爆破振动高程放大效应的试验研究

白 杨，段卫东，徐园园，蒋 培

(武汉科技大学理学院，湖北 武汉，430065)

爆破振动高程放大效应的试验研究

白 杨，段卫东，徐园园，蒋 培

(武汉科技大学理学院，湖北 武汉，430065)

采用实体模型进行不同装药参数下的台阶爆破试验，通过分析各测点的振动速度幅值和波形特征来研究爆破地震波传播过程中高程放大效应的存在规律及诱发原因。结果表明，高程放大效应的强度不与装药量正相关，高程放大效应的产生与爆破中心区岩土表面的鼓包运动有关，同一台阶面上不同部位质点的振动速度衰减规律可以用“鞭梢效应”来解释。

爆破振动；台阶爆破；高程放大效应；振动速度；鞭梢效应

爆破振动是爆破施工中产生的主要危害之一，可导致边坡、建筑物的损害或破坏。影响爆破振动的因素有很多，其中岩体或边坡的高程对爆破振动的强度具有放大效应[1-4]。唐海等[5]通过量纲分析得到一个能反映正高程放大效应的爆破振动公式。周同岭等[6]分析了高程放大效应的机理，认为是界面群的影响才导致正高差地形的放大效应。大部分露天矿、开挖深度超过20 m的铁路和公路路堑、水利工程中的边坡多采用分台阶爆破，当底部台阶爆破时，上部台阶会产生较大的振动，因此研究爆破振动高程放大效应的机理和规律对指导爆破设计、控制爆破振动意义重大。本文拟通过不同装药参数下的高程台阶混凝土模型爆破试验，分析测得振动速度峰值及波形图，结合理论与实际探索爆破地震波在高程变化时的传播规律。

1 试验

1.1 试验材料

1.2 模型尺寸及测点布置

试验实体模型及测点布置情况如图1所示。模型的基本尺寸为：底面1000 mm×1600 mm，坡底宽600 mm,每个台阶宽200 mm，相邻台阶高差300 mm，顶部台阶宽300 mm。预留炮孔深度为150 mm，炮孔直径为10 mm。1#、2#、3#测点均匀分布在坡底与第一层台阶相交线上，2#、4#、5#、6#、7#、8#测点位于台阶中轴线上，4#、7#测点位于各台阶面的外边沿，5#、6#、8#测点位于各台阶面的中心。

1.3 测试方法

采用成都泰测科技有限公司的Mini-Blast I 爆破测振系统测量爆破振动数据。根据预留炮孔，通过改变装药参数来研究不同高程台阶处的振动速度以及波形特征。炮孔布置情况见图2。

试验起爆方式均采用单孔起爆，根据炮孔的起爆顺序进行测点距离和装药参数的记录，如表2所示，其中，装药量为合计药量，即雷管药量与炸药量之和，单发雷管按1.0 g药量计算；测点距离中，“水平”是指测点与爆源之间的水平距离，“高差”是指测点与爆源之间的高程差。一共进行10次爆破。

2 试验结果与分析

2.1 振动速度

基于目标站点的气温、气压、相对湿度、水汽压和风速标准化数据,进行逐日天气模态SOM训练。SOM分析中神经元个数由量化误差和拓扑误差共同决定(Alvarez-Guerra et al.,2008)。量化误差表示某一向量与其对应的最佳匹配神经元之间的平均距离,拓扑误差表示第一匹配神经元与第二匹配神经元之间不相邻的百分比,SOM最优尺寸的确定基于量化误差和拓扑误差数值最小原则。本文最终设置SOM竞争层神经元个数为20(4×5),对应20种主要天气模态。

对1#和4#炮孔爆破后各测点的垂直方向振动速度峰值进行分析，实测数据见表3，表中爆心距是指爆源与测点之间的直线距离。

由表3可以看出，1#炮孔爆破时，总的来说，随着爆心距的增加，各测点的振动速度峰值呈减小趋势，但比较爆心距近似相等的3#测点和5#测点的数据可发现，与炮孔高程差为30 cm的5#测点的振动速度峰值大于高程差为0的3#测点的振动速度峰值，其放大系数k=7.2617/4.8690=1.4914，故表现出比较明显的爆破振动高程放大效应。4#炮孔爆破时，各测点的振动速度峰值具有同样的变化规律，即各测点的振动速度峰值总体上随爆心距的增加而降低，但1#测点和5#测点的爆心距近似相等，而5#测点的振动速度峰值较大，放大系数k=1.0754，也表现出高程放大效应。另外，与1#炮孔相比，4#炮孔的装药量增加，但放大系数反而减小，也就是说，高程放大效应的强弱不与装药量正相关。

2.2 振动速度波形

接近于地表面的一次爆炸总共传递四种波：纵向压缩波(P波)、纵向稀疏波(N波)、剪切波(S波)和Rayleigh表面波(R波)[7]。在实际的岩土爆破中，由于各种波的振幅随传播距离的变化不同，当地质结构比较均匀和规则时，不同范围内起主要作用的波一般是不相同的。地震仪上记录的第一个输入波形即是P波。P波中的主要振动来源于爆炸初期的爆炸冲击与地介质作用传递的压力波。与R波相比，P波的作用时间很短。它的效应与瞬间冲量的效应相当。N波是由爆炸后期爆炸中心区岩土表面的鼓包运动传递的。N波是一种体波，在P波之后形成非常明显的N波第一波段，它是朝向震中方向的水平运动。第一波段之后会接着出现一个或多个较小振幅的波段。但从整体上分析，N波的振荡运动是由几个半波所组成。最后的一个波段属于S波和R波。由于S波传播速度只稍微高于R波，所以在传播过程中，这两个波在较长的时间内能保持不脱离。R波是一种高振幅载波。R波在传播过程中会带动介质质点的运动。像N波一样，当R波使质点离开并回复到平衡位置后，运动大体上就结束了，随后的振动幅值一般都很小。

