褚懷保， 葉紅宇， 楊小林， 梁為民， 余永強

(河南理工大學 土木工程學院，河南　焦作　454000)

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基于損傷累積的爆破振動傳播規(guī)律試驗研究

褚懷保， 葉紅宇， 楊小林， 梁為民， 余永強

(河南理工大學 土木工程學院，河南焦作454000)

摘要：為進一步揭示基于損傷累積的爆破振動波傳播與衰減規(guī)律，設計混凝土試塊進行損傷累積及爆破振動測試試驗。結果表明，測點損傷值隨爆破次數(shù)增加持續(xù)增大，中遠區(qū)測點損傷有初期緩增及后期突增兩階段；測點單次爆破振動速度隨距離增大而減小，近區(qū)測點振動速度減小較中、遠區(qū)測點快；測點爆破振動速度隨爆破次數(shù)增加總體減小，且爆源近區(qū)減小較快，中遠區(qū)呈小幅度緩慢減??；隨爆破次數(shù)繼續(xù)增大各測點振動速度存有突增過程，且衰減系數(shù)α增加緩慢，K值減小，兩者均存在小幅度畸變過程；多次爆破時確定振動安全閾值及爆破振動波傳播衰減規(guī)律(K、α值)時應充分考慮損傷累積效應。

關鍵詞：損傷累積；爆破振動；傳播與衰減規(guī)律；試驗研究

爆破技術廣泛用于礦山開采、隧道開挖、鐵路公路路塹開挖、各類建(構)筑物基礎開挖與處理、水利水電設施建設及核電建設工程等領域，可加快工程建設速度、提高生產效率，經濟、社會效益顯著[1]。隨爆破規(guī)模、次數(shù)增大增多，所致危害效應隨之增大，尤其爆破地震效應，不可避免對周圍混凝土類建(構)筑物結構(如混凝土襯砌、混凝土大壩、各類混凝土基礎等)造成一定程度擾動損傷及破壞[2-5]，嚴重影響其強度及耐久性，威脅結構的穩(wěn)定性。因此，爆破振動危害評價與控制成為爆破安全技術的重大研究課題[6]。

對爆破振動危害評價、控制的依據(jù)為《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)，該規(guī)程建立在大量結構爆破振動危害的調查統(tǒng)計基礎上。而該評價方法及控制指標只考慮爆破振動質點峰值速度及主頻，且均基于單次爆破，未考慮對混凝土結構塑性損傷的累積效應，對周邊環(huán)境影響不可避免，甚至引發(fā)糾紛。

本文設計混凝土試塊損傷累積進行表面爆破的振動及超聲波測試，揭示基于損傷累積效應的振動傳播與衰減規(guī)律，以期為科學的安全判據(jù)構建、災害控制研究提供參考，提升混凝土耐久性，延長工程壽命，確?；炷两Y構在不同爆破振動環(huán)境的可靠性。

1爆破振動形成機理

孔或藥室內炸藥爆炸會產生高溫高壓爆轟氣體膨脹擠壓周圍介質，在介質中產生沖擊波或應力波，沖擊波使藥包近區(qū)介質發(fā)生粉碎性破壞而消耗大量能量并迅速衰減為應力波。應力波攜帶能量繼續(xù)傳播使介質承受剪切及拉應力，在介質內產生新的裂隙或促使原裂隙進一步擴展，衰減的應力波攜帶剩余能量傳播到地面形成周期性震動的地震波引起地面質點振動。沖擊波與應力波在介質中的傳播會改變介質內部應力場并劣化力學性質。

炸藥爆炸引起的地面質點振動非常復雜，爆破條件、類型、爆區(qū)地形、地質條件及傳播介質特性等諸多因素均對振動效果及衰減特性產生影響，其振幅、周期及頻率均隨時間、空間變化，振動物理量一般用質點振速、加速度、位移及頻率等表示，即用地面質點振動速度作為爆破地震效應強度的衡量指標，爆破振動衰減規(guī)律理論依據(jù)多采用薩道夫斯基經驗公式[7]，即

V=K(Q1/3/R)α=Kρα

(1)

式中：V為質點振動速度(cm/s)；Q為裝藥量(kg)；R為測點至爆破中心距離(m)；K，α為與爆源至測點間地形、地質條件有關的系數(shù)及衰減指數(shù)；ρ=Q1/3/R為比例藥量。

