關(guān)于爆破地震效應(yīng)影響因素的研究

李玉江 燕永峰 張秋華

1 概述

與天然地震相比,爆破地震的震源及爆破施工過程是人為進(jìn)行的,在藥量和爆源位置已知的情況下,人們可以根據(jù)周圍的環(huán)境條件,通過嚴(yán)格的設(shè)計(jì),改變起爆方式和采取一定的技術(shù)措施對(duì)爆破震動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制,達(dá)到避免或減少爆破震動(dòng)危害的目的。為了更好的了解爆破的作用機(jī)理及更直接有效的實(shí)施爆破控制,提出了影響爆破震動(dòng)效應(yīng)的影響因素。

2 影響爆破地震效應(yīng)的因素

2.1 三大要素對(duì)地震效應(yīng)的影響

2.1.1 震動(dòng)速度

大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,爆破震動(dòng)強(qiáng)度與質(zhì)點(diǎn)震速大小的相關(guān)性較好,且震速與巖土性質(zhì)有較穩(wěn)定的關(guān)系,而質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移及加速度都不具有這種關(guān)系[1]。然而速度矢量在空間坐標(biāo)中有三個(gè)方向(垂直方向、水平徑向和水平切向),采用哪一個(gè)方向上的震速在爆破研究中一直是一個(gè)熱點(diǎn)話題。目前國際上采用最普遍的是用質(zhì)點(diǎn)的垂直振動(dòng)速度作為衡量爆破震動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn),但是這并不能全面的反映爆破結(jié)構(gòu)破壞的實(shí)質(zhì)。

2.1.2 震動(dòng)主頻

結(jié)構(gòu)體對(duì)于介質(zhì)中傳來的地震波具有選擇放大作用,這種作用主要表現(xiàn)在爆破地震中與結(jié)構(gòu)體固有周期相近的諧波分量放大最多,使該波引起的震動(dòng)最為激烈。即爆破震動(dòng)的卓越周期與該結(jié)構(gòu)體的固有周期一致時(shí),將產(chǎn)生共振,使結(jié)構(gòu)體的振幅大大增加。

2.1.3 震動(dòng)持續(xù)時(shí)間

研究表明[2],當(dāng)振動(dòng)頻率和幅值相同時(shí),不同的爆破震動(dòng)持續(xù)時(shí)間引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)最大值是相同的,但對(duì)考慮累積損傷的結(jié)構(gòu)來說,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的塑性應(yīng)變隨震動(dòng)持續(xù)時(shí)間的增加而增大。

以上分別講述了爆破震動(dòng)三要素對(duì)地震效應(yīng)的影響,但三者并不是相互獨(dú)立的,而是同時(shí)作用于爆破對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的全過程;另外,結(jié)構(gòu)體受震破壞不僅僅取決于震動(dòng)的幅值,而且還與震動(dòng)頻率和震動(dòng)持續(xù)時(shí)間密切相關(guān),有時(shí)后面的兩個(gè)因素起到?jīng)Q定性的作用。因此,僅僅采用建筑物的震動(dòng)峰值作為爆破震動(dòng)破壞的標(biāo)準(zhǔn)是不能全面反映爆破震動(dòng)破壞實(shí)質(zhì)的。

2.2 影響因素

1)裝藥量。目前,我國的《爆破安全規(guī)程》中對(duì)震動(dòng)峰值預(yù)測(cè)所采用的是前蘇聯(lián)的薩道夫斯基公式:

2.講求時(shí)代性。時(shí)代性煥發(fā)黨內(nèi)政治生活的生機(jī)。黨內(nèi)政治生活要具有時(shí)代性，就必須走在時(shí)代前列。緊跟時(shí)代步伐，聆聽時(shí)代聲音，回答時(shí)代課題，善于將新的經(jīng)驗(yàn)上升為理論以指導(dǎo)新的實(shí)踐，立足新的實(shí)際改革創(chuàng)新內(nèi)容和形式，增強(qiáng)黨內(nèi)政治生活的吸引力、感染力和針對(duì)性、實(shí)效性，就必須解決實(shí)際問題。要敢于觸及矛盾，緊扣黨內(nèi)政治生活中的薄弱環(huán)節(jié)，提出具體改進(jìn)措施，形成新的制度安排，體現(xiàn)出預(yù)見性和創(chuàng)造性，在發(fā)現(xiàn)和解決實(shí)際問題中使黨內(nèi)政治生活充滿活力。

