爆破振動(dòng)綜合減震措施的減震效應(yīng)研究*

鄒 烽，席 田，胡業(yè)紅，謝 文，何 夢(mèng)，高鳳琴，諸 洲，張建經(jīng)

(1.中核華辰建筑工程有限公司，陜西 西安 712000；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

作為爆破4大公害之一，爆破振動(dòng)經(jīng)常對(duì)施工場(chǎng)地附近建(構(gòu))筑物、邊坡等產(chǎn)生嚴(yán)重危害，如何有效控制爆破振動(dòng)是爆破作業(yè)必須考慮的問題[1-2]。為有效控制爆破振動(dòng)對(duì)建(構(gòu))筑物產(chǎn)生的不利影響，工程技術(shù)人員根據(jù)被保護(hù)對(duì)象的相對(duì)位置和實(shí)際情況，分別針對(duì)爆源、傳播過程和保護(hù)對(duì)象采取控制措施。其中，針對(duì)傳播過程的控制措施最為關(guān)鍵，涉及如布置減震孔、預(yù)裂爆破以及開挖減震溝等[3]。

減震孔、預(yù)裂縫和減震溝可視為爆源與建(構(gòu))筑物之間的隔震屏障，當(dāng)爆破地震波遇到隔震屏障會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)換、透射、繞射、反射等現(xiàn)象，使地震波能量大幅衰減。周建敏等[4]通過現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究緩沖孔對(duì)爆破振動(dòng)速度峰值和主振頻率的影響，并采用小波包分析各頻帶能量分布的變化；孫崔源等[5]分別對(duì)單排和雙排減震孔的減震效果開展試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)單排和雙排減震孔對(duì)K值的降低率分別為16.8%，25.8%；饒宇等[6]通過現(xiàn)場(chǎng)邊坡開挖爆破試驗(yàn)研究預(yù)裂縫對(duì)主爆孔振動(dòng)能量傳播及其頻譜特征的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)裂縫存在高頻濾波作用。王利軍等[7]研究發(fā)現(xiàn)減震溝的減震效果與其長(zhǎng)度和深度有關(guān)，合理的減震溝深度應(yīng)當(dāng)?shù)扔谂诳谆蛘吒?；Bose等[8]分別建立二維和三維含減震溝場(chǎng)地有限元模型，研究減震溝幾何尺寸、填充材料類型、荷載條件等因素對(duì)減震溝隔振效果的影響；Jayawardana等[9]建立雙排減震溝有限元模型并對(duì)其隔振效果進(jìn)行參數(shù)分析，研究表明可以采用深度較淺的雙排減震溝替代1個(gè)深度不切實(shí)際的單排減震溝?，F(xiàn)有研究關(guān)于隔振措施僅適用于爆破區(qū)與保護(hù)對(duì)象間具有充足距離的情況，工程實(shí)際中往往會(huì)遇到因?yàn)楸茀^(qū)距離保護(hù)對(duì)象較近而無法設(shè)置雙排或多排隔振措施的情況，目前還沒有找到減震良好、施工便捷、造價(jià)低廉的減震措施[10]。

對(duì)于深孔爆破而言，在巖石場(chǎng)地中開挖和炮孔深度相當(dāng)或更深的減震溝比較困難，由于減震孔施工方便、造價(jià)低，綜合考慮減震溝的降震效果以及減震孔的施工便利性，本文提出將減震溝和減震孔相結(jié)合的綜合減震方法，為比較不同措施減震效果，通過ANSYS/LS-DYNA非線性動(dòng)力分析軟件分別模擬無減震措施、減震孔措施、減震溝措施以及綜合減震措施4種減震工況條件下的爆破振動(dòng)效應(yīng)，從爆破振動(dòng)速度、頻率以及應(yīng)力云圖3個(gè)方面對(duì)不同減震措施的減震效果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 工程概況