K，α通過爆破試驗所得介質質點振動速度及相應藥量、距離實測數(shù)據(jù)，利用最小二乘法求解獲得。將式(1)兩邊取對數(shù)，得

lnV=lnK+αlnρ

(2)

設y=lnV,a=α，x=lnρ，b=lnK，據(jù)最小二乘法原理及二元函數(shù)極值定理得

(3)

由式(3)求得a，b唯一解，再由變量代換，得

2混凝土試塊爆破損傷累積試驗方法

在實驗室制作C40混凝土試塊，尺寸為1 500 mm×500 mm×300 mm，見圖1(a)。機械攪拌后在模板中用小型振動棒振搗成形，人工養(yǎng)護28天。在距試塊一端300 mm處預留炮孔，深度180 mm，直徑16 mm，試驗時裝入3.5 g黑索金炸藥，濕潤黃土堵塞，引火藥頭引爆。

圖1　試驗圖片F(xiàn)ig.1 Experimental pictures

3混凝土試塊爆破試驗結果及分析

3.1混凝土試塊多次爆破試驗結果

混凝土試塊共進行9次爆破試驗，第9次爆破后試塊破壞，記錄試塊表面各測點垂向爆破振動波形及速度，振動波形見圖2。據(jù)測試所得測點爆破振動波速值，利用薩道夫斯基公式對每次爆破后各測點振動速度值回歸獲得試塊表面爆破振動衰減系數(shù)α及K值，測試結果見表1。

據(jù)超聲波檢測儀對試塊爆破前后波速測試結果，計算損傷值見表2。

3.2混凝土試塊多次爆破測試結果分析

為分析混凝土試塊表面爆破振動速度傳播規(guī)律，據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制各次爆破后試塊測點振動速度隨距離增大的變化曲線見圖3，據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制各測點損傷值隨爆破作用次數(shù)增加變化曲線見圖4。

為進一步分析爆破振動隨爆破作用次數(shù)增加的變化規(guī)律，據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制每次爆破后測點振速隨爆破次數(shù)增加的變化曲線見圖5，每次爆破后振動衰減系數(shù)α，K值隨爆破作用次數(shù)增加變化曲線見圖6。

圖2　實測爆破振動波形Fig.2 Measured blasting vibration waveform

測點爆破次數(shù) 1234567Kα117.045736.511525.504913.941082.54452.281231.687296.944410.6905211.859848.686126.535072.135442.028041.722860.881395.956270.8020139.60664.153212.640531.605750.941830.707130.638293.51220.8847845.982275.744352.973522.946090.716370.642740.495093.37420.8389156.602664.035193.352172.537440.924060.698240.428483.277310.8168966.007894.104222.602672.869470.63640.608330.45183.006380.828975.697131.948561.365370.849510.685270.697130.270861.962680.82435810.721213.439484.292122.486362.741081.906021.010164.3270.5892293.604291.641241.339760.908370.770790.467350.356331.619770.67655

表2　爆破損傷測試結果

圖3　爆破振動速度與測點距離關系Fig.3 Relationships between vibration velocity and distance

圖4　測點損傷值與爆破作用次數(shù)關系Fig.4 Relationships between damage value and blasting times

圖5　測點振速與爆破作用次數(shù)關系Fig.5 Relationships between vibration velocity and blasting times

圖6　衰減系數(shù)α，K值與爆破作用次數(shù)關系Fig.6 Relationships between α，K and blasting times

(1) 由圖3看出，每次爆破測點振速沿炮孔中心縱向隨距離增大而減小，且爆源近區(qū)1、2測點振速快速衰減，中遠區(qū)、遠區(qū)3～7測點緩慢衰減。

介質點振動由爆破地震波傳播過程對其擾動作用產生，地震波傳播為能量通過介質點擾動向爆源四周擴散傳遞過程，由于轉換為爆破地震波的能量只占炸藥爆炸釋放能量的小部分，且在爆破地震波從爆源向地面?zhèn)鞑ミ^程中隨傳播距離增大，一方面波陣面不斷擴大，另方面則因介質內阻尼吸收作用，使爆破地震波能量及振幅不斷衰減。式(1)表明條件一定時質點振速隨距離增大呈指數(shù)衰減。介質衰減作用大小與地震波振動頻率有關，對高頻振動，介質阻尼作用較大，即高頻振動含量更易被吸收，且爆源近區(qū)形成粉碎區(qū)，炸藥爆炸能量損耗嚴重，導致離爆源較遠處高頻振動分量被顯著衰減，低頻成分相對較大，故爆源近區(qū)質點振速衰減較快，中遠區(qū)、遠區(qū)衰減較慢。

