爆破振動(dòng)作用下高層建筑振速變化規(guī)律研究

雷 振，李 卓，雷興海，游 帥，賀 路，黃 聰

(1.貴州理工學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院，貴陽 550003；2.昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，昆明 650093；3.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴陽 550025；4.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴陽 550025)

隨著城市的快速發(fā)展，城市交通和住宅擁擠問題成為阻礙城市化進(jìn)程的一大因素。公路和住宅區(qū)的擴(kuò)(改)建，需要對(duì)露天巖土進(jìn)行爆破開挖，爆破開挖會(huì)對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生振動(dòng)影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起建筑物傾斜、破壞等重大工程問題。由此可知，在爆破施工的過程中，準(zhǔn)確地判別和預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)對(duì)高層建筑的破壞影響，對(duì)安全施工和經(jīng)濟(jì)效益具有重大的實(shí)際意義[1-4]。

巖土爆破開挖以其高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐中，振動(dòng)效應(yīng)作為嚴(yán)重負(fù)面效應(yīng)之一，對(duì)工程的施工造成很大的影響[5-7]。目前，露天巖土爆破施工對(duì)鄰近高層建筑的影響問題日益受到研究者們的關(guān)注。建筑物在爆破作用下的破壞機(jī)理，為爆破產(chǎn)生的地震波，經(jīng)過爆源至建筑物之間的地面以及建筑物基底，傳遞到建筑物的內(nèi)部，使建筑物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)[8]。張玉琦等[9]對(duì)爆破現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試分析，得出地震波在高層建筑中傳播，具有明顯的高層放大效應(yīng)，隨著樓層的增加，波速先衰減后增大。于蕾[10]通過對(duì)低層住宅樓進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)峰值振速的變化規(guī)律和爆破振動(dòng)安全效果，得出爆心距較小時(shí)振動(dòng)主頻較高，振動(dòng)頻率大于10 Hz時(shí)，隨樓層升高無明顯的放大效應(yīng)。王小紅等[11]通過對(duì)遠(yuǎn)距離的高層樓房進(jìn)行了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析，得出水平方向的峰值振速，中間樓層振速最大，頂部樓層的振速大于低部層樓層，對(duì)于垂直方向峰值振速，頂部樓層峰值振速大于底部樓層。高愿[12]通過爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)出混凝土框剪結(jié)構(gòu)高層建筑物隨著樓層高度增高，徑向振動(dòng)速度呈減小的趨勢(shì)；切向、垂向振動(dòng)速度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。操鵬等[13]監(jiān)測(cè)采石場(chǎng)附近一棟多層建筑物的爆破振動(dòng)效應(yīng)得出，爆破作用下，位于爆破遠(yuǎn)區(qū)的高層建筑物，其垂向峰值振速隨著樓層的高度增加而增大，水平方向峰值振速隨著樓層的高度增加而減小。陳至昊等[14]通過對(duì)地鐵爆破開挖是對(duì)高層建筑的振動(dòng)危害效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，指出三矢量振速峰值在接近建筑物頂部時(shí)出現(xiàn)局部放大效應(yīng)，位移隨樓層的升高逐漸增加。厲建華等[15]針對(duì)復(fù)雜爆破振動(dòng)容易引發(fā)民事糾紛和造成安全生產(chǎn)事故的問題，通過分析不同振動(dòng)速度對(duì)房屋非結(jié)構(gòu)性損壞的影響規(guī)律,確定了振動(dòng)速度的安全閾值。李順波等[16]基于幾何地震學(xué)的基本原理，建立了精確延時(shí)逐孔起爆振動(dòng)峰值預(yù)測(cè)模型，通過與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，預(yù)測(cè)振動(dòng)峰值與實(shí)測(cè)振動(dòng)峰值吻合良好。

