紀(jì)曉琳，王小紅，李曉杰，閆鴻浩

(大連理工大學(xué) 運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部工程力學(xué)系，大連 116024)

隨著工業(yè)工程的快速發(fā)展，工業(yè)爆破在工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。爆破技術(shù)在為工程施工帶來(lái)便利的同時(shí)也存在一些安全問(wèn)題。爆炸會(huì)引起土體或基巖的振動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生的沖擊波、有害氣體、飛石等可能會(huì)對(duì)爆炸區(qū)域周圍環(huán)境和鄰近的地表建筑物造成污染和損害。為避免和減少爆破振動(dòng)危害，預(yù)測(cè)和控制爆破振動(dòng)強(qiáng)度，研究地表爆炸后地面振動(dòng)規(guī)律是十分必要和有意義的。針對(duì)爆炸焊接作業(yè)，廠房?jī)?nèi)部的爆炸容器已經(jīng)成為科研實(shí)驗(yàn)利器，不僅降低了往返靶場(chǎng)費(fèi)用同時(shí)也加快了實(shí)驗(yàn)進(jìn)度；如果，加大廠房?jī)?nèi)部的爆炸容器使用TNT當(dāng)量，其引起的地面振動(dòng)需要進(jìn)行研究，不同藥量下的安全距離劃定便于后續(xù)再建廠房規(guī)劃參考。

縱觀地面振動(dòng)規(guī)律的相關(guān)研究，對(duì)地鐵汽車運(yùn)行引起的地面振動(dòng)實(shí)測(cè)和規(guī)律分析的研究較多；鄒超等利用某地的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[1]，分析振動(dòng)加速度在時(shí)域頻域的變化，得到地鐵運(yùn)行引起的地面振動(dòng)響應(yīng)和相關(guān)振動(dòng)衰減規(guī)律。爆破引起的地面振動(dòng)規(guī)律的研究的方法已經(jīng)比較成熟，通常的研究思路是：根據(jù)爆炸試驗(yàn)或爆破工程中實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，利用薩道夫斯基公式采用最小二乘法擬合得到相應(yīng)的振動(dòng)速度衰減公式。費(fèi)鴻祿等將利用薩道夫斯基公式反推的質(zhì)點(diǎn)振速和利用FLAC3D軟件數(shù)值模擬得到的振速與實(shí)際測(cè)得的振速進(jìn)行對(duì)比[2]，得出的相關(guān)結(jié)論以指導(dǎo)方案調(diào)整和現(xiàn)場(chǎng)施工。胡建華等基于具體工程試驗(yàn)[3]，結(jié)合修正的薩道夫斯基公式采用多元線性化回歸法來(lái)探究工程巖體的爆破振動(dòng)衰減規(guī)律。馮陽(yáng)陽(yáng)等聚焦于爆炸容器內(nèi)爆炸引起的地表振動(dòng)[4]，分析了不同炸藥量等變量下的振動(dòng)規(guī)律變化。畢衛(wèi)國(guó)等人分析了薩道夫斯基公式的誤差來(lái)源[5]，并利用編制程序比較各種擬和公式，探討振速衰減公式的優(yōu)化選擇。

本文開(kāi)展炸藥在真空爆炸容器(用于爆炸焊接科研使用)內(nèi)，不同真空度下爆炸后地面振動(dòng)規(guī)律研究，通過(guò)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)研究爆炸后地面振動(dòng)衰減規(guī)律，并進(jìn)一步分析真空度對(duì)爆炸后地面振動(dòng)效應(yīng)的影響；同時(shí)，預(yù)判爆炸容器內(nèi)不同藥量爆炸時(shí)的影響距離，以確定爆炸影響范圍進(jìn)行防護(hù)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)驗(yàn)共測(cè)試11炮次，2020年9月2日、3日，在爆炸容器(體積250 m3，尺寸不便標(biāo)注，坐落于硅石礦坑)頂部布置振動(dòng)速度5#測(cè)點(diǎn)，1#、2#、3#、4#測(cè)點(diǎn)的具體位置如圖1所示，共測(cè)試5炮次，實(shí)驗(yàn)編號(hào)為S1～S5，同期也進(jìn)行了噪聲、殼體動(dòng)態(tài)應(yīng)變、內(nèi)壁沖擊波超壓測(cè)量，本文重點(diǎn)分析振動(dòng)速度規(guī)律。9月3日、4日，4#測(cè)點(diǎn)的位置調(diào)至到爆炸容器門口對(duì)面22.5 m處，其他測(cè)點(diǎn)位置保持不變，共測(cè)試6炮次，實(shí)驗(yàn)編號(hào)為S6～S11，測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖1。

