隔振溝對爆炸塔周邊地表振動(dòng)的影響＊

胡八一，陳石勇，谷 巖，劉 宇，劉倉理

（中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽621900）

爆炸塔作為一類特殊的抗爆建筑結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、水利、軍事科研及礦山開采等領(lǐng)域［1］。隨著人們對環(huán)境保護(hù)和人類健康的日益重視，過去戶外進(jìn)行的許多爆炸作業(yè)及爆炸加工將更多地轉(zhuǎn)入室內(nèi)爆炸塔中，因此，爆炸塔的應(yīng)用也將更加廣泛和頻繁［2－3］。

然而，在爆炸塔的使用過程中，爆炸產(chǎn)生的地震波對鄰近建筑和儀器設(shè)備仍有較強(qiáng)的沖擊振動(dòng)影響，個(gè)別爆炸塔因此不能完成設(shè)計(jì)當(dāng)量的考核實(shí)驗(yàn)［4］。對這種由爆炸沖擊引起的地震波的振動(dòng)影響，通常運(yùn)用隔振溝技術(shù)［5－8］降低和削弱。隔振溝的尺寸大同小異，如1kg TNT當(dāng)量爆炸塔，隔振溝寬0.8m，深1.8m；5kg爆炸塔，隔振溝寬1m，深1.4m。但所有這些設(shè)計(jì)或工程均沒有說明為何要這樣設(shè)計(jì)隔振溝，也沒有爆炸塔建成后對鄰近實(shí)驗(yàn)室地面沖擊振動(dòng)監(jiān)測結(jié)果的報(bào)道，因此，對爆炸塔使用過程中出現(xiàn)的較強(qiáng)地面振動(dòng)也就無法進(jìn)行量化對比測量和分析。

基于以上狀況，我們專門設(shè)計(jì)建造了一個(gè)小型爆炸塔，對該塔體在無隔振溝和有隔振溝兩種條件下進(jìn)行了爆炸對比實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測了塔體周邊地表的振動(dòng)速度，著重關(guān)注爆炸地震波的振動(dòng)幅值、頻率和持續(xù)時(shí)間等3個(gè)要素［9－11］。

本文中，簡要介紹這個(gè)研究結(jié)果，以期進(jìn)一步認(rèn)識爆炸塔周邊地表的振動(dòng)特征并對隔振溝參數(shù)設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 爆炸塔及炸藥參數(shù)

爆炸塔為柱形橢球封頭結(jié)構(gòu)，用鋼筋鋼纖維混凝土建造，如圖1所示，內(nèi)徑2m，柱段高1.5m，壁厚0.4m。有0.6m×0.5m的防爆門及數(shù)個(gè)?20mm起爆測試通道。隔振溝寬度0.3m，深1m。

炸藥為壓裝TNT藥球，密度1.63g／cm3，藥球中心設(shè)計(jì)有?11×5mm太安傳爆藥，用雷管中心起爆。實(shí)驗(yàn)時(shí)藥球中心始終與塔內(nèi)地面保持0.15m的高度。

實(shí)驗(yàn)分2個(gè)步驟進(jìn)行，先是塔體建成后無隔振溝時(shí)，安排5發(fā)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用炸藥球半徑分別是35、45、55和65mm，其中1發(fā)35mm為重復(fù)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，目的是考察速度峰峰值的統(tǒng)計(jì)漲落幅度；然后是隔振溝挖成后，安排4發(fā)爆炸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)用炸藥球半徑分別是40、50、60和70mm。

1.2 測試布局及儀器

如圖2所示，在爆炸塔周邊地表布設(shè)了2條互成90°的對應(yīng)重復(fù)測線，目的是考察塔體地面地質(zhì)狀況及傳感器安裝等微小差別對測試數(shù)據(jù)的影響。圖2中A、D點(diǎn)位于隔振溝內(nèi)側(cè)，距塔體外表0.2m，距隔振溝壁0.1m，相同測線上各測點(diǎn)間距均為0.9m。

振動(dòng)速度傳感器是VS－10型雙向（垂直z及水平徑向x）磁電式傳感器，通過1.5m長引線接入U(xiǎn)BOX－20016型拾振器，通過觸發(fā)設(shè)置實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場等待式記錄。

圖1 塔體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the chamber

圖2 測點(diǎn)布局Fig.2 Arrangement of the measuring points

2 測試結(jié)果及分析

2.1 地表振動(dòng)波形特征

細(xì)致分析實(shí)驗(yàn)獲得的近百條爆炸塔周邊地表振動(dòng)波形，可歸納出以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

