李 猛，范延靜，李 彬，潘建榮，王 湛

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510641)

隨著爆破技術(shù)的廣泛應(yīng)用，爆破施工帶來的危害也越來越受到關(guān)注[1]，特別是爆破地震波產(chǎn)生的爆破振動，它會對附近正在建或者已建成的建筑物產(chǎn)生損傷破壞[2-5]。因此，研究爆破地震波對建筑物的影響具有重要意義。

目前，關(guān)于爆破地震波的研究主要包括爆破振動傳播規(guī)律以及臨近建筑物的動力響應(yīng)。對于爆破振動傳播規(guī)律的研究，前蘇聯(lián)學(xué)者M(jìn).A.薩道夫斯基通過對大量爆破數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合相似原理，提出了薩道夫斯基公式，該公式在我國被廣泛應(yīng)用于爆破振動分析[6]。然而，經(jīng)典薩道夫斯基公式未考慮高程對振動速度的影響，使其應(yīng)用范圍存在局限性。針對薩道夫斯基公式的不足，Marrara等[7],崔未偉等[8]對高程影響峰值速度進(jìn)行研究，并指出峰值振動速度隨高差增加而增大。譚文輝[9]、郭得福等[10]通過量綱分析的方法，得到了考慮高程差的振速預(yù)測公式。隨著對爆破振動研究的深入，爆破地震波作用下建筑物的動態(tài)響應(yīng)成為研究熱點之一。

雷振等[11]對爆破地震波作用下不同建筑高程振動規(guī)律進(jìn)行探究，研究表明在測點同一樓層時，水平距離不變，隨著距地高差的增加，振動速度也越來越大。P.K.Singh等[12]研究不同起爆方式、爆破孔徑等相關(guān)爆破參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響。羅藝等[13]，王松青等[14]，曹孝君[15]考慮了爆破地震波主頻對結(jié)構(gòu)物的影響，研究表明振動速度的放大作用不僅與高程有關(guān)，還與爆破地震波主頻、振動傳播歷程等因素有關(guān)。但目前的研究集中于結(jié)構(gòu)整體振動頻率與爆破地震波頻率的關(guān)系，而對于結(jié)構(gòu)建筑內(nèi)部構(gòu)件振動速度局部放大效應(yīng)研究存在不足。

本文結(jié)合廣東以色列理工學(xué)院二期校區(qū)山體爆破工程，采用爆破振動記錄儀對建筑周邊基礎(chǔ)和建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測。通過對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部振動頻率對結(jié)構(gòu)局部振動放大效應(yīng)的影響，從而探究爆破沖擊波的傳播規(guī)律以及爆破作用下高層建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件振動規(guī)律。通過研究建筑物振速與地基振速放大倍數(shù)的比值關(guān)系，可估計框架-剪力墻結(jié)構(gòu)不同構(gòu)件處振速，提出建筑結(jié)構(gòu)中易破壞位置選取原則，對類似爆破工程安全施工起指導(dǎo)作用。

1 工程實例

1.1 工程概況

廣東以色列理工學(xué)院二期校區(qū)位于廣東省汕頭市金平區(qū)，校區(qū)南側(cè)山體存在大量土石方需要爆破。校區(qū)內(nèi)教師宿舍BC棟臨近爆破山體，且施工工期與山體爆破時間相重合，為確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件及施工安全，需要對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件采用施工監(jiān)測。BC棟建筑為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，高37.05 m，共12層。山體主要為燕山期花崗巖，采用延時起爆方式，相鄰藥包起爆時間間隔為75 ms。爆源單排布置，一排6個鉆孔，孔徑90 mm，孔深約8 m，孔距3 m，最大單段裝藥量144 kg，單孔藥量約24 kg。

1.2 測點布置

為研究爆破沖擊波振動傳播規(guī)律，采用JM-3874三向加速度傳感器對距離爆破點不同位置處地表振速進(jìn)行監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上，為探究爆破對建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件的影響，根據(jù)建筑構(gòu)件距爆破點距離的不同以及迎爆面的位置，采用JM-3874三向加速度傳感器對C棟建筑關(guān)鍵構(gòu)件振速進(jìn)行監(jiān)測。

