在爆破損傷檢測方面的研究相對較少，特別在水下爆破方面，相關(guān)研究成果更少。

本文擬結(jié)合壓電波動(dòng)法的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，展開水下消能爆破條件下巖體損傷狀態(tài)研究。結(jié)合水介質(zhì)爆炸容器進(jìn)行水下消能爆破及水下常規(guī)鉆孔爆破模型試驗(yàn)，利用壓電信號研究巖體模型的損傷狀態(tài)，分析消能爆破技術(shù)在水下工程中的作用。

1 試驗(yàn)方案

1.1 模型及測點(diǎn)

本次試驗(yàn)澆筑了一批長方體混凝土模型，其長寬高分別為245 mm、245 mm、300 mm，并在其頂部中心預(yù)留直徑為12 mm，高為100 mm的炮孔。模型的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表 1 混凝土模型物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of concrete model

在混凝土模型養(yǎng)護(hù)好以后，在其相對的兩個(gè)面上用油漆標(biāo)記了20個(gè)損傷測試點(diǎn)，具體為水平方向上每49 mm一個(gè)點(diǎn)共四個(gè)點(diǎn)(1～4)，垂直方向上每50 mm一個(gè)點(diǎn)共5個(gè)點(diǎn)(A～E)，澆筑后模型的標(biāo)記示意圖如圖1所示。

1.2 基于壓電波動(dòng)法的損傷檢測

將損傷測試點(diǎn)標(biāo)記好后，基于波動(dòng)法，在爆破前，利用壓電信號采集與分析系統(tǒng)測試混凝土模型的健康狀況。用于激勵(lì)的信號為脈沖信號，其幅度，脈沖寬度，持續(xù)時(shí)間和編碼位分別為100 V，15 μs，30 μs和2，如圖2所示。

圖 1 損傷測試點(diǎn)標(biāo)記示意圖Fig. 1 Schematic diagram of damage test point marking

圖 2 用于激勵(lì)的脈沖信號Fig. 2 Pulse signal for excitation

圖3所示為本次試驗(yàn)所用的壓電陶瓷測試與分析系統(tǒng)。測試時(shí)，用凡士林將圖中的2個(gè)PZT貼片耦合到對應(yīng)的損傷測試點(diǎn)上，PZT連接采集儀，采集儀通過六類網(wǎng)線連接PC端。通過電腦控制采集儀激勵(lì)脈沖信號，同時(shí)，用于接收的傳感器將收到的信號傳輸?shù)絇C端。

圖 3 壓電信號采集與分析系統(tǒng)Fig. 3 Piezoelectric signal acquisition and analysis system

1.3 模型試驗(yàn)裝藥結(jié)構(gòu)

消能爆破技術(shù)首先將一層松軟細(xì)沙墊在炮孔底部，再在松砂上裝入由鑄鐵或高波阻抗混凝土材料制作成的消能球，最后進(jìn)行常規(guī)裝藥和堵塞[12]。圖4為其具體裝藥結(jié)構(gòu)及炸藥爆炸產(chǎn)生應(yīng)力波的反射透射示意圖[13]。

圖 4 消能爆破技術(shù)的裝藥結(jié)構(gòu)及 應(yīng)力波反射透射示意圖Fig. 4 Charge structure and stress wave reflection and transmission of energy-relief blasting technique

根據(jù)應(yīng)力波反射透射理論，以一束一維應(yīng)力波的傳播為例，當(dāng)應(yīng)力波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，將在分界面發(fā)生反射和透射，其反射透射系數(shù)可用下式表示[14]

(1)

(2)

式中：I為入射應(yīng)力波強(qiáng)度；R為反射波強(qiáng)度；T為透射波強(qiáng)度；ρCp為材料的波阻抗。

在炮孔內(nèi)炸藥爆轟的瞬間，如圖4所示，由于炮孔內(nèi)爆生氣體、消能球以及消能球下方的細(xì)沙波阻抗各不相同，爆炸波將在交界面1和交界面2發(fā)生多次反射和透射。首先，由于消能球和爆生氣體的波阻抗不同，在交界面1會(huì)發(fā)生應(yīng)力波的反射和透射，部分被反射回上部巖體中，部分被透射到消能球內(nèi)。這些透射到消能球內(nèi)的應(yīng)力波在交界面又會(huì)再次發(fā)生反射和透射，造成透射到炮孔下方巖體的應(yīng)力波被大幅削弱，有效的減少了炮孔底部巖體的損傷。

選3個(gè)模型進(jìn)行消能爆破技術(shù)的裝藥，首先在炮孔中墊一層10 mm厚的細(xì)沙，再加入直徑為10 mm的消能球，本次試驗(yàn)中使用的消能球?yàn)檩S承鋼珠。另一個(gè)模型采用常規(guī)裝藥，在底部同一高度直接裝藥堵塞，具體的模型編號如表2所示，實(shí)際的裝藥結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中起爆用的雷管按照1 g藥量計(jì)算。