（1）無隔振溝時(shí)，各點(diǎn)垂直（z方向）振幅均大于水平（x方向）振幅，垂直方向振動(dòng)周期較大，同時(shí)疊加了頻率較高的小振幅高頻振動(dòng)，如圖3所示。有隔振溝后，溝內(nèi)側(cè)A、D點(diǎn)的垂直及水平向振幅均急劇提高，水平方向振幅反而超過垂直向，隨著炸藥量增大，這一趨向更為顯著；不過此時(shí)溝外側(cè)各點(diǎn)的振幅，仍是垂直方向大于水平方向，與無隔振溝時(shí)一樣，圖4所示為有隔振溝時(shí)最大炸藥量加載的A點(diǎn)垂直（z方向）與水平（x方向）方向振動(dòng)波形。

圖3 A點(diǎn)無隔振溝振動(dòng)波形Fig.3 The vibration waves without trench

圖4 A點(diǎn)有隔振溝振動(dòng)波形Fig.4 The vibration waves with trench

（2）在實(shí)驗(yàn)的藥量范圍（283～2 338g），爆炸引發(fā)的地震波持續(xù)時(shí)間一般小于0.1s，個(gè)別可持續(xù)近0.2s。這個(gè)持續(xù)時(shí)間與600kg單段藥量爆破［12］測得的振動(dòng)時(shí)長（0.4s）差一倍，與50t大型爆破［13］的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間（2～5s）小很多。與天然地震的幾十秒至數(shù)分鐘的振動(dòng)時(shí)間就相差多。

（3）對實(shí)測速度波形進(jìn)行FFT分析，發(fā)現(xiàn)垂直方向的振動(dòng)，其頻譜主要位于20～500Hz這個(gè)范圍，而水平方向的振動(dòng)，則大多位于200～800Hz范圍內(nèi)。圖5即是圖3所示波形的FFT分析結(jié)果，其中縱坐標(biāo)A為量綱一相對振幅，顯然比文獻(xiàn)［11］（單次17kg炸藥）和文獻(xiàn)［12］的振動(dòng)頻率分布更高（其最高功率對應(yīng)的頻譜分別是169.38和14.64Hz）。且發(fā)現(xiàn)隔振溝存在與否對振動(dòng)頻譜基本無影響。

圖5 典型振動(dòng)波形的FFT頻譜Fig.5 The FFT spectra of typical vibration waves

2.2 各點(diǎn)振動(dòng)速度峰峰值比較

由于峰峰值更能說明振動(dòng)幅值的大小，所以用來代表振動(dòng)的強(qiáng)弱。表1、2分別是無隔振溝、有隔振溝時(shí)垂直z及水平x向的各點(diǎn)處振動(dòng)速度峰值的數(shù)據(jù)。

表1 無隔振溝時(shí)振動(dòng)速度峰峰值比較Table 1 Comparison of vibration velocity peak to peak value without trench

表2 有隔振溝時(shí)振動(dòng)速度峰峰值比較Table 2 Comparison of vibration velocity peak to peak value with trench

對比分析表1、2中的數(shù)據(jù)，可以看到：

（1）爆炸產(chǎn)生的地震波確實(shí)是典型的非平穩(wěn)隨機(jī)信號［10］，對R＝35mm進(jìn)行的2次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分顯示了隨機(jī)漲落特征；此外，2條重復(fù)測線上各對應(yīng)點(diǎn)數(shù)據(jù)的較大差別也提示地面施工狀況或傳感器安裝力矩的微小差別也會(huì)導(dǎo)致測試結(jié)果呈現(xiàn)較大的差異。

（2）隔振溝的存在使溝內(nèi)側(cè)（靠塔體）地表的振動(dòng)幅度增強(qiáng)至原來的約10倍，這是爆炸地震波在隔振溝自由面的反射效應(yīng)所致。郭學(xué)彬等［14］在野外均質(zhì)黃土層中發(fā)現(xiàn)振速增加現(xiàn)象（但增量僅約30%），并把它解釋為溝槽的動(dòng)力反應(yīng)，該動(dòng)力反應(yīng)區(qū)寬度約0.60m。B、E點(diǎn)的數(shù)據(jù)也提示炸藥量越大，這種動(dòng)力反應(yīng)現(xiàn)象越明顯，而B、E這2個(gè)點(diǎn)距隔振溝中心0.65m，正好處于動(dòng)力反應(yīng)區(qū)的邊緣上。

（3）隔振溝對水平方向的振動(dòng)衰減更為有效，使振幅衰減至原來的1／10以下；垂直方向的振幅衰減至原來的1／4～1／3。這個(gè)結(jié)果與鄭水明等［6］對11t的落錘從12m高處落下的隔振研究結(jié)論一致，即：隔振溝使水平向振動(dòng)速度峰值衰減了80%，使垂直方向衰減了不足30%。

（4）B、C、E、F這4個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)表明隔振溝并沒有從絕對振動(dòng)幅值上降低爆炸塔隔振溝外側(cè)0.5～1.5m區(qū)域地表的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。這個(gè)結(jié)果很有意義，首先它解釋了為何個(gè)別爆炸塔運(yùn)行時(shí)相鄰建筑的地面振動(dòng)仍然非常強(qiáng)烈；其次它提示我們，需要從理論上探討隔振溝的深度設(shè)計(jì)依據(jù)，而不能再一句經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)成深1～2m。

