基于損傷累積的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律試驗(yàn)研究

褚懷保， 葉紅宇， 楊小林， 梁為民， 余永強(qiáng)

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南　焦作　454000)

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基于損傷累積的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律試驗(yàn)研究

褚懷保， 葉紅宇， 楊小林， 梁為民， 余永強(qiáng)

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南焦作454000)

摘要：為進(jìn)一步揭示基于損傷累積的爆破振動(dòng)波傳播與衰減規(guī)律，設(shè)計(jì)混凝土試塊進(jìn)行損傷累積及爆破振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)。結(jié)果表明，測(cè)點(diǎn)損傷值隨爆破次數(shù)增加持續(xù)增大，中遠(yuǎn)區(qū)測(cè)點(diǎn)損傷有初期緩增及后期突增兩階段；測(cè)點(diǎn)單次爆破振動(dòng)速度隨距離增大而減小，近區(qū)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度減小較中、遠(yuǎn)區(qū)測(cè)點(diǎn)快；測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度隨爆破次數(shù)增加總體減小，且爆源近區(qū)減小較快，中遠(yuǎn)區(qū)呈小幅度緩慢減??；隨爆破次數(shù)繼續(xù)增大各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度存有突增過(guò)程，且衰減系數(shù)α增加緩慢，K值減小，兩者均存在小幅度畸變過(guò)程；多次爆破時(shí)確定振動(dòng)安全閾值及爆破振動(dòng)波傳播衰減規(guī)律(K、α值)時(shí)應(yīng)充分考慮損傷累積效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：損傷累積；爆破振動(dòng)；傳播與衰減規(guī)律；試驗(yàn)研究

爆破技術(shù)廣泛用于礦山開(kāi)采、隧道開(kāi)挖、鐵路公路路塹開(kāi)挖、各類建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)開(kāi)挖與處理、水利水電設(shè)施建設(shè)及核電建設(shè)工程等領(lǐng)域，可加快工程建設(shè)速度、提高生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著[1]。隨爆破規(guī)模、次數(shù)增大增多，所致危害效應(yīng)隨之增大，尤其爆破地震效應(yīng)，不可避免對(duì)周圍混凝土類建(構(gòu))筑物結(jié)構(gòu)(如混凝土襯砌、混凝土大壩、各類混凝土基礎(chǔ)等)造成一定程度擾動(dòng)損傷及破壞[2-5]，嚴(yán)重影響其強(qiáng)度及耐久性，威脅結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，爆破振動(dòng)危害評(píng)價(jià)與控制成為爆破安全技術(shù)的重大研究課題[6]。

對(duì)爆破振動(dòng)危害評(píng)價(jià)、控制的依據(jù)為《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)，該規(guī)程建立在大量結(jié)構(gòu)爆破振動(dòng)危害的調(diào)查統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上。而該評(píng)價(jià)方法及控制指標(biāo)只考慮爆破振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)峰值速度及主頻，且均基于單次爆破，未考慮對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)塑性損傷的累積效應(yīng)，對(duì)周邊環(huán)境影響不可避免，甚至引發(fā)糾紛。

本文設(shè)計(jì)混凝土試塊損傷累積進(jìn)行表面爆破的振動(dòng)及超聲波測(cè)試，揭示基于損傷累積效應(yīng)的振動(dòng)傳播與衰減規(guī)律，以期為科學(xué)的安全判據(jù)構(gòu)建、災(zāi)害控制研究提供參考，提升混凝土耐久性，延長(zhǎng)工程壽命，確保混凝土結(jié)構(gòu)在不同爆破振動(dòng)環(huán)境的可靠性。

1爆破振動(dòng)形成機(jī)理

孔或藥室內(nèi)炸藥爆炸會(huì)產(chǎn)生高溫高壓爆轟氣體膨脹擠壓周圍介質(zhì)，在介質(zhì)中產(chǎn)生沖擊波或應(yīng)力波，沖擊波使藥包近區(qū)介質(zhì)發(fā)生粉碎性破壞而消耗大量能量并迅速衰減為應(yīng)力波。應(yīng)力波攜帶能量繼續(xù)傳播使介質(zhì)承受剪切及拉應(yīng)力，在介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生新的裂隙或促使原裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，衰減的應(yīng)力波攜帶剩余能量傳播到地面形成周期性震動(dòng)的地震波引起地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)。沖擊波與應(yīng)力波在介質(zhì)中的傳播會(huì)改變介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)并劣化力學(xué)性質(zhì)。

