采用壓電波動法的水下消能爆破損傷特征試驗研究*

熊 偉，鐘冬望，嚴愛國，司劍峰，王鵬宇，劉振標

(1.武漢科技大學 理學院，武漢 430065；2.湖北省智能爆破工程技術研究中心，武漢 430065；3.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

在橋梁、大壩、圍堰拆除等水下基礎設施建設過程中，通常會涉及大量的水下鉆孔爆破開挖工程。在巖石的鉆爆開挖過程中，由于爆炸應力波的作用，在爆破完畢后，開挖輪廓線下巖體和周圍保留巖體會新生許多裂紋，加上原有的微裂紋被擴大，導致這些區域巖體的力學性質劣化。這些由于爆破損傷所致的力學性質的劣化將會導致巖體完整性和穩定性受到影響，給保留巖體及巖體建基面上的構筑物安全造成了極大的安全隱患。因此，巖石爆破開挖過程中的爆破損傷監測和控制是巖石工程中的關鍵技術問題，它對爆破設計理論及巖體建基面穩定性分析具有重要的指導意義。為了減少爆破開挖中的損傷范圍，必須采用控制爆破技術。經過數十年的工程實踐經驗，逐漸延伸出了一系列的爆破開挖技術，例如分層爆破開挖技術，水平預裂爆破技術，水平光面爆破技術，帶墊層的臺階爆破技術等[1]。但這些技術在水下工程中往往無法使用，或者因為施工復雜導致開挖效率不高。考慮到這些因素，盧文波和胡皓然等提出了一種在垂直鉆孔底部安裝反射裝置的爆破技術(消能爆破技術)[2,3]，用于壩基的快速挖掘。通過現場試驗表明，該技術能夠有效的減少巖體基礎的動力破壞，并且工藝簡單便捷。

爆破引起的損傷檢測可以通過實測的震動位移、質點峰值振動速度或加速度值來確定。但這些方法都是根據經驗得到的安全閾值，并不能直接判斷爆破損傷大小。近年來，通過聲波速度變化直接判斷巖體爆破損傷的方法被廣泛使用，研究人員基于該方法做了大量的研究。Lai等采用超聲速度法檢測超高性能混凝土在不同深度反復穿透和爆炸下的損傷[4]。Zhang Y Z等發現[5]，使用P波上升時間可以相對容易地區分損傷區域。但聲波測量損傷的方法是依據時差法，對于較長且寬度很小的微小裂縫，繞過裂縫末端到達的繞射波有時并不優先到達接收器，而穿過微裂縫的直達波一般情況下優先到達傳感器，造成損傷識別的不準確[6]。因此，迫切需要一種新的檢測技術來測量爆破荷載對巖石的損傷程度。

隨著對結構損傷檢測要求的不斷提高，結構健康監測(SHM)得到了迅速的發展，壓電陶瓷傳感器(PZT)在結構健康和損傷檢測中得到了廣泛的應用。它們具有低成本、寬頻帶頻率響應、能量收集能力以及即可作為執行器也可用作傳感器的功能[7]。壓電傳感器被用來直接測量結構的加速度、應變和聲速[8]。同時，PZT傳感器也廣泛用于監測和檢測靜態荷載、沖擊荷載和動態荷載下混凝土結構的損傷、鋼筋混凝土結構中鋼筋的腐蝕、混凝土的早期加固和水化以及鋼筋和混凝土之間的界面脫粘[9]。Kong等人利用壓電陶瓷智能骨料研究了擬動力荷載作用下鋼筋混凝土橋柱的開裂問題[10]。蔡路軍等利用PZT壓電智能骨料監測了高強度混凝土板在爆炸荷載作用下的內部損傷情況[11]，發現小波包能量損傷指數能夠良好的反映混凝土結構的損傷狀況。目前，基于壓電陶瓷傳感器在爆破損傷檢測方面的研究相對較少，特別在水下爆破方面，相關研究成果更少。

本文擬結合壓電波動法的結構健康監測技術，展開水下消能爆破條件下巖體損傷狀態研究。結合水介質爆炸容器進行水下消能爆破及水下常規鉆孔爆破模型試驗，利用壓電信號研究巖體模型的損傷狀態，分析消能爆破技術在水下工程中的作用。

1 試驗方案

1.1 模型及測點

本次試驗澆筑了一批長方體混凝土模型，其長寬高分別為245 mm、245 mm、300 mm，并在其頂部中心預留直徑為12 mm，高為100 mm的炮孔。模型的物理力學參數如表1所示。

表 1 混凝土模型物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of concrete model

在混凝土模型養護好以后，在其相對的兩個面上用油漆標記了20個損傷測試點，具體為水平方向上每49 mm一個點共四個點(1～4)，垂直方向上每50 mm一個點共5個點(A～E)，澆筑后模型的標記示意圖如圖1所示。

1.2 基于壓電波動法的損傷檢測

將損傷測試點標記好后，基于波動法，在爆破前，利用壓電信號采集與分析系統測試混凝土模型的健康狀況。用于激勵的信號為脈沖信號，其幅度，脈沖寬度，持續時間和編碼位分別為100 V，15 μs，30 μs和2，如圖2所示。

