雷興海，吳桂義，雷振，賀路

(1.貴州大學(xué)， 貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州理工學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程正在快速推進(jìn)，我國(guó)許多城市都在進(jìn)行大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，城區(qū)的擴(kuò)展以及住宅區(qū)的新建，都要對(duì)城市周圍的巖土進(jìn)行開(kāi)挖，目前，開(kāi)挖巖石最有效、最經(jīng)濟(jì)、最便捷的施工方法是爆破，爆破振動(dòng)作為爆破過(guò)程中最大的災(zāi)害效應(yīng)，引起了眾多學(xué)者對(duì)爆破振動(dòng)的研究。

受到土地資源的限制，我國(guó)城市建筑物的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為高聳密集，露天巖土爆破開(kāi)挖時(shí)，爆破振動(dòng)波通過(guò)巖體傳播到周圍的建筑物地基中，再由建筑物地基傳播到建筑物，建筑物在爆破振動(dòng)波的作用下產(chǎn)生明顯的動(dòng)力效應(yīng)。當(dāng)振動(dòng)效應(yīng)超過(guò)建筑物允許的最大安全效應(yīng)，就會(huì)引起建筑物的破壞[1]。

雷振等[2]通過(guò)爆破振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了爆破地震波作用下高層建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳播規(guī)律，得出爆破地震波作用下測(cè)點(diǎn)的垂向振動(dòng)速度恒大于切向和徑向振動(dòng)速度；隨著距爆源高差的增加，爆破振動(dòng)速度逐漸增大；隨著距爆源水平距離的增加，爆破振動(dòng)速度逐漸減小。謝承煜等[3]采用爆破振動(dòng)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)運(yùn)用動(dòng)力有限元數(shù)值分析方法分析，指出改變露天爆破的起爆順序以及爆破方向，對(duì)于降低爆破振動(dòng)可以獲得良好的效果。劉美山等[4]通過(guò)對(duì)爆破試驗(yàn)的各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)比類似工程的經(jīng)驗(yàn)，提出了小灣水電站高邊坡開(kāi)挖的爆破安全判據(jù)，并確定了使用原則，其試驗(yàn)成果在施工爆破中得到了驗(yàn)證。陳至昊和杜建偉[5]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)，利用ANSYS/LS－DYNA 軟件進(jìn)行模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)三矢量振速峰值隨樓層升高逐漸降低，直到接近建筑物的頂部時(shí)發(fā)生局部放大效應(yīng)，三矢量位移值隨樓層升高逐漸增加，與振速峰值規(guī)律相反。研究結(jié)果對(duì)城市軌道建設(shè)中的爆破施工與監(jiān)測(cè)以及相應(yīng)減振技術(shù)具有一定的參考和借鑒意義。張玉琦等[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)及振動(dòng)測(cè)試，分析基坑開(kāi)挖爆破振動(dòng)對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的影響；根據(jù)高層建筑爆破振動(dòng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)，提出了基坑開(kāi)挖爆破最大單段控制藥量。

祝文化等[7]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的爆破振動(dòng)信號(hào)，對(duì)鄰近爆區(qū)的廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。建筑物的高度對(duì)爆破質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和位移具有明顯的放大作用，而且速度放大效應(yīng)比位移放大效應(yīng)大，并確定了由高度差引起的放大系數(shù)。

綜上所述，由于爆破的復(fù)雜性，不同的地質(zhì)條件下，爆破振動(dòng)對(duì)建筑物的影響是大不相同的，因此，針對(duì)貴陽(yáng)市某爆破工程的地質(zhì)條件和臨近建筑物，進(jìn)行了相對(duì)應(yīng)的研究分析，得出與此相符合的爆破振動(dòng)傳播規(guī)律，為工程的設(shè)計(jì)和施工提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

1 爆破現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 工程概況

某爆破場(chǎng)地位于貴州省貴陽(yáng)市某山體和一密集居民小區(qū)，小區(qū)由高度為60 m建筑組成，建筑物與爆破場(chǎng)地之間有一條雙向 8車道的城區(qū)主干道，日常車流量較大。爆破開(kāi)挖采用2號(hào)巖石乳化炸藥。由于爆破場(chǎng)地對(duì)面是高層建筑小區(qū)，采用了控制爆破，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。高邊坡主要為中硬巖石，采用深孔控制爆破和逐孔起爆的方法進(jìn)行開(kāi)挖，爆破參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 爆破參數(shù)