在距爆破點140、150、200、240、290 m處設(shè)置A～E共5個地表監(jiān)測點(見圖1)，采用全站儀測量其x、y、z坐標(biāo)。

圖1 地表測點布置Fig.1 Layout of surface measuring points

C棟中測點布置如圖2所示，此時爆破點距C棟建筑水平距離為340 m。測點編號按照測點方位：W(西側(cè))、E(東側(cè))、C(中部)，結(jié)合測點前后順序，所在樓層數(shù)混合編號。具體測點編號分布如圖2所示。

注：E1-1-柱子；E2-1-工具間；W1-1-窗臺；W2-1-窗臺；C1-1-窗臺；C2-1-樓板；E1-6-陽臺；E2-6-陽臺；W1-6-陽臺；W2-6-柱子；C1-6-窗臺；C2-6-樓板；E1-12-陽臺；E2-12-衛(wèi)生間；W1-12-窗臺；W2-12-柱子；C1-12-窗臺；C2-12-樓板。

2 爆破振動監(jiān)測結(jié)果與分析

2.1 振速隨爆心距變化規(guī)律分析

地表測點測得的x、y、z方向峰值振動速度如表1所示。

表1 地表測點振動數(shù)據(jù)

根據(jù)表1得到地表測點爆破振動速度隨距爆破點水平距離的變化趨勢如圖3所示。

圖3 地表測點振速隨爆心距變化Fig.3 Change of vibration velocity of ground measuring points with the distance between blasting centers

由圖3可知，隨著距爆破點水平距離的增加，切向、徑向和垂向振速逐漸減小且衰減趨勢相同：距爆破點距離近時，振速衰減較快；距爆破點距離遠(yuǎn)時，振速基本無衰減。同時，地表測點徑向振速大于切向和垂向速度。

為判斷地表測點振速是否合理以及分析爆破地震波傳播規(guī)律，對爆破振動質(zhì)點速度采用薩道夫斯基公式進(jìn)行回歸分析。由于監(jiān)測測點位于地表平面與爆破作業(yè)爆源點的高程差相對較小，所以不考慮高程差的影響。本文參考文獻(xiàn)[6]所采用的薩道夫斯基模對振速進(jìn)行擬合，其表達(dá)式如下：

(1)

式中：v為測點x、y、z方向最大振動速度，cm/s；Q為最大段藥量，kg；R為爆源至測點的水平距離，m；K、α為與地質(zhì)特征相關(guān)的系數(shù)。

按照最小二乘法原理，對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得擬合結(jié)果如圖4所示。其線性回歸系數(shù)r2為0.879，大于0.85，表明本文擬合結(jié)果較好，能真實反映測點振動速度數(shù)據(jù)。通過擬合公式計算得K=26.05,α=1.28，由此可得該區(qū)域爆破地震波峰值振速衰減公式，如式(2)所示。

圖4 地表測點振速回歸分析Fig.4 Regression analysis of vibration velocity of ground measuring points

(2)

2.2 結(jié)構(gòu)振動速度規(guī)律分析

地表測點峰值速度對應(yīng)主振頻率如表2所示。

表2 地表測點主振頻率

為了研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件振速與地基頻率的關(guān)系，參考文獻(xiàn)[16]可得爆破振動主頻預(yù)測公式為

(3)

式中：f為爆破振動主頻預(yù)測值，Hz；Kf、γ為與地質(zhì)特征相關(guān)的系數(shù)。

按照最小二乘法原理，對振動數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。線性回歸系數(shù)r2為0.954，表明爆破振動主頻預(yù)測公式擬合較好，測點主頻數(shù)據(jù)較為可靠，Kf=18.65,r=—1.697 1，由此可得該區(qū)域爆破地震波主頻預(yù)測公式：

(4)

由式4可得，當(dāng)監(jiān)測點布置在C棟內(nèi)部時，C棟地基頻率為f=8.6 Hz。建筑內(nèi)部測點振動峰值速度及主振頻率如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)內(nèi)部測點峰值振速及頻率