綜上所述，上述研究方法及研究?jī)?nèi)容的不同，結(jié)果各有自身的特點(diǎn)，對(duì)于不同的地質(zhì)環(huán)境和不同結(jié)構(gòu)的建筑物，其研究結(jié)果具有一定的局限性。由于爆破振動(dòng)波的復(fù)雜性，不同地質(zhì)條件下傳播特性差別較大，有關(guān)露天巖土爆破作用下城市高層建筑的峰值振速變化規(guī)律的文獻(xiàn)甚少。因此，本文從爆破振動(dòng)波的傳播特性以及建筑物本身的特性出發(fā)，研究露天巖土爆破作用下城市高層建筑的峰值振速傳播規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的城市綠色爆破。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 爆破測(cè)試場(chǎng)地概況

測(cè)試場(chǎng)地位于貴州省貴陽市觀山湖區(qū)賓陽大道旁山體和小區(qū)的高層建筑。高層建筑為框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，爆破施工時(shí)，選用2號(hào)巖石乳化炸藥，裝藥結(jié)構(gòu)為耦合連續(xù)裝藥。爆源的對(duì)面為城市高層建筑居民區(qū)，兩者中間為貴陽市外圍主干道，日常車流量多。因此，采用了控制爆破減少振動(dòng)，并對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。開挖巖性主要為中硬巖石，單耗為0.32 kg/m3，采用深孔控制爆破和逐孔起爆的方法進(jìn)行開挖，孔徑為0.09 m，孔距為2.5～3.0 m，排距為2.5～3.0 m，孔深為6～7 m。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置1個(gè)傳感器，測(cè)點(diǎn)布置在距離爆心水平距離為100～150 m的20層建筑內(nèi)，平均每層高3 m，總高度為60 m。在第1、5、10、15、20層分別布置傳感器，對(duì)應(yīng)得測(cè)點(diǎn)分別為1#、2#、3#、4#、5#。

爆破振動(dòng)測(cè)試方案：試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，根據(jù)樓房的高度和傳感器的數(shù)量，每次5個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在建筑物樓梯的轉(zhuǎn)角處，靠近樓房的主立柱，距地面垂直高差分別為0、15、30、45、60 m，5個(gè)測(cè)點(diǎn)連成的直線與同一排炮孔所在的直線垂直。根據(jù)儀器的使用說明，在爆破前用石膏把傳感器固定在混凝土地板上，以確保在爆破作用下傳感器與建筑物同時(shí)振動(dòng)，準(zhǔn)確的測(cè)量出振動(dòng)數(shù)據(jù)。傳感器固定完成后，爆破時(shí)提前打開儀器，為了防止儀器的誤觸發(fā)，提前2～3 min開啟儀器時(shí)間。每次測(cè)試嚴(yán)格要求測(cè)點(diǎn)的垂直方向保持在一條直線上，因爆破振源位置不同，每次測(cè)得振動(dòng)速度不同。

2 爆破振動(dòng)速度變化規(guī)律分析

2.1 垂向峰值振速

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨機(jī)選取4處不同爆源的垂向峰值振速進(jìn)行研究，垂向峰值振速隨樓層高度H變化如圖1所示(Q為最大段藥量，kg；R為爆心距測(cè)點(diǎn)的水平距離，m)。

圖1 垂向峰值振速隨樓層高度變化

由圖1可知，隨著樓層高度H的增加，垂向峰值振速v不斷增大，在H=0～30 m時(shí)，增速較快。H為30～45 m時(shí)，增速減小。當(dāng)H>45 m時(shí)，增速與H=30～45 m時(shí)相比明顯加快。H=60 m處測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)峰值速度，約為H=0 m處測(cè)點(diǎn)的2.75～3.8倍。垂向峰值振速表現(xiàn)出明顯的建筑物高層放大效應(yīng)。

2.2 切向峰值振速

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨機(jī)選取4處不同爆源的切向峰值振速進(jìn)行研究，切向峰值振速隨樓層高度變化如圖2所示。

