不同減震物對塌落振動減震效果的試驗研究

于鵬+趙勇+郭愛清

摘要： 利用混凝土試塊重復傾倒來模擬建筑構(gòu)塌落傾倒的過程，用爆破測振儀采集塌落振動信號[1]，通過使用不同減震物放在混凝土試塊傾倒前方研究其減震效果。實驗結(jié)果表明：當減震物為稻草時，塌落振動產(chǎn)生的地震波峰值振速衰減速度更快，減震效果最好；黃沙次之。隨著距震源的距離不斷增加，有減震物的減震效果雖然有所下降，但仍然比無減震物時好。

Abstract： By imitating the collapse of concrete blocks，we carry out the falling of constructions demolition blastingwe adopt vibration meter to collect collapse vibration signals，we study the damping effects by putting different damping materials in front of the falling concrete blocks. Results showed that seismic wave peak resulted from collapse vibration reduces faster， the mitigation effect is the best when damping material is straws， the second best is the sand the mitigation effect reduces when the distance from the source grows， but it is better than no damping material.

關(guān)鍵詞：減震物；塌落振動；峰值振速；減震效果

Key words： damping material；collapse vibration；peak particle velocity；damping effect

中圖分類號：TU746.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）29-0152-02

0 引言

塌落振動作為爆破拆除引起的次生危害逐漸引起人們的重視，主要原因塌落振動振幅比爆破振動高，頻率更低，與建筑物的自振頻率更接近，對周圍建筑物的影響更大。因此，如何有效控制或減少塌落振動[2]的危害引起了眾多學者的關(guān)注，王希之等以工程實踐為背景及結(jié)合相關(guān)理論，分析了高大建筑物的解體形式、塌落體觸地能量和塌落振動產(chǎn)生的地震波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律等[3]；其他學者在此基礎(chǔ)上提出了不同的減震措施，但大多集中于模擬試驗，現(xiàn)場試驗也主要集中于不同減震溝的研究，而本文通過現(xiàn)場試驗研究不同減震物對塌落振動減震效果的影響，這是本試驗在減震效果研究方面的新穎之處。

1 試驗設(shè)計

本試驗是利用混凝土模型傾倒觸地產(chǎn)生的振動來模擬震源，最珍貴的是該試驗可以重復多次進行，通過不同減震物對建筑物在爆破拆除過程中引起的塌落振動的減震效果進行現(xiàn)場模擬試驗，并用爆破測振儀采集振動信號。

1.1 試驗器材 混凝土試塊（120cm×40cm×30cm）、ICP-104恒流源信號轉(zhuǎn)換器、UBOX-5016爆破振動測振儀、TP-32D壓電式加速度傳感器、外接計算機等。

1.2 試驗方案 ①開展試驗的在混凝土地面上，地質(zhì)條件符合試驗要求，在試塊倒塌前方布置3個測點，兩個相鄰測點之間的距離為2m，震源距最近的測點1距離也為2m。②在混凝土前方放置8cm厚的稻草條件下進行試塊傾倒振動測試（3次）如圖1（a）所示。③在混凝土前方放置3cm厚的黃沙條件下進行試塊傾倒振動測試（3次）如圖1（b）所示。④在混凝土前方無減震物狀態(tài)下進行試塊傾倒振動測試（3次）如圖1（c）所示。

1.3 試驗結(jié)果

通過對不同的減震物進行試驗，在相同震源條件下，通過爆破測振儀采集振動信號，各測點的峰值振速和主振頻率如表1所示。

如表1，在相同條件下各測點的峰值振速和主振頻率都比較接近，基本達到重復試驗模型的要求。在無減震物的條件下測點1三次相同試驗所測得振速曲線圖如圖2所示，從圖中可以看出，三次實驗所測得的數(shù)據(jù)波形相似、峰值相近，同一條件下的三次試驗所測得的數(shù)據(jù)重復性較好。

