爆破中实测地运动数据分析及应用

2019-10-18宋诗谦崔云霄黄晓飞

测控技术 2019年9期

宋诗谦，崔云霄，周游，郭弦，黄晓飞

(西北核技术研究所，陕西西安 710024)

随着国内基础设施建设不断发展，岩土爆破由于其工作效率高、经济成本低等优点，在工程领域日益发挥着重要作用。但由于爆破环境的复杂性，也存在着因爆破理论不成熟，爆破控制措施不合理造成一定的爆破灾害问题［1-3］。提高工程爆破施工的安全性是爆破工作中必须解决的关键问题，研究和经验表明［1-4］，通过研究爆破地运动规律可以为现场施工提供理论依据和实践指导。

由于爆破荷载作用下介质中质点振动特性受爆破参数、地质地形条件、岩土体介质动力学特性等因素影响，无论是理论上还是实际工程应用中准确分析爆破地运动规律都具有相当大的难度。

目前，有关爆破地运动规律的研究方法可大致分为4种：波动法、数值法、数据拟合法和萨道夫斯基法。其中波动法在工程应用方面仍有一定局限性，数值法［3-6］的分析结果难以直接应用于工程爆破设计中，数据拟合法［7］缺乏明确的物理意义，在实际工程中应用也具有一定的局限性。萨道夫斯基法是以传统的爆破振动速度衰减公式——萨道夫斯基公式为基础，给出爆破振动速度随炸药量、爆心距等因素的定量关系［6］。该法具有明确的物理意义，应用方便快捷，可为爆破设计提供理论依据，但是该方法只关注地运动的幅值大小，没有考虑频率成分的影响，偏于经验性。

本文在爆破现场搭建了相应的地运动测试系统，成功获得了两次试验下的实测数据。在分析数据一致性的基础上，通过傅里叶变换(FFT)提取地运动加速度和速度的频率特征［8-13］和幅值比，对比两种爆破控制方式的试验效果；利用萨道夫斯基法对实测速度数据进行拟合得到速度峰值随爆心距、药量的变化关系，为工程施工的安全开展提供理论依据和实践指导。

1 测量与求解方法

1.1 测试原理

目前爆破振动的强弱［8］主要用振动加速度、速度等参数来定量表征。选择测试系统合适与否将直接影响测试结果的可靠性，甚至关系到测试的成败。在选择测试系统时，应预估被测信号的幅值范围和频率范围，测试系统的幅值范围上限应高于被测信号最大预估值的20%，频率范围上限应是被测信号最大预估频率的5～10倍以上。根据上述选择原则，测试仪器采用扬州科动电子有限公司生产的三种加速度传感器，型号分别为 KD12000、KD1050、KD1020，量程依次为0.5g、10g、25g，频率响应分别为 0.2 Hz ～ 1 kHz、0.2 Hz～2.5 kHz、0.5 Hz～ 4 kHz。速度传感器型号为2D001，量程为12.5 cm/s，其频率响应为0.1～500 Hz。采用安捷伦示波器实现多通道数据采集、存储，加速度、速度采样率分别为100 kHz、200 kHz。

1.2 萨道夫斯基公式法

在爆破工程中，爆破振动衰减规律主要通过介质质点振动速度幅值与装药量和爆心距的变化关系来反映［7］。这一规律用萨道夫斯基公式定量描述为：

式中，VH(cm/s)为某测点处传感器介质质点振动速度峰值；Q(kg)为炸药量；R(m)为爆心距，指爆心到传感器质点的距离；k，α为与爆破点至介质质点间的地形、

《爆破安全规程》(GB6722-2014)给出了爆区不同岩性的k，α范围，如表1所示，同时指出k，α也可以通过现场试验确定。本文利用式(1)进行数据拟合时，在炸药量与爆心距确定的前提下，通过实测数据来确定k，α的值。

