爆破地震对结构的影响.pdf

收稿日期文章编号（）爆破地震对结构的影响叶海旺房泽法彭志刚编译（武汉工业大学武汉市）摘要本文从爆破振速和爆震频率两方面介绍了爆破地震对结构的影响，非爆破因素对结构的影响，以及围绕这些所进行的各项研究和实验。关键词爆破振速；爆震频率；结构响应中图分类号文献标识码（，）， “ “ “ “ ， “ “ ， ’ ’ “ ；随着爆破技术的广泛应用，人们越来越关注爆破对周围环境及建筑物的影响，更进一步的是爆破产生的爆炸声和震动导致潜在损伤的问题也开始得到重视。看到那些因爆破而产生的裂缝，所有居民都不愿接受爆破。几乎每一个参与爆前爆后的检查人员都涉及这样的纠纷，那就是居民把爆前已存的裂缝说成是新的裂缝。因此，很有必要研究爆破地震对结构的影响。爆破安全标准目前，许多国家的研究人员认为，爆破质点振动速度是衡量爆破破坏程度的最好方法，我国衡量爆破地震程度的依据也是质点振动速度，其标准是一般砖房、非抗震性大型砌块建筑物的最大允许振速为 ’／。美国矿业局* 综合美国、加拿大、捷克斯洛伐克及瑞典的相关资料得到一个全面、保守的结论质点振动速度介于 ’／之间（英寸／秒）的爆破是安全的。第卷第期年月爆破 , - . / 0 1 / 2 万方数据结构响应和动态放大从民房结构的响应上，我们可以清楚地看到爆破振动的危害。爆破振动在墙面或墙角产生的裂缝本质上是因为其受到的压力和应力超出了它们的承受能力。从墙角和墙面产生的裂缝看，墙角响应能较好地反映这一点，其原因是由爆破引起的裂缝是整个建筑物因挤压和歪曲而产生剪切力作用的结果；而墙面的响应主要来自于窗户的拍击和墙的悬挂物及墙的沟槽的影响，它们在平面产生的剪切很小，并没有实际的危害。建筑物的地面以上部分有放大水平方向的地面运动的趋势。响应取决于建筑物的固有频率、阻尼和地震的频率、振幅。最大的响应来源于地震作用于建筑物的固有频率，即发生共振，对一、两层结构的民房来说其固有频率为。美国矿业局对种不同房屋进行的实验结果表明，最大的放大因子为，与激振频率在范围内产生的结构响应因子倍相当（ “ 放大因子” 是上层楼相对于地面水平的激振响应与时间相联系的系数）。对于波峰，不必考虑这些放大因子，因为这些波峰可能不会产生在同一时间。这些可测量的放大效应与有效的振动阻尼（或更大）相对应。实验表明，对于一栋房子，它的东西方向的响应与南北方向不同，这是因为它们有不同的结构强度。由实验可知，接近于结构共振频率的爆破振动频率为。阻尼（）可从结构的自由响应计算出来，在理想情况下，振动响应的衰减滞后于地面振动或运动的停止（）（／）（／）式中，振幅；个周期后的振幅。爆破引起的地震，其衰减是很迅速的。从实验所得的震动曲线可以看出，经过两个周期就从高水平的响应降到。这与使用上述方程得出的的阻尼是一致的，与拥有最大放大因子的理想响应系统所得的很接近，但是这大大超过美国矿业局中的典型计算值。民房因振动而产生的破裂及其可能性研究爆破振动能否使房屋产生裂缝是大家最关心的话题，那么到底多大的振动才能使房屋产生裂缝呢美国矿业局与其他研究人员一起做了大量的分析、研究。他们对家民房进行了次爆破振动的测量和观察，对用重复、长时间的振动对单个民房结构和已在实验室做过疲劳试验的四套器件的影响做了广泛的研究。研究表明因爆破引起的低频地震能促成房屋破裂。另外，从实验中可得出，振动频率是决定结构能否产生破裂危害重要因素之一。报告提供了一个简单的避免民房破裂的安全地震水平标准和一个可供选择的图表，这两者都涉及到频率。中指出美国矿业局通过实际观察发现，次爆破中只有次产生了有据可查的损伤，其中许多次爆破产生了相对较高的振幅，振速超过／（英寸／秒），但没有造成任何损害。第卷第期叶海旺等爆破地震对结构的影响万方数据的分析表明，爆破地震引起危害的可能性与地震量级相反。许多关于危害的记录和对结构存在原应力的讨论创造性的表明震动对民房的危害没有实际的阈值，爆破可能是促发其破裂的契机。的理论预测直线表明震速在／（英寸／秒）有的裂缝产生的可能，然而实际破坏与未破坏之比却偏离了预测直线，并在震速为／（英寸／秒）时渐近于零点（并非）。在年人们认识到，震速在／（英寸／秒）以下对民房几乎不会造成裂缝，现在也只能推测产生这种现象的原因，无法证实它。爆破产生破裂的特征及爆破损害的程度一般地，爆破在各个方向以最强和最严重的水平位移和响应因子摇动建（构）筑物。