圖6 介質(zhì)中的地震波Fig.6 The seismic waves in the medium

3 討 論

天然或人工振源在介質(zhì)中引發(fā)的地震波如圖6所示，首先是縱波（P波），它的振動(dòng)方向與波傳播方向一致，使介質(zhì)產(chǎn)生疏密相間的壓縮和膨脹；其次是橫波（S波），質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波傳播方向垂直，使介質(zhì)被剪切，S波分SV和SH波；最后是面波（主要以瑞利波為主），瑞利波（R波）是前面2種體波（P波和SV波）在介質(zhì)邊界相互作用疊加形成的，使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)作圖6中所示的逆向橢圓運(yùn)動(dòng)，且質(zhì)點(diǎn)垂直方向振幅為水平向的約1.5倍。

從前面實(shí)測的地面振動(dòng)波形可以看出，爆炸引起的地面振動(dòng)是很復(fù)雜的隨機(jī)過程，它既有體波也有面波，是不同幅值、不同頻率與不同相位的各種波型的疊加波。同時(shí)由于測點(diǎn)離振源中心較近，P波、S波和R波在傳播時(shí)尚未分離，他們對地面振動(dòng)均有貢獻(xiàn)，但從振幅角度看，垂直方向的振幅仍然大于水平方向，周期較大，衰減也較慢，具有面波（R波）特征。因此，爆炸塔的隔振就主要考慮對瑞利波的衰減，已有的研究認(rèn)識均表明：R波在半無限空間中的有效傳播深度約1.5λ［15］（λ為R波波長），文獻(xiàn)［16］的動(dòng)光彈研究顯示出當(dāng)隔振溝深度達(dá)到（3～4）λ時(shí)，R波被完全反射回去，此時(shí)達(dá)到最大隔振效果。

顯然求出爆炸地震波中R波的波長λ，即可據(jù)此設(shè)計(jì)爆炸塔的隔振溝深度。實(shí)際工程中爆炸塔外側(cè)周邊地面混凝土層厚僅幾厘米，主要還是粘土層，在粘土層中C.H.Dowding［17］給出的S波速度vS為200～800m／s，瑞利波速度vR≈0.92vS，則R波速度在184～736m／s這個(gè)范圍內(nèi)。趙增欣［18］在大煙囪爆破中測出水泥地面的S波速度vS＝619m／s，由此得到R波速度vR＝569m／s，與鄭水明［6］的分析計(jì)算和文獻(xiàn)［17］對頁巖中R波波速的實(shí)測結(jié)果671m／s也較接近。因此爆炸塔周邊地面瑞利波的傳播速度可參照取為569m／s。而本文中實(shí)測的垂直向振動(dòng)頻率（R波的垂直分量體現(xiàn)）主要分布在200～500Hz之間，如圖7所示。波長λ＝vR／f，故此時(shí)R波的波長在200Hz時(shí)為2.85m，在500Hz時(shí)為1.14m。由于對結(jié)構(gòu)破壞較大的是低頻振動(dòng)，取200Hz時(shí)的最大波長λmax＝2.85m?？紤]文獻(xiàn)［15－16］的研究成果，并結(jié)合實(shí)際工程可行性和建設(shè)成本，則隔振溝深度建議取3λ，深約8.5m。

圖7 垂直方向振動(dòng)的頻譜分析Fig.7 The FFT analysis of the vertical vibration waves

4 結(jié) 論

（1）爆炸塔周邊地表的振動(dòng)具有典型非平穩(wěn)隨機(jī)信號特征，振動(dòng)波形是包含體波和面波的疊加波；地面振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間小于0.2s，垂直向振動(dòng)頻譜范圍在20～500Hz，水平向則范圍在200～800Hz。

（2）隔振溝的存在使靠塔體一側(cè)地表的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)幅度因自由面反射效應(yīng)而增強(qiáng)至之前約10倍，質(zhì)點(diǎn)水平方向振動(dòng)幅度的增大比垂直方向更突出；無隔振溝或隔振溝外側(cè)，地表垂直方向振幅大于水平方向，垂直方向振動(dòng)周期較大，衰減更慢，具有面波特征；水平方向頻率更大，衰減更快，振幅較小，具有體波特征。隔振溝對地表振動(dòng)頻率無明顯影響。

（3）隔振溝對水平方向的振動(dòng)衰減效應(yīng)更加明顯，可使水平方向振幅衰減至原來的1／10；使垂直方向振幅衰減至原來的1／4～1／3。

（4）對爆炸塔產(chǎn)生的地震波，隔振溝的深度至少應(yīng)達(dá)到2～3倍瑞利波波長，即5.7～8.5m，才能產(chǎn)生明顯的隔振作用；實(shí)測結(jié)果也表明1m深的隔振溝基本上無隔振意義。

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