立井凍土不同含水率下的爆破模擬試驗(yàn)

于建新，陳 晨，沈康威，李明桂，徐鵬飛，郭 敏

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.中建二局第二建筑工程有限公司，河南 鄭州 450000)

凍結(jié)法鑿井是目前我國立井特殊施工的首選技術(shù)[1]。凍結(jié)立井進(jìn)行爆破開挖時，會對凍結(jié)壁、凍結(jié)管、井壁產(chǎn)生振動危害，必須采取一定的措施，以保證安全施工[2，3]?？虏傻萚4]通過模型試驗(yàn)得到炸藥在粘性凍土中爆炸后，在凍土中將依次形成凍土爆融層、壓密層、微裂隙區(qū)、破碎區(qū)、塑變區(qū)、震動區(qū)，區(qū)域之間既有界限又不可完全分開，其范圍的大小主要取決于土體溫度、含水率、土質(zhì)及炸藥特性等。種玉配[5]通過ANSYS/LS-DYNA研究了不同溫度下(-10℃、-15℃、-20℃和-30℃)凍結(jié)管對爆炸作用的振動響應(yīng)規(guī)律，隨著凍結(jié)溫度的不斷降低，徑向振動速度和切向振動速度不斷降低。單仁亮[6]研究發(fā)現(xiàn)凍結(jié)巖壁測點(diǎn)爆破振動能量主要分布在0～1000Hz頻率范圍內(nèi)以及0～0.1s時間范圍內(nèi)，且在頻率軸、時間軸方向均表現(xiàn)出劇烈的波動衰減規(guī)律，但總體上隨時間呈現(xiàn)出高頻部分衰減快、低頻部分衰減慢的特征。楊仁樹[7]得到相對于地面爆破，立井爆破振動主頻普遍較高，并且有多個主頻峰值，第1主頻通常在150Hz左右。隨著頻率的增大，特征頻段數(shù)量減少。楊計先[8]利用Hilbert譜揭示了爆破信號能量隨時間和頻率的分布變化特征，立井爆破振動能量大體位于0～1000Hz頻率區(qū)間，主要位于200Hz范圍內(nèi)。能量在時頻平面上呈現(xiàn)區(qū)域集中的特點(diǎn)，主分量的頻率較高，這對井壁結(jié)構(gòu)支護(hù)體是有利的。馬芹永[9-11]等研究發(fā)現(xiàn)：人工凍土爆破因炸藥受凍時間短，可選用巖石水膠炸藥和硝銨炸藥，豎井內(nèi)工作面空氣溫度-5℃的負(fù)溫情況下使用硝銨炸藥沒有發(fā)生不爆現(xiàn)象。馬芹永[12]通過立井井筒模型爆破試驗(yàn)得出井筒凍結(jié)段爆破產(chǎn)生的振動徑向振動速度較垂向振動速度大；建立并得到徑向振動速度與等效裝藥量、等效水平距離和高差之間的預(yù)測方程系數(shù)。傅洪賢[13]等發(fā)現(xiàn)凍土溫度變化不大時，凍土強(qiáng)度由凍土類型(主要指粒度)、總含水率、密度和波速等指標(biāo)確定，建議用ρCW/D50來表示凍土爆破特性，該值越大表示凍土越難爆破。付曉強(qiáng)[14]等采用數(shù)值模擬方法建立合理的物理模型，施加等效載荷實(shí)現(xiàn)了立井爆破凍結(jié)管的響應(yīng)振速特征提取。該團(tuán)隊(duì)在文獻(xiàn)[15，16]中研究得出MF-DFA 譜圖及其相關(guān)參數(shù)可以表征立井不同爆破方案下井壁振動響應(yīng)狀態(tài)特征，通過井壁傳感器預(yù)埋爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)，準(zhǔn)確獲取井壁振動信號，TQWT算法實(shí)現(xiàn)了特征信號與趨勢項(xiàng)、高頻雜波分量的有效分離。

