台阶爆破质点振速的高程效应研究.pdf

第3 2 卷第2 期 爆破 V o l 3 2N o ．2 2 0 1 5 年6 月 B L A S T I N G J u n ．2 0 1 5 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 0 5 台阶爆破质点振速的高程效应研究木 万鹏鹏，璩世杰，许文耀，王靖，易巧明 北京科技大学土木与环境学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要为了研究台阶爆破振动高程效应，采用N U B O X - 6 0 1 6 对露天矿山爆破现场质点振动速度进行长时 间监测。通过监测数据的对比分析发现，在正高差地形下，质点振速多表现为先衰减后放大的高程效应，而 在负高差地形下，质点振速多表现为先放大后衰减的现象。研究结果表明正高差边坡在爆破振动载荷作用 下产生“鞭梢效应”，使台阶突出部位岩体发生显著的高程放大效应；负高差边坡易使入、反射波叠加发生 “坡面效应”，导致振动速度局部放大。地震波的绕射对高程效应产生了重要影响，绕射叠加放大现象跟边 坡形状及与爆区的相对位置有关。 关键词爆破振动；边坡；高程效应 中图分类号T D 2 3 5 ．3文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 5 0 2 0 0 2 9 0 4 S t u d yo fE l e v a t i o nE f f e c to fB e n c hB l a s t i n gP a r t i c l eV i b r a t i o nV e l o c i t y W A N P e n g - p e n g ，Q US h i - j i e ，X UW e n y a o ，W A N GJ i n g ，Y IQ i a o m i n g S c h o o lo fC i v i la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，B e i j i n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c e T e c h n o l o g y ，B e i j i n g10 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt o s t u d yt h em e c h a n i s mo fb e n c hb l a s t i n gv i b r a t i o n e l e v a t i o ne f f e c t ，t h eN U B O X - 6 0 1 6w a s u s e dt om o n i t o rt h ep a r t i c l ev i b r a t i o nv e l o c i t yo ns u r f a c em i n eb l a s t i n gf i e l df o ral o n gt i m e ．B yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h em o n i t o r i n gd a t a ，r e s u l t ss h o wt h a to nt h ep o s i t i v er e l a t i v ee l e v a t i o ns l o p e ，t h ee l e v a t i o ne f f e c t o fp a r t i c l ev i b r a t i o nv e l o c i t ys h o w e da na t t e n u a t i o nb e h a v i o ra f t e rt h ef i r s ta m p l i f i c a t i o n ；w h i l et h ef i r s ta m p l i f i c a t i o na p p e a r e db e f o r ea t t e n u a t i o no nt h en e g a t i v er e l a t i v ee l e v a t i o ns l o p e ．R e s u l t si n d i c a t e dt h a tu n d e rt h eb l a s t i n gv i b r a t i o nl o a d ，t h e w h i p l a s he f f e c to c c u r r e do nt h ep o s i t i v er e l a t i v ee l e v a t i o ns l o p e ，a n dm a d eas i g n i f i c a n te l e v a t i o na m p l i f i c a t i o ne f f e c t o nt h es M i e n tb e n c hp a r t s ．O nt h en e g a t i v er e l a t i v ee l e v a t i o ns l o p e ，t h es u p e r p o s i t i o no fi n c i d e n tw a v ea n dr e f l e c t i o n w a v ep r o d u c e ds l o p ee f f e c t ，w h i c hc a u s e dv i b r a t i o nv e l o c i t ya m p l i f i c a t i o n ．