表1 爆区不同岩性的k，α值

2 测量案例

通过在某花岗岩区域实施两次地下工程爆破，试验中用来减弱爆破效果的方法主要是通过在爆心周围加入不同沙墙构型。试验1采用4道镂空沙墙，试验2采用2道全密封沙墙。单次爆炸总药量为200 kg TNT，分别在距爆心 88 m，44 m，22 m 处布置 1#，2#，3#测点。

加速度传感器：分别在测点1设2只0.5g量程传感器，测点2各设2只10g量程传感器，测点3各设2只25g量程传感器，测量相应测点竖直方向和水平方向的加速度信号。速度传感器：分别在1#、2#、3#测点各布置两个速度传感器，测量相应测点处竖直和水平方向的速度信号。其中，竖直方向传感器敏感面垂直于地面，水平方向传感器敏感面垂直于传感器质点与爆心连线。起爆时，由北斗授时系统同时发送脉冲信号至雷管和示波器，保证起爆时间与触发示波器开始采集数据时间一致。

3 计算分析

3.1 地运动波形曲线

两次工程现场爆破中，利用示波器获得的1#测点、2#测点、3#测点加速度信号的时域波形分别如图1～图5所示。

图1 1#测点第2次试验加速度-时程曲线

图2 2#测点竖直加速度-时程曲线

图3 2#测点水平加速度-时程曲线

图4 3#测点竖直加速度-时程曲线

图5 3#测点水平加速度-时程曲线

图1 ～图5为加速度测量的典型波形，波形反映了测点位置从典型的受激振动到振幅逐步衰减的过程，这与结构的动力学响应过程基本吻合。加速度的峰值并不是在首波位置，而是经过一段加载和叠加时间后达到峰值。两次试验加速度峰值统计如表2所示。第一次实验时，1#测点没有布置加速度传感器，故没有加速度数据。

表2 两次试验各测点加速度峰值单位：g

由图2～图5及表2可知，两次爆破中同测点处，同方向的加速度在峰值到达时间、峰值大小、信号持续时间等方面具有较好的一致性；单次试验中，竖直方向加速度峰值均大于水平方向加速度峰值。以第1次试验为例，3#测点处，竖直加速度峰值比水平峰值高约35%；2#测点处，竖直加速度峰值比水平峰值高出约60%；竖直加速度峰值和水平加速度峰值随着爆心距的增大迅速减小。从加速度峰值数据来看，第2次的峰值均大于第1次的峰值，初步认为第1次的爆破方式对地运动加速度的控制效果更佳。通过示波器采集两次试验中1#测点、2#测点、3#测点的速度波形分别如图6～图11所示。两次试验速度峰值统计如表3所示。

由图6～图11和表3可知，两次爆破中同测点处，同方向的地运动速度在峰值到达时间、峰值大小、信号持续时间等方面具有较好的一致性；且速度峰值随着爆心距的增大迅速减小。从2#测点、3#测点的速度峰值来看，第2次的峰值均大于第1次的峰值，表明第1次的爆破方式控制效果更佳。

