基于压电信号的水下钻孔爆破损伤监测试验

司剑峰 钱 博 钟冬望 何 理 陈江伟

(1.江汉大学爆破工程湖北省重点实验室,湖北 武汉 430056;2.武汉科技大学理学院,湖北 武汉 430065;3.中国建筑第七工程局有限公司,河南 郑州 450000)

炸药在单一的无限介质中爆炸形成以炮孔为中心的近似球形波或柱面波向外传播[1]。然而，爆破开挖工程中一方面要求待开挖区域的岩体在爆破荷载作用下能得到充分破碎，另一方面则希望保留岩体尽可能不受损伤或减少损伤，这就要求炸药在介质中爆炸形成的高密度能量能够具有一定的“方向性”。有效控制爆破损伤及对爆破损伤进行监测评价具有重要意义，国内外学者在此方面做了大量研究和应用工作。目前常用的爆破损伤控制方法有4种:第1种是通过减小单次爆破规模，通过分层或者微差[2-4]的方式减小保留岩体的损伤;第2种是以预裂爆破为代表的空气隔断型控制方法[5-6]，该方法主要是在爆破区和保留区之间通过裂缝、空孔等对爆炸能量进行衰减反射等以减少到达保留区的冲击波能量，从而减少爆炸对保留岩体的损伤;第3种是以光面爆破为代表的能量引导法[7-8]，该方法通过改变或者减小某方向的抵抗线，以引导能量向“薄弱”方向进行传播和卸能;第4种方法是通过改变装药结构，在孔底安装高阻抗介质对爆破冲击波产生反射作用，从而减少孔底以下区域的岩体损伤[9]。

随着我国基础建设及海洋资源开发利用的不断推进和发展，深水水下爆破是水下爆破工程发展的必然趋势[10]。水下(特别是水深大于30 m的深水环境下)基岩损伤的控制能够提高基岩承载力，对水下建(构)筑物及水下工事建设具有重要意义。上述岩体爆破损伤控制方法中的第1种方法在水下爆破作业中面临钻孔困难的问题，第2种和第3种方法在水下基岩的损伤控制中很难实施，主要原因在于水下钻孔爆破很难实现水平方向钻孔作业。因此，本研究结合第4种方法对深水条件下爆破作业对基岩的损伤控制进行试验，并基于压电信号的分析对其损伤情况进行监测。

1 水下ERB岩体损伤控制方法

消能爆破(Energy Relief Blasting，ERB)技术在钻孔爆破中的应用原理是，通过在炮孔底部装入直径略小于炮孔直径的高阻抗材料，上方炸药爆炸后形成高强度入射波在向下传播过程中遇到高阻抗材料形成反射波。该技术一方面能够减少进入基岩的应力波，减少底部基岩的破坏;另一方面通过高阻抗材料的反射作用，反射应力波能够加强孔底以上区域的破碎，提高爆破效果[11-13]。

在采用复合消能结构的炮孔中，炸药爆炸产生的冲击波能量经过水介质传播至高阻抗消能球上的反射和透射过程如图1所示。炮孔内炸药爆炸产生的爆轰波在炸药与炮孔间隙水介质的交界面发生反射和折射(透射)作用。水介质中的冲击波一部分直接作用于孔壁，产生岩体上部的破裂和损伤，另一部分传递至孔底，作用于ERB复合消能结构。其中，复合消能结构由高声阻抗球体和粗砂垫层组成，并且将垫层(粗砂)置于爆破孔的底部。爆炸冲击波通过Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ界面作用后，剩余的能量作用在炮孔底部的基础岩石上。

图1 采用复合消能结构炮孔中的冲击波能量传递示意Fig.1 Schematic of shock wave energy transfer in the blasting hole with composite energy dissipation structure

经过高阻抗球消能透射出的透射波强度可表示为

式中，ρw和(cp)w分别为水的密度和水中P波的传播速度;ρs和(cp)s分别为高阻抗消能球的密度和高阻抗消能球中P波的传播速度;ρc和(cp)c分别为饱和粗砂密度和饱和粗砂中P波的传播速度;Pw、Tc分别代表水下钻孔爆破不耦合装药炮孔中水介质的初始压力及透射进入粗砂层的强度。

