紧邻建（构）筑物水下爆破振动安全判据研究综述 .pdf

ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００１-８３５２. ２０１６. ０３. ０１２ 紧邻建构筑物水下爆破振动安全判据研究综述 ❋ 苏 莹①② 吴 立② 彭亚雄② 周瑞锋② 苏小毛③ ①武汉科技大学城市学院湖北武汉，４３００８３ ②中国地质大学武汉湖北武汉，４３００７４ ③湖南创意爆破工程有限公司湖南长沙，４１０００１ [摘 要] 简要阐述了水下爆破作用下建构筑物安全性能评价指标,综合分析了振动幅值单因素安全判据在 水下爆破紧邻建构筑物安全性能评定中的应用,并介绍了振速-频率双因素安全判据理论研究方法及各国安全 判定标准,分析讨论了两种判据在爆破振动安全评定考虑因素与应用范围上的不足 基于累积损伤机理及振动叠 加理论,介绍了爆破振动持续时间及微差爆破延时间隔对建构筑物安全性能的影响 提出爆破振动安全判据应 从爆破振动持续时间及微差爆破延时间隔这两方面加以完善,并建议在实际工程中采用最佳微差延时间隔以达到 最优降振效果 [关键词] 安全判据；振动速度；振动频率；振动持续时间；微差爆破延时间隔 [分类号] ＴＤ２３５ 引言 高强度的爆破振动会使周边建构筑物局部 失稳甚至整体破坏[１-２] 因此,必须采用合理的爆破 振动安全判据,对紧邻建构筑物的稳定性与安全 性进行判断,使其振动状态始终处于安全可控的范 围内 水下爆破时紧邻建构筑物受迫振动的主 要评价指标包括振动速度、振动频率、振动持续时 间等[３-４] 工程上多采用爆破质点振速单因素安全 判据或综合考虑振速-频率的双因素安全判据[５] 爆破振速安全判据考虑因素过于单一,不能很 好地反映建构筑物受迫振动的真实状态,目前已 很少运用于实际工程[６] 振速-频率的双因素安全 判据考虑了频率作用下质点安全振速的折减,与单 因素判据相比较,更为合理[７-９] 因而,近年来各国 在原安全标准基础上,提出了考虑频率因素的振速 安全标准 爆破振动持续时间会导致振动叠加,从而影响 结构动力响应特征[１０] 国内外学者也对此开展了 一系列理论研究 凌同华等[１１]利用时-能密度法, 对微差爆破延期时间进行优化分析,得出爆破振动 幅值最小情况下的最优微差延期时间范围；Ａｌｄａｓ 等[１２]基于对振动叠加理论与微差爆破干扰降振理 论的研究,开发了一个系统的爆破振动监测控制体 系 但目前工程领域尚无可指导实践的统一安全判 据,需要继续进行研究探讨 １ 水下爆破安全判据 １. １ 振动幅值单因素安全判据 １. １. １ 爆破振动强度因子 单因素爆破振动安全判据可以用统一的爆破振 动强度因子 Ａ 来表示,其经验公式为[１３] Ａ ＝ ＫＱαｒβ１ 式中Ａ 为测点所在地质点爆破振动强度因子振动 速度、位移或加速度；ｒ 为爆心至测点之间的距离, ｍ；Ｑ 为单段装药量,ｋｇ；Ｋ、α、β 为与地质条件有关 的系数 霍永基等[１４]研究发现,爆破振动强度因子中, 振动速度与建构筑物的稳定性与安全性关系更 为紧密,对其影响更大,因而在水下爆破工程中,一 般采用振动速度来判断紧邻建构筑物受迫振动 的安全性与稳定性 １. １. ２ 质点爆破振速 质点爆破振速可按 Ｓａｄａｏｖｓｋ 公式求解[１５-１６] ｖ ＝ ＫＱ ε ｒ α ２ 式中ｖ 为待测质点爆破振速,ｃｍ/ ｓ；ε 为与药量相关 的指数；Ｋ、α 为与地质条件有关的系数,其参考取值 .５５.