地形高差对塌落振动衰减影响的研究

王 亚，刘 磊，李祥龙，宋晓双，李 得

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

地形高差对塌落振动衰减影响的研究

王 亚，刘 磊，李祥龙，宋晓双，李 得

（昆明理工大学 国土资源工程学院，云南 昆明 650093）

利用混凝土试块重复倾倒来模拟建（构）筑物的倾倒过程，并用爆破测振仪采集塌落振动信号，研究不同地形高差对塌落振动衰减的影响。结果表明：在有地形高差的条件下，塌落振动产生的地震波峰值振速衰减速度更快；在正高差地形条件下，相对于负高差，地震波峰值振速衰减更慢。

塌落振动；地形高差；峰值振速；衰减规律

0 前 言

塌落振动作为城市拆除作业带来的次生危害，在一定程度上威胁附近建筑物的安全。目前对爆破振动研究较多，而对塌落振动的研究相对较少。与爆破振动相比，塌落振动振幅比爆破地震高，频率更低，与建筑物的自振频率更接近，对周围建（构）筑物的危害更大［1］，这也是爆破拆除领域中更值得关注的重要问题。所以，在爆破拆除体积和重量比较大的建（构）筑物时，需要更加关注塌落体触地冲击产生的塌落振动［2］。本试验模拟在不同高差位置塌落振动衰减规律，对其进行分析归类，以期为塌落震动控制方案提供参考依据。

1 模拟试验

本试验利用混凝土模型倾倒触地产生的振动来模拟振源［3］。建（构）筑物倒塌是一个复杂过程，本文把它简化为一个刚体。该模型无论是从振源机制还是振动特性均与建（构）筑物倾倒触地冲击地面的情况基本一致，最为可贵的是该试验可以进行重复多次进行。不足之处：倾倒体冲击地面时两者都不是弹性体，倾倒体也不是刚体，会产生破碎现象。本试验就不同高度地形对建（构）筑物在爆破拆除过程中引起的塌落振动的减震效果进行现场模拟试验，通过改变测振高度，然后通过测试仪器采集振动信号。

1.1 试验器材

混凝土试块（120 cm × 40 cm × 30 cm）；外接计算机； TC-4850爆破测振仪，测振仪主体是由采集设备3台、三矢量速度传感器组成［4］。

1.2 试验方案

1） 本试验的场地在学校废弃的足球场旁，其为混凝土台阶，地质条件较好，在试块倒塌正前方布置3个测点，相邻两个测点之间的距离为1.2 m，震源距最近的测点1的距离为1.8 m。同时利用测振仪器收集塌落振动信号。

2） 在无台阶平面状态下进行试块倾倒所引起的振动测试（3次）如图1，其结果见表1。

图1 振源在平面时

表1 振源平面峰值振速和主振频率

3） 在高16 cm、宽30 cm的台阶高处进行试块倾倒所引起的振动测试（3次）如图2，其结果见表2。

图2 振源在台阶高处时

表2 振源高处峰值振速和主振频率

4） 在高16 cm、宽30 cm的台阶低处进行试块倾倒所引起的振动测试（3次）如图3，其结果见表3。

图3 振源在台阶低处时

表3 振源低处峰值振速和主振频率

5） 由于本试验主要研究地形高差条件下对塌落振动峰值振速衰减的影响，故只需要垂直Z方向有效数据。

1.3 试验结果

通过不同高差条件下的试块倾倒模拟塌落试验，在相同的震源条件下进行试验，得出的结果。

如表1，在振源处于平面位置条件下测点2进行3次试块倾倒所测振速曲线图为例，从图4中可以看出3次试验所测得的数据波形相似、峰值相近，同一条件下的3次试验所测得的数据准确率较高，其他组数据波形相似。由图4证明本试验的合理性，试验得到的数据有进一步研究的必要，通过表1～3作进一步分析。

图4 振源在平面时测点2典型振速曲线

2 数据分析

根据表1 ～ 3，计算出不同振源位置各测点的平均峰值速度，得表4。

表4 不同振源位置测点峰值速度平均值 cm/s

1） 根据表4，看出在同一方向上振动速度峰值逐渐减小，且衰减速度随着到振源的中心距增加而减小，体现了地震波的衰减特性，这种衰减是因为地震波传播介质的非完全弹性以及振动振幅随距离的增加而产生的几何扩散等原因造成的［5］。为了方便分析不同振源位置最大峰值振速平均值的变化情况，做出测点 2、3 的峰值平均值的折线图，以便观察不同振源位置下峰值平均振速的变化，如图 5所示。

2） 根据表4由测点2的试验数据可以看出振源在不同位置时地震波峰值振动速度均值都比测点1要低，尤其在有地形高差的条件下，振速峰值均值下降的更快，这是由于地震波在台阶地形中的传播受到绕射和干涉等作用导致的，从而说明：地震波在有地形高差的条件下，相比较振源在平面时，峰值振速衰减的更快。同时由测点2和测点3也可以看出地震波的传播不管在正高差还是负高差的地形条件中，峰值振速都比在平面时衰减速度更快。