圖2 切向峰值振速隨樓層高度變化

由圖2可知，H=0～15 m時(shí)，切向峰值振速快速增加，增速為0.003 6～0.004 9 cm/s，H=15 m處測(cè)點(diǎn)的峰值振速，約為H=0 m處測(cè)點(diǎn)的1.65～1.84倍。H=15 m為峰值振速增加的拐點(diǎn)，當(dāng)15 m45 m時(shí)，隨著H的增加，峰值振動(dòng)速度也相應(yīng)增加，增速為0.001 9～0.003 3 cm/s，H=15 m處測(cè)點(diǎn)的峰值振速達(dá)到最大值。

2.3 徑向峰值振速

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨機(jī)選取4處不同爆源的徑向峰值振速進(jìn)行研究，徑向峰值振速隨樓層高度變化如圖3所示。

圖3 徑向峰值振速隨樓層高度變化

由圖3可知，H=0～15 m時(shí)，徑向峰值振速隨著H的增加而增加，峰值振速初值越大，增速越快。在H=15～30 m時(shí)，峰值振速隨著H的增加而減小，峰值振速初值越大，減小越快。H=30 m時(shí)，峰值振速出現(xiàn)減小拐點(diǎn)，當(dāng)H=30～45 m時(shí)，增速為0.001 5～0.003 4 cm/s。H=45 m時(shí)達(dá)到徑向峰值振速最大值，隨后徑向峰值振速開始減小。

2.4 三維峰值振速對(duì)比分析

選取實(shí)驗(yàn)爆源單段炸藥量為18 kg，爆心與測(cè)點(diǎn)水平距離為100 m的三維峰值振速進(jìn)行研究，三向振速隨樓層高度變化如圖4所示。

圖4 三向峰值振速隨樓層高度變化

由圖4可知，在H=0 m時(shí)，徑向峰值振速最大，垂向峰值振速次之，切向峰值振速始終小于垂向峰值振速和徑向峰值振速。隨著H的增加，垂向峰值振速與徑向峰值振速出現(xiàn)交點(diǎn)。隨后垂向峰值振速總是大于徑向振速。在樓層頂部，垂向峰值振速為徑向峰值振速的1.58倍。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果及上述分析，建筑物頂部的垂向峰值振速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建筑物每個(gè)測(cè)點(diǎn)的切向和徑向峰值振速。

3 城市高層建筑垂向峰值振速計(jì)算分析

3.1 高層建筑垂向峰值振速計(jì)算公式

城市露天巖土爆破振動(dòng)符合薩道夫斯基公式：

(1)

式中：v為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；Q為最大段藥量，kg；R為測(cè)點(diǎn)距爆心的水平距離，m；k、α為與地質(zhì)條件有關(guān)的參數(shù)。

由于建筑物的高度較高，對(duì)爆破振動(dòng)的影響是一個(gè)不可忽略的重要影響因素，根據(jù)劉美山等[17]的研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，提出基于薩道夫斯基公式的高度修正公式：

(2)

(3)

式中：h為測(cè)點(diǎn)距地面的垂直高度；β為與建筑物有關(guān)的參數(shù)。

3.2 高層建筑物垂向振速計(jì)算公式參數(shù)分析

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)公式(3)中的參數(shù)進(jìn)行分析。對(duì)式(3)左右兩邊取對(duì)數(shù)，得到公式(4):

(4)

y=A+Bx1+Cx2

(5)

不考慮樓層高度時(shí)，利用Origin軟件，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表1)，對(duì)A和B進(jìn)行擬合分析，不考慮樓層高度時(shí)1#測(cè)點(diǎn)的垂向峰值振速如表1所示。

表1 H=0時(shí)測(cè)點(diǎn)的垂向峰值振速

自定義擬合函數(shù)y=A+Bx1，對(duì)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，A=5.95，B=2.17，則k=e5.95=383.75。

圖5 參數(shù)A和B擬合分析

當(dāng)考慮樓層高度時(shí)，利用Origin軟件，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)C進(jìn)行擬合分析，自定義擬合函數(shù)y=Cx2-1.973 28，擬合結(jié)果如圖6所示。由圖可知，C=0.02，則β=C=0.02。將參數(shù)k=5.95，a=2.17，β=0.02代入式(2)中，可得：

圖6 參數(shù)C擬合分析

(6)

