不同裝藥量單孔爆破振動效應試驗研究

張小康，潘長春

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083;2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

隨著爆破技術的廣泛應用，人們越來越關注爆破振動對周圍環境和建(構)筑物的影響及其振動規律，即爆破振動效應[1-2]。工程實踐證明，爆破振動強度既受爆源如炸藥總量、單響藥量、孔網參數和起爆順序以及不耦合系數等因素的影響，又受傳播途徑如測點距離，地形、地質條件等因素的制約，其中藥量的影響是重中之重。在爆破施工時，由于鉆孔數及鉆孔深度會隨實際情況的變化而變化，結果是導致裝藥量也發生改變，為了減弱因藥量突然增加而產生爆破振動加強，降低爆破振動效應的危害，防止居民對正常施工的干擾，因此，研究裝藥量的變化對附近建(構)筑物造成的影響，就顯得十分必要。針對上述情況，本文利用單孔爆破振動模型試驗，在存有預裂縫的條件下，研究了不同裝藥量下的爆破振動波的頻率及能量的分布規律，從而為有效降低爆破振動效應提供參考依據。

1 振動測試系統

1.1 測試原理

爆破振動波傳至傳感器器時，使傳感器產生感生電壓輸出，感生電壓信號超過預設的觸發電平值時，爆破振動記錄儀開始自動地記錄傳感器輸入的振動信號，并將振動波儲存在儀器內，關閉電源后也不會丟失。監測結束后，通過計算機中專用軟件與爆破振動記錄儀連接、通訊，可以讀取并分析爆破振動波。測試系統基本工作原理如圖 1所示。

圖1 測試系統工作原理圖

1.2 測試儀器

測試儀器采用美國生產的Minimate Plus振動監測儀，該系統包括四個組成部分：MINI主機，標準三向振動傳感器，線性麥克風，電源適配器。具有1個聲通道和3個爆破振動信號通道。爆破結束后數秒就可讀出爆破沖擊波噪聲、3個向量的速度分量以及各自的主頻率。存儲空間1024k，最多可存儲341個記錄，最大采樣頻率2048Hz，最大量程254mm/s，觸發值范圍為0.254～57.9mm/s。

2 模型試驗設計

2.1 水泥砂漿模型

試驗制作的水泥砂漿模型尺寸為 960mm×900mm×300mm，試件是由425型號普通硅酸鹽水泥、篩選后的中砂，加水攪拌澆注而成，配比為水泥∶砂∶水=1∶2∶0.45，澆筑時在距試件一側100mm處中心對稱位置預留直徑8.0mm炮孔，孔深為150mm。預裂縫在澆筑過程中預埋，埋置深度200mm，長度700mm，寬度3.0mm，平面布置如圖2所示。試件的抗壓強度為42.24MPa，泊松比為0.22，彈性模量為18.8GPa，縱波聲速為3123m/s，試件養護28d后進行爆破試驗。

2.2 測點布置

根據研究工作需要，試驗采用直線布點，在距試件預裂縫中心線200mm、650mm處布置兩個測點，測點布置如圖2所示，圖中1#和2#分別代表第一測點和第二測點。每次布置傳感器時，分別測試水平X方向、Y方向以及垂直Z方向的速度振動量。為了使傳感器與試件緊緊連成一體，采用粘結性較好的石灰膏，加水攪拌均勻后將其平鋪在測點位置，再把傳感器緊壓其上，等黏結牢固之后，可進行爆破試驗。

圖2 測點布置示意圖

2.3 裝藥量的確定

根據模型試驗設計方案，在預裂縫縫深200mm，縫長700mm，縫寬3.0mm的條件下，分別以單孔總裝藥量為0.7g、1.0g、1.2g、1.5g和2.0g的級別進行爆破振動試驗。經過試爆確定主裝藥量為黑索金，起爆藥為150mg的疊氮化鉛，用細沙和502膠水堵塞，電火花從藥柱上端進行起爆。

3 試驗結果及數據分析

3.1 試驗結果

3.1.1 爆破效果

不同裝藥量下的試件爆破效果如圖3所示。

圖3 不同裝藥量的爆破效果

圖3(a)、(b)中反映出，在裝藥量較小的情況下，爆破時只能產生內部損傷或表面微裂紋等現象，對試件的破壞作用比較弱，爆破效果不夠理想。從圖3(c)、(d)可以看出，在加大裝藥量的情況下，對試件的破壞作用比較強，爆破效果得到明顯改善。當裝藥量為2.0g時，試件的破壞最為嚴重，且形成類似于爆破漏斗的形狀，主要是由于靠近炮孔一側自由空間好，最小抵抗線方向的夾制作用小；從圖3(b)、(c)、(d)可以看出，由于有預裂縫的存在，阻止了裂紋的繼續擴展，即使加大裝藥量，也很難破壞預裂縫的另一側，起到了保護作用，原因是預裂縫對爆炸應力波起到了一定的阻隔或減弱作用，消耗了大部分能量。從總體來看，爆破效果除受到炸藥因素影響外，同樣條件制作的試件在力學參數、濕度、微細觀結構等也會有所不同，爆破時的堵塞質量也會有影響。

