关于爆破地震效应影响因素的研究

李玉江 燕永峰 张秋华

1 概述

与天然地震相比,爆破地震的震源及爆破施工过程是人为进行的,在药量和爆源位置已知的情况下,人们可以根据周围的环境条件,通过严格的设计,改变起爆方式和采取一定的技术措施对爆破震动强度进行预测和控制,达到避免或减少爆破震动危害的目的。为了更好的了解爆破的作用机理及更直接有效的实施爆破控制,提出了影响爆破震动效应的影响因素。

2 影响爆破地震效应的因素

2.1 三大要素对地震效应的影响

2.1.1 震动速度

大量的现场试验表明,爆破震动强度与质点震速大小的相关性较好,且震速与岩土性质有较稳定的关系,而质点振动位移及加速度都不具有这种关系[1]。然而速度矢量在空间坐标中有三个方向(垂直方向、水平径向和水平切向),采用哪一个方向上的震速在爆破研究中一直是一个热点话题。目前国际上采用最普遍的是用质点的垂直振动速度作为衡量爆破震动强度的标准,但是这并不能全面的反映爆破结构破坏的实质。

2.1.2 震动主频

结构体对于介质中传来的地震波具有选择放大作用,这种作用主要表现在爆破地震中与结构体固有周期相近的谐波分量放大最多,使该波引起的震动最为激烈。即爆破震动的卓越周期与该结构体的固有周期一致时,将产生共振,使结构体的振幅大大增加。

2.1.3 震动持续时间

研究表明[2],当振动频率和幅值相同时,不同的爆破震动持续时间引起的结构应力响应最大值是相同的,但对考虑累积损伤的结构来说,结构产生的塑性应变随震动持续时间的增加而增大。

以上分别讲述了爆破震动三要素对地震效应的影响,但三者并不是相互独立的,而是同时作用于爆破对结构损伤的全过程;另外,结构体受震破坏不仅仅取决于震动的幅值,而且还与震动频率和震动持续时间密切相关,有时后面的两个因素起到决定性的作用。因此,仅仅采用建筑物的震动峰值作为爆破震动破坏的标准是不能全面反映爆破震动破坏实质的。

2.2 影响因素

1)装药量。目前,我国的《爆破安全规程》中对震动峰值预测所采用的是前苏联的萨道夫斯基公式:

2.讲求时代性。时代性焕发党内政治生活的生机。党内政治生活要具有时代性，就必须走在时代前列。紧跟时代步伐，聆听时代声音，回答时代课题，善于将新的经验上升为理论以指导新的实践，立足新的实际改革创新内容和形式，增强党内政治生活的吸引力、感染力和针对性、实效性，就必须解决实际问题。要敢于触及矛盾，紧扣党内政治生活中的薄弱环节，提出具体改进措施，形成新的制度安排，体现出预见性和创造性，在发现和解决实际问题中使党内政治生活充满活力。

其中,V为爆破震动速度,m/s;Q为装药量,对于分段爆破取最大段药量,齐发爆破取总药量,kg;R为爆心距,m;K,a分别为与爆破条件、岩石特性等有关的系数。

另外,欧美公式:V=K(Q1/2/R)a;兰氏公式:V=K(Q1/2/R3/4)a;印度公式:V=K(Q/R2/3)a;日本公式:V=K(Q3/4/R2)a(式中的各参数含义同上)。从各国采用的经验公式可以看出,爆破震动强度正比于爆破的最大的装药量。

2)爆心距。研究表明:随着爆心距的增加,信号的总能量不断衰减,高频部分比低频部分衰减的要快,爆破震动主频有往低频发展的趋势。爆破地震波在传播的过程中虽然其震动强度不断衰减,但其破坏效应可能更大;随着爆心距的增加,爆破震动信号的能量重心在往低频发展的同时,信号的能量分布更加发散,主震频带的宽度增加。

3)传播介质。研究表明[3],在爆破荷载作用下,近距范围内爆破震动速度迅速衰减,中远距范围内爆破震动速度衰减趋缓;传播介质为Ⅰ级～Ⅲ级岩体时,随着岩体质量降低,K值有增大趋势,对于Ⅳ级～Ⅴ级岩体,K值变化没有明确的规律;a值总体上具有随岩体质量降低而增大的趋势,从式子中可以看出 K,a值具有与爆破震动速度近似相同的增减关系。

4)炸药爆轰速度[4]。根据爆轰与岩石碰撞的弹性波理论,炸药爆炸后作用于炮孔壁的最大径向压力为:

