建筑物对爆炸地震波传播的影响

马 坤，陈亚红，陈 洁，曾 丹，张树海*，苟瑞君

(1.中北大学环境与安全工程学院，太原 030051；2.中国兵器工业火炸药工程与安全技术研究院，北京 100053)

近年来各种意外爆炸事故仍是最严重的灾害事故之一，2020年6月浙江温岭一液化气罐车在行驶路面发生爆炸，并引发附近一间厂房发生二次爆炸，造成周围建筑物不同程度损坏以及巨大经济损失；2019年3月江苏盐城一化学储存仓库发生爆炸，爆炸事故波及到周围居民房屋及多所学校，造成不同程度的损害[1-2]。炸药在生产及储存过程中发生意外爆炸多为地面爆炸，爆炸过程中绝大部分部分能量会以热能、地震波和冲击波等形式释放，可能造成爆炸振动、空气冲击波、噪声等公害。其中特别是爆炸产生的地震波。爆炸地震波的主频率一般较低，与周围建筑物和设施相近，有可能引起共振从而对周边建筑产生不良影响，严重的话有可能会给人民的生命财产造成危害和损失[3-4]。

对爆炸地震波传播规律分析是控制其危害的重点。卢文波等[5]通过对岩土爆破地震波主频分析，认为其主频衰减存在离散性；闫常陆等[6]通过对岩石爆破地震波峰值速度进行拟合回归，得到地震波振动幅值的衰减规律；林大超等[7]采用多种变换方法对爆炸地震波信号进行时频分析，认为小波变换方法可以更好地给出爆炸地震波的细节信息；李松[8]通过实验验证说明地震波以不同角度穿过不同介质时其振速会发生改变。田运生等[9]和魏晓林等[10]通过研究建筑结构对地震波的响应来分析地震波的危害，但未对建筑结构对地震波传播的影响进行讨论。唐海等[11]研究了复杂地形下地震波的传播规律，并结合经验公式得到符合高程放大效应的振动公式。张永哲[12]根据实测数据,分析了地表断层对地震波传播的影响。钟冬望等[13]结合边坡模型试验，认为爆炸地震波在边坡坡体处传播时与在平地传播时有较大差异。通过以上研究表明，地震波的传播规律不但与起爆药量、传播距离有关，还受到地质地形等因素的影响。

由于在爆破工程方面的广泛应用，岩土中爆炸所诱发的地震波得到了广泛研究，而实际发生意外爆炸时多为地表爆炸，因此对地表爆炸地震波的传播规律有待进一步研究与完善。同时较多研究主要讨论建筑物对地震波的响应，关于建筑物的存在会对地震波传播和衰减造成的影响目前尚不明确。将通过对建筑物内部及外部进行爆炸试验，采集所形成的地震波信号，总结出建筑结构对地面爆炸地震波传播规律的影响，为实际生产和炸药储存厂房的安全距离判定提供合理的依据。

1 试验概况

试验修建钢筋混凝土建筑模型，侧翼两面为砖墙，朝向爆心一面的墙为钢筋混凝土墙，此墙高7 m，跨度9 m，顶部为现浇钢筋混凝土屋盖。地基向下埋深1.5 m，地基结构为钢筋混凝土筏板基础，混凝土标号C30，钢筋标号二级钢Q235b，持力层(地基与环境介质接触的层面为持力层)为粉质黏土，地表回填土及砂石约800 mm厚。建筑物的结构模型如图1所示。

图1 建筑物结构模型平面图

使用TNT炸药在地面引爆，分别测量在建筑物外部进行爆炸(结构被爆)及建筑物内部进行爆炸(结构主爆)时的地震波信号，药量分别为1 000 kg、200 kg。主装药采用袋装TNT包堆放，包装规格为50 kg/袋，为了方便TNT包堆放，设定方形交错堆垛方式，扩爆药柱置于药包堆垛的顶面中心处。试验采用“雷管→传爆药→扩爆药→主装药”传爆序列，起爆点设在主装药上部中心，采用电雷管起爆，传爆药柱插入扩爆药柱的传爆药孔内，扩爆药柱埋入主装药上表面内。试验均为地表爆炸。

