高層建筑在爆破地震波作用下振動傳播規(guī)律

雷 振，賀 路，吳桂義，高正華，袁玉寶

(1.貴州理工學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院，貴陽 550003；2.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴陽 550025)

在工程上人們一直關(guān)注著許多問題，而爆破地震波對高層建筑物的影響一直是重大研究對象之一，長時間以來，為了解決這一問題,國內(nèi)外許多專家學(xué)者從問題的一般規(guī)律出發(fā)來研究，展開了大量的研究工作。爆破地震波振速和頻率是首要的研究對象，加強(qiáng)對各種爆破條件下爆破地震波的特性分析和建筑物破壞現(xiàn)象、破壞特征的宏觀調(diào)查以及爆破地震波的特征參數(shù)研究，以調(diào)查資料和現(xiàn)場爆破振動測試數(shù)據(jù)為依據(jù)；通過數(shù)據(jù)的分析處理，研究爆破地震波影響作用下建筑物的振動傳播規(guī)律[1-4]；用量綱分析得出爆破振動峰值速度或加速度關(guān)于爆心距與藥量的經(jīng)驗(yàn)公式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行爆破振動的預(yù)測與評估；著名的薩道夫斯基公式和爆破地震波強(qiáng)度衰減規(guī)律方程[5]都是針對振動進(jìn)行的研究工作。隨著對爆破地震效應(yīng)的控制愈來愈嚴(yán)格,在今后的一段時間內(nèi)，爆破地震波對建筑物的影響研究仍將是工程爆破領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一[6-9]。目前，對這一問題的研究方法和角度也呈現(xiàn)出多樣化的態(tài)勢。人們認(rèn)為高程在建筑物的振動傳播規(guī)律中是一個不可忽視的重要因素，高程影響系數(shù)和與爆破有關(guān)的系數(shù)對爆破振動的影響是不容忽視的，應(yīng)加強(qiáng)對振動演化規(guī)律的研究?？紤]到高邊坡條件，前人提出了高程修正公式[10]，即

(1)

式中：v為質(zhì)點(diǎn)振動速度，cm/s；Q為最大段藥量，kg；H為爆源至測點(diǎn)的垂直距離，m；R為爆源至測點(diǎn)的水平距離，m；K,α為與地形和地質(zhì)條件有關(guān)的參數(shù)；β為高程影響系數(shù)。

上述公式在爆破工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

鑒于此，在貴陽市觀山湖區(qū)百花大道延伸道路邊坡的爆破工程進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，通過高程修正公式，分析在距爆心不同距離、距地面高差不同情況下，在建筑結(jié)構(gòu)中爆破地震波作用所引起的振動傳播規(guī)律，為控制爆破振動以及預(yù)測結(jié)構(gòu)是否破壞提供參考依據(jù)。

1 爆破現(xiàn)場試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)場地概況

試驗(yàn)場地位于貴州省貴陽市觀山湖區(qū)百花大道邊坡的山體和一小區(qū)的五幢高層建筑。爆破開挖采用2號巖石乳化炸藥，由于該邊坡對面是高層建筑小區(qū)，采用了控制爆破減少振動，并對其進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)控。高邊坡主要為中硬巖石，采用深孔控制爆破和逐孔起爆的方法進(jìn)行開挖，爆破參數(shù)如表1所示。

表1 爆破參數(shù)

1.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

共有5個傳感器，需要分批測量，在高邊坡坡底對面小區(qū)的一至五幢分別布置1#～5#水平監(jiān)測點(diǎn)，垂直方向每幢建筑的1、5、9、13、17層分別布置1#～5#監(jiān)測點(diǎn)(見圖1)；測點(diǎn)參數(shù)如表2所示。

圖1 測點(diǎn)布置Fig.1 Layout of measuring points

表2 測點(diǎn)參數(shù)

爆破振動監(jiān)測方案1，測點(diǎn)分別布置在離爆源最近的樓房130、183、236、289、342 m處，沿爆源中心的徑向同一條直線，因振動幅值不大，頻率不是很高，只需將傳感器直接置于地表，周圍用石膏粘附即可，從而保證了傳感器與建筑物一起振動。每次在起爆前打開儀器，以防止儀器的誤觸發(fā)。每幢樓房布置一個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)之間相隔距離53 m，測點(diǎn)在同一樓層，安放在樓道處，因爆破振源位置和距離不同，每次測得振動速度及頻率也不同。

爆破振動監(jiān)測方案2，共有5個測點(diǎn)布置在每幢樓距地面高差2、14、26、38、50 m處，每次測試時，測點(diǎn)在同一幢樓房，沿爆源中心的垂向一條測線，因振動幅值不大，頻率不是很高，只需將傳感器直接放置樓道處，周圍用石膏粘附即可，每次測試嚴(yán)格要求測點(diǎn)的垂直方向保持在一條直線上，因爆破振源位置和距離不同，每次測得振動速度不同。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)選取測點(diǎn)3個方向振動速度進(jìn)行研究，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 測點(diǎn)振動速度數(shù)據(jù)

