预裂缝对爆破振动频率影响的试验研究

潘长春

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

预裂缝对爆破振动频率影响的试验研究

潘长春

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

在工程爆破施工中因环境复杂多变，对优化爆破参数和施工工艺减弱爆破振动效应的要求就越高。根据应力波穿过预裂缝时彼此相互作用规律，通过爆破振动模型试验结果，考虑炮孔到预裂缝两者之间距离的影响，运用功率谱法分析爆炸应力波在岩体中传播遇到预裂缝时频率的变化，分析预裂缝的减振机理，以期为预裂爆破施工提供参考。

预裂缝;减振效果;频率;爆破试验

0 引言

炸药在岩土介质中爆炸产生应力波，研究应力波在裂隙处的传播规律及与岩石界面间的相互作用时，常假设两弹性半空间界面上是具有完全粘结的界面及完全固结的界面。但实际上是非完全固结界面及两界面可相互滑移:比如界面间的粘结力不存在，仅是弹性接触或界面之间充有流体［1］。许多学者曾研究过应力波与可滑移介质界面的相互作用。Murty G S［2］模拟了应力波与松散粘结界面间的相互作用，他认为界面允许有位移的间断，但面力是连续的;Newmark N M［3］修正了完全粘结界面条件，允许滑动在界面间发生;对于界面之间充有粘性物质的情况，Mayer.L.R［4］研究认为在两弹性固体的界面上存在速度不连续、位移间断等现象。应力波与可滑移界面的相互作用计算模型，按对界面强度描述的方法、模型的不同，可分为两大类:一是用库仑摩擦定律描述界面强度;二是用节理刚度描述界面强度。而预裂缝的缝显然属于非完全固结界面，上述研究对爆炸应力波透过非完全固结界面下振动频率变化规律的涉及不多。因此，本文探讨了预裂缝在爆炸作用下对应力波频率变化的影响。

1 爆破试验

1.1 试验模型参数设计

试验模型尺寸为960 mm×900 mm×300 mm，模型是由普通硅酸盐水泥PO42.5，细度模数为2.7的中砂，加水机械搅拌，分层浇注而成，三者配合比为水∶水泥∶砂=0.5∶1∶2;在浇筑过程中用钢条在模型试件一侧预留炮孔，炮孔直径8.0 mm，炮孔深度150 mm;预裂缝同样采用钢板预埋方案，每个试件中放置1个，缝隙尺寸为深度200 mm、长度700 mm、宽度3.0 mm。

测点在模型对称中央位置进行布控，距预裂缝200 mm、650 mm两处布置测点，如图1所示，1#和2#分别代表第一、第二测点;为了保证测试效果，在布置传感器位置均匀涂抹黏土石灰膏，把传感器紧压在模型试件上使其成为一个整体，牢固之后进行爆破试验。试验对测点3个方向垂向、径向和切向的振动波形进行数据采集，波形完整清晰。

预裂缝试验装药炮孔为单孔，共做了两种情况爆破试验，分别为有缝和无缝，在试验初期经试爆确定黑索金为主装药量，采用150 mg的叠氮化铅作为起爆药，药柱使用雷管，电火花从药柱上端起爆，炮孔先用细沙堵塞，然后在炮孔周围用薄薄的一层水泥净浆液抹平。

图1 测点布置示意图Fig.1 Schematic diagram of test point arrangement

1.2 试验设备

试验设备采用美国生产的Minimate Plus爆破振动仪，具有1个声通道和3个爆破振动信号通道。爆破结束后数秒就测出3个向量的速度矢量;该设备存储空间1 024 k，最多可存储341个记录，且每个记录均包含了垂向、径向、切向三个方向的振动速度和声波记录;三分量检波器具有灵敏度高、低失真、一致性好、最佳的阻尼系数、结构牢固与密封防水性能好等优点;每通道采样率从1 024到16 000样本/s，单一通道可高达65 000样本/s，最大采样频率2 048 Hz，触发值范围为0.254～57.9 mm/s，该仪器能探测到的最低速度值为0.03 mm/s。如图2所示。

图2 Minimate Plus振动监测仪Fig.2 Vibration monitor about Minimate Plus

2 预裂缝对振动频率的影响

2.1 试验结果及分析

由于预裂缝对振动波垂直分量的影响程度较大，在进行波形图的频谱特征分析时，只对试验中的垂向振动分量进行分析，研究预裂缝对应力波的影响，典型爆破效果如图3所示。其中功率谱分析提取了信号的频域特征，根据不同频率上的能量情况来判断振动信号的主要能量对应的频率，以便科学地进行减振设计、确定段装药量、选择合适的爆破参数和计算爆破振动的安全距离［5－6］。

图4 无缝的波形图及功率谱图(1#)Fig.4 Seamless oscillogram and power spectrum(1#)

图3 爆破效果Fig.3 Blasting effect

从图4－图7可以看出，预裂缝对爆破振动信号频带能量分布的影响特点，爆炸振动波的频率范围较宽，对本次预裂缝减振试验数据分析时，得到了预裂缝作用下振动波频谱的一种特殊变化规律，爆破振动波有2个主频2.0 Hz、55.0Hz如图7所示;在同爆破试验中，即单独无缝与有缝情况下，将无缝第一点频率88.8 Hz与第二点频率 86.0Hz进行比较，有缝第一点频率60.5 Hz与第二点频率2.0Hz或55.0Hz进行比较，发现爆破振动波主频率表现为随着距离的增加均出现降低的现象，主频域往低频方向移动，符合爆破振动波的正常传播规律;预裂缝作用下的爆破振动波的主频要比无减振措施下的爆破振动波主频低，有缝频谱范围要比无缝频谱范围偏窄些。