在立井凍結(jié)黏土爆破施工中，目前還沒有相關(guān)的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)來對爆破產(chǎn)生的振動提出規(guī)范化的要求。凍結(jié)法施工條件下的凍土，與天然凍土的性質(zhì)存在不同，深厚表土層地應(yīng)力大，爆破自由面少，凍土爆破對井壁的影響大，井筒材料為相對密實(shí)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，對振動起到一定的抑制作用[13]。研究凍土爆破過程中應(yīng)力波在井筒周圍的傳播規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化爆破參數(shù)，同時可以科學(xué)地組織混凝土井壁的施工，加快施工進(jìn)度，保證工程安全。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 模型設(shè)計

現(xiàn)場立井凈空直徑6m，外層井壁厚度2m，取幾何相似比例為50，則直徑為200mm。根據(jù)動力原則，模型尺寸至少為開挖空間的3～5倍，凍土模型直徑600mm，高度取600mm。采用自制模具制作凍土模型，模型裝置分4部分，上下底板、左右半桶，上下底板由4個螺栓固定，左右筒體由6個螺栓固定，底板、頂蓋外徑700mm，底盤設(shè)置4個鋼管支腿(直徑32mm，長度150mm)。頂蓋預(yù)留直徑200mm的孔洞，便于挖土，形成井筒，桶體外徑630mm，壁厚15mm，內(nèi)徑600mm，兩側(cè)半桶各有一個圓環(huán)提手，便于起吊，如圖 1所示。

圖1 凍土爆破模型試驗(yàn)裝置

1.2 模型制作

模型試驗(yàn)用現(xiàn)場土，采用原狀土進(jìn)行凍結(jié)保證了材料的密度、彈性模量、抗壓強(qiáng)度與現(xiàn)場基本相同。立井模型周圍的土體分別配制10%、15%含水率的土體，從現(xiàn)場取土進(jìn)行烘干，測量原始土體中含水率見表1。

表1 土體含水率測定

為配置含水率不同的土，采用環(huán)刀法測試土的密度，為2.2g/cm3。配置過程中，在攪拌的土體中加水，使其達(dá)到設(shè)計的含水率。為保證加水的均勻性，采用礦泉水瓶噴淋的方式對土體進(jìn)行均勻噴灑，并實(shí)時進(jìn)行土體的攪拌。

將模具放入冷凍室進(jìn)行分層土體裝填，形成半徑為300mm，高600mm的凍土模型，內(nèi)部留有半徑100mm，深200mm的孔洞模擬井筒。對圓桶模具進(jìn)行裝填時，首先在井壁四周鋪設(shè)塑料袋，防止凍結(jié)過程中內(nèi)部水體流出，影響土的含水率。在井筒土中埋設(shè)溫度計，內(nèi)部和表面各1個進(jìn)行溫度的測量。采用分層壓實(shí)進(jìn)行土體的填充，每次填充50mm進(jìn)行壓實(shí)，由于10%含水率的土體黏度較小，最終填充完畢后密度為1.81g/cm3。15%含水率筒體黏度較大，易于壓實(shí)，最終壓實(shí)密度在2g/cm3。模型的實(shí)際土體壓實(shí)及儀器埋置情況如圖2所示。

圖2 不同土體含水率模型的制作與傳感器布置

1.3 凍 結(jié)

裝填完畢后，將上部鐵蓋蓋住，防止土體凍脹后自由膨脹。然后放入冷凍室進(jìn)行低溫凍結(jié)，將溫度設(shè)置為-20～-15℃。制冷設(shè)備主要包含制冷方倉(ZLFC-DZ)、控檢系統(tǒng)(KJXT-DZ)。為了保證土體內(nèi)部溫度一致，將凍結(jié)溫度保持在-20℃共計9d。