２０１６ 年 ６ 月 紧邻建构筑物水下爆破振动安全判据研究综述 苏 莹,等 ❋ 收稿日期２０１５-０７-１８ 基金项目湖北省科技厅自然基金重点基金项目２０１３ＣＦＡ１１０；中国地质大学武汉教学实验室开放基金ＳＫＪ２０１４０６５ 作者简介苏莹１９９１ － ,女,硕士,主要从事工程爆破、围岩动力响应方面的研究 Ｅ-ｍａｉｌ１８６７２７６５６１２＠１６３. ｃｏｍ 通信作者吴立１９６３ － ,男,教授,博导,主要从事工程爆破、围岩动力响应方面的研究 Ｅ-ｍａｉｌｌｗｕ＠ ｃｕｇ. ｅｄｕ. ｃｎ 如表 １ 所示 表 １ 爆区不同岩性的 Ｋ、α 值 Ｔａｂ. １ Ｖａｌｕｅ ｏｆ Ｋ ａｎｄ α ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｉｔｈｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｉｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ａｒｅａ 岩性Ｋａ 坚硬岩石５０ １５０１. ３ １. ５ 中硬岩石１５０ ２５０１. ５ １. ８ 软岩石２５０ ３５０１. ８ ２. ０ Ｋ、α 的取值随着爆破类型、方式的不同而不同； 同时,由于实际工程中地质条件复杂多变,该取值多 采用现场试验或回归分析等方法获得 ε 一般取 １/２或 １/３[１７] 对实测数据分别用 ε ＝ １/２和 ε ＝ １/３进行回归分析,发现 ε ＝ １/３ 时,剩余标准差较 小,因此,一般情况下,取 ε ＝１/３ 较为合理[１８-１９] 由于水下爆破振速测量环境与爆破影响因素的 复杂性,采用萨达夫斯基公式无法准确得知质点振 速 针对水下爆破的特殊性,孟吉复等[２０-２３]引入高 程差因子 γ,对传统萨达夫斯基公式进行修正,修正 后质点振速的表达式为 ｖ ＝ ＫＱ １ ３ ｒ αＱ １ ３ Ｈ γ ３ 式中Ｈ 为爆破点至测点间的相对高差,ｍ；γ 为高差 修正系数；Ｋ、α 和 γ 取值可采用现场试验或多组监 测数据的回归分析获取 水下爆破工程中,紧邻建构筑物在持续爆破 振动作用下的动力响应状态不仅与爆破振动特性有 关,还应当充分考虑结构自身的动力特性[２４] 质点 振速、振动频率以及振动持续时间均会对建构筑 物安全性能判定产生较大影响,因而采用单一的质 点振动速度判定结构安全性缺乏合理性[２５-２７] 目 前,国内外多采用振速-频率双因素安全判据 １. ２ 振速-频率双因素安全判据 １. ２. １ 基于频率比的折合振速 焦永斌[２８]采用频率比 βｆ计算频率作用下质点 振动折合速度,其表达式为 ｖｆ＝ βｆｖｃ４ 式中ｖｆ为频率作用下地面质点折合振速,ｃｍ/ ｓ；βｆ 为频率效应影响系数；ｖｃ为地面质点的振动速度, ｃｍ/ ｓ βｆ可通过最小二乘法分析获得 βｆ＝ １ Ｋβｌｇ ｆｂ ｆｇ ５ 式中Ｋβ为频率比例系数；ｆｇ为建构筑物的自振 频率,Ｈｚ；ｆｂ为爆破振动作用下地面质点的振动频 率,Ｈｚ ｆｂ/ ｆｇ５ 时,Ｋβ＝１ ２,βｆ５ 时,Ｋβ＝２ ４,βｆ可能等 于或者大于 １,折合振速大于或等于监测值,可能引 发建构筑物共振,对其安全不利[２９] 目前,国内对于 ｆｂ有两种较为常用的计算方 法 焦永斌[２８]研究得出 ｆｂ的计算公式如下 ｆｂ＝ Ｋｆｃ ７ ５ ｓ Ｑ １ ２ Ｑ １ ３ ｒ ２ ５ ６ 式中Ｋｆ为与振动频率相关的系数,Ｋｆ＝ ０. ０１ ０. ０３；ｃｓ为岩石的横波波速,ｃｍ/ ｓ 唐春海等[３０]针对不同的爆破形式,得出 ｆｂ＝ ｋ Ｑ １ ３ ｌｏｇｒ １ ２ ７ 式中ｋ 为与频率相关的系数,硐室爆破中,ｋ ＝ ０. ８ ５. ０；台阶爆破中,ｋ ＝５. ０ ５０. ０；拆除爆破时, ｋ ＝１. ０ １０. ０ ｋ 在其取值范围内,与 Ｑ 存在如下 关系Ｑ 值较大时,ｋ 可取较小值；反之亦反 折合振速及两类频率预测公式均属于经验公 式,较为粗糙,无法准确判断建构筑物安全性,但 仍为爆破振动安全判据做了有益探索,值得借鉴 １. ２. ２ 国内外频率-振速双因素安全判据 国内外对于爆破振动安全判据做了一系列探 索,结合各国工程经验与实际抗震设防要求,获得了 符合各国实际的频率-振速爆破振动安全判据,具体 如表 ２ 表 ５ 所示[２１-３２] １. ２. ３ 基于频率-振速因素的工程设计方法 张立国等[３３]通过量纲和谐原理及 δ 定理建立 相似准数方程,推导了爆破振动主频预测公式 表 ２ 瑞士爆破振动安全判据 Ｔａｂ. ２ Ｓａｆｅｔｙ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ 建筑物分类 频率范围/ Ｈｚ 质点振动速度/ ｍｍ.ｓ －１ 钢结构、钢筋混 凝土结构 １０ ６０ ６０ ９０ ３０ ３０ ４０ 砖混结构 １０ ６０ ６０ ９０ １８ １８ ２５ 砖石墙体、木楼阁 １０ ６０ ６０ ９０ １２ １２ １８ 历史性及 敏感性建筑 １０ ６０ ６０ ９０ ８ ８ １２ .６５. 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４５ 卷第 ３ 期 表 ３ 德国爆破振动安全判据ＤＩＮ４１５０ Ｔａｂ. ３ Ｓａｆｅｔｙ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｇｅｒｍａｎｙ ＤＩＮ４１５０ 建筑物类型 频率范围/ Ｈｚ 合速度/ ｍｍ.ｓ －１ 工业建筑及 商业建筑 １０ １０ ５０ ５０ １００ ２０ ２０ ４０ ４０ ５０ 民用建筑 １０ １０ ５０ ５０ １００ ５ ５ １５ １５ ２０ 重点保护建筑 １０ １０ ５０ ５０ １００ ３ ３ ８ ８ １２ 表 ４ 美国露天矿务局标准ＯＳＭ 标准 Ｔａｂ. ４ Ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｎ-ｐｉｔ ｍｉｎｅ ｂｕｒｅａｕ ｉｎ Ａｍｅｒｉｃａ ＯＳＭ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ 频率/ Ｈｚ１ ４４ １３１３ ２９２９ 以上 振速/ ｍｍ.ｓ －１ ４. ７９ ２０. ００２０２０ ５０５０ 表 ５ 中国爆破振动安全允许标准 Ｔａｂ. ５ Ｓａｆｅｔｙ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ｏｆ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｈｉｎａ 保护对象类别 主振频率 ｆ/ Ｈｚ 允许安全振速/ ｍ.ｓ －１ 土窑洞、土坯房、 毛石房屋 ｆ １０ １０≤ｆ ５０ ５０≤ｆ １００ ０. ５ １. ０ ０. ７ １. ２ １. １ １. ５ 一般砖房、非抗震的 大型砌块建筑物 ｆ １０ １０≤ｆ ５０ ５０≤ｆ １００ ２. ０ ２. ５ ２. ３ ２. ８ ２. ７ ３. ０ 钢筋混凝土结构房屋 ｆ １０ １０≤ｆ ５０ ５０≤ｆ １００ ３. ０ ４. ０ ３. ５ ４. ５ ４. ２ ５. ０ 一般建筑与古迹 ｆ １０ １０≤ｆ ５０ ５０≤ｆ １００ ０. １ ０. ３ ０. ２ ０. ４ ０. ３ ０. ５ 重力式码头５. ０ ８. ０ 水工隧道７. ０ １５. ０ ｆｒ ＝ Ｋ Ｑ １ ３ ｒ α ８ 式中Ｋ、α 为与传播介质相关的参数,可通过现场试 验获得 工程地质条件与周边建构筑物分布已知时, 以频率-振速双因素安全标准为控制值,可获得爆破 现场合理振动幅值 结合式３与式８,可获得同 时考虑频率、振速的最优单段装药量 １. ３ 考虑振动持续时间的爆破振动安全判据 在持续爆破振动影响下,围岩裂隙发展直至破 坏,同时建构筑物振动速度允许值下降降低 ２ 倍以上[３４],严重危害围岩及临近建构筑物安全 性能 同时,结构反应超过弹性极限后可能会导致 强度有所丧失,其具体表现为１线性体系中,结构 反应较大值的发生概率随振动持续时间的上升而上 升；２非线性体系中,振动持续时间的升高也会导 致结构内部产生永久变形的概率上升；３爆破振动 作用下,结构物的损坏程度仍将随振动持续时间的 上升而上升 振动持续时间 ｔ 与距离 ｒ 之间的近似关系可表 示如下[３５] ｌｇｔ ＝ －１. ６ ＋ ｌｇ ｒ １ ０００ ９ 高富强等[３６]参照萨达夫斯基公式,采用量纲分 析得出 ｔ ｖｍａｘ ｒ ＝ ＫＱ １ ３ ｒ α １０ 式中ｖｍａｘ/ ｒ 为比例速度,反映的是振动速度幅值与 爆心距测点距离之间的定量关系 振动持续时间由 １ ｓ 增加至 ５０ ｓ 的过程中,爆 破能量对于紧邻结构物的破坏能力平均可增大 ４０ 倍[３５] 从以上结论可以得知,振动持续时间也应当 作为水下爆破作用下紧邻建构筑物安全判据的 考虑因素之一,但目前国内外暂无相关成果 １. ４ 微差爆破振动叠加效应 １. ４. １ 微差爆破振动叠加理论 微差爆破振动传播过程中,由于地震波在传播 介质中衰减较慢,一般会产生相互干扰与叠加,与齐 发爆破相比,情况更为复杂 微差爆破振动叠加强 度的影响因素包括起爆顺序及抵抗线方向、爆心 距、微差间隔时间 当爆心与测点之间的距离超过 ５０ ｍ 时,不同起爆顺序下振动叠加放大系数差别不 大[３７] 而与之相反的是,爆心距及微差爆破间隔时 间这两个因素对爆破振动叠加放大系数会产生较大 的影响 图 １ 为不同微差爆破间隔时间下振动叠加 放大系数与爆心距的关系图 由图 １ 可知,当爆心距较小时,振动叠加系数趋 于 １,基本未产生振动叠加；当其值增大到一定程度 后,爆破振动叠加系数将随着爆心距的增大而增大 与此同时,振动叠加系数也与微差爆破间隔时间有 一定关系 微差爆破间隔时间的不同会引起爆破作 用及振动效应的改变[３８-４１] .７５.２０１６ 年 ６ 月 紧邻建构筑物水下爆破振动安全判据研究综述 苏 莹,等 图 １ 不同微差爆破间隔时间下振动 叠加放大系数与爆心距的关系 Ｆｉｇ. １ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｌａｙ ｉｎｔｅｒｖａｌｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｂｌａｓｔｉｎｇ １. ４. ２ 最优微差延时间隔 若采用的微差爆破间隔时间趋于合理,爆破振 动能够最大限度地叠加相消[４２] Ｌａｎｇｅｆｏｒｓ 等[４３]研 究发现,在爆破振动周期及波形一致的情况下,若将 微差爆破间隔时间取为 Δｔ ＝ Ｔ/２Ｔ 为振动周期, 可以最大限度地使爆破振动干扰相消,从而达到最 佳降振效果 然而,实际微差爆破相邻段爆破振动 的干扰并非简单叠加,而应当综合考虑实际地质条 件及爆破方案等诸多因素的影响[４４] 沈伯骞[４５]推导出的微差爆破相较于同条件下 