2.2 预裂缝减振机理

预裂缝减振是爆炸产生的应力波在岩体中传播时对断裂缝隙阻碍的响应，即应力波与岩体结构面间的互相作用。应力波穿过预裂缝继续向远处传播时，可视为应力波通过预裂缝底部和两侧分别同时进行传播。当应力波穿过预裂缝时，预裂缝起到阻碍部分应力波继续传播，对应力波起反射、折射作用［7］，并吸收部分能量，从而使应力波的能量大大削弱，达到降低爆破振动的效果。虽然应力波遇到减振带时产生绕射进入安全区域，由于预裂减振作用的存在，应力波绕射安全区域后的能量很小，应力波能量在传播过程中因波形受阻其破坏作用大幅度降低。

图5 无缝的波形图及功率谱图(2#)Fig.5 Seamless oscillogram and power spectrum(2#)

图6 有缝的波形图及功率谱图(1#)Fig.6 Seamed oscillogram and power spectrum(1#)

图7 有缝的波形图及功率谱图(2#)Fig.7 Seamed oscillogram and power spectrum(2#)

预裂缝的减振作用大致有两个过程［8］:其一是预裂缝具有一定宽度时的减振;另一是预裂缝的缝面间开始闭合后的减振。两者均阐释出预裂缝对入射爆炸应力波具有的高频滤波的作用。应力波的频率越高，最大振幅值就越小，预裂缝减弱应力波作用就越强。当预裂缝初始闭合后，缝面上的岩体刚度、波阻抗以及应力波频谱的组成最终影响预裂缝的减振效果。实际上预裂缝起到了天然的低通滤波器的作用，是一组集总的滤波网络［9］。实际工程中，由于裂缝面上的岩体刚度、波阻抗以及应力波频谱的组成，均已由具体的岩体本构特征、炮孔间排距参数、炮孔装药结构等所确定，故为了确保预裂缝隙的减振效果比较好，必须阻止在应力波作用下缝隙宽度尺寸变小，因此工程爆破设计施工时的预裂缝必须具有足够的缝面宽度才能起到良好的减振效果。

3 结语

本文介绍了爆破应力波在岩体界面处的基本传播特性，对预裂缝的减振机理进行了简单探讨，并进行了预裂缝模型试验;运用功率谱分析方法，研究了在预裂缝情况下对爆炸应力波的频率影响。由于预裂缝的研究目前只是初探，相关结果是由模型试验得出的;鉴于预裂爆破在工程现场中的广泛运用，对解决工程爆破振动问题起到较大作用，以期对爆破施工提供参考。

［1］ 卢文波.应力波与可滑移岩石界面间的相互作用研究［J］.岩土力学，1996，17(3):70 －75.

［2］ Murty G S.A Theoretical Model for the Attenuation and Dispertion of Stonely Waves at the Loosely Bonded Interface Elastic Half Space［J］.Phys Earth Planet Int，1975，11(2):65 － 79.

［3］ Newmark N M，etc Tests and analysis of Composite Beams with Incomplete Interaction［J］.Proc.Soc.Expl stress Anal，1950，9(1):75 －92.

［4］ Mayer L R，Pyrak-Nolte L J，Cook N G W.Eeffcts of single Farcture on seismieWavePropagation［J］.Rock Joints Bakema Rotterdma，1990，5(4):467－473.

［5］ 宋熙太.爆炸震动中的频谱实例及初步规律［C］//钱土虎.防护工程学术交流会文选.北京:中国土木工程学会防护工程分会，1995:27.

［6］ 何秋会，李国平.基于频谱分析的天文望远镜跟踪实验系统故障诊断［J］.振动与冲击，2005，24(1):41 －42.

［7］ 陆文学，郭文彬.爆破地震效应中的沟槽减震作用研究［J］.矿业安全与环保，2001，28(1):11 －12.

［8］ 卢文波，赖世骧，董振华.岩石钻爆开挖中预裂缝的隔震效果分析［J］.爆炸与冲击，1997，17(3):194 －196.

［9］ 张雪亮，黄树棠.爆破地震效应［M］.北京:地震出版社，1981:85－93.

(责任编辑:于继红)

Experimental Study on Influence of Pre-splitting Slot on the Blasting Vibration Frequency

PAN Changchun
(School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui232001)

In the blasting construction for the complex and changing environment，the optimization of blasting parameters and construction technology and blasting vibration effect weaken is the higher requirements.When the stress waves are through the cracks interacted law with each other，by the results of blasting vibration model test and the distance between the hole and the pre-splitting slot considered，using power spectrum analysis when the stress wave propagation in rock mass encounters the pre-crack for frequency variations and analyzes the pre-crack damping mechanism，in order to provide the reference as the presplitting blasting.

pre-splitting slot;damping effect;frequency;blasting experiment

TD235.371

A

1671－1211(2014)02－0160－04

2013－11－15;改回日期:2014－02－13

安徽理工大学青年教师科学研究基金重点项目 (No 2012QNZ17)。

潘长春 (1983－)，男，助理实验师，硕士，岩土工程专业，从事岩土工程方面的研究。E－mail:chcpan@aust.edu.cn