地形高差對塌落振動衰減影響的研究

王 亞，劉 磊，李祥龍，宋曉雙，李 得

（昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

地形高差對塌落振動衰減影響的研究

王 亞，劉 磊，李祥龍，宋曉雙，李 得

（昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

利用混凝土試塊重復(fù)傾倒來模擬建（構(gòu)）筑物的傾倒過程，并用爆破測振儀采集塌落振動信號，研究不同地形高差對塌落振動衰減的影響。結(jié)果表明：在有地形高差的條件下，塌落振動產(chǎn)生的地震波峰值振速衰減速度更快；在正高差地形條件下，相對于負高差，地震波峰值振速衰減更慢。

塌落振動；地形高差；峰值振速；衰減規(guī)律

0 前 言

塌落振動作為城市拆除作業(yè)帶來的次生危害，在一定程度上威脅附近建筑物的安全。目前對爆破振動研究較多，而對塌落振動的研究相對較少。與爆破振動相比，塌落振動振幅比爆破地震高，頻率更低，與建筑物的自振頻率更接近，對周圍建（構(gòu)）筑物的危害更大［1］，這也是爆破拆除領(lǐng)域中更值得關(guān)注的重要問題。所以，在爆破拆除體積和重量比較大的建（構(gòu)）筑物時，需要更加關(guān)注塌落體觸地沖擊產(chǎn)生的塌落振動［2］。本試驗?zāi)M在不同高差位置塌落振動衰減規(guī)律，對其進行分析歸類，以期為塌落震動控制方案提供參考依據(jù)。

1 模擬試驗

本試驗利用混凝土模型傾倒觸地產(chǎn)生的振動來模擬振源［3］。建（構(gòu)）筑物倒塌是一個復(fù)雜過程，本文把它簡化為一個剛體。該模型無論是從振源機制還是振動特性均與建（構(gòu)）筑物傾倒觸地沖擊地面的情況基本一致，最為可貴的是該試驗可以進行重復(fù)多次進行。不足之處：傾倒體沖擊地面時兩者都不是彈性體，傾倒體也不是剛體，會產(chǎn)生破碎現(xiàn)象。本試驗就不同高度地形對建（構(gòu)）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，通過改變測振高度，然后通過測試儀器采集振動信號。

1.1 試驗器材

混凝土試塊（120 cm × 40 cm × 30 cm）；外接計算機； TC-4850爆破測振儀，測振儀主體是由采集設(shè)備3臺、三矢量速度傳感器組成［4］。

1.2 試驗方案

1） 本試驗的場地在學(xué)校廢棄的足球場旁，其為混凝土臺階，地質(zhì)條件較好，在試塊倒塌正前方布置3個測點，相鄰兩個測點之間的距離為1.2 m，震源距最近的測點1的距離為1.8 m。同時利用測振儀器收集塌落振動信號。

2） 在無臺階平面狀態(tài)下進行試塊傾倒所引起的振動測試（3次）如圖1，其結(jié)果見表1。

圖1 振源在平面時

表1 振源平面峰值振速和主振頻率

3） 在高16 cm、寬30 cm的臺階高處進行試塊傾倒所引起的振動測試（3次）如圖2，其結(jié)果見表2。

圖2 振源在臺階高處時

表2 振源高處峰值振速和主振頻率

4） 在高16 cm、寬30 cm的臺階低處進行試塊傾倒所引起的振動測試（3次）如圖3，其結(jié)果見表3。

圖3 振源在臺階低處時

表3 振源低處峰值振速和主振頻率

5） 由于本試驗主要研究地形高差條件下對塌落振動峰值振速衰減的影響，故只需要垂直Z方向有效數(shù)據(jù)。

1.3 試驗結(jié)果

通過不同高差條件下的試塊傾倒模擬塌落試驗，在相同的震源條件下進行試驗，得出的結(jié)果。

如表1，在振源處于平面位置條件下測點2進行3次試塊傾倒所測振速曲線圖為例，從圖4中可以看出3次試驗所測得的數(shù)據(jù)波形相似、峰值相近，同一條件下的3次試驗所測得的數(shù)據(jù)準確率較高，其他組數(shù)據(jù)波形相似。由圖4證明本試驗的合理性，試驗得到的數(shù)據(jù)有進一步研究的必要，通過表1～3作進一步分析。

圖4 振源在平面時測點2典型振速曲線

2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表1 ～ 3，計算出不同振源位置各測點的平均峰值速度，得表4。

表4 不同振源位置測點峰值速度平均值 cm/s

1） 根據(jù)表4，看出在同一方向上振動速度峰值逐漸減小，且衰減速度隨著到振源的中心距增加而減小，體現(xiàn)了地震波的衰減特性，這種衰減是因為地震波傳播介質(zhì)的非完全彈性以及振動振幅隨距離的增加而產(chǎn)生的幾何擴散等原因造成的［5］。為了方便分析不同振源位置最大峰值振速平均值的變化情況，做出測點 2、3 的峰值平均值的折線圖，以便觀察不同振源位置下峰值平均振速的變化，如圖 5所示。