圖 1 實(shí)驗(yàn)S1～S11監(jiān)測(cè)布點(diǎn)圖

在計(jì)算分析時(shí)，對(duì)于S1～S5炮次，由于第二測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)跳躍3次放棄對(duì)該點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，第5測(cè)點(diǎn)放在了真空容器上方的覆蓋沙土層測(cè)試時(shí)速度傳感器脫離容器鋼板，故放棄對(duì)其統(tǒng)計(jì)；對(duì)于S6～S11炮次，對(duì)于第四測(cè)點(diǎn)，由于其位于容器開(kāi)口方向，也做放棄處理。

1.2 測(cè)試儀器

地面振動(dòng)測(cè)試采用爆破振動(dòng)儀及配套的速度傳感器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和記錄。在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)布置測(cè)振儀器，分析真空爆炸容器爆炸時(shí)采集的地震波形，得到各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度、頻率等重要參數(shù)。采集率2 k/s,時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)定2 s，調(diào)整預(yù)觸發(fā)-400 ms，速度傳感器參數(shù)為28～30 V/(m/s)。

2 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

對(duì)于布置在爆炸容器頂部的5#測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)數(shù)據(jù)并不能反映地基振動(dòng)與藥量的關(guān)系，故對(duì)測(cè)點(diǎn)4、5的數(shù)據(jù)不做分析。為了清楚地分析真空爆炸容器在不同真空度、炸藥量和測(cè)點(diǎn)的地基振動(dòng)影響，根據(jù)曲線測(cè)試數(shù)據(jù)，提取了藥量、距離、振動(dòng)合速度、垂直向振動(dòng)主頻等主要參數(shù)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析，如表1所示。

表 1 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)檢測(cè)結(jié)果

3 振動(dòng)結(jié)果分析

以表1中實(shí)驗(yàn)S11(10 kg、0.2 atm)、S9(15 kg、0.2 atm)、S6(40 kg、0.2 atm)、S8(80 kg、0.2 atm)數(shù)據(jù)繪制繪制藥量和真空度一定時(shí)爆炸振速與爆心距的關(guān)系曲線，如圖2所示。

由圖2可知，在藥量和真空度一定的情況下，隨著爆心距的增加，振動(dòng)速度逐漸減小。且靠近爆炸源頭的區(qū)域振動(dòng)速度隨距離的增加衰減迅速。分析相同距離下的振動(dòng)速度大小可知起爆藥量大者其振動(dòng)速度大，符合實(shí)際情況也符合常識(shí)，釋放能量越大，相同距離下振動(dòng)速度大，對(duì)應(yīng)結(jié)果見(jiàn)圖3。

同樣以表1中實(shí)驗(yàn)S11、S9、S6、S8數(shù)據(jù)繪制爆心距和真空度一定時(shí)爆炸振速與藥量的關(guān)系曲線，如圖3所示，在爆心距和真空度一定的情況下，隨著藥量的增加，振動(dòng)速度逐漸增大。且比較3條曲線可知，振速隨距離的增加而減小，這與上述結(jié)果是一致的。上述結(jié)果亦與文獻(xiàn)[6,7]的結(jié)論保持一致。

圖 2 藥量和真空度一定時(shí)爆炸振動(dòng)速度圖

圖 3 不同起爆藥量下振動(dòng)速度圖

3.1 振動(dòng)速度回歸分析

根據(jù)所得數(shù)據(jù)，現(xiàn)對(duì)該測(cè)試地點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)速度回歸分析。采取的方法是：利用薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式，用最小二乘法擬合求取爆破振動(dòng)參數(shù)K、α值，最終得到爆炸振動(dòng)速度衰減方程。薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式為[8-13]

(1)

式中：V為爆炸引起質(zhì)點(diǎn)峰值振速，cm/s；Q為藥量，kg；R為爆心距，m；K、α為分別為與地質(zhì)條件和爆炸方式有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

對(duì)公式(1)做如下處理，兩邊取對(duì)數(shù)，公式轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性方程

(2)

圖 4 爆炸振動(dòng)統(tǒng)計(jì)擬合圖

3.2 0.2大氣壓下振動(dòng)衰減規(guī)律

從圖4中保留0.2大氣壓下振動(dòng)速度數(shù)據(jù)，用二乘法反演爆炸振動(dòng)速度衰減規(guī)律如圖5。

圖 5 爆炸振動(dòng)統(tǒng)計(jì)擬合圖(0.2 atm)

