不同装药量单孔爆破振动效应试验研究

张小康，潘长春

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083;2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

随着爆破技术的广泛应用，人们越来越关注爆破振动对周围环境和建(构)筑物的影响及其振动规律，即爆破振动效应[1-2]。工程实践证明，爆破振动强度既受爆源如炸药总量、单响药量、孔网参数和起爆顺序以及不耦合系数等因素的影响，又受传播途径如测点距离，地形、地质条件等因素的制约，其中药量的影响是重中之重。在爆破施工时，由于钻孔数及钻孔深度会随实际情况的变化而变化，结果是导致装药量也发生改变，为了减弱因药量突然增加而产生爆破振动加强，降低爆破振动效应的危害，防止居民对正常施工的干扰，因此，研究装药量的变化对附近建(构)筑物造成的影响，就显得十分必要。针对上述情况，本文利用单孔爆破振动模型试验，在存有预裂缝的条件下，研究了不同装药量下的爆破振动波的频率及能量的分布规律，从而为有效降低爆破振动效应提供参考依据。

1 振动测试系统

1.1 测试原理

爆破振动波传至传感器器时，使传感器产生感生电压输出，感生电压信号超过预设的触发电平值时，爆破振动记录仪开始自动地记录传感器输入的振动信号，并将振动波储存在仪器内，关闭电源后也不会丢失。监测结束后，通过计算机中专用软件与爆破振动记录仪连接、通讯，可以读取并分析爆破振动波。测试系统基本工作原理如图 1所示。

图1 测试系统工作原理图

1.2 测试仪器

测试仪器采用美国生产的Minimate Plus振动监测仪，该系统包括四个组成部分：MINI主机，标准三向振动传感器，线性麦克风，电源适配器。具有1个声通道和3个爆破振动信号通道。爆破结束后数秒就可读出爆破冲击波噪声、3个向量的速度分量以及各自的主频率。存储空间1024k，最多可存储341个记录，最大采样频率2048Hz，最大量程254mm/s，触发值范围为0.254～57.9mm/s。

2 模型试验设计

2.1 水泥砂浆模型

试验制作的水泥砂浆模型尺寸为 960mm×900mm×300mm，试件是由425型号普通硅酸盐水泥、筛选后的中砂，加水搅拌浇注而成，配比为水泥∶砂∶水=1∶2∶0.45，浇筑时在距试件一侧100mm处中心对称位置预留直径8.0mm炮孔，孔深为150mm。预裂缝在浇筑过程中预埋，埋置深度200mm，长度700mm，宽度3.0mm，平面布置如图2所示。试件的抗压强度为42.24MPa，泊松比为0.22，弹性模量为18.8GPa，纵波声速为3123m/s，试件养护28d后进行爆破试验。

2.2 测点布置

根据研究工作需要，试验采用直线布点，在距试件预裂缝中心线200mm、650mm处布置两个测点，测点布置如图2所示，图中1#和2#分别代表第一测点和第二测点。每次布置传感器时，分别测试水平X方向、Y方向以及垂直Z方向的速度振动量。为了使传感器与试件紧紧连成一体，采用粘结性较好的石灰膏，加水搅拌均匀后将其平铺在测点位置，再把传感器紧压其上，等黏结牢固之后，可进行爆破试验。

图2 测点布置示意图

2.3 装药量的确定

根据模型试验设计方案，在预裂缝缝深200mm，缝长700mm，缝宽3.0mm的条件下，分别以单孔总装药量为0.7g、1.0g、1.2g、1.5g和2.0g的级别进行爆破振动试验。经过试爆确定主装药量为黑索金，起爆药为150mg的叠氮化铅，用细沙和502胶水堵塞，电火花从药柱上端进行起爆。

3 试验结果及数据分析

3.1 试验结果

3.1.1 爆破效果

不同装药量下的试件爆破效果如图3所示。

图3 不同装药量的爆破效果

图3(a)、(b)中反映出，在装药量较小的情况下，爆破时只能产生内部损伤或表面微裂纹等现象，对试件的破坏作用比较弱，爆破效果不够理想。从图3(c)、(d)可以看出，在加大装药量的情况下，对试件的破坏作用比较强，爆破效果得到明显改善。当装药量为2.0g时，试件的破坏最为严重，且形成类似于爆破漏斗的形状，主要是由于靠近炮孔一侧自由空间好，最小抵抗线方向的夹制作用小；从图3(b)、(c)、(d)可以看出，由于有预裂缝的存在，阻止了裂纹的继续扩展，即使加大装药量，也很难破坏预裂缝的另一侧，起到了保护作用，原因是预裂缝对爆炸应力波起到了一定的阻隔或减弱作用，消耗了大部分能量。从总体来看，爆破效果除受到炸药因素影响外，同样条件制作的试件在力学参数、湿度、微细观结构等也会有所不同，爆破时的堵塞质量也会有影响。