D i f f r a c t i o no fs e i s m i cw a v e sm a d eas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ee l e v a t i o ne f f e c t s ，a n dt h ea m p l i f i c a t i o np h e n o m e n o nb yt h ed i f f r a c t i o ns u p e r s t i t i o nw a sr e l a t e dt o s l o p es h a p ea n dt h er e l a t i v ep o s i t i o no ft h eb l a s t i n ga r e a ． K e yw o r d s b l a s t i n gv i b r a t i o n ；s l o p e ；e l e v a t i o ne f f e c t 随着爆破振动在边坡工程爆破开挖中进一步研 究，人们逐步认识到正高差地形的爆破振动高程放 大效应，但是根据现场实测数据分析发现一方面， 收稿日期2 0 1 5 一0 1 1 8 作者简介万鹏鹏 1 9 8 9 一 ，男，河南新县人，硕士研究生，主要从事 采矿工程岩土爆破方向研究， E m a i l u s t b f e n n y 1 2 6 ． C O B o 通讯作者璩世杰 1 9 5 6 一 ，男，博士、教授，主要从事工程爆破方面 的教学与研究工作， E - m a i l q u s h i j i e 1 6 3 b j ．C o r n 。 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 2 7 4 0 2 0 负高差地形中也出现明显的振动放大效应；另一方 面，振动放大效应在两种地形中均是局部出现，放大 效应受到边坡岩体完整性、边坡形状、自由面条件等 因素的影响。 目前对于边坡高程放大效应的研究较多，但主 要集中于现场监测和数值模拟方面{ 1 ，对产生高程 效应的边坡高度、坡度以及坡面对爆破地震波的响 应机理还没有科学的、统一的认知。鉴于此，本文拟 万方数据 爆破2 0 1 5 年6 月 在前人研究成果的基础上，结合司家营铁矿露天采 场的工程爆破实际，对高程放大效应的产生机理加 以探讨，为高边坡工程的爆破设计与安全监测提供 理论依据。 1 边坡高程效应的现场实验及结果分析 司家营铁矿位于河北省滦县城南3k m ，一期露 a 9 月2 4 日测点 a P o i n t so f9 - 2 4 天坑开采深度达到一1 0 0m ，各台阶高度为1 2 ～1 5m 。 1 ．1 爆破振动测试数据监测 爆破振动数据由N U B O X - 6 0 1 6 型智能振动监测 仪所采集，从2 0 1 3 年9 月开始共进行了2 0 余次爆 破振动测试实验，其中9 月2 4 日和9 月2 9 日的爆 破振速测试布点方式见图1 ，两次监测所得数据见 表1 。 b 9 月2 9 日测点 b P o i n t so f9 - 2 9 图1 测点布置示意图 F i g ．1 L a y o u to fm o n i t o r i n gp o i n t sf o re x c a v a t i o nb l a s t i n gv i b r a t i o no fs l o p e 表1 测点爆破振动监测数据 T a b l e1 M o n i t o r i n gd a t ao fe x c a v a t i o nb l a s t i n gv i b r a t i o no fs l o p e 1 ．2 测试监测结果分析 由表1 的数据可绘制振动速度随距爆心水平距 离分布规律如图2 、图3 所示。当台阶测点的高程 相对于爆区位置为正时，即地震波的传播要经过凸 型地貌的影响到达测点时，此时的地形条件称为正 高程差台阶边坡地形。在正高差地形下，由9 月2 4 日监测数据 即表1 和图2 可知，地震波的频率基 本变化不大，说明北帮监测地点的岩层完整性较好 没有不连续结构面。8 8 与8 9 监测点相比，地震波 水平方向和竖直方向速度皆表现为明显的高程放大 效应，8 8 与9 0 监测点相比，竖直方向与水平横向 速度表现为明显的高程放大效应；而9 0 与9 5 、9 6 和9 6 与9 3 、9 4 监测点相比，水平向和竖直向速度 衰减趋势变缓，这也从侧面反映放大效应的存在，并 且说明放大效应不是无限放大的，它跟台阶的坡度 与高度有关。 当台阶测点的高程相对于爆区位置为负时，即 地震波的传播要经过凹型地貌的影响到达测点时， 此时的地形条件称为负高程差台阶边坡地形。在负 高差地形下，由9 月2 9 日监测数据 即表1 和图3 可知，8 8 与8 9 监测点相比，地震波水平方向速度 表现为明显的增大现象，而竖直方向速度表现为衰 万方数据 第3 2 卷第2 期 万鹏鹏，璩世杰，许文耀，等台阶爆破质点振速的高程效应研究 3 1 减，说明P 波在率先到达自由面后发生反射与之后 到达的s 波产生叠加，使S 波振动加强；9 0 与9 3 和9 4 与9 5 监测点相比，水平向和竖直向的振速都 有小幅增大，并且两个方向上的振动主频发生较大 变化 最大变化幅度为1 3H z ，结合该次监测的边 坡地形 如图1 b 所示 ，可以做出推断从爆区震 源处传来的地震波在9 3 测点处 台阶的坡脚点 发 生绕射，产生新的震源，发出的球面波与从爆区发出 正常的波形相互叠加，使9 5 测点处的质点振动加 强，呈现出振动响应特征的高程效应。 