2 試驗(yàn)過程

運(yùn)輸以及爆破過程中采用棉被包裹模型裝置，并對溫度進(jìn)行監(jiān)測，保證試驗(yàn)過程中凍土模型始終處于低溫狀態(tài)。模型試驗(yàn)按照相似比1∶50推算出掏槽孔布置參數(shù)為：炮孔直徑db=1～2mm，孔深Lb=6mm，實(shí)際操作過程中，裝藥及鉆眼較為困難，取模型炮眼直徑db=6mm，學(xué)者宗琦[18]通過包括爆破漏斗實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的掏槽實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)炮眼的長徑比較大(Lb/db>10)，特別是采用空氣墊層裝藥結(jié)構(gòu)時，對試驗(yàn)結(jié)果影響不大。采用自制鉆頭造孔，打孔深度為70mm。爆源采用8號數(shù)碼電子雷管模擬，減小了試驗(yàn)的危險性。爆破振動分別采用TC-4850振動測試儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在凍結(jié)溫度為-15℃時進(jìn)行爆破，分析10%含水率和15%含水率的爆破效果。以孔底為原點(diǎn)，ABCFG分別距離掌子面的垂直距離為-30cm、-20cm、-10cm、0cm、10cm，以未開挖側(cè)為負(fù)，開挖側(cè)為正。測振儀器采用成都中科測控TC-4850爆破測振儀，并配備X、Y、Z三向一體速度傳感器，其量程為自適應(yīng)量程，最大35cm/s，選擇負(fù)延時100ms，記錄時長1s，采樣頻率16kSPS。并從井筒底部由下到上螺旋布置傳感器，ABCFG五個傳感器距離井筒中心20cm，螺旋垂直布置，相鄰之間間距10cm，CDE由C點(diǎn)向井筒中心布置，同一水平面間距5cm布置，X方向?yàn)榱⒕畯较颍琘方向?yàn)榱⒕邢?，Z方向?yàn)榱⒕瓜?，傳感器布置情況如圖3所示。

圖3 單孔爆破及傳感器布置(mm)

3.1 單孔爆破對比分析

根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，由于爆破過程中A點(diǎn)(-30cm處)傳感器連接問題導(dǎo)致VZ數(shù)據(jù)缺失，單孔爆破各測點(diǎn)振動速度VX、VY、VZ三個分量的峰值振速隨距離的傳播衰減規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同含水率單孔爆破振動速度衰減

對比研究不同含水率的凍土振動速度衰減曲線，直觀反映出10%含水率凍土爆破振動速約為15%含水率凍土爆破振速的3倍。究其原因是，含水率為15%的凍土波抗阻大于10%的凍土。當(dāng)雷管爆破后，含水率為15%的凍土中應(yīng)力波的傳播需要克服較大的阻力，傳播過程中能量消耗的大，高含水率的凍土爆破振動衰減的較快，振動速度較小。含水率為10%的凍土整體密度較小，內(nèi)部自由面多，爆破后雷管能量在傳播中較為容易充分釋放，造成井筒內(nèi)各測點(diǎn)振動速度較大。觀察圖4(a)中三個方向振動速度可以明顯發(fā)現(xiàn)VX>VZ>VY的規(guī)律，在圖4(b)中，距掌子面-20～-10cm范圍內(nèi)也有此類規(guī)律。該規(guī)律反映出在立井爆破掌子面一定距離內(nèi)，爆破徑向振動速度明顯在各向振動速度中占主導(dǎo)，側(cè)面反映了凍土爆破時爆炸應(yīng)力波主要由雷管處向四周徑向傳播。圖4(a)中可以看出，在掌子面前方10cm的未開挖處，VX、VY的速度最大并且向兩邊逐漸遞減。圖4(b)中VX也呈現(xiàn)出向兩側(cè)振速逐漸減小，但VY、VZ呈現(xiàn)不同的振動衰減規(guī)律，向掌子面后方已開挖側(cè)逐漸增大。

3.2 多孔爆破對比分析

由于雙孔爆破建立于單孔爆破的基礎(chǔ)上，在清理單孔爆破產(chǎn)生的殘碎凍土重新在距井中心3cm兩處打相同孔徑孔深的孔后，傳感器距離掌子面的位置產(chǎn)生了變化。根據(jù)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，模型多孔爆破各測點(diǎn)振動速度X、Y、Z三個分量的峰值振速隨距離的傳播衰減規(guī)律如圖5所示。