3.1.2 測試結果

不同裝藥量單孔爆破振動模型試驗，裝藥量分別為0.7g、1.0g、1.2g、1.5g和2.0g，運用分析軟件現給出典型爆破振動波形圖及功率譜圖如圖4～7所示，由于篇幅的原因，裝藥量為1.2g試件爆破振動波形圖略去。圖8～9分別為爆破試驗中裝藥量與振動峰值速度、主頻率之間的關系。

圖4 0.7g炸藥的爆破振動波形圖及功率譜圖

圖5 1.0g炸藥的爆破振動波形圖及功率譜圖

圖6 1.5g炸藥的爆破振動波形圖及功率譜圖

圖7 2.0g炸藥的爆破振動波形圖及功率譜圖

圖8 裝藥量與振動峰值速度的關系

圖9 裝藥量與主頻率的關系

3.2 試驗數據分析

對爆破產生的振動波進行頻譜分析，能夠為爆破工程減振設計、裝藥量的確定、爆破方法的選擇和爆破振動安全距離的計算提供科學的依據[3]。爆破振動波含有各種頻率成分，而且各種波的含量的差別很大，通過頻譜分析可以展示各頻率振動波的能量，確定能量相對集中的頻帶和主頻率[4]。本文主要利用頻譜分析對爆破振動波進行了研究。

從圖4～7中的波形圖可以看出，此次起爆的最小裝藥量為0.7g，對應的振動峰值速度為1.14mm/s；最大裝藥量為2.0g，對應的振動峰值速度為27.9mm/s。當裝藥量較小時峰值速度很小，增加裝藥量其峰值速度緩緩在變大，當裝藥量達到一定值時，振動峰值速度急劇增大。由圖8可知振動峰值速度與裝藥量呈現同向變化趨勢，即隨著裝藥量的增加而變大，但非正比關系。同時在相同裝藥量情況下，較近測點1#要比遠測點2#的的振動峰值速度偏大，表明振動峰值速度還與測點距離有關。

從圖4～7中的功率譜圖可以看出，本次起爆的最小裝藥量為0.7g，對應最大主頻率為88.8Hz；最大裝藥量為2.0g，對應最大主頻率為56.0Hz。在其他參數基本相同的前提下，隨著裝藥量的增加主頻率有往低頻發展的趨勢。其原因是裝藥量大時，炸藥爆炸反應的歷史較長，爆轟氣體膨脹做功能量較大，藥室內正、負壓作用時間均延長，使爆源激發的振動波頻率較低。顯然，由于工程結構體的自振頻率往往較低，這不利于受控對象的安全。因此，在工程實踐中增加雷管段別，可以減少低頻波的出現，對地面建(構)筑物破壞作用將有所減弱；由圖9可知，主頻率與裝藥量呈現異向變化趨勢，即隨著裝藥量的增加而減小，也是非正比關系，且這種變化趨勢非常緩慢。

總體還呈現出不同裝藥量單孔爆破振動信號的功率譜曲線的形態較簡單，峰值數量較少，表明單孔爆破產生的振動頻率成分相對簡單。

4 結論

1)質點振動峰值速度與爆破藥量和測點距離密切相關。裝藥量不同時，振動峰值速度隨著裝藥量的增加而增大，但不是線性關系，同時近距離測點與遠距離測點的峰值速度相比要大。

2)不同的裝藥量對爆破振動主頻率有所影響。在其他參數基本相同的條件下，隨著裝藥量的增加主頻率在降低，照這樣趨勢發展下去，將對建(構)筑物的安全構成直接威脅。

3)單孔爆破振動信號的功率譜曲線的形態單一，出現的峰值數量比較少，說明爆破產生的振動頻率組成不復雜，這為研究多孔微差爆破振動效應奠定了基礎。

[1] 張雪亮，黃樹棠.爆破地震效應[M].北京：地震出版社，1981.

[2] 李翼祺，馬素貞.爆炸力學[M].北京：科學出版社，1992.

[3] 宋熙太.爆炸震動中的頻譜實例及初步規律[C].防護工程學術交流會文選，1995，(7)：27-28

[4] 劉國振，楊軍，陳鵬萬，等.某工會大樓爆破拆除地震效應監測分析[J].安全與環境學報，2004，4(增刊)：153-155