3.3 地面振動(dòng)衰減規(guī)律對(duì)照

將3.1節(jié)、3.2節(jié)反演得到的振動(dòng)衰減規(guī)律綜合于圖6上。藍(lán)色曲線是綜合振動(dòng)衰減曲線，紅色曲線為0.2大氣壓下的地表振動(dòng)速度衰減規(guī)律；當(dāng)此距離大于5時(shí)，兩者相差很微??；在此距離小于5時(shí)，真空下爆炸地表振動(dòng)相對(duì)于綜合振動(dòng)數(shù)值還是有所減小，這表明當(dāng)具有真空度時(shí)，容器內(nèi)炸藥爆炸引起的近距離振動(dòng)要小一些，十分符合客觀實(shí)際。由于炸藥在容器內(nèi)部且布置在底部，炸藥與地面直接接觸，炸藥爆炸產(chǎn)生對(duì)地基的沖擊會(huì)由于真空度變化使得傳遞給地基的能量降低，但降低量有限。對(duì)于遠(yuǎn)距離預(yù)估時(shí)，不必要計(jì)較真空影響，可以考慮綜合情況下振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。

圖 6 振動(dòng)衰減規(guī)律對(duì)照?qǐng)D

為精細(xì)比較真空度影響，將實(shí)驗(yàn)S1～S4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)單獨(dú)考慮，統(tǒng)計(jì)于圖7。對(duì)于在15、35 m處測(cè)點(diǎn)，真空度0.2～0.46～0.76～1.0變化時(shí)，振動(dòng)速度增加；對(duì)于45 m處測(cè)點(diǎn)，真空度從0.2向1.0變化時(shí)，振動(dòng)速度變化并不大，這也證明了圖6分析的正確性。

圖 7 不同真空度下不同距離處在相同藥量下振動(dòng)速度規(guī)律圖

考慮真空條件，預(yù)判當(dāng)抽空時(shí)即爆炸容器內(nèi)為負(fù)壓，遠(yuǎn)距離處振動(dòng)影響很小。S1號(hào)實(shí)驗(yàn)，10 kg炸藥，0.20 atm，4#測(cè)點(diǎn)，距離45 m，其振動(dòng)合速度0.1433 cm/s；S2號(hào)實(shí)驗(yàn)，10 kg炸藥，0.46 atm，4#測(cè)點(diǎn)，距離45 m，其振動(dòng)合速度0.1736 cm/s；S3號(hào)實(shí)驗(yàn)，10 kg炸藥，0.76 atm，4#測(cè)點(diǎn)，距離45 m，其振動(dòng)合速度0.1712 cm/s；S4號(hào)實(shí)驗(yàn)，10 kg炸藥，1.0 atm，4#測(cè)點(diǎn)，距離45 m，其振動(dòng)合速度0.1858 cm/s。振動(dòng)合速度從0.1433變化到0.1858 cm/s，增加很是微弱。根據(jù)圖7和上述分析，在藥量和爆心距相同的情況下，隨著容器壓強(qiáng)即真空度的增大，合速度緩慢增大，且對(duì)遠(yuǎn)距離處的振動(dòng)影響很小。

4 預(yù)判振動(dòng)影響距離

爆炸容器是爆炸焊接的主要加工場(chǎng)所，而爆炸焊接場(chǎng)地建設(shè)在居民區(qū)不太現(xiàn)實(shí)，有可能在野外構(gòu)筑。在野外，可以只考慮“土窯洞、土坯房、毛石房屋”類別房屋。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)中對(duì)此類房屋的爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)，在三個(gè)頻域的振動(dòng)允許速度為0.15～1.5 cm/s；建議取最小值0.15 cm/s設(shè)置防護(hù)。爆炸真空容器使用藥量從300～700 kg變化，振動(dòng)速度設(shè)置防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為0.15 cm/s，其綜合壓強(qiáng)、0.2 atm下振動(dòng)影響范圍如表2所示。

表 2 安全距離

5 結(jié)論

以爆炸容器爆炸試驗(yàn)為背景，研究了不同真空度下爆炸后地面振動(dòng)規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)在藥量和真空度一定的情況下，隨著爆心距的增加，振動(dòng)速度逐漸減小。且靠近爆炸源頭的區(qū)域振動(dòng)速度隨距離的增加衰減迅速。在爆心距和真空度一定的情況下，隨著藥量的增加，振動(dòng)速度逐漸增大。

(2)當(dāng)抽空時(shí)，即容器為負(fù)壓，其振動(dòng)影響很小，由于地基振動(dòng)的源頭來(lái)自于炸藥爆炸對(duì)地面的沖擊造成的，在大于5倍比距離時(shí)的地基振動(dòng)在相同距離下變化不大。在藥量和爆心距相同的情況下，隨著容器壓強(qiáng)即真空度的增大，合速度緩慢增大，且對(duì)遠(yuǎn)距離處的振動(dòng)影響很小。