其中,V為爆破震動(dòng)速度,m/s;Q為裝藥量,對(duì)于分段爆破取最大段藥量,齊發(fā)爆破取總藥量,kg;R為爆心距,m;K,a分別為與爆破條件、巖石特性等有關(guān)的系數(shù)。

另外,歐美公式:V=K(Q1/2/R)a;蘭氏公式:V=K(Q1/2/R3/4)a;印度公式:V=K(Q/R2/3)a;日本公式:V=K(Q3/4/R2)a(式中的各參數(shù)含義同上)。從各國采用的經(jīng)驗(yàn)公式可以看出,爆破震動(dòng)強(qiáng)度正比于爆破的最大的裝藥量。

2)爆心距。研究表明:隨著爆心距的增加,信號(hào)的總能量不斷衰減,高頻部分比低頻部分衰減的要快,爆破震動(dòng)主頻有往低頻發(fā)展的趨勢(shì)。爆破地震波在傳播的過程中雖然其震動(dòng)強(qiáng)度不斷衰減,但其破壞效應(yīng)可能更大;隨著爆心距的增加,爆破震動(dòng)信號(hào)的能量重心在往低頻發(fā)展的同時(shí),信號(hào)的能量分布更加發(fā)散,主震頻帶的寬度增加。

3)傳播介質(zhì)。研究表明[3],在爆破荷載作用下,近距范圍內(nèi)爆破震動(dòng)速度迅速衰減,中遠(yuǎn)距范圍內(nèi)爆破震動(dòng)速度衰減趨緩;傳播介質(zhì)為Ⅰ級(jí)～Ⅲ級(jí)巖體時(shí),隨著巖體質(zhì)量降低,K值有增大趨勢(shì),對(duì)于Ⅳ級(jí)～Ⅴ級(jí)巖體,K值變化沒有明確的規(guī)律;a值總體上具有隨巖體質(zhì)量降低而增大的趨勢(shì),從式子中可以看出 K,a值具有與爆破震動(dòng)速度近似相同的增減關(guān)系。

4)炸藥爆轟速度[4]。根據(jù)爆轟與巖石碰撞的彈性波理論,炸藥爆炸后作用于炮孔壁的最大徑向壓力為:

其中,ρ,ρ0分別為巖石、炸藥密度;C,D分別為巖石縱波速度與炸藥爆速。

爆炸應(yīng)力波壓力隨傳播距離衰減規(guī)律為:

因此,對(duì)某種巖石,ρ,C屬定值,震速隨壓力的增大而增大,隨其壓力的減小而減小。即震速與爆轟速度亦成正比。

5)臨空面條件。根據(jù)利氏理論[4],炸藥爆炸的能量分配與藥包埋置深度即臨空面條件有直接關(guān)系。藥包埋置深,臨空面條件不好,炸藥爆炸的能量在巖石彈性變形方面消耗的比例增大,即引起的爆破震動(dòng)強(qiáng)度大,反之則減小,在爆破設(shè)計(jì)與施工中,如何充分利用和創(chuàng)造良好的臨空條件,從減震方面看是很有意義的事。

6)節(jié)理、裂隙與預(yù)裂縫。巖體中含有節(jié)理裂隙時(shí),應(yīng)力波傳到界面后會(huì)產(chǎn)生反射和折射,若預(yù)裂縫中全由空氣充填而無其他物質(zhì),則預(yù)裂縫起到了隔振作用。

