非固结面裂隙深度对爆破振动影响试验研究

潘长春

摘要：鉴于岩体中存在大量裂隙，为了探索非固结面裂隙对爆破振动效应的影响，通过建立波在裂隙岩体中传播的砂浆模型，对节理裂隙岩体进行模拟试验，研究分析了岩体裂隙深度对应力波传播规律的影响。研究表明：由于非固结面裂隙因素影响，裂隙深度对垂直方向质点峰值的影响较大，质点垂向振动峰值变小，裂隙深度和质点峰值大小不是反线性比例关系；裂隙深度对三个单独方向（垂向、径向和切向）主频率大小的影响并不明显，但其垂向频域分布主要集中在中高频，径向和切向主要集中在低频频域范围内。

关键词：非固结面；深度；裂隙；爆破振动；减振效果

中图分类号：TD235. 371文献标志码：A文章编号：1672-1098（2014）04-0061-04

天然岩体并非均质体，岩体内存在大量的不连续面节理裂隙。节理裂隙极大影响应力波在岩体中的传播规律，因此在研究工程爆破振动及岩体动力学问题时，节理裂隙对应力波传播影响成为重点课题。节理裂隙的存在会导致应力波振幅的衰减及传播速度的变化，是影响爆炸应力波传播的一个重要因素[1- 3]。文献[4- 5]考虑到位移、应力连续等弹塑性边界条件，发现应力波穿越单节理时振动幅值下降并伴有波形转变。文献[6-7]从波势函数解析方面探讨了应力横波、纵波斜入射到可滑动结构面时，采用有限差分法模拟炸药爆炸产生的应力波在节理裂隙岩体中的传播规律。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界面，但实际上是非完全固结界面。以往的减振模型多针对于连续节理裂隙结构面，本文是以非固结面岩体裂隙为基础，采用线性不连续模型建立了节理裂隙面减振模型，对应力波穿越非固结面裂隙后，通过研究分析非固结面裂隙因素的存在对波传播规律的影响。

1非固结面模型试验

11试验材料与模型设计

为了研究岩体非固结面裂隙的爆破振动规律，根据研究目的需要设计出岩体模型，该试验模型尺寸为300mm×900 mm×960 mm （厚×宽×长）（见图1）。模型试验设计中，由于岩体材料是十分复杂的地质构造体，含有丰富的节理、层理、裂隙等非连续面，模型试验主要考虑物理力学参数如拉、压强度，变形模量相似比。岩体模型是由普硅水泥（P·O425）、细度28的中砂及加水配置而成，其材料配合比为水∶水泥∶砂=045∶1∶2，将材料放在混凝土搅拌机搅拌，搅拌后共分两层浇注实体模型；经试验测试材料泊松比为02，弹性模量为176 GPa，纵波声速为3 692 m/s。

图1试验模型

在分层浇筑时，事先在模型试件一侧预埋一根钢管作为炮孔，炮孔直径、深度分别为10 mm、200 mm；同理， 岩体非固结面裂隙采用尺寸为200 mm×700 mm×3 mm（深度×长度×宽度）的不锈钢板预埋方案，每个岩体模型中放置1个。

12试验设备

试验设备采用通道数为三通道、采样率是1～50 kHz的TC-4850爆破振动监测仪（见图2）。

图2TC-4850爆破振动监测仪13试验方案

试验布置点设在中轴线上距岩体模型非固结面裂隙200 mm、650 mm处（见图1），其中1#、2#代表第一、第二试验点，预裂缝代表岩体模型非固结面裂隙；为了保证试验效果，试件上布置传感器时必须安装牢固才能进行爆破试验，在布置传感器位置处均匀涂抹石灰膏，使传感器与试块紧密粘结，形成整体，试验过程中对布置点3个方向（径向、切向和垂向）进行测试。

试验设置单一炮孔，分别以非固结面裂隙深度为h=0 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm的级别进行爆破试验，由试爆确定单孔主装药为爆速8134 m/s黑索金，起爆药采用150 mg的叠氮化铅，药柱是由特制加工的雷管代替，电火花从药柱顶端引爆，炮孔用准备好的细沙堵塞，并用水泥浆在炮孔周围抹平封堵。