试验测震系统选用成都中科测控有限公司生产的TC-4850型便携数据采集仪，传感器选用TCS-B3型三轴振动速度传感器，该传感器具有体积较小、便于安装、抗干扰能力较强、测试精度高等特点。由于试验场地为沙土场地，土质疏松，考虑到炸药爆炸时会产生强烈的地震波与冲击波，使用传统的地表石膏粉或钢钎固定传感器会导致试验时传感器松动[14]。因此测试时将传感器埋于地下50 cm处，传感器放置的平面压平，x方向指向爆源中心，用信号线连接采集信号仪器输入口，将数据采集仪埋于旁边70～100 cm处防止爆炸产生的碎片将仪器损坏。试验采用16 kHz采样率。为保证不丢失触发前的信号头，设置采样负延时为-2 000 ms。信号采集仪器与传感器布置如图2所示。

采集地震波信号时通常是沿爆源中心的径向或环向布置一条或几条测线。在一条测线上测点数一般不少于5个。限于试验场地原因，测点位置间隔采用对数间隔会导致远距离测点地质环境改变，为了测距及记录与计算准确，测点间距采用等差数设置。不同工况下的测点布置如表1所示。

表1 试验工况测点位置

2 爆炸地震波信号分析

2.1 爆炸地震波峰值速度变化规律

使用相关分析软件，读取采集到的爆炸地震波信号，得到结构被爆和结构主爆地震波径向、切向和垂向三个方向的地震波波形图，如图3、图4所示。

由图3、图4所示波形图可以看出，地震波的振动由不规则的强烈振动转化为较为规则的阻尼振动，地震波振动速度衰减快，持续时间短，一般来说，选取地震波振幅相中的最大振幅作为研究对象，即波形图中的最大偏移位置。由于此次试验为地面爆炸，故主要以表面波为主，所以三个方向的速度分量中垂直方向峰值速度更大，其次是水平径向。随着测点到爆心距离的增加，爆炸地震波的峰值速度逐渐降低，表明爆炸地震波在由近及远传播过程中振动强度不断减小，但由于主爆与被爆测试距离与药量不同，为对其进行更详细的分析，通过分析软件BVA(blasting vibration analysis)得到主爆与被爆地震波各个方向的峰值速度如表2、表3所示。

表2 工况1各测点振动峰值速度

表3 工况2各测点振动峰值速度

图3 被爆测点振动速度波形图

图4 主爆测点振动速度波形图

试验中记录了试验模型主爆和被爆两种工况各个信号采集点三个方向的分量振动速度:水平径向(x)、水平切向(y)以及垂直方向(z)。由于测得的地震波信号为地面爆炸所产生，所以表面波对质点的振动速度影响很大，其中垂直方向的速度分量主要是由表面波引起，由波形图和表中数据也可以看出垂直方向振动峰值速度更大，故对垂直方向质点的振动峰值速度进行线性拟合。将爆炸地震波的衰减影响因素用质点峰值振动速度来描述，一般体现形式为

(1)

式(1)中:v为质点峰值振动速度，cm/s；Q为爆炸最大装药量，kg；R为测点到爆心距离，m；K是与爆炸方式、环境介质等有关的系数；α表示地震波随传播距离衰减的指数。对式(1)中的K、α进行线性拟合，得到符合本次试验的地震波传播规律，对式(1)两边取对数得

(2)

(3)

通过对模型结构被爆的峰值速度线性拟合，得到符合本实验场地环境的K和α值，因为K和α是与环境介质有关的系数和衰减指数，此次实验场地环境介质为土质较为松软的沙土介质，由于钢筋混凝土地基向下埋深1.5 m，改变了地质条件,外加实验为地面爆炸，故建筑物地基显著影响了地震波传播的环境介质。为了进一步比较建筑物对地震波传播造成的影响，同时也为了便于不同药量爆炸之间相互比较，把距爆心的实际距离转化为比例距离处理，将比例距离公式定义为

(4)

式(4)中:R是爆心距，m；结合式(1)，爆炸振动速度的表达式为

(5)