(2) 由圖4看出，各測點爆破損傷值隨爆破次數(shù)增加持續(xù)增大，但近區(qū)測點損傷值較中遠區(qū)大，且近區(qū)測點損傷值處在較高值閾內緩慢增長；中遠區(qū)測點損傷值則隨爆破次數(shù)增加分為初期緩慢增加與后期突然增大兩階段。

混凝土試塊近區(qū)爆破損傷主要由爆炸應力波作用及爆生氣體驅動作用產生的宏觀斷裂損傷，爆炸應力波隨距離增加迅速衰減，故爆破近區(qū)損傷快速降低。中區(qū)、遠區(qū)爆破損傷主要由爆炸應力波與爆生氣體潛在及間接擾動作用引起，累積損傷斷裂演化經歷物理力學性能逐漸劣化，宏觀及整體力學性能損傷劣化程度增加、混凝土試塊整體性與承載力急劇降低突然失穩(wěn)破壞3個階段[9-11]。

爆破作用次數(shù)較少時由應力集中作用僅能引起初始裂紋尖端處介質晶粒的錯動、滑移，該局部影響幅度、范圍較小，故初期損傷值累積增長速度緩慢，處于損傷累積演化的初始損傷階段及細觀裂紋形成、擴展階段，但此不可逆的錯動、滑動不斷累積疊加，隨爆破作用次數(shù)繼續(xù)增加損傷累積效應愈明顯，動態(tài)應力強度因子增大至混凝土動態(tài)斷裂韌度，細觀裂紋轉化為宏觀主裂縫，混凝土試塊的完整性及力學性能大幅下降，宏觀主裂縫加速擴展直至混凝土試塊破壞，致中遠區(qū)測點損傷值在爆破作用次數(shù)達到一定值后呈突變過程。

(3) 由圖5看出，各測點爆破振速隨爆破作用次數(shù)增加總體減小，且爆源近區(qū)質點振速減小幅度較中遠區(qū)測點明顯，中遠區(qū)測點振速僅有小幅降低，但隨爆破作用次數(shù)繼續(xù)增大各測點振速存在突增過程。隨爆破作用次數(shù)增加混凝土試塊內部損傷不斷發(fā)展(圖4)，應力波攜帶能量更多的被介質吸收，衰減系數(shù)不斷增大，導致測點振速隨爆破作用次數(shù)增加而降低。

爆破近區(qū)損傷主要為爆炸應力波作用及爆生氣體驅動作用產生的宏觀斷裂損傷，且爆炸應力波隨距離增加迅速衰減，故爆破近區(qū)損傷快速降低。中區(qū)爆破損傷則主要由爆生氣體準靜態(tài)應力場作用引起，損傷衰減緩慢；遠區(qū)爆破損傷主要由爆炸應力波與爆生氣體潛在與間接擾動作用及邊界反射波作用引起，且試驗藥量較小，故遠區(qū)爆破損傷值及變化幅度較小，呈近似平穩(wěn)狀態(tài)。

混凝土試塊承受爆破作用次數(shù)較少時，其內部初始裂紋基本不擴展，但由于應力集中作用，裂紋尖端處介質晶粒結構在爆破作用后均發(fā)生錯動、滑移，該錯動、滑移不可逆，且隨爆破作用次數(shù)增加累積疊加，致裂紋尖端發(fā)生局部損傷及變形引起混凝土試塊的物理力學性能逐漸劣化，但試塊宏觀與整體力學性能不會發(fā)生明顯劣化。爆破作用次數(shù)增加裂紋尖端局部損傷變形累積引起初始裂紋起裂擴展逐漸形成細觀裂紋，次數(shù)繼續(xù)增加則細觀裂紋逐漸貫通使混凝土力學參數(shù)劣化加劇形成宏觀裂縫，致試塊內部損傷逐漸增大，表面質點振速緩慢降低。宏觀裂縫形成時混凝土內部的細觀裂紋數(shù)量減少，僅需較少能量即致主裂縫寬、長度增大，此時應力波攜帶的能量轉化為地面質點振動能量增大，測點振速存在突增過程，爆破時爆炸能量沿宏觀裂縫泄露，質點振速又會降低。

