基于单孔爆破的节理裂隙减振模型试验研究

潘长春， 徐 颖， 宗 琦

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

基于单孔爆破的节理裂隙减振模型试验研究

潘长春， 徐 颖， 宗 琦

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

在复杂环境的城市地下工程进行爆破开挖，对青岛地铁控制爆破振动危害提出了极高标准；基于考虑富含天然裂隙岩石地质条件下，通过模型试验研究了岩体裂隙对爆破振动波传播规律的影响。试验结果表明，岩体裂隙的存在阻碍了爆破振动波的传播，明显降低了爆破振动效应，当增加装药量时，爆破振动效应就越强且趋势变快，爆破振动频率也越靠近建筑物固有频率；当裂隙深度发育越深时，爆破振动效应就越弱，可裂隙深度过大，降低爆破振动效应程度并不明显；同时裂隙深度的发育，对各向爆破振动频率影响趋势基本一致，表现出波动性极小。波形频谱表明单孔爆破试验中爆破振动信号波形简单，振动峰值和频率单一。

爆破振动效应；单孔爆破；装药量；裂隙深度；频率

随着城市高速发展，爆破技术的广泛运用，爆破引起的附近结构物的受振或破坏的防护问题已越来越突出。爆破振动是爆破作业中无法消除的效应之一，位列爆破公害之首，爆破振动危害控制一直是国内外爆破安全技术的重大研究课题[1-4]。爆破振动效应是指爆破振动波在介质传播过程中，造成附近非爆破目标的结构物不同程度上的破坏现象，爆破振动波在地层中传播及其产生的地面扰动是一个非常复杂的动力学过程，受到爆炸、地质条件和结构物自身特性等因素的影响。爆破振动效应主要研究爆破振动波的传播规律及其控制手段、方法，选择适当的爆破技术，在保证爆破效果的条件下，确保周围结构物的安全稳定[5-7]。国内外大量研究成果和实践表明，多数国家现有安全标准综合考虑了振动速度峰值和主振频率两个因素做为联合判据是合理的。

近三十年，众多学者围绕爆破振动控制做了诸多理论研究、进行了现场试验和数值模拟对比研究[8]。卢文波等[9]对水电工程中爆破振动安全判据的关键问题的探讨和深入分析；周剑等[10]数值模拟了应力波传播规律受结构面产状的影响；唐海等[11]通过现场测试对预裂爆破减振效应进行了分析；由于岩石是非均匀各向异性介质，无论是低孔隙率、狭窄性和形状特性难测的微观裂缝，还是存在的空间方向、连续或非连续、宽度以及空间的充填物等因素的节理、层面和裂隙的宏观裂缝，它们的存在会导致振动波振幅的衰减及传播速度的变化，是影响爆破振动波传播的一个重要因素[12-14]。丁黄平等[15-16]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。赵坚等[17]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。Wheeler运用快速傅里叶变换原理，采用不同单一频率波形的叠加合成波形为单孔爆破振动波形，得到具有微差延时的多孔爆破模拟预测波形；吴从师等[18]使用单孔爆破振动记录波形作为源函数，通过线性叠加实现多孔爆破振动波形的预测。

基于单孔爆破振动基波的叠加组合预测模型是当前国内外主要研究方向，以往研究应力波在裂缝处的传播规律，通常假设裂缝是连续黏结的界面。本文以单孔爆破振动波形为基础，采用线性不连续裂缝减振模型，研究应力波穿越非连续性裂缝的传播规律，为制定降低或控制爆破振动技术措施方面提供参考。

1 应力波在节理裂隙岩体中的传播

当应力波在节理岩体中传播时，节理的存在会导致波振幅的衰减及传播速度的变化。当炸药在炮孔内引爆之后，在爆轰冲击波的作用下炮孔壁周围出现了较密集、很不规则的径向裂纹网络。岩石爆破瞬间其应力波的传播过程经历时间最长，变化最复杂。当爆炸应力波遇到两种岩石的界面，将产生反射和透射，不连续面对应力波的衰减产生影响，炸药在岩体内爆炸激起的应力波是纵波。张奇[19]考虑了含充填物的节理时应力波传递遇节理面的透反射系数。PYRAK-NOLTE等[20-22]综合考虑了裂隙的数量、宽度、以及充填物的影响，当应力波传递到节理面时，发生了反射和透射现象，先提出纵波垂直入射单个节理面的透射系数