表 2 模型實(shí)驗(yàn)方案一覽表Table 2 List of model experiment schemes

圖 5 實(shí)際裝藥結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)Fig. 5 Schematic diagram of the actual charge structure(unit:mm)

1.4 水下爆破環(huán)境

借助200 m水深水介質(zhì)爆炸容器，裝藥完成后，將模型放入水介質(zhì)爆炸容器中，并將導(dǎo)爆管做好防水處理連接到容器的裝藥口。通過向容器內(nèi)注滿水并加壓到0.4 MPa模擬40 m水深，加壓完成后，在裝藥口連接起爆線，進(jìn)行40 m水深水下鉆孔爆破試驗(yàn)。圖6為試驗(yàn)所用的水介質(zhì)爆炸容器。

圖 6 水介質(zhì)爆炸容器Fig. 6 The water medium explosion vessel

爆破完成后，泄壓排水，取出試樣，待試樣晾干后，采用和爆前一致的壓電波動(dòng)法對模型試樣進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

2 試驗(yàn)結(jié)果

爆破完成后，試樣在宏觀上都表現(xiàn)出了很明顯的損傷，如圖7所示。相同藥量的試樣F5和F6在表面上的損傷并沒有表現(xiàn)出明顯的區(qū)別。但隨著藥量的增大，試樣在宏觀上的損傷變得明顯。在僅有1 g藥量的情況下，試樣F4僅能觀察到非常微小的裂紋，炮孔無明顯的擴(kuò)大但附近有小塊崩落；在藥量為3 g時(shí)，試樣F5和F6都會(huì)出現(xiàn)明顯的貫穿到試樣邊界的“米”字型裂紋；在藥量為5 g的情況下，試樣F1也存在貫穿邊界的裂紋且出現(xiàn)了明顯的爆破漏斗。

圖 7 爆破后試樣的宏觀損傷情況Fig. 7 Macroscopic damage of specimens after blasting

在爆破前后，分別利用壓電信號采集與分析系統(tǒng)，對每個(gè)試樣上標(biāo)記的損傷測試點(diǎn)進(jìn)行基于波動(dòng)法的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。圖8(左：爆前；右：爆后)列出了爆破前后每個(gè)試樣上A2、C2、E2三個(gè)典型測試點(diǎn)的壓電信號。

從圖8可以看出，在爆破前，測點(diǎn)上都能接收到比較良好的壓電波形，說明混凝土材料在爆破前是一種良好的應(yīng)力波傳導(dǎo)介質(zhì)。由于混凝土材料在澆筑的時(shí)候很難達(dá)到理想的均質(zhì)狀態(tài)，不同測點(diǎn)壓電信號的波形也存在一定的差異。爆破后，原始裂紋被擴(kuò)大且伴隨著新裂紋的產(chǎn)生，阻礙了應(yīng)力波的傳播，導(dǎo)致相同測點(diǎn)在爆破后的信號幅值都會(huì)衰減。且在炮孔附近的A2、C2測點(diǎn)衰減十分明顯，但在試樣相對底部的E2測點(diǎn)則衰減很小。

圖 8 爆破前后A2、C2、E2測試點(diǎn)的壓電信號Fig. 8 Piezoelectric signals of A2、C2、E2 test points before and after blasting

3 結(jié)果分析

在利用波動(dòng)法的結(jié)構(gòu)損傷識別分析中，較為常用的損傷計(jì)算方法有時(shí)差分析法、時(shí)域分析方法和頻域分析方法等。本文通過分析比較爆前爆后接收信號在一定時(shí)域的能量得到相應(yīng)測點(diǎn)的損傷指數(shù)。若信號x(t)為接收信號傳感器采樣所獲得的一組離散數(shù)據(jù)，該信號的能量表達(dá)式為

(3)

式中：i為該時(shí)域內(nèi)的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)、xi為對應(yīng)采樣點(diǎn)的電壓幅值。通過比較爆前的信號能量Epre得到的巖體在爆破荷載作用下的損傷指數(shù)為

(4)

為了進(jìn)一步分析水下鉆孔爆破作用下混凝土巖體的損傷，根據(jù)式(4)，計(jì)算了不同混凝土試樣在爆破后的損傷因子。將20個(gè)損傷測試點(diǎn)的損傷因子繪制成圖9所示的三維矩陣圖，可以明顯的發(fā)現(xiàn)，每個(gè)試樣的炮孔部分損傷明顯大于炮孔以下部分，且每個(gè)試樣上的大部分測點(diǎn)越接近炮孔的損傷越大，即損傷與該點(diǎn)和炮孔的距離成反比。