7)段數(shù)。微差爆破震動(dòng)信號(hào)的優(yōu)勢(shì)能量主要分布在主震頻帶,工程結(jié)構(gòu)是一個(gè)包含眾多子結(jié)構(gòu)的系統(tǒng),各子結(jié)構(gòu)的固有特性各不相同,因而其對(duì)爆破震動(dòng)的響應(yīng)具有多模態(tài),多振型的特點(diǎn);隨著雷管段數(shù)的增加,爆破震動(dòng)信號(hào)的極高頻和極低頻所占比例都有所減少,中低頻成分所占的比例增加,信號(hào)的能量有往主震頻帶集中的趨勢(shì),從而起到干擾降震的效果。

8)微差間隔時(shí)間。通過實(shí)測(cè)波形分析表明[1]:在毫秒延遲微差爆破中,隨著爆破規(guī)模的增大,延遲間隔也需要增長;毫秒延遲爆破引起的震動(dòng)比齊發(fā)爆破具有幅值小、頻率高、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)。如果兩個(gè)波形相互疊加,其相位時(shí)差為0.5T或(n+0.5)T(n=1,2,3,…,n)時(shí),疊加后的幅值最小,當(dāng)相位差為 T時(shí),則疊加后的幅值最大,理論和實(shí)測(cè)基本一致。

9)孔網(wǎng)參數(shù)。利用大孔距、小排距、縮小抵抗線,適當(dāng)控制孔深,超深值不宜過大時(shí),爆破震動(dòng)強(qiáng)度減弱。最小抵抗線小,爆破震動(dòng)頻率高,土層地震波衰減快,房屋響應(yīng)震動(dòng)小,底部地震剪力和豎向慣性力均小[5]。

10)預(yù)裂爆破和預(yù)裂效果。

11)起爆順序。根據(jù)工程實(shí)際,齊發(fā)爆破的震動(dòng)頻率較小,而微差爆破的振動(dòng)頻率較高[6]。在設(shè)計(jì)起爆順序時(shí),盡量使用V形掏槽或“對(duì)角交叉”起爆,可使震波在爆區(qū)內(nèi)疊加。從爆破安全的整體狀況來衡量,改變爆破方向?qū)⒈莆镏糜趥?cè)向位置,更有利于爆破安全。

12)起爆網(wǎng)路。在爆破工程中起爆網(wǎng)路至關(guān)重要,起爆網(wǎng)路不合格將導(dǎo)致整個(gè)爆破工程失敗。就起爆時(shí)間而言,間隔時(shí)間過小,達(dá)不到減震和創(chuàng)造自由面的目的;間隔時(shí)間過大則會(huì)造成因前排炮孔飛石砸壞后排起爆線路并破壞后排孔,或產(chǎn)生飛石等。

13)建筑物的結(jié)構(gòu)。不同建筑物的結(jié)構(gòu)對(duì)爆破震動(dòng)強(qiáng)度的承受能力不一樣,跨度大的建筑物和橫梁容易出現(xiàn)裂縫,比較高的建筑物其頂部受到的震動(dòng)比底部大[5],其關(guān)系是:

其中,V1為某高度的震動(dòng)速度;V為建筑物地基處的震速;KV為高度系數(shù);H為建筑物被測(cè)處的高度;H1為建筑物每層的高度,一般為3 m。

3 結(jié)語

圍繞爆破震動(dòng)三大要素,分析總結(jié)了裝藥量、爆心距、場(chǎng)地條件、炸藥爆轟速度、臨空面條件、節(jié)理、裂隙與預(yù)裂縫、段數(shù)、微差間隔時(shí)間、孔網(wǎng)參數(shù)、預(yù)裂爆破和預(yù)裂效果、起爆順序、起爆網(wǎng)路和建筑物的結(jié)構(gòu)等因素對(duì)爆破地震效應(yīng)的影響。其中,裝藥量、爆心距、段數(shù)和場(chǎng)地條件對(duì)爆破地震的影響尤為突出。以上諸因素對(duì)爆破地震效應(yīng)的作用的提出為爆破震動(dòng)防災(zāi)減災(zāi)工程做出明確的科學(xué)指導(dǎo),便于爆破控制。

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