司劍峰 錢 博 鐘冬望 何 理 陳江偉

(1.江漢大學(xué)爆破工程湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430056;2.武漢科技大學(xué)理學(xué)院,湖北 武漢 430065;3.中國建筑第七工程局有限公司,河南 鄭州 450000)

炸藥在單一的無限介質(zhì)中爆炸形成以炮孔為中心的近似球形波或柱面波向外傳播[1]。然而，爆破開挖工程中一方面要求待開挖區(qū)域的巖體在爆破荷載作用下能得到充分破碎，另一方面則希望保留巖體盡可能不受損傷或減少損傷，這就要求炸藥在介質(zhì)中爆炸形成的高密度能量能夠具有一定的“方向性”。有效控制爆破損傷及對爆破損傷進(jìn)行監(jiān)測評價具有重要意義，國內(nèi)外學(xué)者在此方面做了大量研究和應(yīng)用工作。目前常用的爆破損傷控制方法有4種:第1種是通過減小單次爆破規(guī)模，通過分層或者微差[2-4]的方式減小保留巖體的損傷;第2種是以預(yù)裂爆破為代表的空氣隔斷型控制方法[5-6]，該方法主要是在爆破區(qū)和保留區(qū)之間通過裂縫、空孔等對爆炸能量進(jìn)行衰減反射等以減少到達(dá)保留區(qū)的沖擊波能量，從而減少爆炸對保留巖體的損傷;第3種是以光面爆破為代表的能量引導(dǎo)法[7-8]，該方法通過改變或者減小某方向的抵抗線，以引導(dǎo)能量向“薄弱”方向進(jìn)行傳播和卸能;第4種方法是通過改變裝藥結(jié)構(gòu)，在孔底安裝高阻抗介質(zhì)對爆破沖擊波產(chǎn)生反射作用，從而減少孔底以下區(qū)域的巖體損傷[9]。

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)及海洋資源開發(fā)利用的不斷推進(jìn)和發(fā)展，深水水下爆破是水下爆破工程發(fā)展的必然趨勢[10]。水下(特別是水深大于30 m的深水環(huán)境下)基巖損傷的控制能夠提高基巖承載力，對水下建(構(gòu))筑物及水下工事建設(shè)具有重要意義。上述巖體爆破損傷控制方法中的第1種方法在水下爆破作業(yè)中面臨鉆孔困難的問題，第2種和第3種方法在水下基巖的損傷控制中很難實施，主要原因在于水下鉆孔爆破很難實現(xiàn)水平方向鉆孔作業(yè)。因此，本研究結(jié)合第4種方法對深水條件下爆破作業(yè)對基巖的損傷控制進(jìn)行試驗，并基于壓電信號的分析對其損傷情況進(jìn)行監(jiān)測。

1 水下ERB巖體損傷控制方法

消能爆破(Energy Relief Blasting，ERB)技術(shù)在鉆孔爆破中的應(yīng)用原理是，通過在炮孔底部裝入直徑略小于炮孔直徑的高阻抗材料，上方炸藥爆炸后形成高強(qiáng)度入射波在向下傳播過程中遇到高阻抗材料形成反射波。該技術(shù)一方面能夠減少進(jìn)入基巖的應(yīng)力波，減少底部基巖的破壞;另一方面通過高阻抗材料的反射作用，反射應(yīng)力波能夠加強(qiáng)孔底以上區(qū)域的破碎，提高爆破效果[11-13]。

在采用復(fù)合消能結(jié)構(gòu)的炮孔中，炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波能量經(jīng)過水介質(zhì)傳播至高阻抗消能球上的反射和透射過程如圖1所示。炮孔內(nèi)炸藥爆炸產(chǎn)生的爆轟波在炸藥與炮孔間隙水介質(zhì)的交界面發(fā)生反射和折射(透射)作用。水介質(zhì)中的沖擊波一部分直接作用于孔壁，產(chǎn)生巖體上部的破裂和損傷，另一部分傳遞至孔底，作用于ERB復(fù)合消能結(jié)構(gòu)。其中，復(fù)合消能結(jié)構(gòu)由高聲阻抗球體和粗砂墊層組成，并且將墊層(粗砂)置于爆破孔的底部。爆炸沖擊波通過Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ界面作用后，剩余的能量作用在炮孔底部的基礎(chǔ)巖石上。

圖1 采用復(fù)合消能結(jié)構(gòu)炮孔中的沖擊波能量傳遞示意Fig.1 Schematic of shock wave energy transfer in the blasting hole with composite energy dissipation structure

經(jīng)過高阻抗球消能透射出的透射波強(qiáng)度可表示為

式中，ρw和(cp)w分別為水的密度和水中P波的傳播速度;ρs和(cp)s分別為高阻抗消能球的密度和高阻抗消能球中P波的傳播速度;ρc和(cp)c分別為飽和粗砂密度和飽和粗砂中P波的傳播速度;Pw、Tc分別代表水下鉆孔爆破不耦合裝藥炮孔中水介質(zhì)的初始壓力及透射進(jìn)入粗砂層的強(qiáng)度。