(4) 由圖6看出，振動衰減系數(shù)α隨爆破作用次數(shù)增加總體上緩慢增加，但次數(shù)繼續(xù)增加時則存在小幅度減小過程；K值隨爆破作用次數(shù)增加總體呈降低趨勢，且降低幅度減小。

α與K反映爆破場地條件及振動波傳播介質的地質條件,可通過爆破試驗所得介質質點振速及藥量、距離實測數(shù)據(jù)，利用最小二乘法求得。爆破作用次數(shù)增加爆破損傷持續(xù)緩慢增大(圖4)，必會增大爆破振動傳播過程的衰減速度。本試驗過程中爆破振動測點有5個在中、遠區(qū)，僅2個在近區(qū)，因此α值及變化規(guī)律主要受中、遠區(qū)爆破振速傳播與衰減過程決定，α隨爆破作用次數(shù)增加緩慢增大。K值隨試塊質量損傷劣化呈降低趨勢。隨爆破作用次數(shù)繼續(xù)增加各測點振速存有突增過程，該過程由質點振速計算式(1)可直接反映介質完整性增強，故α值減小，K值增大。

4結論

(1) 單次爆破測點振動速度沿炮孔中心縱向隨距離增大而減小，且爆源近區(qū)測點振動速度快速衰減，中、遠區(qū)緩慢衰減。

(2) 測點爆破損傷值隨爆破作用次數(shù)增加持續(xù)增大，但近區(qū)測點損傷值較中遠區(qū)大，且近區(qū)測點損傷值處在較高值閾內緩慢增長；中遠區(qū)測點損傷值隨爆破次數(shù)增加分初期緩慢增加、后期突增兩階段。

(3) 各測點爆破振動速度隨爆破作用次數(shù)增加總體減小，且爆源近區(qū)測點振速減小幅度較中遠區(qū)明顯，中遠區(qū)測點振速僅小幅度減??；爆破作用次數(shù)繼續(xù)增大時，各測點振速存有突增過程。

(4) 爆破振動衰減系數(shù)α隨爆破作用次數(shù)增加總體緩慢增加，但爆破作用次數(shù)繼續(xù)增加時存在小幅度減小過程；K值隨爆破作用次數(shù)增加總體呈小幅度減小趨勢。

(5) 多次爆破作用下確定振動安全閾值及振動波傳播衰減規(guī)律需充分考慮爆破振動損傷累積效應，僅以單次爆破振動測試結果分析振動傳播及衰減規(guī)律進行安全評價不科學。

參 考 文 獻

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基金項目：國家自然科學基金項目(11542019,50874039)；河南省骨干教師資助項目；河南理工大學骨干教師資助項目；河南理工大學博士基金

收稿日期：2014-11-25修改稿收到日期：2015-01-13

中圖分類號:TD235.1+1

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.02.029

Experiments on propagation of blasting vibration based on damage accumulation

CHU Huai-bao, YE Hong-yu, YANG Xiao-lin, LIANG Wei-min, YU Yong-qiang

(College of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

Abstract:In order to further reveal the propagation attenuation of blasting vibration based on damage accumulation, damage accumulation and blasting vibration experiments on a concrete block were designed. The results show that the damage values at measured points increase successively with the increase of the number of blasting times. The variation of damage value can be divided into two stages in middle and far areas: a slow increase at early stage and a quick increase at later stage. The vibration velocities of single blasting at measured points decrease with the distance increasing, and the vibration velocities at measured points in the near area decrease faster than in the middle and far areas. The blasting vibration velocities at measured points decrease generally with the increase of the number of blasting times, near the explosion source it decreases more rapidly, but in middle and far areas, it decreases in small amplitude and slowly. And with the increase of the number of blasting times, the vibration velocity experiences a process of sudden increase. The vibration attenuation coefficient α increases slowly with the increase of the number of blasting times, however, the value of K reduces, and both of them undergo a process of small amplitude distortion. Under the condition of repeated blasting, in the determination of the safety threshold and propagation attenuation (the value of K and α) of the blasting vibration, the blasting vibration damage accumulation effect should be taken into account.

Key words:damage accumulation; blasting vibration; propagation attenuation laws; experimental study

第一作者 楮懷保 男，博士，副教授，1978年12月生