爆破振動作用下高層建筑振速變化規(guī)律研究

雷 振，李 卓，雷興海，游 帥，賀 路，黃 聰

(1.貴州理工學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院，貴陽 550003；2.昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，昆明 650093；3.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴陽 550025；4.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴陽 550025)

隨著城市的快速發(fā)展，城市交通和住宅擁擠問題成為阻礙城市化進程的一大因素。公路和住宅區(qū)的擴(改)建，需要對露天巖土進行爆破開挖，爆破開挖會對周圍建筑物產(chǎn)生振動影響，嚴(yán)重時會引起建筑物傾斜、破壞等重大工程問題。由此可知，在爆破施工的過程中，準(zhǔn)確地判別和預(yù)測爆破振動對高層建筑的破壞影響，對安全施工和經(jīng)濟效益具有重大的實際意義[1-4]。

巖土爆破開挖以其高效、經(jīng)濟的優(yōu)點被廣泛地應(yīng)用于工程實踐中，振動效應(yīng)作為嚴(yán)重負面效應(yīng)之一，對工程的施工造成很大的影響[5-7]。目前，露天巖土爆破施工對鄰近高層建筑的影響問題日益受到研究者們的關(guān)注。建筑物在爆破作用下的破壞機理，為爆破產(chǎn)生的地震波，經(jīng)過爆源至建筑物之間的地面以及建筑物基底，傳遞到建筑物的內(nèi)部，使建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動[8]。張玉琦等[9]對爆破現(xiàn)場進行振動測試分析，得出地震波在高層建筑中傳播，具有明顯的高層放大效應(yīng)，隨著樓層的增加，波速先衰減后增大。于蕾[10]通過對低層住宅樓進行爆破振動監(jiān)測，根據(jù)峰值振速的變化規(guī)律和爆破振動安全效果，得出爆心距較小時振動主頻較高，振動頻率大于10 Hz時，隨樓層升高無明顯的放大效應(yīng)。王小紅等[11]通過對遠距離的高層樓房進行了爆破振動監(jiān)測分析，得出水平方向的峰值振速，中間樓層振速最大，頂部樓層的振速大于低部層樓層，對于垂直方向峰值振速，頂部樓層峰值振速大于底部樓層。高愿[12]通過爆破振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)出混凝土框剪結(jié)構(gòu)高層建筑物隨著樓層高度增高，徑向振動速度呈減小的趨勢；切向、垂向振動速度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。操鵬等[13]監(jiān)測采石場附近一棟多層建筑物的爆破振動效應(yīng)得出，爆破作用下，位于爆破遠區(qū)的高層建筑物，其垂向峰值振速隨著樓層的高度增加而增大，水平方向峰值振速隨著樓層的高度增加而減小。陳至昊等[14]通過對地鐵爆破開挖是對高層建筑的振動危害效應(yīng)進行監(jiān)測分析，指出三矢量振速峰值在接近建筑物頂部時出現(xiàn)局部放大效應(yīng)，位移隨樓層的升高逐漸增加。厲建華等[15]針對復(fù)雜爆破振動容易引發(fā)民事糾紛和造成安全生產(chǎn)事故的問題，通過分析不同振動速度對房屋非結(jié)構(gòu)性損壞的影響規(guī)律,確定了振動速度的安全閾值。李順波等[16]基于幾何地震學(xué)的基本原理，建立了精確延時逐孔起爆振動峰值預(yù)測模型，通過與現(xiàn)場實測進行對比，預(yù)測振動峰值與實測振動峰值吻合良好。

綜上所述，上述研究方法及研究內(nèi)容的不同，結(jié)果各有自身的特點，對于不同的地質(zhì)環(huán)境和不同結(jié)構(gòu)的建筑物，其研究結(jié)果具有一定的局限性。由于爆破振動波的復(fù)雜性，不同地質(zhì)條件下傳播特性差別較大，有關(guān)露天巖土爆破作用下城市高層建筑的峰值振速變化規(guī)律的文獻甚少。因此，本文從爆破振動波的傳播特性以及建筑物本身的特性出發(fā)，研究露天巖土爆破作用下城市高層建筑的峰值振速傳播規(guī)律，以實現(xiàn)安全、經(jīng)濟、環(huán)保的城市綠色爆破。

1 現(xiàn)場測試

1.1 爆破測試場地概況

測試場地位于貴州省貴陽市觀山湖區(qū)賓陽大道旁山體和小區(qū)的高層建筑。高層建筑為框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，爆破施工時，選用2號巖石乳化炸藥，裝藥結(jié)構(gòu)為耦合連續(xù)裝藥。爆源的對面為城市高層建筑居民區(qū)，兩者中間為貴陽市外圍主干道，日常車流量多。因此，采用了控制爆破減少振動，并對爆破振動進行了實時監(jiān)控。開挖巖性主要為中硬巖石，單耗為0.32 kg/m3，采用深孔控制爆破和逐孔起爆的方法進行開挖，孔徑為0.09 m，孔距為2.5～3.0 m，排距為2.5～3.0 m，孔深為6～7 m。