2 40 m水下模型試驗及測試

2.1 爆破及監(jiān)測方案

本研究借助水介質(zhì)爆炸容器，開展水下40 m水深環(huán)境下的混凝土爆破試驗(圖2)。混凝土試樣尺寸為250 mm×250 mm×300 mm(長×寬×高)，水泥標(biāo)號為C30，250 mm×250 mm面上垂直預(yù)留φ12 mm×100 mm空孔作為裝藥孔。采用對比分析法，試驗組(S1試樣)炮孔內(nèi)依次填入10 mm厚粗砂、φ10 mm的鋼球、藥包和填塞物;對照組(S2試樣)炮孔依次填入10 mm厚粗砂、藥包和填塞物。其中，藥包采用1發(fā)導(dǎo)爆管雷管+2 g PDNT炸藥，填塞物為黃泥。在試樣四周采用鋼板進(jìn)行夾持以減少邊界效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響。

圖2 試驗流程Fig.2 Experimental flow

分別將S1和S2試樣置于水介質(zhì)爆炸容器，并將壓力容器充滿水后進(jìn)行密封，然后通過試壓泵對水介質(zhì)容器加壓至0.4 MPa后起爆。

為定量分析復(fù)合消能結(jié)構(gòu)對基巖損傷的防護(hù)作用，構(gòu)建了基于PZT壓電陶瓷的主動監(jiān)測系統(tǒng)[14-15]。如圖3所示，選定混凝土試樣兩個相對的側(cè)面分別作為信號激發(fā)平面和信號接收平面，在信號接收面沿炮孔軸線方向布置一列監(jiān)測點(1#～28#點)，在相對的信號激發(fā)面布置相同位置的信號激勵點(1′#～28′#點)，同一水平高度的一個信號激勵點和一個監(jiān)測點構(gòu)成一個測試組。根據(jù)傳感器尺寸和混凝土試樣的高度，本試驗中共設(shè)計28個測試組，即相鄰的兩測試組之間高度間隔為10 mm。以固定形式的電壓信號作為激發(fā)源激勵壓電傳感器，壓電傳感器在電壓信號的激勵下發(fā)生振動，并通過混凝土傳遞至監(jiān)測點，監(jiān)測點傳感器接收振動信號并轉(zhuǎn)化為電壓信號通過采集儀記錄。為對比分析爆破前后差異，在試樣爆破前和爆破后分別進(jìn)行監(jiān)測并記錄。

圖3 損傷監(jiān)測原理及測點布置Fig.3 Principle of damage monitoring and layout of monitoring points

2.2 監(jiān)測結(jié)果

本研究以4#、14#、24#點位為例進(jìn)行監(jiān)測分析，該類點位監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 S1、S2試樣損傷前與損傷后的測點測試信號Fig.4 Test signals of monitoring points before and after damage of S1 and S2 samples

由圖4可知:監(jiān)測點從上至下接收到的信號幅值逐漸增強(qiáng)，在4#點，爆破之后信號基本衰減為一條水平線，表明該處混凝土已經(jīng)完全裂開，等強(qiáng)度的激發(fā)波無法通過該區(qū)域進(jìn)行傳播;在14#點，爆破之后接收到的信號較4#點有略微增強(qiáng)，有明顯的波形出現(xiàn)，表明該區(qū)域混凝土已形成大量裂縫，吸收了傳播的激發(fā)波部分能量，但仍有少部分能量到達(dá)接收面;在24#點，爆破之后傳感器接收到的信號與爆破前接收到的信號相差不大，重合部分較大，表明爆前爆后該區(qū)域混凝土變化不明顯。

與此同時，漢昌公安分局盧局長召集案情分析會，他的面前就擺著江城早報。他看起來有些生氣，但是就算是生氣也是笑瞇瞇的。他說：“現(xiàn)在的媒體真是無孔不入?。课铱此麄兌急鹊蒙衔覀兊膫刹靻T了。這個叫邊峰的記者還真是神通廣大，他竟然把一些只有我們才知道的內(nèi)幕給報了，同志們，我們畢竟是警察，不要為了一點名就破壞紀(jì)律啊。”

2.3 試驗結(jié)果分析

2.3.1 信號峰值及總能量統(tǒng)計分析

爆后對S1和S2試樣進(jìn)行了測試結(jié)果峰值統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知:試樣監(jiān)測點從上端炮孔孔口開始至炮孔底部，爆破后測得信號的峰值較小，基本趨于0;炮孔孔底至試樣底部，信號峰值逐步增大，至某一特定值后具有上下波動的特點。信號峰值趨于0，表明炮孔孔底以上部分產(chǎn)生較明顯的裂縫，極少甚至沒有信號能夠穿越試樣被采集;隨后為峰值逐步增加階段，表明該區(qū)域已經(jīng)沒有明顯裂縫，部分發(fā)射信號能夠透過裂隙透射到采集面;最后的上下波動階段，表明該部分混凝土材料基本完好，基本未發(fā)生損傷。由以上分析可以看出，2個試樣所測得爆后峰值曲線基本呈現(xiàn)出3個階段，即貼近0線階段、增長階段、穩(wěn)定波動階段。