3） 根据表4由测点2、3的试验数据可以看出振源在低处（正高差）时地震波峰值振速均值要比振源在高处（负高差）时均大一些，笔者认为塌落振动机理和爆破振动机理相一致。所以这可能是由于塌落振动的正高差放大效应引起［6］。由于试验数据不足，塌落振动的高程效应有待进一步验证。

图5 测点 2 和测点 3 的平均振速折线

3 试验采集信号的三维能量谱

HHT法是对非平稳信号进行平稳化处理，把信号中不同时间、频率范围内的波动或者趋势逐层分解后产生一组特征尺度不同的数据列，所以信号的能量在频率或时间等不同的尺度上的分布规律就可以通过基于这些分量进行希尔伯特转换得到的结果能够真实反映出来［7］。通过在Matlab7.0操作平台上对采集的信号进行HHT法分析，得到信号的希尔伯特三维能量谱，通过观察三维能量谱图可以清楚地看到信号时间—能量，时间—频率，频率—能量之间的关系。

图6是振源在平面时不同测点的条件下，在Z方向取3次数据中的一组中间值，作出其三维能量谱作为代表。从图中可看出，在不同测点能量集中范围中心频率分别为138，61，86 Hz左右，与测点1相比，在测点2和测点3时，能量幅值分别下降了64.8％、45.1％。能量幅值下降明显，与峰值振速降低的百分比基本一致，偏差在可接受范围内。当在测点2时，地震波能量衰减最大，和上文分析结果一致。证明了距离振源近处能量损失最大，随着距离振源的中心距逐渐增加，能量损失越来越缓慢。由于条件所限，这需要在今后工程实际中进一步验证。而且，对于特殊的地质与岩土工程条件，本试验所得结论是否具有一致性，也是今后研究方向之一。

图 6 振源在平面时不同测点的三维能量谱

4 结 论

通过制定合理的试验方案，分析所测数据得到以下结论。

1） 塌落振动产生的地震波峰值振速在介质为混凝土中传播时，距离振源处衰减最快，且衰减速度随着到振源的中心距增加而减小。

2） 塌落振动产生的地震波在有地形高差的条件下，峰值振速衰减更快；不管在正高差还是负高差条件下，相比于平面，衰减速度均更快。

3） 塌落振动产生的地震波在有地形高差的条件中，由于塌落振动的正高差放大效应，地形处于正高差（振源在低处）时的峰值振速衰减速度比在负高差时（振源在高处）慢。

参考文献：

［1］ 王浩州， 严东晋， 年鑫哲， 等. 高架桥爆破拆除塌落震动的测试与分析［J］. 爆破， 2014， 31（1）： 144-149.

［2］ 刘强. 拆除爆破中塌落振动的传播规律及减震机理研究［D］. 昆明： 昆明理工大学， 2013.

［3］ 刘强. 拆除爆破中塌落振动的传播规律及减震机理研究［D］. 昆明： 昆明理工大学， 2013.

［4］ 林世雄. 爆破安全评估的新设备-TC4850爆破测振仪［J］. 爆破， 2008， 25（2）： 33-52.

［5］ 张儆， 杨益， 刘磊， 等. 塌落振动传播规律及减震措施的试验研究［J］.中国锰业， 2016， 34（1）： 25-28.

［6］ 万鹏鹏， 璩世杰， 许文耀， 等. 台阶爆破质点振速的高程效应研究［J］.爆破， 2015， 32（2）： 29-32.

［7］ 李夕兵， 凌同华， 张义平. 爆破震动信号分析理论与技术［M］. 北京： 科学出版社， 2009.

Research on the Effects of Terrain Elevation Difference on Collapse Vibration Reduction

WANG Ya，LIU Lei，LI Xianglong，SONG Xiaoshuang，LI De
（ Faculty of Lang Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan 650093，China）

to study the altitude difference effects of collapse vibration and the effects of different altitudes on collapse vibration reduction， concrete blocks have been applied to be toppled over repeatedly to simulate the collapsing of architectures， and blasting vibration meter were adopted to collect collapse vibration signals. The results: the velocity of seism ic wave peak produced from collapse vibration reduces faster under the condition of terrain height differences. Seism ic wave peak velocity reduced slower under the geological condition of positive altitude difference in relative to negative altitude difference. The results are to provide guides for reducing collapse vibration crisis in feld production.

Collapse vibration；A ltitude difference；Peak velocity；Reduction rule

TD235.1+2

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.017

2016-08-06

国家自然科学基金项目（51564027）

王亚（1993-），男，安徽萧县人，硕士研究生，研究方向：岩土工程与安全技术；工程爆破，手机：18788552927，E-mail：747986299@qq.com；通信作者：刘磊（1981-），男，安徽宿州人，博士，副教授，研究方向：工程爆破、工业炸药，E-mail：kgliulei@sohu.com.