頻繁礦震下臨近建筑物結(jié)構(gòu)疲勞損傷及安全選址研究*

王凱旋，胡 萍，周建新

(中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012)

0 引言

礦產(chǎn)資源在國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展中具有重要地位，但礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中引起的周邊環(huán)境擾動和建筑結(jié)構(gòu)損傷時有發(fā)生，這不僅對礦山安全生產(chǎn)和礦工生命安全造成直接危害，還常有礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，對周邊建筑物和居民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

近年來礦山爆破振動下建筑物的力學(xué)響應(yīng)問題成為學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，相關(guān)研究成果較多。范勇等[1]運(yùn)用基于確定的高端墻爆破振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)，對側(cè)向爆破荷載作用下地下廠房高端墻安全性進(jìn)行分析；賈磊等[2]建立爆破施工對既有襯砌振動影響的數(shù)值模型，給出數(shù)值計算中爆破荷載的波形、荷載峰值、加載時間的模擬方法，并研究爆破開挖進(jìn)尺、間距及埋深等因素對既有鄰近隧道的影響；包輝[3]基于大量爆破振動實(shí)際監(jiān)測效據(jù)，對爆破振動速度反應(yīng)譜譜面積SR與爆破地震波信號各特征量進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，研究SR對建筑結(jié)構(gòu)振動損傷的影響和關(guān)聯(lián)；李永靖[4]運(yùn)用疲勞累計損傷理論，建立頻繁礦震作用下鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)層次上的損傷模型；吳仕鵬[5]系統(tǒng)歸納爆破振動波的形成、參數(shù)及影響，對振動荷載作用下建筑物發(fā)生共振的現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，形成單、多自由度體系的振動方程；張玉成等[6]針對隧道開挖爆破施工對既有建筑物的影響，將孔狀爆破荷載等效成面荷載進(jìn)行爆炸作用的模擬，使得數(shù)值分析更加簡化；董隴軍等[7]對質(zhì)點(diǎn)振動速度、爆破振動主頻率等8個影響因子進(jìn)行分析研究，建立露天采礦爆破振動對砌體結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)預(yù)測的Fisher判別模型。

鑒于此，研究礦山爆破振動對于周邊環(huán)境及人員保護(hù)具有重要意義。目前學(xué)者們針對礦山開采誘發(fā)的礦震影響研究主要包括以下2種思路：1)對建筑物簡化為僅考慮烈度因素，從而分析單次地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)；2)僅針對單個結(jié)構(gòu)構(gòu)件，依據(jù)實(shí)驗(yàn)中試塊在頻繁振動荷載作用的累積損傷規(guī)律，得到經(jīng)驗(yàn)性的結(jié)構(gòu)累積損傷模型?，F(xiàn)有研究主要包括以下需要改進(jìn)的內(nèi)容：1)需準(zhǔn)確描述振動波如何通過巖土體傳遞至建筑物，并給出爆破振動源與建筑物在不同間距下結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)譜或位移反應(yīng)譜；2)需加強(qiáng)對頻繁礦震下的結(jié)構(gòu)累積損傷破壞規(guī)律的監(jiān)測，輔以理論經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值模擬成果進(jìn)行驗(yàn)證和拓展分析；3)需針對不同的建筑物正常使用要求，給出頻繁礦震相應(yīng)的爆破安全允許距離。

綜上所述，本文根據(jù)某鐵礦實(shí)際作業(yè)區(qū)內(nèi)擬規(guī)劃建筑物的工程案例，對結(jié)構(gòu)累積損傷和擬規(guī)劃建筑選址進(jìn)行研究；現(xiàn)場開展振動監(jiān)測并結(jié)合修正后的撒道夫斯基公式得到振動速度等參數(shù)，依據(jù)不同類型建筑物正常使用相應(yīng)的振動速度，得到單次爆破振動安全允許距離；采用ANSYS有限元建模得到頻繁爆破振動下建筑物的動力力學(xué)響應(yīng)，并分析結(jié)構(gòu)軟化效應(yīng)和應(yīng)力疲勞損傷，從而指導(dǎo)投資及規(guī)劃建設(shè)。