該基坑爆破開挖工程位于某無人區(qū)，地勢(shì)總體平緩，局部有起伏，具體表現(xiàn)為西高東低?；◢忛W長(zhǎng)巖為廠址區(qū)內(nèi)主要出露巖性，地表出露多為強(qiáng)風(fēng)化和中等風(fēng)化，平均厚度20.96 m。圖1為廠區(qū)內(nèi)建筑物和擬爆破區(qū)分布圖，M-1～M-10為既有建筑物。基坑爆破開挖工程分為A，B，C3個(gè)區(qū)域，其中A爆破區(qū)域距離已建廠房?jī)H5.2 m，需要在爆破區(qū)與建筑物之間設(shè)置減震措施以減小爆破振動(dòng)影響。爆破參數(shù)選取及藥量計(jì)算為炮孔直徑90 mm，炮孔采用90°垂直孔，炮孔平均深度為7.5 m，垂直平行孔的密集系數(shù)為1.2，最小抵抗線為2.5，炮孔孔距為3.0 m，炮孔排距為2.5 m，填塞長(zhǎng)度為2.7 m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)炸藥單耗為0.35 kg/m3，每個(gè)炮孔裝藥量按每孔爆破石方的體積計(jì)算，為19.6 kg。B爆破區(qū)已采用垂直高度上一次性大斷面爆破，利用中科測(cè)控TC-4850測(cè)振儀進(jìn)行6次爆破振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸得到薩道夫斯基公式中的系數(shù)K和衰減指數(shù)α[11-12]，水平徑向、水平切向和垂直向的爆破振動(dòng)速度衰減公式見表1。爆破地震波的震源機(jī)制和波形特征不同于天然地震波，爆破地震波具有幅值大、衰減快、震動(dòng)頻率高、主震段持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)。

圖1 爆破區(qū)域分布示意

表1 爆破振動(dòng)速度衰減公式

2 減震措施數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型的建立

選用ANSYS/LS-DYLA軟件中的Solid164體單元建立數(shù)值計(jì)算模型。綜合考慮模型尺寸、單元數(shù)量以及計(jì)算機(jī)性能，以炮孔直徑為對(duì)稱軸，取模型長(zhǎng)度方向的1/2進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算模型尺寸設(shè)置為12 m×6 m×6 m。數(shù)值計(jì)算模型中主要涉及巖石、炸藥和空氣3種材料，其中巖石采用Lagrange算法，炸藥和空氣采用ALE算法[13]。為更好地模擬應(yīng)力波在巖體內(nèi)的傳播過程，在模型上表面施加自由邊界條件，剖面施加對(duì)稱邊界條件，其余各面均施加無反射邊界條件。計(jì)算模型中炮孔直徑為90 mm，孔深6 m，堵塞段長(zhǎng)度1 m。為更好地對(duì)不同減震措施進(jìn)行對(duì)比分析，忽略減震溝以及減震孔所在位置影響，統(tǒng)一將其設(shè)置在與炮孔水平距離為3.5 m處。無減震措施、減震孔措施、減震溝措施以及綜合減震措施的計(jì)算模型如圖2所示。其中，圖2(b)中減震孔深6 m，直徑100 mm，孔間距0.3 m，排距0.3 m；圖2(c)中減震溝長(zhǎng)3 m，寬1 m，深2 m；圖2(d)中減震孔布置在減震溝底部，減震溝長(zhǎng)3 m，寬1 m，深2 m；圖2(d)減震孔深4 m，直徑100 mm，孔間距0.3 m，排距0.3 m。為更好地分析4種減震工況條件下的爆破振動(dòng)效應(yīng)，在距離炮孔中心5，6，7，8，9，10，11 m處沿模型長(zhǎng)度方向標(biāo)記7個(gè)點(diǎn)，從前往后分別記為A～G。