炸藥爆炸引起的地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)非常復(fù)雜，爆破條件、類型、爆區(qū)地形、地質(zhì)條件及傳播介質(zhì)特性等諸多因素均對(duì)振動(dòng)效果及衰減特性產(chǎn)生影響，其振幅、周期及頻率均隨時(shí)間、空間變化，振動(dòng)物理量一般用質(zhì)點(diǎn)振速、加速度、位移及頻率等表示，即用地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為爆破地震效應(yīng)強(qiáng)度的衡量指標(biāo)，爆破振動(dòng)衰減規(guī)律理論依據(jù)多采用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式[7]，即

V=K(Q1/3/R)α=Kρα

(1)

式中：V為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度(cm/s)；Q為裝藥量(kg)；R為測(cè)點(diǎn)至爆破中心距離(m)；K，α為與爆源至測(cè)點(diǎn)間地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)及衰減指數(shù)；ρ=Q1/3/R為比例藥量。

K，α通過(guò)爆破試驗(yàn)所得介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度及相應(yīng)藥量、距離實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用最小二乘法求解獲得。將式(1)兩邊取對(duì)數(shù)，得

lnV=lnK+αlnρ

(2)

設(shè)y=lnV,a=α，x=lnρ，b=lnK，據(jù)最小二乘法原理及二元函數(shù)極值定理得

(3)

由式(3)求得a，b唯一解，再由變量代換，得

2混凝土試塊爆破損傷累積試驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)室制作C40混凝土試塊，尺寸為1 500 mm×500 mm×300 mm，見(jiàn)圖1(a)。機(jī)械攪拌后在模板中用小型振動(dòng)棒振搗成形，人工養(yǎng)護(hù)28天。在距試塊一端300 mm處預(yù)留炮孔，深度180 mm，直徑16 mm，試驗(yàn)時(shí)裝入3.5 g黑索金炸藥，濕潤(rùn)黃土堵塞，引火藥頭引爆。

圖1　試驗(yàn)圖片F(xiàn)ig.1 Experimental pictures

3混凝土試塊爆破試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1混凝土試塊多次爆破試驗(yàn)結(jié)果

混凝土試塊共進(jìn)行9次爆破試驗(yàn)，第9次爆破后試塊破壞，記錄試塊表面各測(cè)點(diǎn)垂向爆破振動(dòng)波形及速度，振動(dòng)波形見(jiàn)圖2。據(jù)測(cè)試所得測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)波速值，利用薩道夫斯基公式對(duì)每次爆破后各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度值回歸獲得試塊表面爆破振動(dòng)衰減系數(shù)α及K值，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

據(jù)超聲波檢測(cè)儀對(duì)試塊爆破前后波速測(cè)試結(jié)果，計(jì)算損傷值見(jiàn)表2。

3.2混凝土試塊多次爆破測(cè)試結(jié)果分析

為分析混凝土試塊表面爆破振動(dòng)速度傳播規(guī)律，據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制各次爆破后試塊測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度隨距離增大的變化曲線見(jiàn)圖3，據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制各測(cè)點(diǎn)損傷值隨爆破作用次數(shù)增加變化曲線見(jiàn)圖4。

為進(jìn)一步分析爆破振動(dòng)隨爆破作用次數(shù)增加的變化規(guī)律，據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制每次爆破后測(cè)點(diǎn)振速隨爆破次數(shù)增加的變化曲線見(jiàn)圖5，每次爆破后振動(dòng)衰減系數(shù)α，K值隨爆破作用次數(shù)增加變化曲線見(jiàn)圖6。

圖2　實(shí)測(cè)爆破振動(dòng)波形Fig.2 Measured blasting vibration waveform

測(cè)點(diǎn)爆破次數(shù) 1234567Kα117.045736.511525.504913.941082.54452.281231.687296.944410.6905211.859848.686126.535072.135442.028041.722860.881395.956270.8020139.60664.153212.640531.605750.941830.707130.638293.51220.8847845.982275.744352.973522.946090.716370.642740.495093.37420.8389156.602664.035193.352172.537440.924060.698240.428483.277310.8168966.007894.104222.602672.869470.63640.608330.45183.006380.828975.697131.948561.365370.849510.685270.697130.270861.962680.82435810.721213.439484.292122.486362.741081.906021.010164.3270.5892293.604291.641241.339760.908370.770790.467350.356331.619770.67655