1 爆破振動下建筑物結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理

1.1 爆破振動引發(fā)建筑物共振

爆破振動破壞效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是1個動態(tài)破壞過程，爆破瞬間產(chǎn)生巨大的能量并以能量波的形式沿介質(zhì)向四周擴(kuò)散，引起質(zhì)點(diǎn)振動。樓房可簡化成下端為固定支座、上端為自由支座的構(gòu)件桿。爆破產(chǎn)生的動力荷載-應(yīng)力波傳遞形式有徑向、切向和垂向3種形式，分別引起建筑物“水平搖擺” “左右扭轉(zhuǎn)”和“上下顛簸”，如同在風(fēng)荷載的作用下，建筑物產(chǎn)生“鞭梢效應(yīng)”，此時建筑物頂端振動及變形最大[8]。由于建筑物結(jié)構(gòu)型式和構(gòu)件連接變化多樣，在復(fù)雜應(yīng)力共同作用下，某些門窗洞口、樓梯間等位置可能產(chǎn)生應(yīng)力集中破壞或微損傷，故不能簡化為均質(zhì)的彈性體。

1.2 環(huán)境擾動引起結(jié)構(gòu)二次損傷

在復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下，爆破產(chǎn)生的動力荷載-應(yīng)力波在巖層節(jié)理或斷層帶發(fā)生發(fā)射和折射，對周邊巖層承載結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動，應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)變化，形成斷裂帶，甚至發(fā)生土層的“噴砂” “液化”的現(xiàn)象，或引起采空區(qū)塌陷，進(jìn)而誘發(fā)礦震，對建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生二次傷害。

1.3 爆破振動下結(jié)構(gòu)損傷的影響因素

根據(jù)文獻(xiàn)[9]及試驗(yàn)測試分析，得出爆破振動下建筑物結(jié)構(gòu)損傷的影響因素來源主要為地質(zhì)條件、爆破源及建筑物3個方面，見表1。

表1 影響因素分類及內(nèi)容

2 礦爆臨近建筑物安全允許距離

北京某鐵礦廠建于1971年，采用無底柱分段崩落法，利用鑿巖臺車鉆鑿1～2排76～80 mm的扇形炮孔，裝填黏性粒狀銨油炸藥，最大起爆藥量1 780～1 920 kg/次，單響最大藥量為72 kg。礦爆作業(yè)區(qū)內(nèi)規(guī)劃建設(shè)科研基地項目，總面積約2萬m2。

2.1 震動參數(shù)確定

采用NUBOX-6016型智能振動監(jiān)測儀，使用石膏作為傳感器與地表巖石之間的黏結(jié)劑，確保傳感器與地表巖石粘合固結(jié)良好，如圖1所示。在擬規(guī)劃建設(shè)區(qū)域內(nèi)，測點(diǎn)距離爆破源位置150 m左右。測得爆破振動時間-加速度曲線，如圖2所示。

圖1 爆破振動傳感器安裝

圖2 爆破振動波的時間-加速度曲線

2.2 單次振動時建筑物安全允許距離

《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[10]中對建筑物保護(hù)的爆破振動速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，見表2。

表2 爆破振動速度安全允許標(biāo)準(zhǔn)

鐵礦作業(yè)區(qū)地形復(fù)雜，且受高差、采空區(qū)等多重因素影響，為便于計算分析，假定不考慮地質(zhì)及建筑物因素的作用，僅考慮爆破振動源的影響，則振動速度的撒道夫斯基公式[10]修正為式(1)：

(1)

式中：V為振動速度，mm/s；Q為炸藥量，kg；R為爆心距，m；K，α為與爆破點(diǎn)地形、地質(zhì)等條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，取α=1.3，K=300(軟巖石)；n為與裝藥條件和爆心距有關(guān)的指數(shù)，爆心距較大時取為1/3；δ為高差影響系數(shù)，根據(jù)測試數(shù)據(jù)確定，取1。根據(jù)式(1)，假定藥量Q和爆心位置不變，得出爆破振動安全允許距離r，如式(2)所示：