圖2 不同減震措施的數(shù)值分析模型

2.2 材料參數(shù)選取

本文數(shù)值模擬主要涉及巖石、炸藥和空氣3種材料，由于模擬是爆破過程，在ANSYS/LS-DYNA材料庫(kù)中進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)應(yīng)材料滿足大變形的特點(diǎn)。巖石材料模型選用ANSYS/LS-DYNA程序中的*MAT_PLASTIC_KINEMATIC模型，其具體參數(shù)見表2。炸藥材料模型用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型描述，并采用其對(duì)應(yīng)的JWL狀態(tài)方程來模擬爆炸荷載，炸藥材料參數(shù)見表3[14]?？諝獠牧蠀?shù)定義為*MAT_NULL材料模型，空氣材料參數(shù)見表4。

表2 巖石材料參數(shù)

表3 炸藥材料參數(shù)

表4 空氣材料參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

為驗(yàn)證分析模型的正確性，將數(shù)值模擬計(jì)算得到的振動(dòng)速度與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)振動(dòng)速度衰減公式得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表5，數(shù)值模擬計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)回歸值較為接近，相對(duì)誤差為7.47%～10.64%，隨爆心距增加，相對(duì)誤差逐漸增大。

表5 爆破振動(dòng)速度對(duì)比

3.1 時(shí)間歷程分析

為研究無減震措施、減震孔措施、減震溝措施以及綜合減震措施4種減震工況條件下的爆破振動(dòng)速度變化規(guī)律和減震效果，分別提取距離炮孔5，6，7，8，9，10，11 m處水平徑向和垂直向的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線以及各條曲線的峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。限于篇幅，僅給出距離炮孔中心5，11 m處的水平和垂直向振動(dòng)速度曲線如圖3所示。

圖3 4種減震工況條件下的水平向和垂直向振動(dòng)速度時(shí)程曲線

由圖3(a)～(b)可知，在主振區(qū)(2 000～4 000 μs)范圍內(nèi)，綜合減震措施、減震溝措施和減震孔措施的水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度均小于無減震措施，其中綜合減震措施的水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度相對(duì)最小，減震孔措施的水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度略小于無減震措施。減震孔措施的水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度曲線變化規(guī)律整體與無減震措施一致，而減震溝和綜合減震措施的水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度曲線在一定距離外與無減震措施存在顯著差異。由圖3(c)～(d)可知，在主振區(qū)范圍內(nèi)，4種減震工況的垂直向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度具有相同的變化特征，即綜合減震措施的垂直向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度減小幅度相對(duì)最大，減震孔措施的垂直向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度減小幅度相對(duì)最小。

3.2 峰值振動(dòng)速度分析

以減震率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)研究不同減震措施下的減震效果。減震率定義為無減震措施與減震孔、減震溝以及綜合減震措施的峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度差值與無減震措施在該測(cè)點(diǎn)處的峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的比值，如式(1)所示：

(1)

式中：Ve為無減震措施的峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度；Vu為減震孔措施、減震溝措施或綜合減震措施的峰值質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。

4種減震工況條件下峰值振動(dòng)速度和減震率的變化規(guī)律如圖4～5所示。由圖4可知，無減震措施、減震孔措施、減震溝措施以及綜合減震措施條件下的水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度均隨測(cè)點(diǎn)水平距離的增加而減小，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離為11 m時(shí)，4種減震工況的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度相差較?。辉跍y(cè)點(diǎn)距離為11 m處，4種減震工況的減震率均在0點(diǎn)附近，變化較小。減震溝措施條件下，該點(diǎn)的減震率為-2.04%，說明此處的水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度相較無減震措施略有增大。綜合減震措施對(duì)水平徑向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的減震效果最佳，減震率最大達(dá)81.91%。

