邊坡爆破振動傳播規律的試驗研究

鐘冬望,陳江偉,余 剛

(1.武漢科技大學理學院,湖北武漢,430065;2.武漢科技大學冶金工業過程系統科學湖北省重點實驗室,湖北武漢,430065)

隨著國民經濟建設的發展,爆破技術在采礦、水電、鐵路、高速公路等基礎建設項目中的運用越來越廣泛,大規模的爆破開挖邊坡的情況越來越多,但由爆破引起的邊坡滑坡、坍塌等事故屢見不鮮。爆破對邊坡的作用主要表現在兩個方面[1-3]:一是形成的震動慣性力增加了邊坡的致滑因素;二是爆破后出現不斷的震動使邊坡圍巖中的剪應力增加,使原生結構面、構造結構面、原有的裂紋裂隙擴展和延伸,甚至產生新的爆破裂紋和微裂紋,致使其原有的力學性能下降,從而影響了邊坡的整體穩定性。

邊坡在爆破開挖過程中的穩定問題是一個亟待解決的問題。為了探索爆破震動的傳播規律,尋求爆破荷載作用下邊坡的動態響應及其響應與爆源之間的對應關系,陳士海等[4-7]研究了爆破開挖對邊坡穩定性的影響,并通過現場監測提出了切實可行的減震措施。為此,本文從爆破地震效應分析入手,對實驗室內混凝土邊坡的爆破振動進行試驗研究,探討爆破振動在邊坡中的傳播規律,并分析了邊坡爆破振動對邊坡作用機理和地震強度的影響,以期為了解邊坡爆破振動對邊坡地震強度的變化規律提供試驗依據。

1 試驗

1.1 模型的制作與安裝

圖1 試件模型的側視和俯視圖(單位:mm)Fig.1 Side and top view of the specimen model

圖1為試件模型的側視和俯視圖。模板按圖紙的尺寸進行加工,模擬試件的制作由425#硅酸鹽水泥和篩選后的細砂澆注而成,配比為m(水)∶m(水泥)∶m(砂子)=0.5∶1∶2,養護28 d。圖2為試件的實際模型。成型試件模型的主要參數如下:壓縮強度為42.5 M Pa;體積密度為2 436 kg/m3;泊松比為0.20;拉伸強度為2.53 M Pa;彈性模量為33.4 GPa;縱波速度為4 052 m/s;模型邊坡角為42°。試件規格為1 200 mm×900 mm×900 mm,共分2組:一組在離底線100 mm處設有深為250 mm、寬為10 mm預留的預裂縫,另一組未設。每個模型臺階上預留14個炮孔,炮孔的排距為100 mm,孔距為200 mm,炮孔直徑為10 mm,炮孔深度為200 mm,孔內采用8#紙質普通瞬發電雷管。為保證炮孔堵塞效果,除預留裝藥長度外,其余全部用細沙堵塞。由于試件模型尺寸較小,為了減少和消除試件模型四周自由面對爆破效果的影響,爆破前還在垂直爆破自由面方向的兩側施加鋼板,并用鋼筋和螺栓夾緊,以便模擬邊界效應。

圖2 試件實際模型圖Fig.2 Actual specimen model

1.2 測試系統和測點布置

本試驗所用測試儀器為IDTS3850爆破振動記錄儀。該爆破振動記錄儀可同時記錄3個方向的振動速度,其分辨率高,最小分辨振動速度可達0.001 6 cm/s,讀數精度達到0.5%,并可自動地實時采集8次爆破振動波形。在坡頂等間距分別布置3個測點,在坡身正中間布置1個測點,在坡底與坡身交界處布置3個測點,共計7個測點。每個測點布置1臺爆破振動記錄儀和1臺水平垂直2個方向速度傳感器。速度傳感器的安裝是在設計點位鉆鑿一直徑為6 mm、深為50 mm的孔,將傳感器的尖錐插入并固定,保持與試件耦合即可。圖3為試件模型的俯視平面圖。

圖3 試件模型的俯視平面圖(單位:mm)Fig.3 Planar graph of the specimen model

2 結果與分析

2.1 試件爆破振動分析

爆破地震波的破壞作用主要決定于質點振動速度,而不是波自身的傳播速度,其傳播和衰減遵循一定的規律。因此,只要估計質點的最大振動速度并采取一定的控制手段,就可減少爆破振動帶來的危害。質點的最大振動速度公式為

式中:V為質點振動速度,cm/s;Q為單段最大藥量,kg;R為爆破中心至被保護對象或測點的距離,m;a為爆破地震波傳遞的衰減指數;K為爆破現場地質條件的系數。

對預裂縫減振的效果可直接采用計算法、推算法、頻響分析法和動力學計算法等[8]。采用推算法,即首先在與現場實際相似的臺階模型上測得大量爆破振動數據,再根據測點與不同爆源的距離采用