(1)

继而给出应力波入射平行多节理时透射系数简便计算公式

(2)

尚嘉兰等[23]在只考虑压应力波在裂隙间的透射与反射影响， 得到纵波经过n条平行闭合裂隙后的透射系数为

(3)

式中：A和B分别为人射纵波的透、反射系数；K′为影响透射波的入射波范围和透射的上升阶数。

以上给出了应力波垂直入射到节理面后的透反射情况，是理论与数值模拟的计算公式。由于模型实验也是一种有效的研究手段，可以运用相似比理论，探析应力波在节理裂隙岩体中的传播规律，为以后理论研究、数值计算提供参考的实验数据。

2 单孔爆破减振模型试验

2.1 监测系统

试验设备采用Minimate Plus振动记录仪(见图1)，该台仪器由主机、传感器、麦克风和适配器四部分组成，有4个通道(3个信号通道、1个声通道)，信号通道接三向振动传感器，设备具有体小质轻、频响宽、分辨高、灵敏度高，低失真、储量大和软件功能强等特点，在高级设置下可记录500 s 的波形事件，单一通道采样率可高达65 000样本·s-1，最大量程254 mm·s-1，阈值范围为0.25～57.9 mm·s-1，能监测到最低幅值为0.03 mm·s-1，满足试验要求。

图1 Minimate Plus振动记录仪Fig.1 Minimate Plus vibration monitors

2.2 模型设计、制作

由于岩体节理、层面、裂隙等裂缝广泛存在，为了研究单孔爆破下宏观裂缝减振规律，根据力学模型相似理论，主要考虑物理力学参数相似，采用砂浆模型，模型尺度为长960 mm、宽900 mm和高300 mm。材料由通用硅酸盐水泥、中砂及水组成，按材料比配置(水∶水泥∶砂=0.5∶1∶2)，把砂和水泥放入混凝土搅拌机干拌，分次加水湿拌，分层浇筑振捣。浇筑之前，先预制涂油的不锈钢管模拟单孔，钢管和炮孔直径相同，其长度比炮孔长约50 mm，钢管上部轧扁拴上铁丝，炮孔直径、深度为10 mm、200 mm；模拟岩体宏观裂缝采用涂油不锈钢板，钢板长度和厚度与裂缝一致，钢板宽度比裂缝深度多50 mm，钢板上部两端各钻穿一孔，用铁丝扎紧，裂缝尺度长700 mm、深250 mm和厚2 mm。

用卷尺按试验方案把钢管和钢板埋在预设处，用架子固定，模型制作程序相同，可保证条件一致，成型之后及时拆模、养护和防护，模型剖面图如图2所示。

图2 模型及测点布置(单位：mm)Fig.2 Model and point arrangement(unit:mm)

2.3 试验方案

试验在模型轴线距边界100 mm安设钢管，从临近炮孔一侧起200 mm埋设钢板，钢板两端距模型宽两侧均100 mm。依据单孔爆破研究需要，测点采用直线型布置，以单孔爆心作为爆源中心，考虑波形特征和传感器的安全，中轴线上测点均设置在裂缝一侧，距炮孔临近一侧模型边界400 mm和850 mm处，布置方案如图2所示。为了保证记录结果真实，传感器必须黏结牢固，用水泥砂浆均匀涂抹，将传感器底座紧压固定，把传感器径向(X向)垂直于裂缝走向，切向(Y向)平行于裂缝走向，垂向(Z向)与模型表面垂直。经试爆确定黑索金为主装药量，150 mg叠氮化铅为起爆药，药柱采用特制雷管，从药柱上端起爆，炮孔用细沙堵塞，水泥浆抹平。试验共获得质点振动数据较多，本文以垂向振动波形为主要研究对象。

3 试验分析

项目一是固定单孔总装药量1.0 g条件下，模拟岩体有、无缝情况爆破试验，爆破效果如图3所示，取典型垂向测试波形和功率谱图如图4所示。

图3 爆破效果Fig.3 Blasting effect

项目二是在预设裂缝(长700 mm、深250 mm和厚2 mm)尺寸条件下，改变单孔总装药量，分别以单孔总装药量Q=0.7 g、1.0 g、1.2 g、1.5 g和2.0 g进行试验，考虑篇幅的问题，只给出Q=1.5 g时测点1的波形和功率谱图如图5所示，试验测得的质点爆破振动垂向振速、主频随单孔药量数据变化曲线如图6和图7所示。