不考虑爆炸地震波传播过程中发生的折射和反射，只考虑振动速度幅值的衰减。取上述结构被爆拟合出来的公式，求解速度-比例距离曲线，再将结构主爆的峰值速度与比例距离的关系在图中标记，如图5所示。

图5 被爆拟合曲线、被爆及主爆振幅-比距离关系

在相同比例距离的条件下，结构主爆的爆炸振动峰值速度比结构被爆振动峰值速度下降更快，所以爆炸地震波在传播过程中，建筑物地基结构会改变地质条件，引起地震波的反射、折射及散射，从而使地震波的衰减更快。在靠近爆心位置结构主爆峰值速度会迅速下降，建筑结构对地震波传播的峰值速度有着显著的削弱作用。

2.2 爆炸地震波频率分析

爆炸地震波造成的危害还与其振动频率密切相关，爆炸地震波振动频率也是描述地震波信号的一个重要因素。有必要了解爆炸地震波振动信号的频率变化规律，频谱分析能够求得爆炸地震波信号中各种频率成分以及它们的能量分布情况。

近年来，小波包变换理论在频谱分析中得到广泛应用，能够更好地反映地震波信号在不同频率带上的能量分布情况。采用db8小波基本函数更适合处理类似于地震波这样的短时非平稳振动信号[15]。利用编程分析软件对本次试验的地震波信号进行小波包分析，试验采样频率为16 kHz，则其奈奎斯特(Nyquist)频率为8 000 Hz。分解层次为9层，其频带宽为15.625 Hz，优势频率主要分布范围在0～125 Hz，所以提取前8个频带的小波包频带能量谱图，将8个频带标号为1～8，频率范围分别为0～15.625 Hz、15.625～31.250 Hz、31.250～46.875 Hz、46.875～62.500 Hz、62.500～78.125 Hz、78.125～93.750 Hz、93.750～109.375 Hz、109.375～125 Hz。取结构被爆于结构主爆的1号和4号测点得到小波包频带能量谱如图6所示。不同工况下各频带能量占比如表4所示。

图6 测点1、4小波包频带能量谱

表4 工况1、2各频带能量占比

通过小波包变换能量频谱可以看出，爆炸地震波的能量分布在0～125 Hz内，但主要能量多集中在相对固定的频率范围。随着地震波的传播及时间的推移，结构被爆的振动传播在没有建筑物的影响下其振动所携带的能量有向高频发展的趋势，优势频率在46.875～62.500 Hz能量占比增加，使爆炸地震波能量分布具有多峰值特点。结构主爆的地震波能量分布则多集中在低频成分，随着地震波的传播能量分布没有往高频发展的趋势，说明建筑物影响了地震波传播的环境介质，使高频分量的能量衰减更快，信号主要以0～31.250 Hz的低频成分为主。利用小波包变换的分析方法研究短时非平稳振动信号的能量分布情况具有可行性。

3 结论

通过建立钢筋混凝土模型，引爆不同药量的TNT炸药，对测得的地震波信号数据进行线性拟合以及小波包变换分析，得到以下结论。

(1)地震波振动的三个方向速度分量中垂直方向速度峰值更大，振动速度衰减快，持续时间短，随着测点到爆心距离的增加，爆炸地震波的速度峰值降低，表明爆炸地震波在由近及远传播过程中随着地震波的振动强度不断减小，峰值速度也相应降低。

(2)对结构被爆垂直方向上的峰值速度进行了线性拟合，在相同比例距离条件下，由于建筑物地基的存在会改变传播介质的均一性，引起地震波的反射、折射及散射，从而使传播峰值速度衰减更快。建筑物地基对地震波传播的峰值速度有削弱作用，会使其在经过地面建筑物后以较低峰值速度传播。

(3)利用小波包分析方法得到爆炸地震波能量在0～125 Hz不同频带上的能量分布情况。在没有建筑物的影响下，随着地震波的传播在46.875～62.500 Hz频带上能量占比增加，当地震波传播经过建筑物时，建筑物改变了其传播的环境介质，使高频成分能量衰减，振动信号能量分布以0～31.250 Hz为主。

通过研究建筑物对爆炸地震波传播的影响，补充了地震波的传播规律，为实际厂房生产和仓库炸药储存安全距离的判定提供重要参考依据。