表2　爆破損傷測(cè)試結(jié)果

圖3　爆破振動(dòng)速度與測(cè)點(diǎn)距離關(guān)系Fig.3 Relationships between vibration velocity and distance

圖4　測(cè)點(diǎn)損傷值與爆破作用次數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationships between damage value and blasting times

圖5　測(cè)點(diǎn)振速與爆破作用次數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationships between vibration velocity and blasting times

圖6　衰減系數(shù)α，K值與爆破作用次數(shù)關(guān)系Fig.6 Relationships between α，K and blasting times

(1) 由圖3看出，每次爆破測(cè)點(diǎn)振速沿炮孔中心縱向隨距離增大而減小，且爆源近區(qū)1、2測(cè)點(diǎn)振速快速衰減，中遠(yuǎn)區(qū)、遠(yuǎn)區(qū)3～7測(cè)點(diǎn)緩慢衰減。

介質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)由爆破地震波傳播過(guò)程對(duì)其擾動(dòng)作用產(chǎn)生，地震波傳播為能量通過(guò)介質(zhì)點(diǎn)擾動(dòng)向爆源四周擴(kuò)散傳遞過(guò)程，由于轉(zhuǎn)換為爆破地震波的能量只占炸藥爆炸釋放能量的小部分，且在爆破地震波從爆源向地面?zhèn)鞑ミ^(guò)程中隨傳播距離增大，一方面波陣面不斷擴(kuò)大，另方面則因介質(zhì)內(nèi)阻尼吸收作用，使爆破地震波能量及振幅不斷衰減。式(1)表明條件一定時(shí)質(zhì)點(diǎn)振速隨距離增大呈指數(shù)衰減。介質(zhì)衰減作用大小與地震波振動(dòng)頻率有關(guān)，對(duì)高頻振動(dòng)，介質(zhì)阻尼作用較大，即高頻振動(dòng)含量更易被吸收，且爆源近區(qū)形成粉碎區(qū)，炸藥爆炸能量損耗嚴(yán)重，導(dǎo)致離爆源較遠(yuǎn)處高頻振動(dòng)分量被顯著衰減，低頻成分相對(duì)較大，故爆源近區(qū)質(zhì)點(diǎn)振速衰減較快，中遠(yuǎn)區(qū)、遠(yuǎn)區(qū)衰減較慢。

(2) 由圖4看出，各測(cè)點(diǎn)爆破損傷值隨爆破次數(shù)增加持續(xù)增大，但近區(qū)測(cè)點(diǎn)損傷值較中遠(yuǎn)區(qū)大，且近區(qū)測(cè)點(diǎn)損傷值處在較高值閾內(nèi)緩慢增長(zhǎng)；中遠(yuǎn)區(qū)測(cè)點(diǎn)損傷值則隨爆破次數(shù)增加分為初期緩慢增加與后期突然增大兩階段。

混凝土試塊近區(qū)爆破損傷主要由爆炸應(yīng)力波作用及爆生氣體驅(qū)動(dòng)作用產(chǎn)生的宏觀斷裂損傷，爆炸應(yīng)力波隨距離增加迅速衰減，故爆破近區(qū)損傷快速降低。中區(qū)、遠(yuǎn)區(qū)爆破損傷主要由爆炸應(yīng)力波與爆生氣體潛在及間接擾動(dòng)作用引起，累積損傷斷裂演化經(jīng)歷物理力學(xué)性能逐漸劣化，宏觀及整體力學(xué)性能損傷劣化程度增加、混凝土試塊整體性與承載力急劇降低突然失穩(wěn)破壞3個(gè)階段[9-11]。

