預裂縫對爆破振動頻率影響的試驗研究

潘長春

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南 232001)

預裂縫對爆破振動頻率影響的試驗研究

潘長春

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽淮南 232001)

在工程爆破施工中因環境復雜多變，對優化爆破參數和施工工藝減弱爆破振動效應的要求就越高。根據應力波穿過預裂縫時彼此相互作用規律，通過爆破振動模型試驗結果，考慮炮孔到預裂縫兩者之間距離的影響，運用功率譜法分析爆炸應力波在巖體中傳播遇到預裂縫時頻率的變化，分析預裂縫的減振機理，以期為預裂爆破施工提供參考。

預裂縫;減振效果;頻率;爆破試驗

0 引言

炸藥在巖土介質中爆炸產生應力波，研究應力波在裂隙處的傳播規律及與巖石界面間的相互作用時，常假設兩彈性半空間界面上是具有完全粘結的界面及完全固結的界面。但實際上是非完全固結界面及兩界面可相互滑移:比如界面間的粘結力不存在，僅是彈性接觸或界面之間充有流體［1］。許多學者曾研究過應力波與可滑移介質界面的相互作用。Murty G S［2］模擬了應力波與松散粘結界面間的相互作用，他認為界面允許有位移的間斷，但面力是連續的;Newmark N M［3］修正了完全粘結界面條件，允許滑動在界面間發生;對于界面之間充有粘性物質的情況，Mayer.L.R［4］研究認為在兩彈性固體的界面上存在速度不連續、位移間斷等現象。應力波與可滑移界面的相互作用計算模型，按對界面強度描述的方法、模型的不同，可分為兩大類:一是用庫侖摩擦定律描述界面強度;二是用節理剛度描述界面強度。而預裂縫的縫顯然屬于非完全固結界面，上述研究對爆炸應力波透過非完全固結界面下振動頻率變化規律的涉及不多。因此，本文探討了預裂縫在爆炸作用下對應力波頻率變化的影響。

1 爆破試驗

1.1 試驗模型參數設計

試驗模型尺寸為960 mm×900 mm×300 mm，模型是由普通硅酸鹽水泥PO42.5，細度模數為2.7的中砂，加水機械攪拌，分層澆注而成，三者配合比為水∶水泥∶砂=0.5∶1∶2;在澆筑過程中用鋼條在模型試件一側預留炮孔，炮孔直徑8.0 mm，炮孔深度150 mm;預裂縫同樣采用鋼板預埋方案，每個試件中放置1個，縫隙尺寸為深度200 mm、長度700 mm、寬度3.0 mm。

測點在模型對稱中央位置進行布控，距預裂縫200 mm、650 mm兩處布置測點，如圖1所示，1#和2#分別代表第一、第二測點;為了保證測試效果，在布置傳感器位置均勻涂抹黏土石灰膏，把傳感器緊壓在模型試件上使其成為一個整體，牢固之后進行爆破試驗。試驗對測點3個方向垂向、徑向和切向的振動波形進行數據采集，波形完整清晰。

預裂縫試驗裝藥炮孔為單孔，共做了兩種情況爆破試驗，分別為有縫和無縫，在試驗初期經試爆確定黑索金為主裝藥量，采用150 mg的疊氮化鉛作為起爆藥，藥柱使用雷管，電火花從藥柱上端起爆，炮孔先用細沙堵塞，然后在炮孔周圍用薄薄的一層水泥凈漿液抹平。

圖1 測點布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test point arrangement

1.2 試驗設備

試驗設備采用美國生產的Minimate Plus爆破振動儀，具有1個聲通道和3個爆破振動信號通道。爆破結束后數秒就測出3個向量的速度矢量;該設備存儲空間1 024 k，最多可存儲341個記錄，且每個記錄均包含了垂向、徑向、切向三個方向的振動速度和聲波記錄;三分量檢波器具有靈敏度高、低失真、一致性好、最佳的阻尼系數、結構牢固與密封防水性能好等優點;每通道采樣率從1 024到16 000樣本/s，單一通道可高達65 000樣本/s，最大采樣頻率2 048 Hz，觸發值范圍為0.254～57.9 mm/s，該儀器能探測到的最低速度值為0.03 mm/s。如圖2所示。

圖2 Minimate Plus振動監測儀Fig.2 Vibration monitor about Minimate Plus

2 預裂縫對振動頻率的影響

2.1 試驗結果及分析

由于預裂縫對振動波垂直分量的影響程度較大，在進行波形圖的頻譜特征分析時，只對試驗中的垂向振動分量進行分析，研究預裂縫對應力波的影響，典型爆破效果如圖3所示。其中功率譜分析提取了信號的頻域特征，根據不同頻率上的能量情況來判斷振動信號的主要能量對應的頻率，以便科學地進行減振設計、確定段裝藥量、選擇合適的爆破參數和計算爆破振動的安全距離［5－6］。

圖4 無縫的波形圖及功率譜圖(1#)Fig.4 Seamless oscillogram and power spectrum(1#)

圖3 爆破效果Fig.3 Blasting effect

從圖4－圖7可以看出，預裂縫對爆破振動信號頻帶能量分布的影響特點，爆炸振動波的頻率范圍較寬，對本次預裂縫減振試驗數據分析時，得到了預裂縫作用下振動波頻譜的一種特殊變化規律，爆破振動波有2個主頻2.0 Hz、55.0Hz如圖7所示;在同爆破試驗中，即單獨無縫與有縫情況下，將無縫第一點頻率88.8 Hz與第二點頻率 86.0Hz進行比較，有縫第一點頻率60.5 Hz與第二點頻率2.0Hz或55.0Hz進行比較，發現爆破振動波主頻率表現為隨著距離的增加均出現降低的現象，主頻域往低頻方向移動，符合爆破振動波的正常傳播規律;預裂縫作用下的爆破振動波的主頻要比無減振措施下的爆破振動波主頻低，有縫頻譜范圍要比無縫頻譜范圍偏窄些。