(2)

取可以確保不同形式和用途的建筑物正常使用的振動速度V進(jìn)行計算，得到相應(yīng)的爆破振動安全允許距離r，如圖3所示。

由式(2)與圖3可知，爆破振動安全允許距離r與振動速度V呈負(fù)相關(guān)，建筑物抵抗振動能力越強(qiáng)，允許振動速度越大，則相應(yīng)爆破振動安全允許距離r越小，故建筑物抵抗振動能力的排序?yàn)椋轰摶旖Y(jié)構(gòu)房屋>砌體結(jié)構(gòu)房屋>新澆混凝土養(yǎng)護(hù)>建筑物內(nèi)有精密科研設(shè)備使用。對于圖3所示的4種建筑物，圖3(a)～(c)均在r之外，可以正常使用，而圖3(d)在r之內(nèi)，礦爆會對精密科研設(shè)備的正常使用造成一定影響?？紤]到頻繁爆破振動對建筑物正常使用的影響，建議擬規(guī)劃建設(shè)的項目應(yīng)重新選址且距離爆破振動源位置200 m以上(一般居住或辦公用途)或1 km以上(精密儀器設(shè)備等用途)。

圖3 對應(yīng)不同建筑形式和用途的爆破振動安全允許距離

3 長期頻繁振動作用下建筑物結(jié)構(gòu)安全壽命預(yù)測

單次爆破振動對建筑物安全使用不會構(gòu)成威脅，僅會對部分精密儀器的使用造成不利影響，但礦震長期作用下的結(jié)構(gòu)累積損傷不可忽視[11]。建筑物結(jié)構(gòu)累計損傷可以通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的退化或應(yīng)變、固有頻率的變化來表征，這里采用結(jié)構(gòu)固有頻率變化來求解建筑物第j個構(gòu)件的損傷值dj，如式(3)所示[12]：

(3)

式中：f0為構(gòu)件初始時的固有頻率，Hz；fj為構(gòu)件損傷后的固有頻率，Hz。

根據(jù)建筑物各個構(gòu)件的頻率變化和線性加權(quán)組合方法得到整體結(jié)構(gòu)的損傷值D，如式(4)所示：

(4)

式中：f0j為第j個構(gòu)件初始時的固有頻率，Hz；fij為第j個構(gòu)件損傷后的固有頻率，Hz。

由此可見，通過現(xiàn)場測試得到結(jié)構(gòu)固有頻率變化，求得整體損傷值D及達(dá)到容許損傷值時的振動次數(shù)N，如式(5)所示[13]：

N=12·f·t·n·y

(5)

式中：N為建筑物受疲勞次數(shù)；f為平均振動頻率，Hz；t為平均波延時間，s；n為平均每月爆破次數(shù)，次/月；y建筑物服役年限，a。

建筑物、橋梁、海上平臺和大多數(shù)金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞失效應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N一般為104～107次，在強(qiáng)震作用下，建筑物在疲勞失效前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N一般會小于104。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測算鐵礦爆破平均振動頻率為9.03 Hz，平均波延時間為1.0 s，平均每月爆破次數(shù)為60次，考慮鐵礦爆破點(diǎn)最不利(最近)位置，取N為105，根據(jù)式(5)求得y約為15 a。

4 建筑物結(jié)構(gòu)累計疲勞損傷數(shù)值分析

設(shè)定某三層框架結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)在該礦區(qū)爆破振動影響區(qū)域內(nèi)，利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行建模分析，模型如圖4所示。建筑物高3.6 m，中跨2.1 m，邊跨7.5 m，柱截面尺寸550 mm×550 mm，承重結(jié)構(gòu)采用C30混凝土，初始彈性模量為3.14×104N/mm2，初始泊松比為0.2。