圖 9 4個(gè)試樣各測點(diǎn)損傷情況Fig. 9 Damage of each measurement point of four specimens

為了了解不同藥量的損傷情況，計(jì)算了3個(gè)相同裝藥結(jié)構(gòu)情況下試樣炮孔部分和炮孔以下部分兩個(gè)區(qū)域內(nèi)計(jì)算得出的損傷因子的平均值，通過損傷因子的均值來判斷損傷隨藥量的變化情況。圖10為試樣上下兩個(gè)部分損傷因子隨藥量的變化情況。

圖 10 試樣上下兩部分損傷因子隨藥量變化Fig. 10 The damage index of the upper and lower parts of specimen changes with the charge

通過圖10可以看出，試樣的損傷和藥量存在明顯的關(guān)系。在藥量從1 g增加到3 g時(shí)，炮孔部分的損傷增加了160.57%，而炮孔底部的損傷增加了34.23%。此時(shí)炮孔底部損傷增加的幅度較炮孔部分要小很多。當(dāng)藥量繼續(xù)增加到5 g時(shí)，炮孔部分的損傷僅增加了1.11%，而炮孔底部的損傷增加了79.87%。即在藥量為3 g時(shí)，試樣的炮孔部分已經(jīng)基本被完全損傷，但試樣底部的損傷相對較小，導(dǎo)致藥量繼續(xù)增加時(shí)，試樣底部的損傷增加的幅度較大。綜合來看，試樣的損傷隨著藥量的增大而增大，且藥量為3 g時(shí)的試樣炮孔部分已基本被完全破壞。

基于壓電波動(dòng)法，通過試樣整體的損傷分布情況和損傷因子隨藥量的變化情況分析，發(fā)現(xiàn)損傷分布和隨藥量的變化和已知的規(guī)律十分一致，這說明基于壓電波動(dòng)法的水下鉆孔爆破損傷測試方法是可行的。

為了進(jìn)一步分析水下消能爆破技術(shù)的損傷控制效果，分析了在相同藥量的情況下，采用常規(guī)爆破技術(shù)的F6試樣和采用消能爆破技術(shù)的F5試樣的損傷分布區(qū)別。

圖11為F5和F6兩個(gè)試樣從上至下“A～E”五排測點(diǎn)的平均損傷因子變化趨勢。可以看出，在炮孔部分，兩個(gè)試樣的損傷值并無明顯區(qū)別；但采用消能爆破技術(shù)的試樣在D排測點(diǎn)的損傷因子衰減幅度的要明顯大于采用常規(guī)爆破試樣。計(jì)算了炮孔以下“D”,“E”兩排八個(gè)測點(diǎn)損傷因子的平均值，發(fā)現(xiàn)使用消能爆破技術(shù)的試樣平均損傷值比常規(guī)爆破要小33%。說明消能爆破技術(shù)在水下鉆孔爆破中同樣具有良好的效果。

圖 11 每排測點(diǎn)平均損傷因子變化圖Fig. 11 Change graph of average damage index for each row of measurement points

從圖9和圖11中都可以發(fā)現(xiàn)，最后一排的損傷因子出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，這是爆炸壓縮波在試樣邊界反射為拉伸波造成的二次損傷以及爆破振動(dòng)使試樣底部與容器發(fā)生碰撞產(chǎn)生的二次損傷導(dǎo)致，這也是模型試驗(yàn)的局限性。

4 結(jié)論

通過對混凝土巖體模型進(jìn)行不同條件的水下鉆孔爆破試驗(yàn)，并結(jié)合基于波動(dòng)法的壓電陶瓷損傷檢測技術(shù)檢測試樣的損傷，主要得出以下結(jié)論：

(1)對于所有的試樣，所有試樣某一點(diǎn)的損傷與該點(diǎn)到炮孔的距離成反比。試驗(yàn)得出的損傷因子分布與實(shí)際觀測到的損傷分布相關(guān)性較好，采用波動(dòng)法結(jié)合能量分析得出的損傷因子能夠比較準(zhǔn)確的體現(xiàn)水下鉆孔爆破產(chǎn)生的損傷。

(2)水下鉆孔爆破損傷隨藥量的增加而增加，且本實(shí)驗(yàn)中所使用的混凝土模型炮孔部分在藥量為3 g時(shí)已基本被完全破壞。

(3)在基底部分的兩排測點(diǎn)，使用消能爆破技術(shù)的試樣平均損傷因子比常規(guī)爆破要小33%，這說明消能爆破技術(shù)在水下鉆孔爆破中具有良好的損傷控制效果。

(4)爆破引起的試樣振動(dòng)和邊界效應(yīng)會(huì)在試樣的邊界處造成一定程度的二次損傷。