式中:ri為測點至第i爆源的距離,m;qi為測點至第i爆源的藥量,kg。式(2)～式(4)求等效距離R—、等效藥量Q—和相應的比例距離r—;最后再對振動速度和比例距離取對數,通過回歸分析后,得出預裂縫振動衰減公式。

2.2 試件爆破振動傳播規律的分析

在無減震溝的情況下,先對每個孔使用單發8#瞬發電雷管,然后逐個孔進行爆破,并對不同炮孔爆破時同一測點的振動速度進行分析。表1為起爆孔點爆破時測點1監測的振動速度。由表1可看出,在同一個測點上,距離爆源越遠振動速度越慢,地震波隨著距離的延長呈衰減的趨勢,但垂直方向振動速度的衰減速度明顯大于水平方向振動速度的衰減速度。

表1 起爆孔點爆破時測點1檢測的振動速度Table 1 Vibration velocity of first monitoring point after blasting

再對某一炮孔爆破后不同測點的振動速度進行分析。表2為孔點10起爆后6個監測點的振動速度。圖4為表2所列數據制作的振動速度衰減圖。由圖4可看出,當炮孔起爆后,距離爆源越遠,振動速度越慢,地震波隨著距離的延長呈衰減的趨勢,但垂直方向振動速度的衰減速度明顯大于水平方向振動速度的衰減速度,這與振動傳播理論相吻合。

表2 孔點10爆破時各測點監測的振動速度Table 2 Vibration velocity of each monitoring point after blasting

圖4 振動速度隨距離的變化Fig.4 Variation of vibration velocity with the distance

由于工程實踐中通常用垂直方向的最大振動速度作為判據,因此根據所測得的數據用Sadovsk公式進行回歸分析,即可得振動速度衰減公式。對坡頂測點垂直方向的振動速度回歸后,得:K1=153.62,a1=1.77;對坡底測點垂直方向的振動速度回歸后,得:K2=104.87,a2=2.28。由此可得試件模型的振動速度衰減公式,即:

式中:V坡頂為坡頂測點質點振動速度,cm/s;V坡底為坡底測點質點振動速度,cm/s;Q為單段最大藥量,kg;R為爆源至測點的水平距離,m。

比較式(5)、式(6)后發現,在同樣條件下坡頂振動速度大于坡底振動速度,具有明顯的高程放大效應;其次在同樣條件下坡頂振動速度的衰減速度明顯小于坡底振動速度的衰減速度,表明在臨近邊坡爆破時,邊坡具有放大振動速度的作用,且振動速度的衰減速度變慢。

2.3 試件預裂縫減振效果分析

在試件模型中,坡底距離坡面100 mm的斷面處有一個深為250 mm的減震溝,其平面圖如圖3(b)所示。為了便于分析,分別在預裂縫兩側設2組對稱測點(測點3與測點4,測點5與測點6),其中處于預裂縫爆破區一邊的有測點3和測點6,處于預裂縫保護區一邊的有測點4和測點5,距離預裂縫均為50 mm。表3為孔點14用單個8#瞬發電雷管起爆后7個測點的振動峰值。據此分別將預裂縫兩側對稱測點(測點3與測點4,測點5與測點6)的垂直方向振動速度和水平方向振動速度制作對比直方圖,如圖5所示。由圖5(a)可看出,將爆破區測點3與保護區測點4的振動峰值作比較,其水平方向振動峰值降低了67.9%,垂直方向振動峰值降低了72.7%。同樣地,由圖5(b)可看出,將爆破區測點6與保護區測點5的振動峰值作比較,其水平方向振動峰值降低了64.7%,垂直方向振動峰值降低了86.2%,表明試件模型中的減震溝可將水平方向振動峰值降至64.7%～67.9%,垂直方向振動峰值降至72.7%～86.2%。分析結果表明,人工預留的預裂縫作為減震溝有明顯的減震效果。

圖5 預裂縫的減震效果示意圖Fig.5 Schematic diagram of dam ping effect on the pre-split crack

表3 孔點14爆破時各測點監測的振動速度Table 3 Vibration velocity of each monitoring point after blasting

3 結論

(1)試驗條件下,混凝土試件模型的振動速度衰減公式分別為V坡頂=153.62(Q1/3/R)1.77;V坡底=104.87(Q1/3/R)2.28。

(2)距離爆源越遠,振動速度越慢,地震波隨著距離的延長呈衰減的趨勢,且垂直方向振動速度的衰減速度明顯大于水平方向振動速度的衰減速度。

(3)在同樣條件下,坡頂振動速度大于坡底振動速度,具有明顯的高程放大效應,且坡頂振動速度的衰減速度明顯小于坡底振動速度的衰減速度,表明臨近邊坡爆破時,邊坡具有振動速度放大作用,且振動速度的衰減速度變慢。

(4)試件模型中的減震溝可將水平方向振動峰值降至64.7%～67.9%,垂直方向降至72.7%～86.2%,表明預裂縫具有明顯的減震效果,可運用于實際的邊坡爆破工程。

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