圖4 建筑物模型

ANSYS建模分析中，關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)置如下：1)結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元solid186；2)材料為均質(zhì)線彈性，彈性模量隨振動次數(shù)增加而逐步衰減；3)鋼筋和混凝土為bond接觸，結(jié)構(gòu)之間為綁定接觸；4)樓體底部固定，約束所有方向的位移和轉(zhuǎn)動；5)振動載荷根據(jù)圖2中時間-加速度曲線施加于樓體。

考慮到在頻繁的爆破振動荷載作用下，建筑物結(jié)構(gòu)彈性模量、泊松比會發(fā)生變化，因此在每次輸入爆破振動波前，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(6)～(9)計算N次爆破振動波作用后[14-17]的彈性模量E、泊松比ν。分別取N=5 000，10 000，15 000，20 000次時，對應(yīng)的彈性模量E、泊松比ν與礦震次數(shù)的關(guān)系如圖5所示。

圖5 礦震次數(shù)與彈性模量、泊松比的關(guān)系

(6)

(7)

lgNf=-0.853 1E02+4.461 7E0-1.266 2

(8)

lgSmax=-0.002 3-0.027 5lgNf

(9)

式中：Smax為應(yīng)力系數(shù)；Nf為疲勞極限次數(shù)；E0為初始彈性模量，GPa；ν0為初始泊松比。

經(jīng)數(shù)值計算分析，爆破振動次數(shù)N分別為5 000，10 000，15 000，20 000時，建筑物各部位結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力結(jié)果如圖6～9所示。礦震次數(shù)與結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系如圖10所示。

圖6 礦震5 000次時結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)云圖

圖7 礦震10 000次時結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)云圖

圖8 礦震15 000次時結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)云圖

圖9 礦震20 000次時結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)云圖

圖10 礦震次數(shù)與結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系

結(jié)合圖5～10可知，結(jié)構(gòu)的彈性模量隨著礦震次數(shù)的增加而減小，泊松比隨著振動次數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，說明爆破振動會使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“軟化”趨勢，應(yīng)力與位移先增大、后緩慢減小，后迅速增大。發(fā)生此種現(xiàn)象的原因可能是過程中多次振動導(dǎo)致鋼筋混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變，從而釋放一部分應(yīng)力，當(dāng)振動次數(shù)繼續(xù)增加時樓體會發(fā)生二次破壞，使得彈性模量又迅速減小，應(yīng)力也會極速增加。當(dāng)振動超過15 000次后鋼筋混凝土內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)更加緊密，位移變小，但壓應(yīng)力迅速增加，當(dāng)振動次數(shù)超過20 000次時(每天振動2次，約27 a)，建筑物壓應(yīng)力已超過破壞極限應(yīng)力。

5 結(jié)論

1)建筑物抵抗振動能力越強(qiáng)，允許振動速度越大，相應(yīng)爆破振動安全允許距離越小。建議擬規(guī)劃建設(shè)的項目選址需距離爆破振動源位置200 m以上(一般居住或辦公用途)或1 km以上(精密儀器設(shè)備等用途)。

2)爆破微振動會使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“軟化”趨勢，當(dāng)振動次數(shù)超過20 000次時(每天振動2次，約27 a)，結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力已超過破壞極限應(yīng)力。

3)設(shè)定礦山開采界限，根據(jù)建筑物實(shí)施階段的敏感性調(diào)整爆破參數(shù)，并采用改良型炸藥或改進(jìn)開發(fā)方法。建設(shè)項目規(guī)劃設(shè)計階段采用先進(jìn)抗震隔震技術(shù)，做好結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)選型，保證施工質(zhì)量。

4)做好巖土勘察工作，重點(diǎn)排查建設(shè)用地范圍內(nèi)有無地質(zhì)斷層或地下空洞存在，防止次生災(zāi)害的發(fā)生。利用信息化及人工智能技術(shù)手段，做好建筑物及周邊地形地貌的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測和險情預(yù)警，并對建筑物關(guān)鍵部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評估。