项目三是固定单孔总装药量1.5 g，分别以裂缝深度为h= 5 cm、10 cm、15 cm、20 cm和25 cm进行试验，限于篇幅问题，只给出h=15 cm和h=25 cm时测点1的波形如图8和图9所示，试验测得爆破质点三向主频率、振速和缝深数据关系曲线如图10和11所示，其中垂向振速受缝深影响较大，垂向振速随缝深变化的减振率如图12所示，减振率随缝深和孔深的比值的数据变化如图13所示。

爆破质点振动衰减规律影响因素很多，主要包括地质状况、场地条件、炸药埋置深度、与装药中心位置关系、装药量、爆心距。鉴于上述原因，从理论上很难得出通用性很强的爆破振动波的传播衰减规律，但工程实践中常遇到复杂环境下爆破振动危害控制，文中着重考虑节理裂隙岩体条件下，对爆破振动波传播和衰减的影响。

(a) 无缝测点1

(b) 无缝测点2

(c) 有缝测点1

(d) 有缝测点2

图5 Q=1.5 g的质点爆破振动波形及功率谱图Fig.5 Mass point blasting vibration waveform of charge 1.5 g and power spectrum

图6 质点振速随单孔药量的数据变化曲线图Fig.6 Relational curves between charge and velocity

图7 质点主频随单孔药量的数据变化曲线图Fig.7 Relational curves between charge and frequency

图8 缝深为15 cm时爆破振动波形图Fig.8 Blasting vibration waveform under crack depth of 15 cm

图9 缝深为25 cm时爆破振动波形图Fig.9 Blasting vibration waveform under crack depth of 25 cm

图10 质点主频随缝深的数据变化曲线图Fig. 10 Relational curves between crack depth and dominating frequency

图11 质点振速随缝深的数据变化曲线图Fig. 11 Relational curves between crack depth and vibration velocity

图12 减振率随质点振速的数据变化曲线图Fig.12 Relational curves between damping rate and vibration velocity

图13 减振率随缝深/孔深的数据变化曲线图Fig.13 Relational curves between damping rate and crack depth/hole depth

为了更加直观观察裂隙对爆破振动传播规律的影响，从项目一选2组特殊情况做爆破质点振速和频率分析。图4(a)～图4(d)给出了有缝和无缝波形，从图4中对比可以明显看出：测点1的质点振速由0.4 cm·s-1降到0.3 cm·s-1，测点2的质点振速0.35 cm·s-1降到0.17 cm·s-1，无缝情况质点振速衰减较慢，有缝情况质点振速衰减较快；在忽略测点1和测点2模拟距离的影响下，单纯从质点振动速度方面考虑，无缝质点最大振速比有缝质点最小振速大2.4倍，无缝质点最小振速与有缝质点最大振速几乎相等，这说明当振动波穿过预裂缝时，预裂缝确实起到了阻碍作用，使得能量耗散增多，削弱了振动波传递的能量。

从图6可知，单孔总装药量小，质点振动速度较小，反之较大，两者变化趋势一致；但随单孔总装药量达到较大值时，质点振动速度呈现陡增态势，两者非线性关系明显突出，因此，爆破施工时装药量提高要有所限制。在单孔总装药量相同下，测点1因距炮孔较近，质点振动速度表现出比测点2要大，表明距离对质点振动速度有响应，但随单孔总装药量增加两点质点振动速度变化趋势越接近。图7作出了不同单孔总装药量的主频率变化曲线，表明质点主频率随单孔总装药量增加在降低，由于药量大，爆炸反应时间较长，药室内正、负压作用时间均延长，使爆源激发的振动波频率较低，因此工程实践中需要警惕低频建筑物发生共振的危险；不过药量增加到较大时，主频率降低的趋势变得缓和，反向非线性关系表现突出。在以上图4和图5所示中也表明单孔爆破振动信号的功率谱图曲线峰值单一，振动频率成分简单。