4 數(shù)值模擬驗(yàn)證

4.1 模型建立及參數(shù)

以貴陽市觀山湖區(qū)賓陽大道旁山體和小區(qū)的高層建筑受爆破振動(dòng)影響實(shí)際工程為背景，構(gòu)建與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等比例的三維20層高層建筑模型，建筑層高3 m；x水平向共2跨，每跨5 m；z水平向共3跨，每跨6 m。柱、梁采用ANSYS中BEA M188單元，樓板采用SHELL181單元。經(jīng)過創(chuàng)建單元，定義材料，定義截面，建立模型，劃分網(wǎng)格等操作后，在柱最底面節(jié)點(diǎn)施加全約束，建模中單位制采用kg/m/s。

表2 高層建筑參數(shù)

圖7 不同測(cè)點(diǎn)處梁截面等效應(yīng)力

4.2 數(shù)值模擬分析

本次數(shù)值模擬采用時(shí)程分析法，通過在結(jié)構(gòu)模型的底部輸入爆破振動(dòng)波加速度時(shí)程曲線，從結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)開始，隨著爆破振動(dòng)波載荷的施加，然后逐步進(jìn)行積分計(jì)算，直至爆破振動(dòng)作用時(shí)間結(jié)束。即通過積分運(yùn)算，能夠?qū)ㄖ锏牟煌瑯菍铀俣戎底兓龆康难芯俊Ｍㄟ^Origin將實(shí)際波形處理為如圖8所示的加速度形式，進(jìn)一步導(dǎo)入模型求解并開展不同樓層速度變化分析。

圖8 實(shí)測(cè)振動(dòng)波速度、加速度

為驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果精準(zhǔn)性，對(duì)模型進(jìn)一步開展數(shù)值模擬分析，提取不同樓層的速度值，并與現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)值進(jìn)行對(duì)比與分析(見圖9)。

圖9 實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬峰值振動(dòng)速度對(duì)比分析

對(duì)模型第1、5、10、15、20層提取對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的速度波形(見圖9)，將其與實(shí)測(cè)的速度進(jìn)行對(duì)比分析，研究結(jié)果表明兩者誤差在20%以內(nèi)，圖中數(shù)值模擬結(jié)果高于現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)結(jié)果，其原因是建模過程中簡(jiǎn)化了主、梁等材料，忽略其內(nèi)部裂隙等造成。

4.3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

1)加速度驗(yàn)證。為保證本次數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)精度，在建筑底部通過ANSYS軟件自帶時(shí)間歷程后處理提取加速度波形如圖10所示，將其與實(shí)際導(dǎo)入的加速度波形圖對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其振幅變化大致相同，且加速度峰值均在10 m/s2左右波動(dòng)，可說明本次數(shù)值模擬試驗(yàn)具有準(zhǔn)確性。

圖10 數(shù)值模擬節(jié)點(diǎn)加速度

2)速度驗(yàn)證。在模型第1、5、10、15、20層提取相對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的速度波形，垂向速度從0.142 cm/s增加至0.407 cm/s(見圖11)，同理還發(fā)現(xiàn)其波形變化趨勢(shì)基本與實(shí)測(cè)一致，將本次數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際所測(cè)結(jié)果對(duì)比，經(jīng)計(jì)算兩者誤差在20%以內(nèi)。可較好說明數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致。也表明在此類工程案例中，采用數(shù)值模擬方法對(duì)于高程建筑的速度變化規(guī)律研究具有較高的準(zhǔn)確性。

圖11 1層對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)波形

5 結(jié)論

1)通過現(xiàn)場(chǎng)爆破測(cè)試可知，在露天爆破振動(dòng)波的作用下，高層建筑對(duì)三維峰值振速均有放大效應(yīng)，垂向峰值振速放大效果最為明顯，放大倍數(shù)為2.75～3.8倍。

3)通過數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)測(cè)高程速度變化規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證，兩者誤差在20%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)相關(guān)性，通過數(shù)值模擬解決高程建筑峰值振速變化問題具有準(zhǔn)確性及可行性。