如果裂缝因爆破而产生，它们将在刚性墙的平面剪应力的出现处产生，而且它们还是对称的（每堵墙的两个方向）。当由爆破引起的振动足以能破坏和移动物体时，裂缝大小仅比发丝宽一点。结构或其部分的分裂需要一个较大的破碎系数（／）作用在一个方向上，且需足够长的时间使运动发生。换句话说，也就是高加速度和低频率。分裂可能会接近于波峰位置，但更可能发生在几个连续震动周期中波形位置差别最大的位置。在最坏的情况下（举一个最糟的例子），因受到至少的加速度和波峰位置在处的振动而产生一个宽的裂缝可能会出现（发生）在一个弱的或已经破坏的材料上，其相应的质点速度和频率分别为／（英寸／秒）和。而这种组合与其说是来自于爆破倒不如说是来自于地震。一些人把美国矿业局的标准解释为只有震速超过／或／（或英寸／秒）时才会发生广泛的破坏。正如中所述，引起破裂的阈值很可能低于促使装饰材料破裂的爆破震速，极少部分超出它们将不会引起广泛的损害或破坏每一结构。美国矿业局的研究者和其他研究人员也测试了上百个无损伤的爆破，有的振速甚至超过／（英寸／秒）。另外，从自然的损伤也得到了同样的结论。爆破将不会产生宽的或较大的裂缝，除非爆炸应力足够强，可以破坏（扰动）地下的土或基础。混凝土和其他圬工的破裂并不是振动造成的。任何振动如果强到可以使公路、人行道、基础等破裂，将也会大范围地破坏高层建筑物。其他原因引起的破裂来自于安置、打夯、滑坡的响应将产生在角点处且通常是不均匀的。也就是说裂缝将沿着特定的方向延伸（如北端固定，因拉应力产生的裂缝将向南端的延伸低于向北方向）。它们将会随时间的推移而使建（构）筑物产生裂缝并逐渐延伸、加宽。热反应、材料的变干和塑性硬化将会使裂缝平行于墙和天花板，且一般不会在角上出现。如果潮湿变化比较明显，将会影响用木头支撑的结构。而地板和地板砖上的裂缝将要从基础上去考虑，如是否有沉陷、是否缺少有效的支撑以及工作质量问题。振动不会破坏块体混凝土爆破年月万方数据或活动地板，也不会影响地上的建筑物，除非振速高达／（英寸／秒）以上。另外，由于自然和非自然压力影响的存在，裂缝确实存在于每家每户的房子上。实际上，所有房屋都受到热循环、湿度变化、材料弯曲和收缩、霜冻、土壤的膨胀和收缩、边坡的蠕变、沉陷和压实、房子附近人的活动，交通、航天飞机、声音的隆隆响、风、树根、结构的缺乏等因素的影响，当影响达到一定程度时房屋将会产生断裂破坏。其中一些因素是长时间间隔地作用，如小时的温度循环，一年中温暖和寒冷气候引起的湿度循环，它们产生的力比任何可以想象的矿山或结构的爆破都要大，但它们比不上爆破易被察觉，因为它们运动的周期长。所以，不难理解，由于自然力的影响一般不易被察觉，爆破将会因那些以前已经存在但被人们忽略的裂缝而成为替罪羊，受到人们的责难。多次爆破对结构的影响疲劳研究在之后某矿业局又进行了七部分疲劳研究。其主要涉及的是在一个煤矿的高边坡上建立的一座平方英尺的房子。此结构受两年时间的环境攻击，如沉陷、一天之内及季节温度的循环变化、湿度变化、风的吹拂、次爆破和紧接着一个星期的机械振动。从次爆破得出的响应振动速度均超过／（英寸／秒），其中次超过／（英寸／秒）。爆破和最初的损伤之后，此结构在运输和扭转响应长达个小时、振速超过／（超过，个周期）的机械振动作用下，仅仅只有装饰材料的裂缝是因爆破和机械作用共同作用而产生的。研究结果表明，在地面振速为／（英寸／秒）的时候破裂率开始随爆破而上升。矿业局对于弱结构材料象石膏灰墙部分所做的疲劳试验是对该领域所做试验的补充。在美国西北大学也做了相似的试验，他们强调剪切荷载下的破裂。至于砖结构的破裂，矿业局与大学联合在混凝土模块上做了一系列的疲劳损伤试验。最后，美国矿业局等，在华盛顿区附近的材料实验研究所（即现在的美国标准局）进行了全规模的混凝土块墙（面和角）损伤试验。疲劳试验和变形测量的总况如下墙板芯的损伤从开始，当达到时从表面就可以察觉。无预应力的混凝土块墙在低振速，甚至经历，次低速振动紧接着再经历，次／（英寸／秒）的振动，均不会出现损伤。混凝土块墙在其承载能力的静荷载的作用下，经过，次／（英寸／秒）的振动试验，再做，次／（英寸／秒）的振动试验，会有初始的诱发性的裂缝。总体形变相应于混凝土块墙中的初始裂缝大约为。从这些疲劳实验中可以发现结构材料将会因疲劳而破坏（失效）。但是，对于大多数材料来说，荷载必须是材料发生损伤的临界强度的一个百分数。