节理岩体爆破振动传播衰减规律相似模型试验研究*

李继业，康 强，赵明生，王园园

(1.中交一公局 第四工程有限公司，南宁 530003；2.保利新联爆破工程集团有限公司，贵阳 550002；3.河海大学 土木与交通学院，南京 839202；4.贵州建设职业技术学院，贵阳 551499)

节理裂隙是岩体最常见的构造特征，也是工程爆破施工最不可避免又具有重要影响的岩体构造。节理裂隙不但在炸药爆破过程中影响爆破效果，也通过影响爆破振动波的传播衰减，从而在爆破振动相关研究中具有重要意义，一直以来都是爆破行业岩石构造特征研究中的重点内容。节理裂隙的存在带来的爆破振动波的反射散射透射效应，结合自然岩体随机生成的复杂几何形态，在考虑到爆破振动波本身作为非平稳信号的复杂多变，在岩体中会形成非常复杂的响应特征。除了爆破振动波本身入射角、频率、幅值、持续时间及节理的倾角、厚度、数量等几何形态的影响，节理填充物的刚度、多相介质特征、张开闭合断续特征、粗糙度等也同样影响到节理对爆破振动波的透反射效应[1-3]，从而带来了实际上非常复杂的综合效应。除了作为地震动有关研究的子集的爆破振动有关研究，天然地震研究领域、地球物理勘探领域等同样非常重视岩体节理裂隙，节理裂隙影响地震波传播衰减规律的研究在多个领域都具有显著的重要意义。

近年来，有关节理裂隙对爆破振动波的研究有：杨仁树等采用ABAQUS/EXPLICIT的有限元模拟[4]，以ricker子波信号作为爆破震源，分析了爆破后产生的复合应力场状态与爆炸应力波在节理处的反射与衍射效应，以及节理在爆炸应力波作用下的破坏特征。陈雪峰等采用水泥砂浆制作岩石模型试件[5]，以天然岩体常见的充填物红黏土作为模型节理材料，试验研究了充填节理厚度对爆炸应力波的吸收衰减作用。李鹏等采用FLAC3D模拟巷道上方存在两条平行节理条件[6]，输入爆破荷载分析了层状节理岩体对爆破振动波在不同方向的作用规律。刘洪宇等采用数值模拟分析了2条平行节理条件下[7]，节理刚度、归一化间距、倾角、刚度比等对P波衰减的影响作用。董千采用云母片模拟充填节理[8]，分析了地应力作用对节理对爆炸应力波衰减规律的影响，结果显示在地应力作用下节理倾角、数量、间距等对爆炸应力波的作用与无地应力条件存在差异。柴少波等采用UDEC分析了平面P波在两条交叉节理中的传播规律[9]，模拟显示节理刚度、几何形态、入射波频率等都会影响透反射系数，且交叉节理不同位置的透反射系数也不同。

节理与入射波间的夹角、节理刚度、节理数量、节理间距等一直是相关研究的重点。相比天然岩体节理裂隙发育的随机性，采用模型试验可以根据需要严格控制模拟节理的条件，因此成为了节理有关研究常用的试验研究手法。采用水泥砂浆制作岩石相似模型试件，以云母片作为节理相似材料模拟充填节理，开展试验研究，分析了上述因素对爆破振动传播衰减规律的影响作用，研究成果可以为节理岩体条件下的爆破振动控制提供参考。

1 试验方案

1.1 相似材料配方

相似模型实验采用水泥石膏材料制作试件。水泥石膏材料在脆性上接近岩石，是常用的相似材料之一。参考有关文献[8,10]，选取的材料为42.5硅酸盐水泥、粒度模数为中砂的河砂、特技熟石膏，配比为细砂∶水泥石膏=4∶1，水泥∶石膏=7∶3，水固比=5∶1。采用上述配比分别制作3个正方体标准试件与6个圆柱体试件，放入养护箱养护满28 d后，经过打磨机加工后，开展单轴抗压强度测试、巴西劈裂测试、直剪测试、密度测试等性能测试试验，试验见图1所示。经过物理力学测试取平均值，上述配比下的有关参数为：密度为2034.6 kg/m3、单轴抗压强度6.7 MPa、抗拉强度约0.7 MPa、弹性模量为5.26 GPa、泊松比0.25、内聚力0.78 MPa、内摩擦角31.2°。由于天然岩体的性能参数变化值很大，因此上述配方及其性能参数对应不同岩体时的相似比不同，如对应于石灰岩的相似比在20左右。

1.2 相似模型设计

模型尺寸如图2所示，均为长2 m，截面尺寸0.2 m的长方体试件。起爆点设置在试件中间，试件两边分别可以设置一种节理条件，从而可以一次起爆获取2种条件的振动数据。参考文献[8]的设计，在试件中央放置一个10 cm直径钢管，在钢管内部中点预制炮孔，放入雷管堵塞后作为爆源，从而可以利用钢管保护水泥砂浆试件避免爆炸破坏，实现对一个试件进行重复利用。

图 1 岩石力学性能测试

图 2 试件示意图(单位：mm)