圖4 4種減震工況條件下的水平徑向峰值振動(dòng)速度和減震率變化規(guī)律

由圖5可知，4種減震工況條件下的垂直向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度變化規(guī)律與水平徑向大致相同。對(duì)于垂直向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，綜合減震措施仍具有相對(duì)最佳的減震效果，減震率最大達(dá)75.74%。當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離為10 m時(shí)，減震溝和綜合減震工況的減震率分別為-5.15%，-4.98%；當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離為11 m時(shí)，其減震率分別為-11.92%，-10.04%，說明減震溝的存在導(dǎo)致減震溝后一定距離處垂直向質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度增大，存在減震溝分區(qū)效應(yīng)。由于減震溝的存在阻隔了爆破地震波(面波和體波)傳播，在減震溝后一定范圍內(nèi)(約5倍溝深)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度顯著減小，減震效果明顯。爆破應(yīng)力波遇裂隙或溝槽會(huì)產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，在減震溝后一定距離處發(fā)生波場(chǎng)疊加，地震波能量被放大，從而產(chǎn)生振動(dòng)速度增大現(xiàn)象。當(dāng)設(shè)置減震溝對(duì)臨近建筑物進(jìn)行保護(hù)時(shí)，應(yīng)控制減震溝的位置使建筑物位于速度增大區(qū)以外。

圖5 4種減震工況條件下的垂直向峰值振動(dòng)速度和減震率變化規(guī)律

3.3 振動(dòng)頻率分析

為分析無減震措施、減震孔措施、減震溝措施以及綜合減震措施對(duì)爆破地震波傳播特性的影響，分別對(duì)5，6，7，8，9，10，11 m處的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)頻譜進(jìn)行分析[15]。限于篇幅，圖6僅給出5，11 m處的水平徑向和垂直向爆破振動(dòng)速度傅里葉譜。

由圖6(a)～(b)可知，在減震溝和綜合減震工況條件下，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離減震溝較近時(shí)(5，6，7，8 m測(cè)點(diǎn)處)，水平徑向地震波中的高頻成分被過濾，低頻成分幅值顯著降低，振動(dòng)主頻向右偏移。說明減震溝對(duì)一定范圍內(nèi)的水平徑向爆破地震波存在高頻濾波和低頻升頻作用。但當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離為9 m時(shí)，4種工況的傅里葉譜較為接近，無高頻濾波作用，減震溝和綜合減震工況僅存在低頻升頻作用。當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離為11 m時(shí)，有減震措施和無減震措施的傅里葉譜已無明顯變化。由圖6(c)～(d)可知，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離為5 m時(shí)，存在減震措施的垂直向地震波的高頻成分被過濾，低頻成分幅值降低，振動(dòng)主頻向右偏移。減震溝和綜合減震工況相比于，減震孔工況對(duì)地震波頻譜成分的改變更加明顯，減震孔對(duì)爆破地震波的振動(dòng)主頻基本無影響，僅存在高頻濾波作用。當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離為7，9，11 m時(shí)，有減震措施和無減震措施的傅里葉譜已無明顯變化。綜上，減震溝和綜合減震措施均有較好的減震效果，但綜合減震措施由于減震孔的存在，對(duì)爆破地震波高頻成分的濾波作用優(yōu)于減震溝措施。

圖6 4種減震工況條件下的水平向和垂直向傅里葉譜對(duì)比圖

3.4 應(yīng)力云圖對(duì)比分析

柱狀藥包起爆過程中，隨爆轟進(jìn)行，其應(yīng)力荷載從下往上依次作用于炮孔附近巖體，炸藥爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波以柱面波的形式向平行于模型上表面(自由面)的方向傳播。t1，t2時(shí)刻分別表示炸藥藥包爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波波陣面在通過各減震措施前后對(duì)應(yīng)時(shí)刻。圖7～10分別為無減震措施、減震孔措施、減震溝措施和綜合減震措施4個(gè)工況的數(shù)值模型在t1時(shí)刻的應(yīng)力云圖，圖11～14為各工況數(shù)值模型在t2時(shí)刻的應(yīng)力云圖。