圖5 S1及S2試樣各測點信號峰值Fig.5 Signal peaks of test points of S1 and S2 samples

對比S1試樣和S2試樣峰值曲線(圖5)可以看出，S2試樣的峰值增長階段較S1試樣提前3 cm，S2試樣大致在10#點后開始增長，出現(xiàn)在炮孔底部，S1試樣在13#點開始增長，出現(xiàn)在炮孔底部3 cm處。在16#點后，試樣S1和S2均基本無損傷。由圖6可知:各信號的能量分布規(guī)律和趨勢與峰值統(tǒng)計規(guī)律基本一致，但其對炮孔底部爆炸沖擊波的影響范圍表現(xiàn)得更明顯，用于對比分析S1試樣和S2試樣損傷深度更具有規(guī)律性。

圖6 S1及S2試樣各測點信號能量Fig.6 Signal energy of monitoring points of S1 and S2 samples

2.3.2 信號頻率分析

為進(jìn)一步分析爆破后對信號頻率的影響，基于HHT方法對信號進(jìn)行分析。圖7為S2試樣4#測點爆前測得信號進(jìn)行EMD分解后的IMF分量和余項，圖8為IMF分量和余項的FFT頻譜圖。同理，對S2試樣4#測點爆后測得信號進(jìn)行EMD分解，得到如圖9所示的IMF分量及余項和如圖10所示的FFT頻譜圖。

圖7 爆破前4#測點信號的EMD分解Fig.7 EMD decomposition of the signal at 4#measurement point before blasting

圖8 爆破前4#測點信號EMD分解后各分量的頻譜Fig.8 Spectrum of each component after EMD decomposition of the signals at 4#measurement point before blasting

圖10 爆破后4#測點信號EMD分解后各分量的頻譜Fig.10 Spectrum of each component after EMD decomposition of the signals at 4#measurement point after blasting

圖9 爆破后4#測點信號的EMD分解Fig.9 EMD decomposition of the signals at 4#measurement point after blasting

圖11 爆破前4#測點信號各分量與原始信號的關(guān)系Fig.11 Relationship between each component of 4#measurement point signal and original signal before blasting

圖12 爆破后4#測點信號各分量與原始信號的關(guān)系Fig.12 Relationship between each component of 4#measurement point signal and original signal after blasting

同理，分別對S1和S2試樣爆前爆后4#、14#、24#測點的壓電信號進(jìn)行EMD分解，再對分量進(jìn)行頻譜分析，可以得到如下規(guī)律:

(1)S1和S2試樣4#→14#→24#點整體從上到下，信號頻率中高頻噪聲信號占比逐漸減小，低頻成分信號增多，其原因為隨著試樣頂部到底部損傷破壞的減小，發(fā)射信號在傳播路徑上的能量損失減少，但高頻噪聲信號在測試中變化不大，因而低頻信號在整個采集信號中的能量占比會增加。

(2)S1試樣和S2試樣相同測點處的頻率規(guī)律表現(xiàn)得不明顯，結(jié)合信號峰值及總體能量統(tǒng)計分析，其原因在于EMD分解方法在頻段劃分過程中屬于自適應(yīng)劃分，發(fā)射信號經(jīng)損傷混凝土介質(zhì)衰減后，信號頻率成分復(fù)雜，加之S1試樣和S2試樣在相同測點處的信號頻率變化較小，從而導(dǎo)致在頻率分析過程中很難精確區(qū)分。

3 結(jié) 論

(1)基于壓電陶瓷的主動監(jiān)測方法可用于水下爆破巖體損傷分析，水下ERB技術(shù)可有效減弱水下鉆孔爆破中基巖的損傷深度。

(2)通過壓電信號分析可以看出，爆破前的壓電信號為關(guān)于X軸對稱的逐漸衰減曲線，爆破后隨著損傷程度的增加，測得信號的峰值和能量逐漸減小;且壓電信號的峰值在炮孔底部近區(qū)有明顯的突變，安裝有高阻抗球和粗砂的試樣，其突變點比正常對照組提前約3 cm。

(3)EMD方法對于壓電信號頻率分析具有較好效果，特別是對于爆破損傷嚴(yán)重區(qū)域測得信號與噪聲信號疊加嚴(yán)重的區(qū)域具有較好的分辨作用，然而該方法用于損傷深度的精確識別尚待進(jìn)一步研究。