2.2 爆破振動速度衰減規(guī)律分析

2.2.1 爆破振動速度隨水平距離的規(guī)律

爆破振動速度隨著水平距離的變化趨勢如圖2～圖3所示。

圖2 高差為50 m的振速Fig.2 Vibration velocity with height difference of 50 m

圖3 高差為2 m的振速 Fig.3 Vibration velocity with height difference of 2 m

由圖2可知，測點(diǎn)在高于地面(高差50 m)隨著水平距離的增加，垂向振速逐漸減?。怀?00～350 m處最后一測點(diǎn)三向振速，垂直方向振速恒大于水平切向和徑向振速；垂向速度衰減趨勢比較顯著。

由圖3可知，測點(diǎn)在接近地面(高差2 m)爆破振動速度隨水平距離的增加，垂向和徑向逐漸減減小，切向振速先減小后增加，從數(shù)值上來看，變化不大；垂向振速恒大于切向和徑向振速。垂向速度衰減趨勢比較顯著。

2.2.2 爆破振動速度隨高差變化的規(guī)律

爆破振動速度隨著高差變化的趨勢如圖4～圖5所示。

圖4 水平距離130 m振速隨高差變化Fig.4 Vibration velocity changes with height difference at a horizontal distance of 130 m

圖5 水平距離342 m振速隨高差變化Fig.5 Vibration velocity changes with height difference at a horizontal distance of 342 m

由圖4可知，測點(diǎn)接近爆源(水平距離130 m)垂向振動速度隨著高差的增大而逐漸增大。垂向振速恒大于切向振速和徑向振速；然而切向振速和縱向振速隨著高差的增加基本保持平穩(wěn)不變，改變測點(diǎn)的高度基本不會改變測點(diǎn)的切向和徑向的振動速度。

由圖5可知，測點(diǎn)遠(yuǎn)離爆源(水平距離342 m)垂向振動速度隨著高差的增大而逐漸增大。分析表明：垂向振速隨高差的增加而逐漸增大，切向和垂向振速變化規(guī)律不能準(zhǔn)確判斷。

3 高差修正公式分析

試驗(yàn)選取測點(diǎn)3個方向中的最大振動速度進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 測點(diǎn)最大振動速度

由表4可知，在爆心距130～342 m范圍，當(dāng)測點(diǎn)放置距爆心水平距離130 m時，高差從高到底，測點(diǎn)振速基本都是逐漸減小的，但測點(diǎn)在爆心水平距離為342 m時，衰減規(guī)律已經(jīng)沒那么明顯，甚至是從高到低還出現(xiàn)很多增大的情況，這表明爆破的衰減規(guī)律是在一定范圍內(nèi)的，超出這個范圍，衰減趨勢性減弱。

用式(1)擬合表4 的數(shù)據(jù)得到測點(diǎn)在不同距地高差下，最大振動速度隨著水平距離變化的非線性擬合曲線(見圖6～圖10)。

圖6 高差2 m的變化規(guī)律Fig.6 Variation of height difference of 2 m

圖7 高差14 m的變化規(guī)律Fig.7 Variation of height difference of 14 m

圖8 高差26 m的變化規(guī)律Fig.8 Variation of height difference of 26 m

圖9 高差38 m的變化規(guī)律Fig.9 Variation of height difference of 38 m

圖10 高差50 m的變化規(guī)律Fig.10 Variation of height difference of 50 m

分析表明：不管測點(diǎn)在哪個高差位置，振速都隨著水平距離的增加而減小。擬合得出的匯總數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 擬合匯總Table 5 Fitting summary

由表5分析得到，衰減系數(shù)和高程影響系數(shù)隨高差的變化如圖11～圖12所示。

圖11 衰減系數(shù)隨高差變化Fig.11 Attenuation coefficient changes with height difference

圖12 高程差影響系數(shù)隨高差變化Fig.12 Elevation influence coefficient changes with height difference

由圖11可知，隨著高差的逐漸增加，衰減系數(shù)α整體上逐漸增大，測點(diǎn)隨著高差的增加，同一高差的測點(diǎn)隨著水平距離的增加，衰減效果更加顯著。分析表明：得出衰減系數(shù)α隨著距地高差的減小而逐漸減小。

由圖12可知，測點(diǎn)遠(yuǎn)離地面，等于是爆源和測點(diǎn)相對高差較大時，高程影響系數(shù)β較大，中間位置出現(xiàn)了一個低谷，呈一個先降低后增加的趨勢。分析表明：高程影響系數(shù)β在爆源至測點(diǎn)的垂直距離最大時也最大，隨垂直距離的增加，先降低后增加，出現(xiàn)了一個低谷。

4 結(jié)論

1)垂向振動速度隨著水平距離的增加逐漸減小，整體上垂向振動速度大于徑向和切向振速。

2)在水平地面時，隨著爆心水平距離的增加，振動速度逐漸降低。切向和徑向振速衰減趨勢較小。

3)在測點(diǎn)同一樓層時，水平距離不變，隨著距地高差的增加，振動速度也越來越大。

4)衰減系數(shù)α整體上隨著高差的增大而增大。

5)高程影響系數(shù)β呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。