圖 1 損傷測試點標記示意圖Fig. 1 Schematic diagram of damage test point marking

圖 2 用于激勵的脈沖信號Fig. 2 Pulse signal for excitation

圖3所示為本次試驗所用的壓電陶瓷測試與分析系統。測試時，用凡士林將圖中的2個PZT貼片耦合到對應的損傷測試點上，PZT連接采集儀，采集儀通過六類網線連接PC端。通過電腦控制采集儀激勵脈沖信號，同時，用于接收的傳感器將收到的信號傳輸到PC端。

圖 3 壓電信號采集與分析系統Fig. 3 Piezoelectric signal acquisition and analysis system

1.3 模型試驗裝藥結構

消能爆破技術首先將一層松軟細沙墊在炮孔底部，再在松砂上裝入由鑄鐵或高波阻抗混凝土材料制作成的消能球，最后進行常規裝藥和堵塞[12]。圖4為其具體裝藥結構及炸藥爆炸產生應力波的反射透射示意圖[13]。

圖 4 消能爆破技術的裝藥結構及 應力波反射透射示意圖Fig. 4 Charge structure and stress wave reflection and transmission of energy-relief blasting technique

根據應力波反射透射理論，以一束一維應力波的傳播為例，當應力波從一種介質傳播到另一種介質時，將在分界面發生反射和透射，其反射透射系數可用下式表示[14]

(1)

(2)

式中：I為入射應力波強度；R為反射波強度；T為透射波強度；ρCp為材料的波阻抗。

在炮孔內炸藥爆轟的瞬間，如圖4所示，由于炮孔內爆生氣體、消能球以及消能球下方的細沙波阻抗各不相同，爆炸波將在交界面1和交界面2發生多次反射和透射。首先，由于消能球和爆生氣體的波阻抗不同，在交界面1會發生應力波的反射和透射，部分被反射回上部巖體中，部分被透射到消能球內。這些透射到消能球內的應力波在交界面又會再次發生反射和透射，造成透射到炮孔下方巖體的應力波被大幅削弱，有效的減少了炮孔底部巖體的損傷。

選3個模型進行消能爆破技術的裝藥，首先在炮孔中墊一層10 mm厚的細沙，再加入直徑為10 mm的消能球，本次試驗中使用的消能球為軸承鋼珠。另一個模型采用常規裝藥，在底部同一高度直接裝藥堵塞，具體的模型編號如表2所示，實際的裝藥結構如圖5所示，其中起爆用的雷管按照1 g藥量計算。

表 2 模型實驗方案一覽表Table 2 List of model experiment schemes

圖 5 實際裝藥結構示意圖(單位：mm)Fig. 5 Schematic diagram of the actual charge structure(unit:mm)

1.4 水下爆破環境

借助200 m水深水介質爆炸容器，裝藥完成后，將模型放入水介質爆炸容器中，并將導爆管做好防水處理連接到容器的裝藥口。通過向容器內注滿水并加壓到0.4 MPa模擬40 m水深，加壓完成后，在裝藥口連接起爆線，進行40 m水深水下鉆孔爆破試驗。圖6為試驗所用的水介質爆炸容器。

圖 6 水介質爆炸容器Fig. 6 The water medium explosion vessel

爆破完成后，泄壓排水，取出試樣，待試樣晾干后，采用和爆前一致的壓電波動法對模型試樣進行結構健康監測。

2 試驗結果

爆破完成后，試樣在宏觀上都表現出了很明顯的損傷，如圖7所示。相同藥量的試樣F5和F6在表面上的損傷并沒有表現出明顯的區別。但隨著藥量的增大，試樣在宏觀上的損傷變得明顯。在僅有1 g藥量的情況下，試樣F4僅能觀察到非常微小的裂紋，炮孔無明顯的擴大但附近有小塊崩落；在藥量為3 g時，試樣F5和F6都會出現明顯的貫穿到試樣邊界的“米”字型裂紋；在藥量為5 g的情況下，試樣F1也存在貫穿邊界的裂紋且出現了明顯的爆破漏斗。

圖 7 爆破后試樣的宏觀損傷情況Fig. 7 Macroscopic damage of specimens after blasting

在爆破前后，分別利用壓電信號采集與分析系統，對每個試樣上標記的損傷測試點進行基于波動法的結構健康監測。圖8(左：爆前；右：爆后)列出了爆破前后每個試樣上A2、C2、E2三個典型測試點的壓電信號。

從圖8可以看出，在爆破前，測點上都能接收到比較良好的壓電波形，說明混凝土材料在爆破前是一種良好的應力波傳導介質。由于混凝土材料在澆筑的時候很難達到理想的均質狀態，不同測點壓電信號的波形也存在一定的差異。爆破后，原始裂紋被擴大且伴隨著新裂紋的產生，阻礙了應力波的傳播，導致相同測點在爆破后的信號幅值都會衰減。且在炮孔附近的A2、C2測點衰減十分明顯，但在試樣相對底部的E2測點則衰減很小。