f ∞ ● 皇 o ＼ 越 蝌 需 蠼 昌 、 划 驰 罐 图2 正高程边坡测点振动速度分布规律 F i g ．2 D i s t r i b u t i o nl a w so fb l a s t i n gv i b r a t i o nd a t ai n m o n i t o r i n gp o i n t so nt h ep o s i t i v er e l a t i v ee l e v a t i o ns l o p e 图3 负高程边坡测点振动速度分布规律 F i g ．3 D i s t r i b u t i o nl a w so fb l a s t i n gv i b r a t i o nd a t ai n m o n i t o r i n gp o i n t so nt h en e g a t i v er e l a t i v ee l e v a t i o ns l o p e 2 边坡高程效应的机理研究 由于爆破振动问题的复杂性，以往研究者对质 点振动速度沿边坡高程效应的产生机理并无共识， 结合上述工程实例的监测结果，认为不同地形的振 速高程放大主要由鞭梢效应、界面群叠加效应、坡面 效应影响。 2 ．1 鞭梢效应 鞭梢效应 w h i p p i n ge f f e c t 指当建筑物受地 震作用时，它顶部的突出部分由于质量和刚度比 较小，在每一个来回的转折瞬间，形成较大的速 度，产生较大的位移，就和鞭子的尖一样，这种现 象称为鞭梢效应MJ 。 研究发现，当露天采场的台阶高度、坡面角或工 作平台宽度由于地形因素或工程原因而发生改变时， 即表现为台阶突出物 如图4 所示 ，则该台阶处容易 产生鞭梢效应而使台阶爆破的质点振速发生放大效 应，这与前文的正高差地形8 8 与8 9 的放大效应及 9 0 - 与9 6 的衰减效应减弱等分析结论相一致。 图4 边坡概化模型 F i g ．4 G e n e r a l i z a t i o nm o d e lo fr o c ks l o p e 2 ．2 叠加效应 爆破地震波的叠加效应主要有界面群叠加和绕 射叠加。 2 ．2 ．1 界面群叠加 由于地质沉积作用，地壳由表及深存在波阻抗 不同的地质界面，地震波引起的质点振动在界面群 的影响下发生干涉形成叠加效应。设入射波P 。是 简谐波，当人射到R 。面产生折、反射波P 、P 。；P 在 R 面上产生折反射波P ，、P 。，以此类推，入射波的质 点位移会产生叠加关系“ 1 如图5 所示 。 Z 图5 界面群叠加示意图 F i g ．5 T h es u p e r p o s i t i o no fr e f r a c t i o ni ns t r a t u mg r o u p 万方数据 3 2爆破2 0 1 5 年6 月 岩层波阻抗由深及表是逐层增加的 台阶自由 面的波阻抗为0 ，即C 1 P 。 C 2 p 2 C 3 P 3 ，而入射波 速与折、反射波速满足如下关系 2 C l P l 秽月 C 1 P 1 C 2 P 2 刨FC 1 P 1 一C 2 P 2 秽R C 1 P 1 C 2 p 2 1 2 由式 1 、式 2 可知，反射波速y n 折射波速 屹均大于入射波速K ，所以界面群的折射叠加特性 会使地震波质点振速随高差的增大而体现放大效 应，这种效应在地层存在明显界面群情况下是客观 存在的。 2 ．2 ．2 绕射叠加 地震波在通过断点、尖灭点、突变点等不均匀体 时，这些不均匀体可视为一个新震源，向四面八方发 射球面子波，这种现象称为绕射。 如图6 所示，当从爆区震源0 传来的地震波通 过台阶变坡点A 、c 处会产生绕射，A 点处振速峰值 是从爆源0 处传来体波W 。引起的，而引起B 、c 点 振速峰值的波源就要复杂得多，B 点的峰值速度是 由A 处传来的面波职和c 处传来的面波职叠加 引起的，C 点的峰值速度是由3 种地震波叠加引起 的，即0 处传来的体波职、A 处传来的体波职和A 处经过B 传到c 的的面波，所以会出现B 处振速％ 大于A 处振速U ，％大于％的高程放大效应。 图6 绕射叠加不意图 F i g ．6 T h es u p e r p o s i t i o no fd i f f r a c t i o nw a v ea n dr e g u l a rw a v e 当B 处产生绕射叠加即％ n 时，有 生 生一生 生r 3 、 一4 ．一J ．一 I ’l y 体渡1L 面波y 体波。L 面波 、一7 由于体波的传播速度大于面波，所以L s c 小于 L 。，即台阶坡面的长度要小于台阶宽度。当C 处产 生绕射叠加时，即引起c 处峰值速度的三种地震波 到达C 处的时间要完全一致，由于A 处面波的波速 较体波要小，故要求空间两点距离O C 段和A C 段要 尽量大一些，特别是A C 段，在A B 、B C 段距离一定的 情况下，要求坡角／_ A B C 尽量大一些。 从上述分析可知，对于绕射叠加效应的局部高 程放大现象跟边坡形状及与爆区的相对位置有关， 这与现场监测的放大效应多发生在距离爆源的水平 距在2 0 0 ～3 5 0m 、高程小于4 0I n 局部区域的现象 相吻合。 2 ．3 坡面效应 爆破振动波在遇到坡面时，其强度和频率会发 生变化，从而产生坡面效应【8J 。