從測得的峰值振速來看，每次試塊傾倒后各測點的峰值振速都較好的體現(xiàn)了地震波的衰減特性，由表1看出，減震物對塌落振動產(chǎn)生的地震波有很好的減震效果，加快了地震波的衰減速度。主要原因是地震波在通過減震物時，地震波發(fā)生散射等現(xiàn)象，同時還發(fā)生了相互干涉、疊加等效應，造成了能量的衰減。根據(jù)表1，從測點1到測點2，主振頻率下降明顯，但從測點2到測點3，主振頻率下降速率減慢。這主要是因為地面介質(zhì)存在阻尼作用，而介質(zhì)的阻尼作用大小與地震波的震動頻率有關(guān)，頻率越高振動介質(zhì)中受到的阻尼作用也越大，即高頻震動成分容易被吸收，低頻震動成分比較穩(wěn)定。由高頻到低頻的過程也是能量損失的過程。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

由表1計算出各測點的平均峰值速度，得表2。從表2中可以看出，測點1平均峰值速度數(shù)據(jù)在不同減震物條件下差異很大，出現(xiàn)如此大的差異主要原因是塌落振動產(chǎn)生的地震波在通過不同減震物時發(fā)生折射、反射、散射等相互干涉、疊加作用造成的。從測點1到測點3，隨著距震源距離的增加，平均峰值振速也在遞減，另外也可以看出不同減震物的下降幅度也不同。為此，將測點1到測點3的平均峰值振速擬合成峰值振速曲線圖，如圖3所示。

從圖3中數(shù)據(jù)可以看出，在測點1時減震物是稻草的時候，峰值均值振速最小，黃沙其次，這說明稻草在對比黃沙和無減震物時的初始減震效果最好；其次在測點2時，減震物為稻草時，峰值振速衰減最快，黃沙居中，無減震物時峰值振速衰減最為緩慢，這也說明減震物為稻草時，中期減震效果最好；但在測點3時，無減震物和減震物為稻草、黃沙的峰值振速相差減小并逐漸趨向于0，減震物的減震效果減弱，但相較于無減震物時，有減震物的減震效果仍然要好，同時又說明了當測點距離震源足夠遠時，有減震物的減震效果有所減弱。

3 試驗采集信號的三維能量譜

通過在Matlab7.0操作平臺上對采集的信號進行HHT法分析，得到信號的希爾伯特三維能量譜，通過觀察三維能量譜圖可以清楚地看到信號時間—能量，時間—頻率，頻率—能量之間的關(guān)系[1]。

圖4是測點2在不同減震物的條件下，取試驗三次數(shù)據(jù)中的一組數(shù)據(jù)，作出其三維能量譜作為代表。從圖中可以看出，能量集中范圍中心頻率在32Hz左右，與無減震物相比，減震物為黃沙、稻草時，在測點2，能量幅值分別下降了21.7%、50.0%。能量幅值下降明顯，與峰值振速降低的百分比基本一致，偏差在可以接受的范圍內(nèi)。當在測點2時，地震波能量衰減的最快，與上文分析結(jié)果一致。證明了有減震物時的減震效果更好，當減震物為稻草時，減震效果最好。

4 結(jié)論

①現(xiàn)場試驗通過改變不同減震物，驗證了當減震物為稻草時，初始減震效果最好。②同時驗證了減震物為稻草時，塌落振動的峰值振速降低的最快，減震效果最好；隨著距震源的距離不斷增加，有減震物的減震效果雖然有所下降，但仍然是比較好的，其中減震物為稻草時，減震效果最佳。③在城市建筑物爆破拆除時，可以通過在塌落前方或下面放置減震物來降低塌落振動的峰值振速，以保護周圍其他建筑物和設(shè)施。實際工程中，在有條件的情況下，盡可能放置一些減震物，最好為稻草一類的植物秸稈。為了達到更好的減震效果，可以結(jié)合其他減震物做進一步的試驗研究。

參考文獻：

[1]劉強.拆除爆破中塌落振動的傳播規(guī)律及減震機理研究[D].昆明：昆明理工大學，2013.

[2]葉洲元，馬建軍.爆破拆除高聳建筑物觸地危害分析與控制[J].中國安全科學學報，2010，20（2）：150-154.

[3]王希之，王自力，龍源等.高層建筑物爆破拆除塌落震動的數(shù)學模型[J].爆炸與沖擊，2002，22（4）：188-192.