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器為 NUBOX-8016爆破測(cè)振儀，包含TP3V-4.5三維速度型傳感器5只，專用信號(hào)線纜5根。NUBOX-8016是一款采用全新技術(shù)設(shè)計(jì)的新一代智能爆破測(cè)振儀，能夠最大程度地簡(jiǎn)化爆破測(cè)振現(xiàn)場(chǎng)工作流程，爆破現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)設(shè)置觸發(fā)電平，達(dá)到“一鍵完成爆破測(cè)振操作”的智能化效果，同時(shí)可靠性、穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，續(xù)航時(shí)間也顯著增加。

1.3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

每次測(cè)量共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，在樓房1、5、10、15和20層樓梯處靠近樓房的主立柱布設(shè)，對(duì)應(yīng)的樓層高度分別為0 m、15 m、30 m、45 m和60 m。每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置一個(gè)傳感器，測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1#、2#、3#、4#和5#。測(cè)點(diǎn)距爆心的水平距離為100 m～150 m。

爆破振動(dòng)測(cè)試方案：5個(gè)測(cè)點(diǎn)所在的直線與炮孔平行。爆破前20 min將傳感器置于地板，周圍用石膏粘附，保證傳感器與建筑物一起振動(dòng)。粘附完成以后，爆破前5 min打開(kāi)儀器。每次測(cè)試嚴(yán)格要求測(cè)點(diǎn)的垂直方向保持在一條直線上，因?yàn)榕诳孜恢煤妥畲蠖嗡幜棵看味疾煌?，所以測(cè)得振動(dòng)速度不同。

1.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果

對(duì)不同的爆心距離和最大段藥量的爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在最大段藥量為 20 kg，爆心距測(cè)點(diǎn)的水平距離為110 m時(shí)，實(shí)測(cè)所得三維爆破峰值振速、主頻率和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間（見(jiàn)表2），其中，5#測(cè)點(diǎn)峰值振速最大為0.453 cm/s，主振頻率為8.85 Hz，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間為4.265 s。波形如圖1所示。

表2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 5#測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)波形

2 爆破振動(dòng)傳播規(guī)律研究

2.1 爆破振動(dòng)傳播規(guī)律分析

爆破振動(dòng)傳播規(guī)律的分析一般是用線性回歸分析方法來(lái)擬合分析，數(shù)據(jù)的回歸分析在實(shí)際工程中具有廣泛應(yīng)用。大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和試驗(yàn)結(jié)果表明：爆破振動(dòng)強(qiáng)度主要與爆心距、裝藥量、巖土性質(zhì)、地形條件等因素有密切關(guān)系，《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）中推薦的峰值振速衰減規(guī)律計(jì)算公式為薩道夫斯基公式。

式中，V為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，cm/s；Q為最大段藥量，kg；R為爆源至測(cè)點(diǎn)的水平距離，m；K、α為與地形和地質(zhì)條件有關(guān)的參數(shù)。

使用薩道夫斯基公式探討峰值振速隨高度變化的衰減規(guī)律，首先，對(duì)公式左右兩邊取對(duì)數(shù)，得到式（2）：

將爆心距R、單段藥量Q和峰值振速V代入以上所設(shè)的x，y表達(dá)式，可得數(shù)據(jù)組（xi,yi），其中i=1,2,3,…,40。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法的線性擬合得出A、B，進(jìn)而可算出系數(shù)K和α的值。

相關(guān)系數(shù)r反應(yīng)擬合效果的好壞，其數(shù)值在0～1之間，越接近于1，效果越好。

本次試驗(yàn)采用origin軟件對(duì)A和B進(jìn)行擬合，對(duì)不同的爆心距離和最大段藥量的爆破振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用1#測(cè)點(diǎn)的垂向峰值振速、徑向峰值振速和切向峰值振速對(duì)A和B進(jìn)行擬合。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 1#測(cè)點(diǎn)三維峰值振速

2.2 爆破振動(dòng)衰減規(guī)律研究

在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前，先建立擬合函數(shù)y=A+Bx，擬合采用非線性曲線擬合，垂向峰值振速擬合結(jié)果如圖2所示。

由圖2可得，A=6.5873，B=2.339 25，所以k=eA=725.818 51，α=B=2.339 25。

圖2 垂向峰值振速擬合曲線

徑向峰值振速擬合結(jié)果如圖3所示：

由圖3可得，A=4.9672，B=1.878 42，所以k=eA=143.624 17，α=B=1.878 42。

圖3 徑向峰值振速擬合曲線

切向峰值振速擬合結(jié)果如圖4所示。

由圖4 可得，A=6.722 38，B=2.334 26，所以k=eA=830.792 45，α=B=2.334 26。

圖4 切向峰值振速擬合曲線

綜上所述，垂向峰值振速的衰減系數(shù)α大于切向的，切向的k值大于垂向的，徑向的k和α都明顯小于垂向和切向。由此可知，爆破振動(dòng)波從爆源處傳播到建筑物的過(guò)程中，垂向峰值振速的衰減速度大于切向的，徑向峰值振速的衰減速度介于切向和垂向之間。爆破峰值振速隨建筑物距爆心的水平距離和最大段藥量變化的衰減規(guī)律如下。