2.2 預裂縫減振機理

預裂縫減振是爆炸產生的應力波在巖體中傳播時對斷裂縫隙阻礙的響應，即應力波與巖體結構面間的互相作用。應力波穿過預裂縫繼續向遠處傳播時，可視為應力波通過預裂縫底部和兩側分別同時進行傳播。當應力波穿過預裂縫時，預裂縫起到阻礙部分應力波繼續傳播，對應力波起反射、折射作用［7］，并吸收部分能量，從而使應力波的能量大大削弱，達到降低爆破振動的效果。雖然應力波遇到減振帶時產生繞射進入安全區域，由于預裂減振作用的存在，應力波繞射安全區域后的能量很小，應力波能量在傳播過程中因波形受阻其破壞作用大幅度降低。

圖5 無縫的波形圖及功率譜圖(2#)Fig.5 Seamless oscillogram and power spectrum(2#)

圖6 有縫的波形圖及功率譜圖(1#)Fig.6 Seamed oscillogram and power spectrum(1#)

圖7 有縫的波形圖及功率譜圖(2#)Fig.7 Seamed oscillogram and power spectrum(2#)

預裂縫的減振作用大致有兩個過程［8］:其一是預裂縫具有一定寬度時的減振;另一是預裂縫的縫面間開始閉合后的減振。兩者均闡釋出預裂縫對入射爆炸應力波具有的高頻濾波的作用。應力波的頻率越高，最大振幅值就越小，預裂縫減弱應力波作用就越強。當預裂縫初始閉合后，縫面上的巖體剛度、波阻抗以及應力波頻譜的組成最終影響預裂縫的減振效果。實際上預裂縫起到了天然的低通濾波器的作用，是一組集總的濾波網絡［9］。實際工程中，由于裂縫面上的巖體剛度、波阻抗以及應力波頻譜的組成，均已由具體的巖體本構特征、炮孔間排距參數、炮孔裝藥結構等所確定，故為了確保預裂縫隙的減振效果比較好，必須阻止在應力波作用下縫隙寬度尺寸變小，因此工程爆破設計施工時的預裂縫必須具有足夠的縫面寬度才能起到良好的減振效果。

3 結語

本文介紹了爆破應力波在巖體界面處的基本傳播特性，對預裂縫的減振機理進行了簡單探討，并進行了預裂縫模型試驗;運用功率譜分析方法，研究了在預裂縫情況下對爆炸應力波的頻率影響。由于預裂縫的研究目前只是初探，相關結果是由模型試驗得出的;鑒于預裂爆破在工程現場中的廣泛運用，對解決工程爆破振動問題起到較大作用，以期對爆破施工提供參考。

［1］ 盧文波.應力波與可滑移巖石界面間的相互作用研究［J］.巖土力學，1996，17(3):70 －75.

［2］ Murty G S.A Theoretical Model for the Attenuation and Dispertion of Stonely Waves at the Loosely Bonded Interface Elastic Half Space［J］.Phys Earth Planet Int，1975，11(2):65 － 79.

［3］ Newmark N M，etc Tests and analysis of Composite Beams with Incomplete Interaction［J］.Proc.Soc.Expl stress Anal，1950，9(1):75 －92.

［4］ Mayer L R，Pyrak-Nolte L J，Cook N G W.Eeffcts of single Farcture on seismieWavePropagation［J］.Rock Joints Bakema Rotterdma，1990，5(4):467－473.

［5］ 宋熙太.爆炸震動中的頻譜實例及初步規律［C］//錢土虎.防護工程學術交流會文選.北京:中國土木工程學會防護工程分會，1995:27.

［6］ 何秋會，李國平.基于頻譜分析的天文望遠鏡跟蹤實驗系統故障診斷［J］.振動與沖擊，2005，24(1):41 －42.

［7］ 陸文學，郭文彬.爆破地震效應中的溝槽減震作用研究［J］.礦業安全與環保，2001，28(1):11 －12.

［8］ 盧文波，賴世驤，董振華.巖石鉆爆開挖中預裂縫的隔震效果分析［J］.爆炸與沖擊，1997，17(3):194 －196.

［9］ 張雪亮，黃樹棠.爆破地震效應［M］.北京:地震出版社，1981:85－93.

(責任編輯:于繼紅)

Experimental Study on Influence of Pre-splitting Slot on the Blasting Vibration Frequency

PAN Changchun
(School of Civil Engineering and Architecture，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui232001)

In the blasting construction for the complex and changing environment，the optimization of blasting parameters and construction technology and blasting vibration effect weaken is the higher requirements.When the stress waves are through the cracks interacted law with each other，by the results of blasting vibration model test and the distance between the hole and the pre-splitting slot considered，using power spectrum analysis when the stress wave propagation in rock mass encounters the pre-crack for frequency variations and analyzes the pre-crack damping mechanism，in order to provide the reference as the presplitting blasting.

pre-splitting slot;damping effect;frequency;blasting experiment

TD235.371

A

1671－1211(2014)02－0160－04

2013－11－15;改回日期:2014－02－13

安徽理工大學青年教師科學研究基金重點項目 (No 2012QNZ17)。

潘長春 (1983－)，男，助理實驗師，碩士，巖土工程專業，從事巖土工程方面的研究。E－mail:chcpan@aust.edu.cn