齐发爆破的爆破振动效应降低系数求解公式为 Ｂ ＝ Ａｎ Ａｊｉ ＝ ｓｉｎ ｎ ２ ωΔｔ ｎｓｉｎ １ ２ ωΔｔ １１ 式中Ｂ 为微差爆破地震效应的降低系数；Ａｎ为微 差爆破振幅；Ａｊｉ为齐发爆破振幅；ｎ 为微差爆破的段 数；Δｔ 为微差起爆的延迟时间,ｍｓ；ω 为岩层的自振 频率,Ｈｚ Ｂ 值越小,说明微差爆破延时间隔的取值对于 减振更为有利 当式１１分子部分取 ０ 时,将获得 最佳减振效果 故最优微差延时间隔的求解公式 如下 Δｔ ＝ ２πｋ ｎω ；ｋ ＝１,２,,ｎ －１１２ ２ 问题与思考 １采用水下爆破作用下地面质点振动速度单 因素安全判据在某种程度上能够判定建构筑物 安全性,但却具有很大的局限性 其原因在于建 构筑物安全性能影响因素很多,建构筑物自身 动力特性、起爆方式、地震波传递介质等都会对其产 生较大影响[４６-４９] 地面质点振动速度相同,振动频 率及振动持续时间差别较大时,建构筑物实际所 处状态会与单因素判据评估结果相距甚远[５０] 因 而,振动频率及振动持续时间对建构筑物安全性 能的影响是不容忽视的,需要加大研究力度,形成可 运用于实践的多因素统一安全判据 ２国内外日渐普及的振速-频率双因素安全判 据是在实践过程中形成的修正判据,与单因素相比 更具合理性,但仍存在一定缺陷 其一,工程领域已 开始采用考虑爆破振动频率与爆破振速协同作用的 双因素安全判据对以房屋为主的建筑物在爆破振动 作用下的安全性能进行判定,但对于结构动力响应 复杂的建构筑物岩石边坡、洞室围岩和新浇混 凝土等却无可供参考的双因素安全判据[５１]；其二, 双因素安全判据未考虑振动持续时间对建构筑 物动力特性的影响,考虑因素不够全面,对建构 筑物在爆破振动作用下的安全判定有失准确[５２]；其 三,在水下爆破实践中,由于水环境较陆地环境复 杂,影响因素繁多,该判据在水下爆破工程中的适用 性还有待考察[５３-５４] 因而,该安全准则的广度与深 度还需要在实践中补充强化 ３目前工程领域对于爆破振动持续时间的研 究仍停留于理论层面,未与振动速度及振动频率联 系起来,无法用于准确判定建构筑物安全性能 同时,在微差爆破过程中,间隔时间的不同会在中远 区产生不同程度的叠加,直接影响建构筑物安全 性能,因而微差爆破间隔时间也应当考虑在爆破振 动安全判据内[５５] 在工程实践中,可运用微差爆破 振动叠加理论和建构筑物累计损伤机理,选择降 振效果最佳的微差爆破时间,从而减小微差爆破振 动叠加对建构筑物安全性能的影响[５６-５７] ３ 结论 １质点振动速度单因素安全判据考虑因素单 一,对建构筑物的安全判定结果与其实际所处状 态相差较大,应减少其工程应用 ２振速-频率双因素安全判据是对前者的修正, 具有一定合理性,但未体现出振动持续时间对结构 安全性能的影响,且多应用于房屋为主的建筑物,水 下环境适用性也有待考察 ３爆破振动持续时间会使建构筑物在反复 的水下爆破振动冲击作用下产生累计损伤,有必要 将其列入安全判据范畴,对相关行业标准进行修正, 并运用于工程实践 ４微差爆破会在中远区产生振动叠加,影响建 构筑物安全性能,需要在安全判据中加以考虑, 并在实际工程中采用最佳微差爆破间隔时间,达到 .８５. 爆 破 器 材 Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ 第 ４５ 卷第 ３ 期 最优降振效果 参 考 文 献 [１] ＪＯＮＥＳ Ｊ Ｐ,ＷＨＩＴＴＩＥＲ Ｊ Ｓ. 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