爆破作用次數(shù)較少時(shí)由應(yīng)力集中作用僅能引起初始裂紋尖端處介質(zhì)晶粒的錯(cuò)動(dòng)、滑移，該局部影響幅度、范圍較小，故初期損傷值累積增長(zhǎng)速度緩慢，處于損傷累積演化的初始損傷階段及細(xì)觀裂紋形成、擴(kuò)展階段，但此不可逆的錯(cuò)動(dòng)、滑動(dòng)不斷累積疊加，隨爆破作用次數(shù)繼續(xù)增加損傷累積效應(yīng)愈明顯，動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子增大至混凝土動(dòng)態(tài)斷裂韌度，細(xì)觀裂紋轉(zhuǎn)化為宏觀主裂縫，混凝土試塊的完整性及力學(xué)性能大幅下降，宏觀主裂縫加速擴(kuò)展直至混凝土試塊破壞，致中遠(yuǎn)區(qū)測(cè)點(diǎn)損傷值在爆破作用次數(shù)達(dá)到一定值后呈突變過(guò)程。

(3) 由圖5看出，各測(cè)點(diǎn)爆破振速隨爆破作用次數(shù)增加總體減小，且爆源近區(qū)質(zhì)點(diǎn)振速減小幅度較中遠(yuǎn)區(qū)測(cè)點(diǎn)明顯，中遠(yuǎn)區(qū)測(cè)點(diǎn)振速僅有小幅降低，但隨爆破作用次數(shù)繼續(xù)增大各測(cè)點(diǎn)振速存在突增過(guò)程。隨爆破作用次數(shù)增加混凝土試塊內(nèi)部損傷不斷發(fā)展(圖4)，應(yīng)力波攜帶能量更多的被介質(zhì)吸收，衰減系數(shù)不斷增大，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)振速隨爆破作用次數(shù)增加而降低。

爆破近區(qū)損傷主要為爆炸應(yīng)力波作用及爆生氣體驅(qū)動(dòng)作用產(chǎn)生的宏觀斷裂損傷，且爆炸應(yīng)力波隨距離增加迅速衰減，故爆破近區(qū)損傷快速降低。中區(qū)爆破損傷則主要由爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)作用引起，損傷衰減緩慢；遠(yuǎn)區(qū)爆破損傷主要由爆炸應(yīng)力波與爆生氣體潛在與間接擾動(dòng)作用及邊界反射波作用引起，且試驗(yàn)藥量較小，故遠(yuǎn)區(qū)爆破損傷值及變化幅度較小，呈近似平穩(wěn)狀態(tài)。

混凝土試塊承受爆破作用次數(shù)較少時(shí)，其內(nèi)部初始裂紋基本不擴(kuò)展，但由于應(yīng)力集中作用，裂紋尖端處介質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)在爆破作用后均發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、滑移，該錯(cuò)動(dòng)、滑移不可逆，且隨爆破作用次數(shù)增加累積疊加，致裂紋尖端發(fā)生局部損傷及變形引起混凝土試塊的物理力學(xué)性能逐漸劣化，但試塊宏觀與整體力學(xué)性能不會(huì)發(fā)生明顯劣化。爆破作用次數(shù)增加裂紋尖端局部損傷變形累積引起初始裂紋起裂擴(kuò)展逐漸形成細(xì)觀裂紋，次數(shù)繼續(xù)增加則細(xì)觀裂紋逐漸貫通使混凝土力學(xué)參數(shù)劣化加劇形成宏觀裂縫，致試塊內(nèi)部損傷逐漸增大，表面質(zhì)點(diǎn)振速緩慢降低。宏觀裂縫形成時(shí)混凝土內(nèi)部的細(xì)觀裂紋數(shù)量減少，僅需較少能量即致主裂縫寬、長(zhǎng)度增大，此時(shí)應(yīng)力波攜帶的能量轉(zhuǎn)化為地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)能量增大，測(cè)點(diǎn)振速存在突增過(guò)程，爆破時(shí)爆炸能量沿宏觀裂縫泄露，質(zhì)點(diǎn)振速又會(huì)降低。

(4) 由圖6看出，振動(dòng)衰減系數(shù)α隨爆破作用次數(shù)增加總體上緩慢增加，但次數(shù)繼續(xù)增加時(shí)則存在小幅度減小過(guò)程；K值隨爆破作用次數(shù)增加總體呈降低趨勢(shì)，且降低幅度減小。