1.2 測點布置

測試現(xiàn)場布置5個測點，每個測點布置1個傳感器，測點布置在距離爆心水平距離為100～150 m的20層建筑內(nèi)，平均每層高3 m，總高度為60 m。在第1、5、10、15、20層分別布置傳感器，對應(yīng)得測點分別為1#、2#、3#、4#、5#。

爆破振動測試方案：試驗方案設(shè)計，根據(jù)樓房的高度和傳感器的數(shù)量，每次5個測點布置在建筑物樓梯的轉(zhuǎn)角處，靠近樓房的主立柱，距地面垂直高差分別為0、15、30、45、60 m，5個測點連成的直線與同一排炮孔所在的直線垂直。根據(jù)儀器的使用說明，在爆破前用石膏把傳感器固定在混凝土地板上，以確保在爆破作用下傳感器與建筑物同時振動，準(zhǔn)確的測量出振動數(shù)據(jù)。傳感器固定完成后，爆破時提前打開儀器，為了防止儀器的誤觸發(fā)，提前2～3 min開啟儀器時間。每次測試嚴(yán)格要求測點的垂直方向保持在一條直線上，因爆破振源位置不同，每次測得振動速度不同。

2 爆破振動速度變化規(guī)律分析

2.1 垂向峰值振速

根據(jù)實驗結(jié)果，隨機選取4處不同爆源的垂向峰值振速進行研究，垂向峰值振速隨樓層高度H變化如圖1所示(Q為最大段藥量，kg；R為爆心距測點的水平距離，m)。

圖1 垂向峰值振速隨樓層高度變化

由圖1可知，隨著樓層高度H的增加，垂向峰值振速v不斷增大，在H=0～30 m時，增速較快。H為30～45 m時，增速減小。當(dāng)H>45 m時，增速與H=30～45 m時相比明顯加快。H=60 m處測點的振動峰值速度，約為H=0 m處測點的2.75～3.8倍。垂向峰值振速表現(xiàn)出明顯的建筑物高層放大效應(yīng)。

2.2 切向峰值振速

根據(jù)實驗結(jié)果，隨機選取4處不同爆源的切向峰值振速進行研究，切向峰值振速隨樓層高度變化如圖2所示。

圖2 切向峰值振速隨樓層高度變化

由圖2可知，H=0～15 m時，切向峰值振速快速增加，增速為0.003 6～0.004 9 cm/s，H=15 m處測點的峰值振速，約為H=0 m處測點的1.65～1.84倍。H=15 m為峰值振速增加的拐點，當(dāng)15 m45 m時，隨著H的增加，峰值振動速度也相應(yīng)增加，增速為0.001 9～0.003 3 cm/s，H=15 m處測點的峰值振速達到最大值。

2.3 徑向峰值振速

根據(jù)實驗結(jié)果，隨機選取4處不同爆源的徑向峰值振速進行研究，徑向峰值振速隨樓層高度變化如圖3所示。

圖3 徑向峰值振速隨樓層高度變化

由圖3可知，H=0～15 m時，徑向峰值振速隨著H的增加而增加，峰值振速初值越大，增速越快。在H=15～30 m時，峰值振速隨著H的增加而減小，峰值振速初值越大，減小越快。H=30 m時，峰值振速出現(xiàn)減小拐點，當(dāng)H=30～45 m時，增速為0.001 5～0.003 4 cm/s。H=45 m時達到徑向峰值振速最大值，隨后徑向峰值振速開始減小。

2.4 三維峰值振速對比分析

選取實驗爆源單段炸藥量為18 kg，爆心與測點水平距離為100 m的三維峰值振速進行研究，三向振速隨樓層高度變化如圖4所示。

圖4 三向峰值振速隨樓層高度變化

由圖4可知，在H=0 m時，徑向峰值振速最大，垂向峰值振速次之，切向峰值振速始終小于垂向峰值振速和徑向峰值振速。隨著H的增加，垂向峰值振速與徑向峰值振速出現(xiàn)交點。隨后垂向峰值振速總是大于徑向振速。在樓層頂部，垂向峰值振速為徑向峰值振速的1.58倍。

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果及上述分析，建筑物頂部的垂向峰值振速遠遠大于建筑物每個測點的切向和徑向峰值振速。

3 城市高層建筑垂向峰值振速計算分析

3.1 高層建筑垂向峰值振速計算公式

城市露天巖土爆破振動符合薩道夫斯基公式：

(1)

式中：v為質(zhì)點振動速度，cm/s；Q為最大段藥量，kg；R為測點距爆心的水平距離，m；k、α為與地質(zhì)條件有關(guān)的參數(shù)。

由于建筑物的高度較高，對爆破振動的影響是一個不可忽略的重要影響因素，根據(jù)劉美山等[17]的研究和現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)分析，提出基于薩道夫斯基公式的高度修正公式：

(2)

(3)