2） 根據(jù)表4由測點2的試驗數(shù)據(jù)可以看出振源在不同位置時地震波峰值振動速度均值都比測點1要低，尤其在有地形高差的條件下，振速峰值均值下降的更快，這是由于地震波在臺階地形中的傳播受到繞射和干涉等作用導(dǎo)致的，從而說明：地震波在有地形高差的條件下，相比較振源在平面時，峰值振速衰減的更快。同時由測點2和測點3也可以看出地震波的傳播不管在正高差還是負高差的地形條件中，峰值振速都比在平面時衰減速度更快。

3） 根據(jù)表4由測點2、3的試驗數(shù)據(jù)可以看出振源在低處（正高差）時地震波峰值振速均值要比振源在高處（負高差）時均大一些，筆者認為塌落振動機理和爆破振動機理相一致。所以這可能是由于塌落振動的正高差放大效應(yīng)引起［6］。由于試驗數(shù)據(jù)不足，塌落振動的高程效應(yīng)有待進一步驗證。

圖5 測點 2 和測點 3 的平均振速折線

3 試驗采集信號的三維能量譜

HHT法是對非平穩(wěn)信號進行平穩(wěn)化處理，把信號中不同時間、頻率范圍內(nèi)的波動或者趨勢逐層分解后產(chǎn)生一組特征尺度不同的數(shù)據(jù)列，所以信號的能量在頻率或時間等不同的尺度上的分布規(guī)律就可以通過基于這些分量進行希爾伯特轉(zhuǎn)換得到的結(jié)果能夠真實反映出來［7］。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。

圖6是振源在平面時不同測點的條件下，在Z方向取3次數(shù)據(jù)中的一組中間值，作出其三維能量譜作為代表。從圖中可看出，在不同測點能量集中范圍中心頻率分別為138，61，86 Hz左右，與測點1相比，在測點2和測點3時，能量幅值分別下降了64.8％、45.1％。能量幅值下降明顯，與峰值振速降低的百分比基本一致，偏差在可接受范圍內(nèi)。當在測點2時，地震波能量衰減最大，和上文分析結(jié)果一致。證明了距離振源近處能量損失最大，隨著距離振源的中心距逐漸增加，能量損失越來越緩慢。由于條件所限，這需要在今后工程實際中進一步驗證。而且，對于特殊的地質(zhì)與巖土工程條件，本試驗所得結(jié)論是否具有一致性，也是今后研究方向之一。

圖 6 振源在平面時不同測點的三維能量譜

4 結(jié) 論

通過制定合理的試驗方案，分析所測數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論。

1） 塌落振動產(chǎn)生的地震波峰值振速在介質(zhì)為混凝土中傳播時，距離振源處衰減最快，且衰減速度隨著到振源的中心距增加而減小。

2） 塌落振動產(chǎn)生的地震波在有地形高差的條件下，峰值振速衰減更快；不管在正高差還是負高差條件下，相比于平面，衰減速度均更快。

3） 塌落振動產(chǎn)生的地震波在有地形高差的條件中，由于塌落振動的正高差放大效應(yīng)，地形處于正高差（振源在低處）時的峰值振速衰減速度比在負高差時（振源在高處）慢。

參考文獻：

［1］ 王浩州， 嚴東晉， 年鑫哲， 等. 高架橋爆破拆除塌落震動的測試與分析［J］. 爆破， 2014， 31（1）： 144-149.

［2］ 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(xué)， 2013.

［3］ 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(xué)， 2013.

［4］ 林世雄. 爆破安全評估的新設(shè)備-TC4850爆破測振儀［J］. 爆破， 2008， 25（2）： 33-52.

［5］ 張儆， 楊益， 劉磊， 等. 塌落振動傳播規(guī)律及減震措施的試驗研究［J］.中國錳業(yè)， 2016， 34（1）： 25-28.

［6］ 萬鵬鵬， 璩世杰， 許文耀， 等. 臺階爆破質(zhì)點振速的高程效應(yīng)研究［J］.爆破， 2015， 32（2）： 29-32.

［7］ 李夕兵， 凌同華， 張義平. 爆破震動信號分析理論與技術(shù)［M］. 北京： 科學(xué)出版社， 2009.

Research on the Effects of Terrain Elevation Difference on Collapse Vibration Reduction

WANG Ya，LIU Lei，LI Xianglong，SONG Xiaoshuang，LI De
（ Faculty of Lang Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming，Yunnan 650093，China）

to study the altitude difference effects of collapse vibration and the effects of different altitudes on collapse vibration reduction， concrete blocks have been applied to be toppled over repeatedly to simulate the collapsing of architectures， and blasting vibration meter were adopted to collect collapse vibration signals. The results: the velocity of seism ic wave peak produced from collapse vibration reduces faster under the condition of terrain height differences. Seism ic wave peak velocity reduced slower under the geological condition of positive altitude difference in relative to negative altitude difference. The results are to provide guides for reducing collapse vibration crisis in feld production.

Collapse vibration；A ltitude difference；Peak velocity；Reduction rule

TD235.1+2

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.03.017

2016-08-06

國家自然科學(xué)基金項目（51564027）

王亞（1993-），男，安徽蕭縣人，碩士研究生，研究方向：巖土工程與安全技術(shù)；工程爆破，手機：18788552927，E-mail：747986299@qq.com；通信作者：劉磊（1981-），男，安徽宿州人，博士，副教授，研究方向：工程爆破、工業(yè)炸藥，E-mail：kgliulei@sohu.com.