1#炮孔爆破时1#、2#、3#、5#测点的振动速度时域图如图3所示。由图3可见，在4个测点的振动波形图中，P、N、S、R四种波的初至时刻相隔较远，区别明显，易于分辨，且初期均有较低振幅的高频波P波，最后以R波结束；与高程差为0的3#测点相比，有高程差的5#测点振动速度幅值和频率较大，振幅的增长较快，而且5#测点处于较大振动幅值的时段更长。

图3 测点的振动速度时域图

Fig.3 Time-domain plots of vibration velocity at the measuring points

分析产生高程放大效应的5#测点的振动速度时域图可以发现，其处于较大振幅的波段不是初至波,而是P波之后的N波波段，而N波是由爆炸中心区岩土表面的鼓包运动传递的，因此推断高程放大效应是由于鼓包运动引起的。在分析4#炮孔爆破时各测点的振动速度时域图的时候也发现了类似规律。

2.3 鞭梢效应

在试验监测过程中还发现，位于同一台阶的内、外不同测点，其速度振幅也不相同，一般表现为处在台阶边沿的测点的速度振幅较大，即出现所谓的“鞭梢效应”。对2#、9#、12#炮孔爆破时同一台阶面相邻两测点的垂直方向振动速度进行分析，相关数据见表4。由于测振仪的传感器有一定的体积，可近似认为4#和5#测点、7#和8#测点的爆心距相同，故排除爆心距不同对这两组测点的振动速度的影响。

由表4可见，2#、9#、12#炮孔爆破时，位于第一台阶面外边沿的4#测点振动速度峰值均比台阶面中部的5#测点对应值大；12#炮孔爆破时，位于第三台阶面外边沿的7#测点振动速度峰值也较台阶面中部的8#测点对应值大。因此，即使装药量、爆心距等爆破参数发生变化，位于台阶外边沿的测点处也都表现出明显的“鞭梢效应”。

3 结论

(1)在爆破地震波传播过程中，总体上而言，振动速度随着爆心距的增加呈衰减趋势，但在爆心距相同的情况下，有高程差的测点振动速度要明显高于没有高程差的测点振动速度，即确实存在高程放大效应。另外，高程放大效应的强弱不与装药量正相关。

(2)产生高程放大效应的测点处的地震波为高频高幅波。高程放大效应的诱因与爆破中心区岩土表面的鼓包运动有关。

(3)位于同一台阶面的内、外不同测点，其速度振幅也不相同，一般表现为处在台阶边沿的测点幅值较大，即出现所谓的“鞭梢效应”。

[1] 蒋楠，周传波，平雯，等.岩质边坡爆破振动速度高程效应[J].中南大学学报：自然科学版，2014，45(1)：237-243.

[2] 陈明，卢文波，李鹏，等.岩质边坡爆破振动速度的高程放大效应研究[J].岩石力学与工程学报,2011，30(11)：2189-2195.

[3] Havenith H B,Vanini M,Jongmans D, et al. Initiation of earthquake-induced slope failure: influence of topographical and other site specific amplification effects[J].Journal of Seismology, 2003,7(3):397-412.

[4] Song Xiaolin, Zhang Jichun, Guo Xuebin,et al. Influence of blasting on the properties of weak intercalation of a layered rock slope[J].International Journal of Minerals,Metallurgy and Materials,2009,16(1): 7-11.

[5] 唐海,李海波.反映高程放大效应的爆破振动公式研究[J].岩土力学，2011，32(3)：820-824.

[6] 周同岭,杨秀甫,翁家杰.爆破地震高程效应的实验研究[J].建井技术,1997，18(S1)：31-35.

[7] 林大超,白春华.爆炸地震效应[M].北京:地质出版社,2007:63-64.

[责任编辑 尚 晶]

Experimental study on elevation amplification effect of blasting vibration

BaiYang,DuanWeidong,XuYuanyuan,JiangPei

(College of Science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065,China)

Bench blasting experiments with different charge parameters were conducted on entity models. By analyzing the vibration velocity amplitude and waveform characteristics at each measuring point, the law and inducement of elevation amplification effect during the propagation of blasting seismic wave were studied. The results show that the intensity of elevation amplification effect is not positively related to the explosive charge amount, and this effect is attributed to the bulging process of rock surface at the blasting central area. The “whipping effect” can be used to explain the attenuation law of vibration velocity at different positions on the same level.

blasting vibration; bench blasting; elevation amplification effect; vibration velocity; whipping effect

2015-01-09

国家自然科学基金资助项目(51174147).

白 杨(1987-)，男，武汉科技大学硕士生.E-mail:120103296@qq.com

段卫东(1965-)，男，武汉科技大学教授，博士.E-mail:duanweidong@wust.edu.cn

O382

A

1674-3644(2015)03-0216-04