图10给出了在缝深变化下质点径向、切向和垂向主频率的大小变化图，从中可以看出，质点垂向主频率远大于质点径向、切向主频率，且质点垂向主频率处于中高频，质点径向和切向的主频率处于低频，质点径向主频率和切向主频率几乎相等；随缝深的尺度增加，质点三向(垂向、切向、径向)主频率没有发生较大波动，在图10中，3条线的斜率近似相等，即裂隙对各方向(垂向、切向、径向)的主频率的影响趋势基本一致，所以，在裂隙越发育的情况下，爆破施工可以提高装药量。

图11表明因裂隙缝深的增加，质点垂向振动速度一直处于减小态势，减小态势越来越平缓，未表现出反向线性关系，但较之对质点径向、切向振动速度影响较小；径向和切向质点振动速度非常相近，说明缝深变化对径向、切向振动速度影响趋势也基本一致，垂向振动速度处于中高速，径向、切向振动速度处于低速，所以爆破监测时重点考虑垂向对周边及地表建筑物的影响。图12说明缝深增加时减振率不断加大，当缝深增加到一定值时，减振率逐渐减小，减振效果比较差。图13说明炮孔深度和裂隙深度的关系，表明在一定比值(缝深/孔深)范围内，减振效果得以改善，反之减振效果不佳；因此在工程实践中，为了降低爆破振动对周围建筑物影响，盲目减小钻孔深度或加大预裂爆破预裂缝的深度，实际上并没有起到降低爆破振动危害，反而增加工程成本和工期，合理选择比值范围需要根据具体工程条件和要求，进行现场试验确定。

从以上分析可以看出：当岩石存在裂隙时，周边监测点的速度振动值和频率往往是有变化的，在通过试验确定爆破施工参数，提出爆破振动控制标准时，应当考虑裂隙的影响，甚至当岩石裂隙条件对爆破振动的影响较大时，可以根据爆破施工方案提出不同的控制标准，在布置监测过程中充分考虑岩石裂隙的影响，当岩石裂隙条件较为发育时可以合理利用已有裂隙降低爆破振动危害。

4 结 论

(1)爆炸产生的振动波在岩体中传播时受到节理裂隙阻碍的响应，降低了质点振动速度和质点主频率，阻隔作用影响显著。

(2)随单孔装药量的增加，质点振动速度也在变大，质点主频率反而降低；当单孔装药量达到较大值时，质点振动速度呈现陡增态势，质点主频率降低趋势缓和，同时距离对质点振动速度也有响应。

(3)节理裂隙深度对质点三向(垂向、切向、径向)主频率的影响趋势基本一致，且各向主频率发生波动较小，中高频段位的质点垂向主频率远大于低频段位的质点径向、切向主频率，径向主频率近似等于切向主频率。

(4)爆破振动波在岩石中传播时，随节理裂隙深度的增加，质点振动减弱，尤其对垂向影响较大，但裂隙深度过大，对降低爆破振动效应程度不大。

(5)单孔爆破试验中爆破振动信号曲线显示波形简单和振动峰值、频率成分单一，有利于为后期多孔微差爆破研究打下基础。

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Tests for vibration reduction model of joint fracture based on single-hole blasting

PAN Changchun，XU Ying，ZONG Qi

(School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China)

Higher standards were proposed for Qingdao subway controlled blasting vibration possible hazards， in order to do blasting excavation for urban underground engineering under complex environ ment. The propagating laws of blasting vibration waves under rich fractured rock geological conditions were studied using the model tests. The test results indicated that the presence of rock fractures hinders the propagating of blasting vibration waves, the blasting vibration effect is reduced significantly; when explosive charge increases, the blast vibration effect is stronger，its trends becomes faster and the blasting vibration frequency is closer to the building natural frequency; the deeper the growth of fractukes’ depth, the weaker the blasting vibration effect; if the depth of fractures is too big, the reduction of the blasting vibration effect is not obvious; the growth of the fracture’s depth has a basically same effect with a very small fluctuation on the blasting vibration frequencies in all directions. The waveform spectrum analysis showed that the single-hole blasting signals have a simple waveform and their vibration peak and frequency are single.

blasting vibration effect；single-hole blasting；explosive charge；fracture depth；frequency

国家自然科学基金资助项目(51274009；51374012；51404010)

2015-11-23 修改稿收到日期： 2016-02-15

潘长春 男，博士生，1983年生

徐 颖 男，教授，博士生导师，1965年生

O38

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.07.038