圖5 不同含水率雙孔爆破振動衰減

觀察雙孔爆破時振速變化發(fā)現(xiàn)含水率為10%的凍土振動速度大于含水率為15%的振動速度，兩者的爆破振動衰減規(guī)律不盡相同。含水率為10%凍土的振動速度在掌子面-4cm附近三向振動速度較小，而向兩側(cè)振動速度逐漸增大，該規(guī)律在VX、VZ表現(xiàn)明顯，VY則變化不大。該規(guī)律產(chǎn)生的原因?yàn)槌醮螁慰妆茣r將掌子面以下4cm處爆破成了空洞，再次進(jìn)行雙孔爆破時產(chǎn)生的振動較小。含水率為15%凍土的振動速度傳播較為復(fù)雜，VX由掌子面向未開挖處振動速度逐漸增大，在距離-14cm處又減??；VZ在距掌子面-4cm附近振動速度最大，然后向開挖和未開挖兩側(cè)衰減；VZ在掌子面附近振動速度較小，但在距離掌子面24cm處振動速度突然增大，探究其原因可初步判斷為模具底板應(yīng)力波的反射及折射作用。

3.3 單孔與多孔爆破的對比分析

多孔爆破建立于單孔爆破的基礎(chǔ)上，在清理單孔爆破產(chǎn)生的殘碎凍土重新在井中心對角線10cm正方形四頂點(diǎn)處打相同孔徑孔深是的孔，過后對傳感器相對于掌子面的位置進(jìn)行了更新。并選擇含水率為10%的立井凍土模型，對不同爆破方案下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖6 相同含水率不同爆破方案下的振動規(guī)律

從圖6中可以看出，當(dāng)將炮孔數(shù)量增加到4個時，隨炮孔藥量的增多爆破振動速度明顯增大。采取單孔爆破，明顯觀測出立井已開挖側(cè)測點(diǎn)振動速度小于未開挖側(cè)。其因?yàn)闉橐验_挖側(cè)爆炸應(yīng)力波順著立井井筒傳遞出去，然而未開挖存在密實(shí)土體，則產(chǎn)生的能量繼續(xù)作用于土體，最終導(dǎo)致相關(guān)位置測點(diǎn)振動速度偏大。同理可知采取四孔爆破掌子面兩側(cè)振速差異原因。但是四孔爆破不同于單孔爆破，其存在中空孔，并通過中空孔將爆破能量充分釋放，在掌子面兩段振動速度變化較小于單孔。再次從整體來看，同樣因?yàn)橹锌湛椎拇嬖?，增加了自由面，而自由面附近的凍土既受到入射壓縮應(yīng)力波的壓應(yīng)力作用，又同時受到反射拉伸波的拉應(yīng)力作用[19]。兩種應(yīng)力波的合成應(yīng)力為拉應(yīng)力，在自由面附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，使凍土處于受拉狀態(tài)。當(dāng)合成拉應(yīng)力達(dá)到凍土的動態(tài)抗拉強(qiáng)度時，凍土被拉斷而破碎，從而改善爆破效果[20]。

4 結(jié) 論

1)單孔爆破時，含水率為10%的凍土振速較大約為含水率為15%的凍土振速的3倍，反映出單孔爆破時含水率的提高會一定程度上影響到振速的增加。并且各方向振動速度呈現(xiàn)出VX>VZ>VY的規(guī)律，側(cè)面反映了凍土爆破時爆炸應(yīng)力波主要由雷管處向四周徑向傳播。

2)雙孔爆破時，10%含水率的振動速度在掌子面以下10cm附近三向振動速度較小，VX、VZ振速向兩段振動速度逐漸增大，VY振速變化不大。15%含水率振動速度傳播較為復(fù)雜，VX由掌子面向未開挖處振動速度逐漸增大，在距離-20cm處又減小。相對于單孔兩種含水率振速差異大，雙孔爆破含水率不同帶來的影響較小。

3)相同含水率的情況下，隨著炮孔藥量的增多，爆破振動速度明顯增大。立井已開挖側(cè)測點(diǎn)振動速度明顯小于未開挖側(cè)，表明已開挖側(cè)爆炸應(yīng)力波順著立井井筒傳遞出去。四孔爆破由于中空孔存在，爆破能量充分釋放，在掌子面兩段振動速度變化小于單孔，其爆破效果優(yōu)于單孔爆破。