其中,ρ,ρ0分别为岩石、炸药密度;C,D分别为岩石纵波速度与炸药爆速。

爆炸应力波压力随传播距离衰减规律为:

因此,对某种岩石,ρ,C属定值,震速随压力的增大而增大,随其压力的减小而减小。即震速与爆轰速度亦成正比。

5)临空面条件。根据利氏理论[4],炸药爆炸的能量分配与药包埋置深度即临空面条件有直接关系。药包埋置深,临空面条件不好,炸药爆炸的能量在岩石弹性变形方面消耗的比例增大,即引起的爆破震动强度大,反之则减小,在爆破设计与施工中,如何充分利用和创造良好的临空条件,从减震方面看是很有意义的事。

6)节理、裂隙与预裂缝。岩体中含有节理裂隙时,应力波传到界面后会产生反射和折射,若预裂缝中全由空气充填而无其他物质,则预裂缝起到了隔振作用。

7)段数。微差爆破震动信号的优势能量主要分布在主震频带,工程结构是一个包含众多子结构的系统,各子结构的固有特性各不相同,因而其对爆破震动的响应具有多模态,多振型的特点;随着雷管段数的增加,爆破震动信号的极高频和极低频所占比例都有所减少,中低频成分所占的比例增加,信号的能量有往主震频带集中的趋势,从而起到干扰降震的效果。

8)微差间隔时间。通过实测波形分析表明[1]:在毫秒延迟微差爆破中,随着爆破规模的增大,延迟间隔也需要增长;毫秒延迟爆破引起的震动比齐发爆破具有幅值小、频率高、持续时间短等特点。如果两个波形相互叠加,其相位时差为0.5T或(n+0.5)T(n=1,2,3,…,n)时,叠加后的幅值最小,当相位差为 T时,则叠加后的幅值最大,理论和实测基本一致。

9)孔网参数。利用大孔距、小排距、缩小抵抗线,适当控制孔深,超深值不宜过大时,爆破震动强度减弱。最小抵抗线小,爆破震动频率高,土层地震波衰减快,房屋响应震动小,底部地震剪力和竖向惯性力均小[5]。

10)预裂爆破和预裂效果。

11)起爆顺序。根据工程实际,齐发爆破的震动频率较小,而微差爆破的振动频率较高[6]。在设计起爆顺序时,尽量使用V形掏槽或“对角交叉”起爆,可使震波在爆区内叠加。从爆破安全的整体状况来衡量,改变爆破方向将爆破物置于侧向位置,更有利于爆破安全。

12)起爆网路。在爆破工程中起爆网路至关重要,起爆网路不合格将导致整个爆破工程失败。就起爆时间而言,间隔时间过小,达不到减震和创造自由面的目的;间隔时间过大则会造成因前排炮孔飞石砸坏后排起爆线路并破坏后排孔,或产生飞石等。

13)建筑物的结构。不同建筑物的结构对爆破震动强度的承受能力不一样,跨度大的建筑物和横梁容易出现裂缝,比较高的建筑物其顶部受到的震动比底部大[5],其关系是:

其中,V1为某高度的震动速度;V为建筑物地基处的震速;KV为高度系数;H为建筑物被测处的高度;H1为建筑物每层的高度,一般为3 m。

3 结语

围绕爆破震动三大要素,分析总结了装药量、爆心距、场地条件、炸药爆轰速度、临空面条件、节理、裂隙与预裂缝、段数、微差间隔时间、孔网参数、预裂爆破和预裂效果、起爆顺序、起爆网路和建筑物的结构等因素对爆破地震效应的影响。其中,装药量、爆心距、段数和场地条件对爆破地震的影响尤为突出。以上诸因素对爆破地震效应的作用的提出为爆破震动防灾减灾工程做出明确的科学指导,便于爆破控制。

[1]张雪亮,黄树棠.爆破地震效应[M].北京:地震出版社,1981.

[2]陈士海,魏海霞,钱七虎.爆破震动持续时间对结构震动响应影响研究[A].现代爆破理论与技术——第十届全国煤炭爆破学术会议论文集[C].2008:11-18.

[3]吕 涛,李海波,周青春,等.传播介质特性对爆破振动衰减规律的影响[J].防灾减灾工程学报,2008,28(3):335-341.

[4]陈士海,逄焕东.爆破灾害预测与控制[M].北京:煤炭工业出版社,2005:105.

[5]王玉杰.爆破地震效应的影响因素和降震措施——爆破安全技术[M].北京:冶金工业出版社,2005:116-130.

[6]李孝林,王少雄,高怀树.爆破振动频率影响因素分析[J].辽宁工程技术大学学报,2006,25(2):204-206.