式中：h為測點距地面的垂直高度；β為與建筑物有關(guān)的參數(shù)。

3.2 高層建筑物垂向振速計算公式參數(shù)分析

通過現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)，對公式(3)中的參數(shù)進行分析。對式(3)左右兩邊取對數(shù)，得到公式(4):

(4)

y=A+Bx1+Cx2

(5)

不考慮樓層高度時，利用Origin軟件，通過實驗數(shù)據(jù)(見表1)，對A和B進行擬合分析，不考慮樓層高度時1#測點的垂向峰值振速如表1所示。

表1 H=0時測點的垂向峰值振速

自定義擬合函數(shù)y=A+Bx1，對表中的數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，A=5.95，B=2.17，則k=e5.95=383.75。

圖5 參數(shù)A和B擬合分析

當(dāng)考慮樓層高度時，利用Origin軟件，通過試驗數(shù)據(jù)，對C進行擬合分析，自定義擬合函數(shù)y=Cx2-1.973 28，擬合結(jié)果如圖6所示。由圖可知，C=0.02，則β=C=0.02。將參數(shù)k=5.95，a=2.17，β=0.02代入式(2)中，可得：

圖6 參數(shù)C擬合分析

(6)

4 數(shù)值模擬驗證

4.1 模型建立及參數(shù)

以貴陽市觀山湖區(qū)賓陽大道旁山體和小區(qū)的高層建筑受爆破振動影響實際工程為背景，構(gòu)建與現(xiàn)場實驗等比例的三維20層高層建筑模型，建筑層高3 m；x水平向共2跨，每跨5 m；z水平向共3跨，每跨6 m。柱、梁采用ANSYS中BEA M188單元，樓板采用SHELL181單元。經(jīng)過創(chuàng)建單元，定義材料，定義截面，建立模型，劃分網(wǎng)格等操作后，在柱最底面節(jié)點施加全約束，建模中單位制采用kg/m/s。

表2 高層建筑參數(shù)

圖7 不同測點處梁截面等效應(yīng)力

4.2 數(shù)值模擬分析

本次數(shù)值模擬采用時程分析法，通過在結(jié)構(gòu)模型的底部輸入爆破振動波加速度時程曲線，從結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)開始，隨著爆破振動波載荷的施加，然后逐步進行積分計算，直至爆破振動作用時間結(jié)束。即通過積分運算，能夠?qū)ㄖ锏牟煌瑯菍铀俣戎底兓龆康难芯?。通過Origin將實際波形處理為如圖8所示的加速度形式，進一步導(dǎo)入模型求解并開展不同樓層速度變化分析。

圖8 實測振動波速度、加速度

為驗證現(xiàn)場測試結(jié)果精準(zhǔn)性，對模型進一步開展數(shù)值模擬分析，提取不同樓層的速度值，并與現(xiàn)場所測值進行對比與分析(見圖9)。

圖9 實測、數(shù)值模擬峰值振動速度對比分析

對模型第1、5、10、15、20層提取對應(yīng)節(jié)點的速度波形(見圖9)，將其與實測的速度進行對比分析，研究結(jié)果表明兩者誤差在20%以內(nèi)，圖中數(shù)值模擬結(jié)果高于現(xiàn)場所測結(jié)果，其原因是建模過程中簡化了主、梁等材料，忽略其內(nèi)部裂隙等造成。

4.3 數(shù)值模擬驗證

1)加速度驗證。為保證本次數(shù)值模擬實驗精度，在建筑底部通過ANSYS軟件自帶時間歷程后處理提取加速度波形如圖10所示，將其與實際導(dǎo)入的加速度波形圖對比，發(fā)現(xiàn)其振幅變化大致相同，且加速度峰值均在10 m/s2左右波動，可說明本次數(shù)值模擬試驗具有準(zhǔn)確性。

圖10 數(shù)值模擬節(jié)點加速度

2)速度驗證。在模型第1、5、10、15、20層提取相對應(yīng)節(jié)點的速度波形，垂向速度從0.142 cm/s增加至0.407 cm/s(見圖11)，同理還發(fā)現(xiàn)其波形變化趨勢基本與實測一致，將本次數(shù)值模擬結(jié)果與實際所測結(jié)果對比，經(jīng)計算兩者誤差在20%以內(nèi)。可較好說明數(shù)值模擬與實驗結(jié)果保持一致。也表明在此類工程案例中，采用數(shù)值模擬方法對于高程建筑的速度變化規(guī)律研究具有較高的準(zhǔn)確性。

圖11 1層對應(yīng)節(jié)點波形

5 結(jié)論

1)通過現(xiàn)場爆破測試可知，在露天爆破振動波的作用下，高層建筑對三維峰值振速均有放大效應(yīng)，垂向峰值振速放大效果最為明顯，放大倍數(shù)為2.75～3.8倍。

3)通過數(shù)值模擬實驗對實測高程速度變化規(guī)律進行驗證，兩者誤差在20%以內(nèi)，實驗結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)具有較強相關(guān)性，通過數(shù)值模擬解決高程建筑峰值振速變化問題具有準(zhǔn)確性及可行性。