3.1.2 测试结果

不同装药量单孔爆破振动模型试验，装药量分别为0.7g、1.0g、1.2g、1.5g和2.0g，运用分析软件现给出典型爆破振动波形图及功率谱图如图4～7所示，由于篇幅的原因，装药量为1.2g试件爆破振动波形图略去。图8～9分别为爆破试验中装药量与振动峰值速度、主频率之间的关系。

图4 0.7g炸药的爆破振动波形图及功率谱图

图5 1.0g炸药的爆破振动波形图及功率谱图

图6 1.5g炸药的爆破振动波形图及功率谱图

图7 2.0g炸药的爆破振动波形图及功率谱图

图8 装药量与振动峰值速度的关系

图9 装药量与主频率的关系

3.2 试验数据分析

对爆破产生的振动波进行频谱分析，能够为爆破工程减振设计、装药量的确定、爆破方法的选择和爆破振动安全距离的计算提供科学的依据[3]。爆破振动波含有各种频率成分，而且各种波的含量的差别很大，通过频谱分析可以展示各频率振动波的能量，确定能量相对集中的频带和主频率[4]。本文主要利用频谱分析对爆破振动波进行了研究。

从图4～7中的波形图可以看出，此次起爆的最小装药量为0.7g，对应的振动峰值速度为1.14mm/s；最大装药量为2.0g，对应的振动峰值速度为27.9mm/s。当装药量较小时峰值速度很小，增加装药量其峰值速度缓缓在变大，当装药量达到一定值时，振动峰值速度急剧增大。由图8可知振动峰值速度与装药量呈现同向变化趋势，即随着装药量的增加而变大，但非正比关系。同时在相同装药量情况下，较近测点1#要比远测点2#的的振动峰值速度偏大，表明振动峰值速度还与测点距离有关。

从图4～7中的功率谱图可以看出，本次起爆的最小装药量为0.7g，对应最大主频率为88.8Hz；最大装药量为2.0g，对应最大主频率为56.0Hz。在其他参数基本相同的前提下，随着装药量的增加主频率有往低频发展的趋势。其原因是装药量大时，炸药爆炸反应的历史较长，爆轰气体膨胀做功能量较大，药室内正、负压作用时间均延长，使爆源激发的振动波频率较低。显然，由于工程结构体的自振频率往往较低，这不利于受控对象的安全。因此，在工程实践中增加雷管段别，可以减少低频波的出现，对地面建(构)筑物破坏作用将有所减弱；由图9可知，主频率与装药量呈现异向变化趋势，即随着装药量的增加而减小，也是非正比关系，且这种变化趋势非常缓慢。

总体还呈现出不同装药量单孔爆破振动信号的功率谱曲线的形态较简单，峰值数量较少，表明单孔爆破产生的振动频率成分相对简单。

4 结论

1)质点振动峰值速度与爆破药量和测点距离密切相关。装药量不同时，振动峰值速度随着装药量的增加而增大，但不是线性关系，同时近距离测点与远距离测点的峰值速度相比要大。

2)不同的装药量对爆破振动主频率有所影响。在其他参数基本相同的条件下，随着装药量的增加主频率在降低，照这样趋势发展下去，将对建(构)筑物的安全构成直接威胁。

3)单孔爆破振动信号的功率谱曲线的形态单一，出现的峰值数量比较少，说明爆破产生的振动频率组成不复杂，这为研究多孔微差爆破振动效应奠定了基础。

[1] 张雪亮，黄树棠.爆破地震效应[M].北京：地震出版社，1981.

[2] 李翼祺，马素贞.爆炸力学[M].北京：科学出版社，1992.

[3] 宋熙太.爆炸震动中的频谱实例及初步规律[C].防护工程学术交流会文选，1995，(7)：27-28

[4] 刘国振，杨军，陈鹏万，等.某工会大楼爆破拆除地震效应监测分析[J].安全与环境学报，2004，4(增刊)：153-155