2 40 m水下模型试验及测试

2.1 爆破及监测方案

本研究借助水介质爆炸容器，开展水下40 m水深环境下的混凝土爆破试验(图2)。混凝土试样尺寸为250 mm×250 mm×300 mm(长×宽×高)，水泥标号为C30，250 mm×250 mm面上垂直预留φ12 mm×100 mm空孔作为装药孔。采用对比分析法，试验组(S1试样)炮孔内依次填入10 mm厚粗砂、φ10 mm的钢球、药包和填塞物;对照组(S2试样)炮孔依次填入10 mm厚粗砂、药包和填塞物。其中，药包采用1发导爆管雷管+2 g PDNT炸药，填塞物为黄泥。在试样四周采用钢板进行夹持以减少边界效应对试验结果的影响。

图2 试验流程Fig.2 Experimental flow

分别将S1和S2试样置于水介质爆炸容器，并将压力容器充满水后进行密封，然后通过试压泵对水介质容器加压至0.4 MPa后起爆。

为定量分析复合消能结构对基岩损伤的防护作用，构建了基于PZT压电陶瓷的主动监测系统[14-15]。如图3所示，选定混凝土试样两个相对的侧面分别作为信号激发平面和信号接收平面，在信号接收面沿炮孔轴线方向布置一列监测点(1#～28#点)，在相对的信号激发面布置相同位置的信号激励点(1′#～28′#点)，同一水平高度的一个信号激励点和一个监测点构成一个测试组。根据传感器尺寸和混凝土试样的高度，本试验中共设计28个测试组，即相邻的两测试组之间高度间隔为10 mm。以固定形式的电压信号作为激发源激励压电传感器，压电传感器在电压信号的激励下发生振动，并通过混凝土传递至监测点，监测点传感器接收振动信号并转化为电压信号通过采集仪记录。为对比分析爆破前后差异，在试样爆破前和爆破后分别进行监测并记录。

图3 损伤监测原理及测点布置Fig.3 Principle of damage monitoring and layout of monitoring points

2.2 监测结果

本研究以4#、14#、24#点位为例进行监测分析，该类点位监测数据如图4所示。

图4 S1、S2试样损伤前与损伤后的测点测试信号Fig.4 Test signals of monitoring points before and after damage of S1 and S2 samples

由图4可知:监测点从上至下接收到的信号幅值逐渐增强，在4#点，爆破之后信号基本衰减为一条水平线，表明该处混凝土已经完全裂开，等强度的激发波无法通过该区域进行传播;在14#点，爆破之后接收到的信号较4#点有略微增强，有明显的波形出现，表明该区域混凝土已形成大量裂缝，吸收了传播的激发波部分能量，但仍有少部分能量到达接收面;在24#点，爆破之后传感器接收到的信号与爆破前接收到的信号相差不大，重合部分较大，表明爆前爆后该区域混凝土变化不明显。

与此同时，汉昌公安分局卢局长召集案情分析会，他的面前就摆着江城早报。他看起来有些生气，但是就算是生气也是笑眯眯的。他说：“现在的媒体真是无孔不入啊？我看他们都比得上我们的侦察员了。这个叫边峰的记者还真是神通广大，他竟然把一些只有我们才知道的内幕给报了，同志们，我们毕竟是警察，不要为了一点名就破坏纪律啊。”

2.3 试验结果分析

2.3.1 信号峰值及总能量统计分析

爆后对S1和S2试样进行了测试结果峰值统计，结果如图5所示。由图5可知:试样监测点从上端炮孔孔口开始至炮孔底部，爆破后测得信号的峰值较小，基本趋于0;炮孔孔底至试样底部，信号峰值逐步增大，至某一特定值后具有上下波动的特点。信号峰值趋于0，表明炮孔孔底以上部分产生较明显的裂缝，极少甚至没有信号能够穿越试样被采集;随后为峰值逐步增加阶段，表明该区域已经没有明显裂缝，部分发射信号能够透过裂隙透射到采集面;最后的上下波动阶段，表明该部分混凝土材料基本完好，基本未发生损伤。由以上分析可以看出，2个试样所测得爆后峰值曲线基本呈现出3个阶段，即贴近0线阶段、增长阶段、稳定波动阶段。