垂向峰值振速衰減公式為：

徑向峰值振速衰減公式為：

切向峰值振速衰減公式為：

2.3 測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

根據(jù)爆破試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)的峰值振速，結(jié)合振速衰減公式所計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

由表 4可知，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的最大誤差為0.012 cm/s，最大誤差率為 8.2%，平均誤差率為4.2%。實(shí)際測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相符合，因此，在爆破設(shè)計(jì)的過(guò)程中，已知爆心距建筑物的水平距離和建筑物爆破振動(dòng)允許最大速度，即可求出安全允許的爆破最大段藥量。

4 爆破振動(dòng)對(duì)建筑物影響分析

爆破振動(dòng)對(duì)建筑物產(chǎn)生的影響，取決于爆破振動(dòng)的振動(dòng)幅值、主頻率和持續(xù)時(shí)間等。爆破振動(dòng)的峰值、主頻率和持續(xù)時(shí)間隨樓房高度變化較大，表現(xiàn)出不同樓層高度的振動(dòng)峰值、主頻率和持續(xù)時(shí)間并不一致。通過(guò)對(duì)樓房不同高度的樓層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試，分析高層樓房對(duì)爆破振動(dòng)的反應(yīng)規(guī)律，研究選取最大段藥量為 20 kg，爆源距建筑物的水平距離為110 m的測(cè)點(diǎn)作為研究對(duì)象，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表4 三維振速實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果分析/(cm/s)

表5 三維爆破峰值振速隨樓層高度變化統(tǒng)計(jì)

由圖5可知，垂向峰值振速隨著樓層高度的增加而增大，增速先快后慢。切向峰值振速隨著樓層高度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小，到達(dá)最小值時(shí)再增加。徑向峰值振速隨著樓層高度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小、再增加后減小的變化趨勢(shì)。在垂向方向上，出現(xiàn)了高層放大效應(yīng)，到達(dá)頂層時(shí)，垂向峰值振速大于徑向峰值振速和切向峰值振速。

由圖6可知，隨著樓層高度的增加，在切向方向上，主頻率始終保持不變，徑向方向上，主頻率先快速減小為 1#測(cè)點(diǎn)的一半，然后隨著高度的增加，再增加后減小，減小到8.24 Hz時(shí)不再變化。垂向方向上，主頻率先快速減小，減小到 8.85 Hz時(shí)，隨著樓層高度的增加，主頻率保持不變。

圖5 三維峰值振速隨樓層高度的變化

圖6 三維振動(dòng)主頻率隨樓層高度的變化

圖7 振動(dòng)持續(xù)時(shí)間隨樓層高度的變化

由圖7可知，三維振動(dòng)持續(xù)時(shí)間隨著樓層高度增加的變化規(guī)律為：隨著樓層高度的增加，在徑向方向和切向方向上，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間都是先減小后增加，增加到一定的數(shù)值后，隨著高度的增加，持續(xù)時(shí)間保持不變。垂直方向上，持續(xù)時(shí)間先緩慢減小，當(dāng)樓層高度為15 m～45 m時(shí)，持續(xù)時(shí)間快速下降，當(dāng)樓層高度大于45 m時(shí)，隨著樓層高度的增加，持續(xù)時(shí)間快速增加，在樓頂時(shí)，持續(xù)時(shí)間小于樓層底部。

5 結(jié)論

（1）爆破振動(dòng)波從爆源處傳播到建筑物的過(guò)程中，垂向峰值振速的衰減速度大于切向的，徑向峰值振速的衰減速度介于切向和垂向的之間。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合的薩道夫斯基公式，平均誤差率為4.2%，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相符合。

（2）垂向峰值振速隨著樓層高度的增加而增加，增速先快后慢，具有明顯的高層放大效應(yīng)，建筑物中的最大峰值振速為樓房頂層的垂向峰值振速。

（3）隨著樓層高度的增加，切向主頻率保持不變，垂向?yàn)橄瓤焖贉p小，之后保持不變，徑向?yàn)橄瓤焖贉p小，后增加再減小。

（4）振動(dòng)持續(xù)時(shí)間隨著樓層高度的增加，徑向與切向先減小后增加，增加到一定的數(shù)值后保持不變，垂向?yàn)橄染徛郎p小，后快速減小，再快速增加。