如果振动速度大大低于其损伤的振速，无论振动时间多长均不会出现损伤。在材料科学领域，这就意味着将不会超出弹性极第卷第期叶海旺等爆破地震对结构的影响万方数据限，在微观上讲，也就是分子的结合将不会被破坏。至于爆破，／（英寸／秒）的安全振速标准比产生疲劳损伤的振速低。最有趣的是，许多距爆破较近或较远的房子确实出现了裂缝，尤其是结构的连接处和结构强度较弱的点，其原因是在前面已阐述过的环境因素的影响。基础变形损伤标准、研究中描述了通过爆破前后对房子的观察和试验来检测其潜在的损伤。对已测出压力、变形、强度的结构材料所进行的疲劳研究的结果提出一个交互拟合分析。最初的芯疲劳出现在处，表面可见破裂出现在处。由标准局所做的疲劳试验发现在总体变形为时出现最初疲劳，大多数弯曲损伤都发生在砂浆里。道丁在年指出，对于混凝土，其疲劳变形的最小值为，这相当于振速／（英寸／秒）。对结构响应的测量和对不同位置的特殊测量，可对平面墙的变形提供一些大约值。例如，对一个两层楼房子（长，高），一水平振动粒子速度为／（英寸／秒），其放大因子为，频率为，在一均质墙上其总体变形为。这大约是产生初始芯破裂所需的／，但是由于门窗的存在，使得实际形变结果又复杂多了。对于独块材料，其疲劳振速可按下式计算／（）式中，抗拉强度，／；比重；波的传播速度，／。例如，混凝土的抗拉强度为／，比重为，传播速度为，／，其破裂振速约为／。这与上面道丁提出的数字大致相同。混凝土中因爆破而产生的破裂大家都知道，块体混凝土有较好的抗振性能。奥瑞尔德在做了这样一项工作，对新浇灌的还未完全固化的混凝土，精确测定了其具有历史性的指标，其安全值／（英寸／秒），天之后其安全值达到／（英寸／秒）。美国水泥研究院的峰值振动研究也提出了相似的指标／（英寸／秒）。在实际试验中，奥瑞尔德发现要使浇灌天后的混凝土破裂需用大于／（／）的振动，已固结的混凝土可承受／（／）的振动。奥瑞尔德还得出标准，对于块体混凝土，它精确测定了距爆点大于（英尺）处已浇灌天的混凝土，其安全振速为／（英寸／秒）。在震源较近距离（在英尺以内）处，由于高频成分的作用，当振速高达／（英寸／秒）时，混凝土依然完好无损。可见，高速振动不会影响爆点附近（几十英尺之内）的建筑物。后来，奥瑞尔德又做了一个研究。年他在混凝土上做了一个拉损阈值实验，结果为损伤开始于，表面破裂约在。这些变形发生在质点振速大约为和／的相应峰值处，对其频率没有做精确的测定但可断定是很高的，因为在报告中一短距离接收器爆破年月万方数据的测量结果能看出这一点。除了从混凝土上获得结果外，我们还可从一些新的不同的结构材料上得到，这可参见加克道丁的文章。隔离非爆源条件下民房振动的附加研究业内其他的同行已对周围环境的影响和爆破的影响作了比较。于年做了一项研究，他使用变形计在家民房中测裂缝，他指出来自那些不知名的非爆破因素、环境力、人的活动包括火车和汽车等的结构响应超过来自于附近采石场的爆破响应，那时采石场震动限制在／（／，／）。准静态的变化（变化很慢），如温度和湿度的循环，在超过天的时间内，在这些结构上裂缝宽度变化为。相比之下，因爆破作业而产生的典型的动态变化（从变到，最高的达）显得微乎其微。可见，由爆破引起的破坏远小于周围环境的影响。来自于利兹大学的作者所写的两篇文章也解释了爆破作业对结构的影响，比较了爆破作业和非爆破因素的影响（，，），他们的结果总体上与前面所述的结果相一致。特别地，他们发现温度循环和人类活动对结构裂缝宽度有较大的影响，而爆破却很小或几乎没有影响。利兹大学的研究者们发现裂缝在没有爆破时也延伸，其原因归于室外较低的温度，而最低活跃的爆破损伤观察显示其振速（在最糟情况下的振速）为／（／）。他们得出的结论是因各种原因引起的裂缝是仅由地震引起的四倍还要多。利兹的研究，这就支持了美国矿业局的安全标准值 “ 的／（／）和 “ 的安全标准阈值／（／），此结论也就提供了如何避免低层结构在爆破和那些较坏的条件下产生破裂的依据。结语通过以上的研究，我们不难得出，评价爆破震动的标准除了振动速度外还应充分考虑震动频率。所以，合理的爆破振动安全标准应综合考虑爆破质点的振动速度和爆震频率两个因素。参考文献 ’ ， * , , * * * ， ’ ，- * “ , * * . ，/ 0 * , 1 2 - 3 4 * ， , 1 2 ，5 . ， 6，2 2 7 ，，， * ，/ ， 2 2 第卷第期叶海旺等爆破地震对结构的影响万方数据