图5 S1及S2试样各测点信号峰值Fig.5 Signal peaks of test points of S1 and S2 samples

对比S1试样和S2试样峰值曲线(图5)可以看出，S2试样的峰值增长阶段较S1试样提前3 cm，S2试样大致在10#点后开始增长，出现在炮孔底部，S1试样在13#点开始增长，出现在炮孔底部3 cm处。在16#点后，试样S1和S2均基本无损伤。由图6可知:各信号的能量分布规律和趋势与峰值统计规律基本一致，但其对炮孔底部爆炸冲击波的影响范围表现得更明显，用于对比分析S1试样和S2试样损伤深度更具有规律性。

图6 S1及S2试样各测点信号能量Fig.6 Signal energy of monitoring points of S1 and S2 samples

2.3.2 信号频率分析

为进一步分析爆破后对信号频率的影响，基于HHT方法对信号进行分析。图7为S2试样4#测点爆前测得信号进行EMD分解后的IMF分量和余项，图8为IMF分量和余项的FFT频谱图。同理，对S2试样4#测点爆后测得信号进行EMD分解，得到如图9所示的IMF分量及余项和如图10所示的FFT频谱图。

图7 爆破前4#测点信号的EMD分解Fig.7 EMD decomposition of the signal at 4#measurement point before blasting

图8 爆破前4#测点信号EMD分解后各分量的频谱Fig.8 Spectrum of each component after EMD decomposition of the signals at 4#measurement point before blasting

图10 爆破后4#测点信号EMD分解后各分量的频谱Fig.10 Spectrum of each component after EMD decomposition of the signals at 4#measurement point after blasting

图9 爆破后4#测点信号的EMD分解Fig.9 EMD decomposition of the signals at 4#measurement point after blasting

图11 爆破前4#测点信号各分量与原始信号的关系Fig.11 Relationship between each component of 4#measurement point signal and original signal before blasting

图12 爆破后4#测点信号各分量与原始信号的关系Fig.12 Relationship between each component of 4#measurement point signal and original signal after blasting

同理，分别对S1和S2试样爆前爆后4#、14#、24#测点的压电信号进行EMD分解，再对分量进行频谱分析，可以得到如下规律:

(1)S1和S2试样4#→14#→24#点整体从上到下，信号频率中高频噪声信号占比逐渐减小，低频成分信号增多，其原因为随着试样顶部到底部损伤破坏的减小，发射信号在传播路径上的能量损失减少，但高频噪声信号在测试中变化不大，因而低频信号在整个采集信号中的能量占比会增加。

(2)S1试样和S2试样相同测点处的频率规律表现得不明显，结合信号峰值及总体能量统计分析，其原因在于EMD分解方法在频段划分过程中属于自适应划分，发射信号经损伤混凝土介质衰减后，信号频率成分复杂，加之S1试样和S2试样在相同测点处的信号频率变化较小，从而导致在频率分析过程中很难精确区分。

3 结 论

(1)基于压电陶瓷的主动监测方法可用于水下爆破岩体损伤分析，水下ERB技术可有效减弱水下钻孔爆破中基岩的损伤深度。

(2)通过压电信号分析可以看出，爆破前的压电信号为关于X轴对称的逐渐衰减曲线，爆破后随着损伤程度的增加，测得信号的峰值和能量逐渐减小;且压电信号的峰值在炮孔底部近区有明显的突变，安装有高阻抗球和粗砂的试样，其突变点比正常对照组提前约3 cm。

(3)EMD方法对于压电信号频率分析具有较好效果，特别是对于爆破损伤严重区域测得信号与噪声信号叠加严重的区域具有较好的分辨作用，然而该方法用于损伤深度的精确识别尚待进一步研究。