圖 8 爆破前后A2、C2、E2測試點的壓電信號Fig. 8 Piezoelectric signals of A2、C2、E2 test points before and after blasting

3 結果分析

在利用波動法的結構損傷識別分析中，較為常用的損傷計算方法有時差分析法、時域分析方法和頻域分析方法等。本文通過分析比較爆前爆后接收信號在一定時域的能量得到相應測點的損傷指數。若信號x(t)為接收信號傳感器采樣所獲得的一組離散數據，該信號的能量表達式為

(3)

式中：i為該時域內的采樣點個數、xi為對應采樣點的電壓幅值。通過比較爆前的信號能量Epre得到的巖體在爆破荷載作用下的損傷指數為

(4)

為了進一步分析水下鉆孔爆破作用下混凝土巖體的損傷，根據式(4)，計算了不同混凝土試樣在爆破后的損傷因子。將20個損傷測試點的損傷因子繪制成圖9所示的三維矩陣圖，可以明顯的發現，每個試樣的炮孔部分損傷明顯大于炮孔以下部分，且每個試樣上的大部分測點越接近炮孔的損傷越大，即損傷與該點和炮孔的距離成反比。

圖 9 4個試樣各測點損傷情況Fig. 9 Damage of each measurement point of four specimens

為了了解不同藥量的損傷情況，計算了3個相同裝藥結構情況下試樣炮孔部分和炮孔以下部分兩個區域內計算得出的損傷因子的平均值，通過損傷因子的均值來判斷損傷隨藥量的變化情況。圖10為試樣上下兩個部分損傷因子隨藥量的變化情況。

圖 10 試樣上下兩部分損傷因子隨藥量變化Fig. 10 The damage index of the upper and lower parts of specimen changes with the charge

通過圖10可以看出，試樣的損傷和藥量存在明顯的關系。在藥量從1 g增加到3 g時，炮孔部分的損傷增加了160.57%，而炮孔底部的損傷增加了34.23%。此時炮孔底部損傷增加的幅度較炮孔部分要小很多。當藥量繼續增加到5 g時，炮孔部分的損傷僅增加了1.11%，而炮孔底部的損傷增加了79.87%。即在藥量為3 g時，試樣的炮孔部分已經基本被完全損傷，但試樣底部的損傷相對較小，導致藥量繼續增加時，試樣底部的損傷增加的幅度較大。綜合來看，試樣的損傷隨著藥量的增大而增大，且藥量為3 g時的試樣炮孔部分已基本被完全破壞。

基于壓電波動法，通過試樣整體的損傷分布情況和損傷因子隨藥量的變化情況分析，發現損傷分布和隨藥量的變化和已知的規律十分一致，這說明基于壓電波動法的水下鉆孔爆破損傷測試方法是可行的。

為了進一步分析水下消能爆破技術的損傷控制效果，分析了在相同藥量的情況下，采用常規爆破技術的F6試樣和采用消能爆破技術的F5試樣的損傷分布區別。

圖11為F5和F6兩個試樣從上至下“A～E”五排測點的平均損傷因子變化趨勢。可以看出，在炮孔部分，兩個試樣的損傷值并無明顯區別；但采用消能爆破技術的試樣在D排測點的損傷因子衰減幅度的要明顯大于采用常規爆破試樣。計算了炮孔以下“D”,“E”兩排八個測點損傷因子的平均值，發現使用消能爆破技術的試樣平均損傷值比常規爆破要小33%。說明消能爆破技術在水下鉆孔爆破中同樣具有良好的效果。

圖 11 每排測點平均損傷因子變化圖Fig. 11 Change graph of average damage index for each row of measurement points

從圖9和圖11中都可以發現，最后一排的損傷因子出現反彈現象，這是爆炸壓縮波在試樣邊界反射為拉伸波造成的二次損傷以及爆破振動使試樣底部與容器發生碰撞產生的二次損傷導致，這也是模型試驗的局限性。

4 結論

通過對混凝土巖體模型進行不同條件的水下鉆孔爆破試驗，并結合基于波動法的壓電陶瓷損傷檢測技術檢測試樣的損傷，主要得出以下結論：

(1)對于所有的試樣，所有試樣某一點的損傷與該點到炮孔的距離成反比。試驗得出的損傷因子分布與實際觀測到的損傷分布相關性較好，采用波動法結合能量分析得出的損傷因子能夠比較準確的體現水下鉆孔爆破產生的損傷。

(2)水下鉆孔爆破損傷隨藥量的增加而增加，且本實驗中所使用的混凝土模型炮孔部分在藥量為3 g時已基本被完全破壞。

(3)在基底部分的兩排測點，使用消能爆破技術的試樣平均損傷因子比常規爆破要小33%，這說明消能爆破技術在水下鉆孔爆破中具有良好的損傷控制效果。

(4)爆破引起的試樣振動和邊界效應會在試樣的邊界處造成一定程度的二次損傷。