2试验结果与分析

21试验结果

图7缝深为200 mm时爆破振动波形图22试验分析

由表1可知，裂隙深度对垂直方向振动峰值影响较大，限于篇幅原因这里取其中1#点进行分析，运用Origin软件得出不同裂隙深度情况下缝后1#质点垂向振动速度峰值衰减规律（见图8）；以裂隙深度为0 mm时振动速度峰值为基础值，由表1的数值可以得出不同缝深下减振离散规律（见图9）。h/mm

图8缝深与垂向速度的关系

h/mm

图9不同缝深的减振率

利用爆破振动模型试验对岩体裂隙缝深的减振效果进行了量化分析，由图3～图9可以看出，在裂隙缝深存在的情况下，缝后质点垂向振动峰值减小。保持缝宽（3 mm）、缝长（700 mm）不变，随着裂隙缝深的增加，缝后质点垂向振动峰值越来越小；但并不是成反线性比例减小，而是当裂隙缝深h达到一定深度时，质点峰值变化趋于缓和，对屏蔽区后质点峰值影响越来越小，减振效果越来越差。因此，在实际岩体工程爆破施工时，采用预裂爆破设计施工，缝太深成本高，太低减振效果差，为了达到理想预裂效果应确保预裂缝深度在合理的范围内。

由表1数据可知，裂隙深度对径向、切向质点振动峰值影响并不大，虽然穿过缝深有所变小， 但由于应力波绕射和反射能量再次叠加， 导致振后峰值减小有限， 甚至略有升高迹象。 且有垂向振速大于径向振速，径向振速大于切向振速，因此在爆破监测时应重点考虑垂向振速对建（构）筑物的影响。

由表2数据表明，岩体裂隙缝深对三向（垂向、切向、径向）主频率的影响并不明显，但是测试结果显示，裂隙的存在对三个方向的主频率分布范围有所影响，垂向的主频率处于中、高频，低频范围不常出现，反而径向、切向的主频率处于低频，因此岩体裂隙具有高频滤波的作用。

3结论

本研究以岩体非固结面裂隙模型试验为基础，探讨了裂隙的存在对爆破振动效应的影响规律，具有以下振动特性：

在岩体裂隙存在的情况下，缝后质点垂向振动峰值变小，裂隙深度的增加与质点峰值的减小不是成反线性比例关系，当裂隙超过一定深度时减振效果反而比较差；

岩体裂隙深度对垂向振动峰值速度的影响较大，规律明显，对径向与切向振动峰值的影响甚微，且应力波透过非固结面裂隙后，垂向振动峰值均大于其余方向峰值；

岩体裂隙深度对垂向、切向和径向的各自主频率大小影响较小，但垂向的主频率主要分布在中高频域，其余方向主频率主要集中分布在低频频域。

参考文献：

[1]俞缙，钱七虎，赵晓豹. 岩体结构面对应力波传播规律影响的研究进展[J].兵工学报， 2009， 30（2）：308-310.

[2]宋林，邵珠山，吴敏哲. 应力波在节理岩体中的传播特性探析[J].煤炭学报， 2011， 36（2）：241-242.

[3]张秀丽，焦玉勇，刘泉声，等. 节理对爆炸波传播影响的数值研究[J].岩土力学， 2008， 29（3）：717-718.

[4]KLEINBERG R L， CHOW E Y， PLONA T J， et al. Sensitivity and reliability of two fracture detection t echniques f or borehole application [J].Journal of Petroleum Technology， 1984， 36（4）： 657-663.

[5]丁黄平. 节理裂隙岩体隧道爆破成型效果研究[D]. 长春： 吉林大学， 2009.

[6]李夕兵，古德生. 岩石在不同加载波下能量耗散的理论探讨[J].爆炸与冲击，1994，14（2）：129-139

[7]赵坚，陈寿根，蔡军刚，等. 用UDEC模拟爆炸波在节理岩体中的传播[J]. 中国矿业大学学报， 2002， 31（2）：111-115.

（责任编辑：何学华，吴晓红）