在背波坡面中 如 图7 。 图7 背波坡面不意图 F i g ．7 T h ew a v et r a v e lb e h i n ds l o p e 设入射波质点振速表达式为 V t A 以t 4 则反射波质点振速表达式为 以 t 一A 抓t 5 所以坡面处的质点位移为 t U t J [ V t 一V t ] d t 6 6 。 在台阶岩层完整性较好的情况下，爆破地震波在 遇见坡面时会发生反射，由式 6 可知人、反射波的叠 加会产生放大效应。图7 中所示的背波坡面，地震波 在坡面A 处发生发射，A 处的质点振速会叠加放大， 这与前文的负高差地形放大效应分析相一致。 3 结论 1 在正、负高差的台阶边坡上，均存在地震波 质点振速的高程放大效应现象，振动峰值速度总体 上表现为衰减趋势，局部出现放大现象。 2 在波阻抗不同界面群的影响下，折射叠加 理论在边坡高程放大效应发生机理中是客观存在 的；在正高差边坡上“鞭梢效应”表现明显，在负高 差边坡上“坡面效应”表现明显。 3 地震波的绕射对高程放大效应产生了重要 影响，绕射叠加放大现象跟边坡形状及与爆区的相 对位置有关。 下转第6 3 页 万方数据 第3 2 卷第2 期杨国梁，冯栋凯，冀文欢，等不同掏槽形式成腔过程比较数值分析 6 3 上接第3 2 页 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 张涛，郭学彬．边坡爆破震动高程效应的实验分析 与研究[ J ] ．江西有色金属，2 0 0 6 ，2 0 4 1 0 ．1 3 ． Z H A N GT a o ，G U OX u e b i n ．E x p e r i m e n t a la n a l y s i sa n d s t u d i e so fe l e v a t ee f f e c t o fs l o p eb l a s t i n gv i b r a t i o n [ J ] ． J i a n g x iN o n f e r r o u sM e t a l s ，2 0 0 6 ，2 0 4 1 0 - 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x i n ，Z H A N GS e n ．N u m e r i c a l a n a l y s i so nd y n a m i cr e s p o n s eo fr o c ks l o p eu s i n ga n s y s s o f t w a r e [ J ] ．N o r t h w e s t e r nS e i s m o l o g i c a lJ o u r n a l ，2 0 1 0 ， 3 2 2 1 1 7 1 2 1 ． i nC h i n e s e 陈明，卢文波，李鹏，等．岩质边坡爆破振动速度 的高程放大效应研究[ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 11 ，3 0 11 2 1 8 9 - 2 1 9 4 ． C H E NM i n g ，L UW e n b o ，L IP e n g ，e ta 1 ．E l e v a t i o na m p l i f i c a t i o ne f f e c t o fb l a s t i n gv i b r a t i o nv e l o c i t yi nr o c ks l o p e [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 11 ，3 0 11 2 1 8 9 2 1 9 4 ． i nC h i n e s e 周同岭，杨秀甫，翁家杰．爆破地震高程效应的实验研 究[ J ] ．建井技术，1 9 9 7 ，1 8 S 1 3 1 3 4 ． Z H O UT o n g l i n ，Y A N GX i u f u ，W O N GJ i a - j i e ．E x p e r i m e n t a ls t u d i e so fe l e v a t ee f f e c t o fb l a s t i n gv i b r a t i o n | JI ． M i n eC o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g y ，1 9 9 7 ，1 8 S 1 3 1 3 4 ． i n C h i n e s e 郭学彬，肖正学，张志呈．爆破振动作用的坡面效应 [ J ] ．岩土力学与工程学报，2 0 0 1 ，2 0 1 8 3 ．8 7 ． G U OX u e b i n ，X I A OZ h e n g x u e ，Z H A N GZ h i c h e n g ．S l o p e e f f e c to fb l a s t i n gv i b r a t i o n 『JI ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e ． c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 1 ，2 0 1 8 3 8 7 ． i nC h i n e s e ]j]_]J]J]J]J]J 5 6 6 7 7 8 8 r L r l f L r L r l r l r L 万方数据