α與K反映爆破場(chǎng)地條件及振動(dòng)波傳播介質(zhì)的地質(zhì)條件,可通過(guò)爆破試驗(yàn)所得介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振速及藥量、距離實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用最小二乘法求得。爆破作用次數(shù)增加爆破損傷持續(xù)緩慢增大(圖4)，必會(huì)增大爆破振動(dòng)傳播過(guò)程的衰減速度。本試驗(yàn)過(guò)程中爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)有5個(gè)在中、遠(yuǎn)區(qū)，僅2個(gè)在近區(qū)，因此α值及變化規(guī)律主要受中、遠(yuǎn)區(qū)爆破振速傳播與衰減過(guò)程決定，α隨爆破作用次數(shù)增加緩慢增大。K值隨試塊質(zhì)量損傷劣化呈降低趨勢(shì)。隨爆破作用次數(shù)繼續(xù)增加各測(cè)點(diǎn)振速存有突增過(guò)程，該過(guò)程由質(zhì)點(diǎn)振速計(jì)算式(1)可直接反映介質(zhì)完整性增強(qiáng)，故α值減小，K值增大。

4結(jié)論

(1) 單次爆破測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度沿炮孔中心縱向隨距離增大而減小，且爆源近區(qū)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度快速衰減，中、遠(yuǎn)區(qū)緩慢衰減。

(2) 測(cè)點(diǎn)爆破損傷值隨爆破作用次數(shù)增加持續(xù)增大，但近區(qū)測(cè)點(diǎn)損傷值較中遠(yuǎn)區(qū)大，且近區(qū)測(cè)點(diǎn)損傷值處在較高值閾內(nèi)緩慢增長(zhǎng)；中遠(yuǎn)區(qū)測(cè)點(diǎn)損傷值隨爆破次數(shù)增加分初期緩慢增加、后期突增兩階段。

(3) 各測(cè)點(diǎn)爆破振動(dòng)速度隨爆破作用次數(shù)增加總體減小，且爆源近區(qū)測(cè)點(diǎn)振速減小幅度較中遠(yuǎn)區(qū)明顯，中遠(yuǎn)區(qū)測(cè)點(diǎn)振速僅小幅度減小；爆破作用次數(shù)繼續(xù)增大時(shí)，各測(cè)點(diǎn)振速存有突增過(guò)程。

(4) 爆破振動(dòng)衰減系數(shù)α隨爆破作用次數(shù)增加總體緩慢增加，但爆破作用次數(shù)繼續(xù)增加時(shí)存在小幅度減小過(guò)程；K值隨爆破作用次數(shù)增加總體呈小幅度減小趨勢(shì)。

(5) 多次爆破作用下確定振動(dòng)安全閾值及振動(dòng)波傳播衰減規(guī)律需充分考慮爆破振動(dòng)損傷累積效應(yīng)，僅以單次爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果分析振動(dòng)傳播及衰減規(guī)律進(jìn)行安全評(píng)價(jià)不科學(xué)。

參 考 文 獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11542019,50874039)；河南省骨干教師資助項(xiàng)目；河南理工大學(xué)骨干教師資助項(xiàng)目；河南理工大學(xué)博士基金

收稿日期：2014-11-25修改稿收到日期：2015-01-13

中圖分類號(hào):TD235.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.02.029

Experiments on propagation of blasting vibration based on damage accumulation

CHU Huai-bao, YE Hong-yu, YANG Xiao-lin, LIANG Wei-min, YU Yong-qiang

(College of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Abstract:In order to further reveal the propagation attenuation of blasting vibration based on damage accumulation, damage accumulation and blasting vibration experiments on a concrete block were designed. The results show that the damage values at measured points increase successively with the increase of the number of blasting times. The variation of damage value can be divided into two stages in middle and far areas: a slow increase at early stage and a quick increase at later stage. The vibration velocities of single blasting at measured points decrease with the distance increasing, and the vibration velocities at measured points in the near area decrease faster than in the middle and far areas. The blasting vibration velocities at measured points decrease generally with the increase of the number of blasting times, near the explosion source it decreases more rapidly, but in middle and far areas, it decreases in small amplitude and slowly. And with the increase of the number of blasting times, the vibration velocity experiences a process of sudden increase. The vibration attenuation coefficient α increases slowly with the increase of the number of blasting times, however, the value of K reduces, and both of them undergo a process of small amplitude distortion. Under the condition of repeated blasting, in the determination of the safety threshold and propagation attenuation (the value of K and α) of the blasting vibration, the blasting vibration damage accumulation effect should be taken into account.

Key words:damage accumulation; blasting vibration; propagation attenuation laws; experimental study

第一作者 楮懷保 男，博士，副教授，1978年12月生