图6 1#测点竖直速度-时程曲线

图7 1#测点水平速度-时程曲线

图8 2#测点竖直速度-时程曲线

图9 2#测点水平速度-时程曲线

图10 3#测点竖直速度-时程曲线

图11 3#测点水平速度-时程曲线

表3 两次试验各测点速度峰值统计单位：cm/s

以2#测点为例，对2#测点两次试验竖直加速度进行积分，得到相应测点竖直速度波形，并与该测点直接获取的速度波形进行对比，如图12～图13所示。

图12 2#测点第1次试验竖直加速度积分

图13 2#测点第2次试验竖直加速度积分

由图12和图13可知，利用加速度数据积分得到的速度波形与直接通过示波器得到的速度波形存在较好的一致性，同时也印证了数据的正确性。

3.2 频率特性分析

FFT是离散傅里叶变换的快速算法，通过FFT可获得信号在不同频率点的幅值，对各测点速度信号进行FFT分析获得的域波形如图14～图16所示。

图14 1#测点速度-频域曲线

图15 2#测点速度-频域曲线

图16 3#测点速度-频域曲线

由图14～图16可知，两次试验速度频谱分布较为一致。由图14可知，1#测点速度频谱主要集中在0～60 Hz范围内，其竖直方向速度主频分别约44 Hz和25 Hz，水平方向速度主频约37 Hz；由图15可知，2#测点速度频谱主要集中在20～160 Hz范围内，其竖直方向速度主频约59 Hz，水平方向速度主频约75 Hz；由图16可知，3#测点速度频谱主要集中在0～150 Hz范围内，其竖直方向速度主频约82 Hz，水平方向速度主频约93 Hz。分析可知，两次试验中，距离爆心22～88 m范围内，地运动竖直方向速度信号主频主要分布在37～82 Hz，地运动水平方向速度信号主频主要分布在37～93 Hz。随着爆心距的增加，各测点速度主频越来越高。从3个测点速度信号的FFT频谱幅值看来，认为相同频率下，第2次试验速度信号幅值大于第1次。

对各测点加速度信号进行FFT可得，1#测点、2#测点、3#测点加速度信号的频域波形分别如图17～图19所示。

图17 1#测点加速度-频域曲线

图18 2#测点加速度-频域曲线

图19 3#测点加速度-频域曲线

由图17～图19可知，两次试验加速度数据在频谱上同样具有较好一致性。由图17可知，两次试验中加速度1#测点频谱主要集中在100 Hz以内，其竖直方向加速度主频约45 Hz，水平方向加速度主频约40 Hz；由图18可知，加速度2#测点频谱主要集中在50～150 Hz频段内，其竖直方向速度的主频约81 Hz，水平方向速度主频约为102 Hz；由图19可知，加速度3#测点频谱主要集中在50～300 Hz频段内，其竖直方向速度的主频约88 Hz，第2次试验水平方向速度主频约95 Hz，第1次试验水平方向速度主频约135 Hz。分析可知，两次试验中，距离爆心22～88 m处，地运动竖直方向加速度信号主频主要分布在45～88 Hz，地运动水平方向加速度信号主频主要分布在40～135 Hz。随着爆心距的增加，各测点加速度主频越来越高。从3个测点加速度信号的FFT频谱幅值看来，相同频率下，第2次试验加速度信号幅值大于第1次。

仅仅基于两次爆破试验地运动加速度和速度峰值峰值数据判断爆破强度或者单纯从时域上分析试验结果过于片面，未能充分利用试验数据，故从频域上对两次试验数据进行比较。

以幅值比作为比较两次爆破的地信号强弱的指标。幅值比定义为对速度、加速度进行FFT后在5～30 Hz频率范围内各频率对应幅值的比值。不妨设a，b分别为第1次、第2次试验FFT变换后某频率点处速度、加速度的幅值比分别如图20、图21所示，纵坐标采用对数坐标。

由图20、图21可知，两次试验中，速度对数幅值比的平均值为0.63，标准差为0.06；加速度对数幅值比的平均值为0.39，标准差为0.16。结果表明，相同频率下，第2次试验的加速度和速度信号幅值大于第1次，认为第1次试验爆破方式的控制效果要优于第2次。

图20 两次试验速度幅值比

图21 两次试验加速度幅值比

3.3 速度峰值预测公式拟合

为获得两次爆破的地运动速度随药量以及爆心距的规律，根据萨道夫斯基法，基于实测数据获得的两次试验的竖直、水平方向速度峰值随比例药量的变化曲线及拟合公式分别如图22～图25所示。

图22 第1次和第2次试验水平速度拟合曲线

图23 第2次试验水平速度和竖直速度拟合曲线

由图22～图25，从拟合公式的k，α值可知，两次速度拟合曲线的α值具有较好的一致性，说明在此区域的爆破工程中，利用萨道夫斯基法获得的拟合公式是可行的，而k值的变化反映了爆破方式变化的影响。文中利用实测数据对《爆破安全规程》(GB6722-2014)中给出的k，α值进行了修正，在同一区域开展类似爆破工作时可以利用文章中公式预估地运动数据。