由于爆破荷載為非周期荷載，可采用主振頻率表示為結(jié)構(gòu)構(gòu)件自振頻率，其僅與自身的質(zhì)量和剛度有關(guān)。故在實際監(jiān)測中，C棟建筑的東側(cè)、西側(cè)和中間結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度的差異使得結(jié)構(gòu)自振頻率不同，在監(jiān)測的建筑主體和各局部構(gòu)件引發(fā)的振動各不相同。為探究結(jié)構(gòu)自身振動響應(yīng)與頻率的關(guān)系。定義λ為頻比系數(shù)，即局部結(jié)構(gòu)監(jiān)測的主振頻率和地基主振頻率的比值：

(5)

式中：fw為地基礎(chǔ)主頻，Hz；fc為局部結(jié)構(gòu)振動主頻，Hz。

對同一樓層、相同頻率結(jié)構(gòu)局部振速取合速度，得到結(jié)構(gòu)局部振速相比于地基速度的放大倍數(shù)和不同高程、頻比系數(shù)的關(guān)系如表4所示。振速放大倍數(shù)隨距地高程變化如圖5所示。

表4 結(jié)構(gòu)局部峰值振速與高程、頻比系數(shù)的關(guān)系

圖5 振速放大倍數(shù)隨距地高程變化Fig.5 Magnification of vibration velocity varies with the elevation above ground

由圖5可知，在頻比系數(shù)相同的情況下，隨著距地高程的增加，振速放大倍數(shù)逐漸增大；在距地高程相同的情況下，隨著頻比系數(shù)的減小，振速放大倍數(shù)明顯增大。在本次框架-剪力墻結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)果表明：在同一頻比系數(shù)下，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)隨著距地高差的增加，振速放大倍數(shù)呈線性增長。而隨著頻比系數(shù)的減小，線性系數(shù)值也增大，在頻比系數(shù)為1.41時，建筑高度增加16 m，振速放大倍數(shù)平均增大35%；在頻比系數(shù)為1.34時，建筑高度增加16 m，振速放大倍數(shù)平均增大150%；在頻比系數(shù)為1.31時，建筑高度增加16 m，振速放大倍數(shù)平均增大400%。在頻比系數(shù)增加量相同的情況下，隨距地高程的增加，振速放大倍數(shù)增加量逐漸增大。頻比系數(shù)增大0.01，在距地高程0.4、16.4、34.4 m時，振速放大倍數(shù)增大0.1、1.0、1.8倍。

3 結(jié)論

1)爆破振動作用下地表質(zhì)點各向峰值振速隨爆心距的增大而減小，各點徑向振動速度大于垂向和切向速度。

2)隨著距爆破點水平距離的增加，地表質(zhì)點x、y、z方向的振速逐漸減小，其速度衰減趨勢相同：距離爆源較近的區(qū)域，地表質(zhì)點振速衰減較快，距離爆源較遠(yuǎn)的區(qū)域，地表質(zhì)點振速衰減較慢。

3)結(jié)構(gòu)內(nèi)部振速存在局部放大效應(yīng)。在同一頻比系數(shù)下，隨著距地高程的增加，振速放大倍數(shù)呈線性增長，隨著頻比系數(shù)的減小，線性增長系數(shù)值也增大，建筑高度增加16 m，在頻比系數(shù)為1.41、1.34、1.31時，振速放大倍數(shù)平均增大0.35、1.5、4倍。

4) 多層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在爆破地震波作用下，在頻比系數(shù)增加量相同的情況下，隨距地高程的增加，振速放大倍數(shù)增加量逐漸增大。頻比系數(shù)每增大0.01，在距地高程0.4、16.4、34.4 m時，其振速放大倍速增大0.1、1.0、1.8倍。中部頂層樓板結(jié)構(gòu)在距地34.4 m、頻比系數(shù)為1.31時，振速放大倍數(shù)約為10倍，應(yīng)對此處進(jìn)行重點監(jiān)測，必要時可采取減少爆破炸藥量、建筑物周圍開挖減振溝等方式實現(xiàn)減振效果。