模型中使用云母片模拟节理材料。为了固定云母片，采用在木头模具底部木板上开槽，以及上部使用开槽木条固定，从而确保浇筑模型振捣水泥砂浆过程中云母片的固定，如图3所示。

图 3 模具照片示例

相似模型试验总共包括了下述条件：数量1条、2条、3条，间距均为5 cm；三种节理倾角20°、40°、60°，均为3条5 cm间距节理。试验试件浇筑完成后需浇水养护28 d以上。

2 模型试验及数据

试验测试采用仪器为国产爆破测振仪TC-4850，采用石膏作为耦合剂固定在试件轴线上节理前后位置，两侧测点距离最中间节理中点距离均为13 cm。每次爆破前在钢管内采用与试件相同配方水泥石膏材料填塞入钢管内并留出炮孔，然后养护7 d以上。爆源均为单发电雷管，放置位置位于试件中心处，并采用速凝石膏堵孔。

试验情况如图4所示。

模型试验所得典型信号如图5所示。

图 4 相似模型试验

图 5 典型信号

测试所得数据如表1所示。

表 1 试验数据

3 数据分析

由于模型为长宽比10∶1的对称长方体且爆源位于轴线上，导致处于对称方向上的试件表面的水平切向爆破振动信号幅值远小于水平轴向与垂直方向，数值相差达一个数量级，因此在此忽略不予分析，只对水平轴向与垂直方向振动信号进行分析。

(1)节理数量对爆破振动影响

节理数量对水平轴向、垂直方向爆破振动衰减规律影响的振动测试数据分析结果如图6所示。

图 6 不同节理数量爆破振动数据分析

基于相似模型试验，可以得到如下结论：

①入射波的变化：相比完整模型的震动术，节理模型在节理前入射波处测点随着节理数量由1增加到3，测得入射波振速值呈现增大趋势，增大的幅值相比完整模型由1到3个节理分别为：水平轴向10.1%、17.2%、21.1%，垂直方向11.9%、14.4%、20.2%。水平轴向与垂直方向的变化规律一致，变化幅值也接近处于同一数量级。由于测点位置固定，而随着节理数量的增大节理距离测点更近，因此这种幅值的变化应来自于测点与节理距离减小带来的反射波叠加效应的增强。

②出射波的变化：与完整模型比较，节理使出射波振速衰减增大，1至3条节理的出射波振速相比完整模型，分别下降：水平轴向13.3%、18.9%、35.3%，垂直方向13.8%、18.8%、33.0%。显然，随着节理数量的增大，出射波振速衰减值也越大。水平轴向与垂直方向的变化规律一致。

③衰减率的变化：由于入射波在节理作用下，受到反射叠加作用影响存在一定程度的幅值增大现象，因此在此以完整模型的入射波振速值为基准比较不同节理数量的出射波相比完整的衰减比例，则完整、1条节理、2条节理、3条节理条件的衰减率分别为：水平轴向57.0%、62.7%、65.1%、72.2%，垂直方向58.8%、64.5%、66.3%、72.4%，总体看振速随着节理数量增大而加速衰减，但是衰减增加的程度较小。

(2)节理角度对爆破振动影响

节理角度对水平轴向、垂直方向爆破振动衰减规律影响的振动测试数据分析结果如图7所示。

图 7 不同节理倾角爆破振动数据分析

基于不同节理倾角的相似模型试验，可以得到如下结论：

①入射波的变化：相比完整模型的振速，入射波处振速也有所增大，且随着节理角度有所变化，倾角20°、40°、60°的入射波振速相比完整模型的增大比例值分别为：水平轴向19.2%、19.0%、19.9%，垂直方向19.6%、17.6%、21.4%。整体上，入射波的变化没有显示出线性的规律变化。

②出射波的变化：相比完整模型出射波数据，不同角度节理模型出射波的振速幅值在20°、40°、60°节理倾角条件下的降幅分别为：水平轴向31.9%、27.7%、24.2%，垂直方向34.4%、26.5%、21.1%。水平轴向与垂直方向变化趋势一致，均随着节理倾角增大而减小，也即随着入射波入射角的减小而减小。

③衰减率的变化：同样由于节理模型入射波的增大效应，在此以完整模型的测点数据为基准计算节理模型的振速变化幅值，则0°、40°、60°节理倾角三种条件下的衰减率分别为：水平轴向70.7%、68.9%、67.4%，垂直方向73.0%、69.7%、67.5%。数据显示爆破振动随着节理倾角的增大，也即随着入射角的减小而逐渐减小。

4 结论

采用相似模型试验对节理的数量、倾角对爆破振动波传播衰减规律的影响进行了分析，结论如下：

(1)相似模型试验表明节理区域前方振动波入射区域存在入射波幅值增大的现象，节理区域后方出射波存在幅值减小的现象，节理区域的存在显著的提高了爆破振动波的衰减率。

(2)分析了节理数量对爆破振动波衰减规律的影响，结果显示随着节理数量的增大，爆破振动波的衰减率随之增大，增大的幅度较小。

(3)分析了节理倾角对爆破振动波衰减规律的影响，结果显示随着倾角的增大，爆破振动波衰减率有所上升，但是幅值较小，倾角由0°增加到60°，爆破振动波衰减率略有增加约6%。