圖7 t1時(shí)刻無減震措施工況應(yīng)力云圖

圖11 t2時(shí)刻無減震措施工況應(yīng)力云圖

圖12 t2時(shí)刻減震孔措施工況應(yīng)力云圖

由圖7～11中無減震措施工況的俯視圖可知，當(dāng)應(yīng)力波在均勻的巖石介質(zhì)中傳播時(shí)，應(yīng)力波波前為光滑的圓弧形。由圖8～12可知，當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)減震孔位置處，其在減震孔孔壁發(fā)生繞射、反射和透射，減震孔干擾應(yīng)力波的傳播，使應(yīng)力波波前形狀不再是光滑的圓弧形。對(duì)比圖11～12可知，在同一時(shí)刻采用減震孔措施的應(yīng)力云圖中，應(yīng)力波波前的傳播速度明顯滯后于無減震措施。由圖9和圖13可知，減震溝的存在有效阻隔和干擾應(yīng)力波的傳播。減震溝作為連續(xù)屏障，其反射系數(shù)較大，當(dāng)應(yīng)力波傳播至減震溝位置處，入射應(yīng)力波的大部分能量轉(zhuǎn)化為反射應(yīng)力波。

圖8 t1時(shí)刻減震孔措施工況應(yīng)力云圖

圖9 t1時(shí)刻減震溝措施工況應(yīng)力云圖

圖13 t2時(shí)刻減震溝措施工況應(yīng)力云圖

圖10和圖14分別為t1、t2時(shí)刻綜合減震措施工況下的應(yīng)力云圖，綜合減震措施作用下，其應(yīng)力波能量衰減明顯加快。對(duì)于綜合減震工況，其上部減震溝使部分入射應(yīng)力波的大部分能量轉(zhuǎn)化為反射應(yīng)力波，其余部分的入射應(yīng)力波則通過減震溝兩側(cè)和減震溝底部產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，繼續(xù)向前傳播。然而，綜合減震工況下部的減震孔會(huì)繼續(xù)阻礙應(yīng)力波的傳播，進(jìn)一步削減應(yīng)力波能量，從而保護(hù)隔震屏障后方建(構(gòu))筑物安全。綜上，綜合減震措施有良好的減震效果，并且其施工難度相較于開挖同樣深度的減震溝容易很多。

圖10 t1時(shí)刻綜合減震措施工況的應(yīng)力云圖

圖14 t2時(shí)刻綜合減震措施工況的應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

1)通過對(duì)比4種減隔震措施發(fā)現(xiàn)，主振區(qū)范圍內(nèi)綜合減震措施在水平徑向和垂直向上的減震率相對(duì)最大，分別達(dá)到81.91%，75.74%。減震溝的存在阻隔爆破地震波傳播，在減震溝措施和綜合減震措施作用下，減震溝后一定范圍內(nèi)(約5倍溝深)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度明顯減小，減震效果顯著。

2)減震溝對(duì)一定距離范圍內(nèi)(約4倍溝深)的水平徑向爆破地震波存在高頻濾波和低頻升頻作用。當(dāng)超過該范圍時(shí)，減震溝和綜合減震工況僅存在低頻升頻作用。減震溝和綜合減震措施減震效果較好，但綜合減震措施由于減震孔的存在，對(duì)爆破地震波高頻成分的濾波作用優(yōu)于減震溝措施。

3)綜合減震工況下，其上部減震溝使部分入射應(yīng)力波轉(zhuǎn)化為反射應(yīng)力波，其余部分入射應(yīng)力波通過減震溝兩側(cè)和減震溝底部產(chǎn)生繞射現(xiàn)象繼續(xù)向前傳播；綜合減震措施下部減震孔會(huì)繼續(xù)阻礙應(yīng)力波傳播，進(jìn)一步削減應(yīng)力波能量，從而達(dá)到保護(hù)隔震屏障后方建(構(gòu))筑物安全的目的。