台阶地形爆破振动放大与衰减效应研究

基于台阶地形爆破振动数值模拟与边坡振动监测实验，研究台阶地形爆破振动速度在传播过程中高程放大效应的产生及变化规律。结果表明，单个台阶坡顶质点的振动速度放大效应是在距爆源一定距离、达到一定高差的条件下产生的；坡顶质点振动速度放大倍数并不随台阶高度的增加而单调增加，在台阶高度超过某一临界值后，放大倍数随台阶高度的增加而减小。台阶高程对爆破振动速度既有放大作用，同时也随高度的增加产生衰减作用。根据模拟计算及现场观测数据分析结果，给出了台阶地形爆破振动速度预测模型，该模型为类似边坡工程的爆破地震波传播规律研究提供一定的参考。     

爆破振动作用下含软弱夹层边坡稳定性及安全判据

运用FLAC3D软件建立了顺层台阶边坡数值模型,首先分析爆破振动作用下边坡的振速响应规律,然后通过边坡的位移、剪应变增量分析其稳定性,最后根据边坡稳定性判据,制定爆破振速安全阈值。研究表明,随着爆心距的增大,振速传播规律为近处衰减快、远处衰减慢,坡面存在高程放大效应,临空面中由于软弱夹层的阻隔影响,使得坡脚的振速最大;边坡的变形破坏受软弱夹层控制,其上覆岩体为潜在滑体,破裂面可以根据水平位移云图和塑性区分布图综合确定;边坡的破坏是一个渐进性的累积过程,位移和剪应变的累积会导致岩体的力学参数不断弱化,爆破振动劣化作用后仍有较大安全储备的边坡只会累积产生永久位移,而接近极限平衡状态的边坡将会失稳;当岩层倾角为15°~23°时,边坡振速安全阀值为21 cm/s;当软弱夹层剪出口距离坡顶高度为14 m,倾角分别为24°、29°、31°、34°时,安全阀值分别为10、8、6、5 cm/s。     

边坡抛掷爆破峰值质点振动速度的无量纲分析

为研究边坡抛掷爆破振动波传播过程所诱发的地表质点振动情况，运用量纲分析理论构建考虑高程影响的振动峰值速度公式，在此基础上依据边坡抛掷爆破模型将炮孔药包划分为无数微元体进行积分运算，最终得到边坡抛掷爆破振动峰值速度公式。结果显示，同一地理环境和爆破工艺条件下，峰值速度主要由炸药性能、装药深度、测点与爆源间距以及爆破作用指数所决定。同时对某边坡爆破现场进行试验测振，将实测峰值速度数据分别代入萨氏公式、3个常用萨氏修正公式以及通过无量纲理论推导出的速度公式进行非线性回归运算，得到坡表面实测值与各峰值速度公式预测值之间平均误差分别为32%、34.25%、29.58%、39%和7%，坡体内实测值与各峰值速度公式预测值之间平均误差分别为27.63%、23.5%、16.88%、33.889%和13.25%。     

隧道掘进爆破振动对地表影响的小波包分析

基于现场实测隧道掘进爆破振动信号数据,采用小波包分析技术对振动信号进行小波包能量谱分析,得到爆破振动信号能量在各频带上的分布。通过比较各点分析结果可以发现隧道掘进爆破地震波能量主要集中在切向与径向。在沿隧道掘进方向随着与掌子面之间距离的增大地震波的主频下降,能量主要集中频带也越来越窄,并且向低频带发展;而在垂向上地震波主频随着埋深的减小而减小,同时地震波的能量主要集中频带也越来越窄并且向低频带发展。最后从能量的角度探讨隧道掘进爆破地震波沿各个方向的衰减规律。     

毫秒延时爆破等效单响药量计算及振速预测

毫秒延时爆破存在同段雷管离散及分段振波叠加效应,对单响药量取值及质点峰值振速的预报带来极大困扰。设计开展毫秒延时爆破试验,建立群孔齐发爆破振速的计算模型,研究并构建炮孔数目对齐发爆破等效药量影响及其取值方法;并基于单孔爆破回归分析结果,提出修正的质点峰值振速与比例距离关系公式。结果表明,群孔齐发爆破等效药量比名义单响药量小,可利用缩比系数和折算炮孔数目进行计算,缩比系数随炮孔数目增加呈指数形式衰减;修正的质点峰值振速与比例距离公式引入的振波叠加因子可反映振波叠加对速度的影响,依据该公式计算得到的质点峰值振速预测值与实测值间平均绝对误差、平均相对误差及均方根误差分别为0.05 cm/s、9.52%、0.059 cm/s,用于现场爆破振动预测切实可行。     

小净距下穿铁路隧道爆破震动的响应研究

新建翠华山隧道与既有线小峪隧道垂直净间距仅为8m,复线隧道钻爆施工将影响既有隧道的结构安全。为保证既有线的安全运营,本文采用 ANSYS/LS-DYNA 软件建立了隧道的有限元模型,数值分析了下穿铁路隧道爆破施工时隧道间水平距离 L 为-6m～19m 时既有线的动力响应。结合既有线振动速度的实测数据,采用质点振速判据评估了下穿隧道爆破施工时既有线结构的安全性,保障了下穿隧道施工时既有隧道的运营安全。数值模拟结果分析表明：未出现新的自由面之前、爆破炸药量不变的情况下,两隧道水平间距 L 从19m 减小到10m 时,数值模拟所得峰值振速由10.5cm/s 增大到12.0cm/s;出现新的自由面之后、爆破炸药量不变的情况下,两隧道水平间距 L 从10m 变为5m 时,数值模拟所得峰值振速由12.0cm/s 减小到10.2cm/s,其后迅速衰减。因此,隧道爆破施工中可人为地创造自由面以降低爆破震动效应的危害。同时,既有线隧道迎爆面测点竖向振动速度较大,是爆破震动效应控制的薄弱部位,施工过程中应加强该部位的监控量测。     

小净距下穿铁路隧道爆破震动的响应研究

新建翠华山隧道与既有线小峪隧道垂直净间距仅为8m,复线隧道钻爆施工将影响既有隧道的结构安全。为保证既有线的安全运营,本文采用ANSYS/LS-DYNA软件建立了隧道的有限元模型,数值分析了下穿铁路隧道爆破施工时隧道间水平距离L为-6m～19m时既有线的动力响应。结合既有线振动速度的实测数据,采用质点振速判据评估了下穿隧道爆破施工时既有线结构的安全性,保障了下穿隧道施工时既有隧道的运营安全。数值模拟结果分析表明:未出现新的自由面之前、爆破炸药量不变的情况下,两隧道水平间距L从19m减小到10m时,数值模拟所得峰值振速由10.5cm/s增大到12.0cm/s;出现新的自由面之后、爆破炸药量不变的情况下,两隧道水平间距L从10m变为5m时,数值模拟所得峰值振速由12.0cm/s减小到10.2cm/s,其后迅速衰减。因此,隧道爆破施工中可人为地创造自由面以降低爆破震动效应的危害。同时,既有线隧道迎爆面测点竖向振动速度较大,是爆破震动效应控制的薄弱部位,施工过程中应加强该部位的监控量测。     

基于等效路径的爆破地震波衰减规律

针对露天矿山台阶爆破地形和地质条件的复杂性, 分析了地形对爆破地震波传播路径的影响, 提出了等效路径及等效距离两个概念。同时考虑岩石波阻抗和岩体的完整性系数及最大一段装药量与炸药的定容爆热等因素的影响, 构建了露天台阶爆破地震波地表质点振速峰值随等效距离衰减的表达式。通过矿山爆破震动监测检验, 发现用该公式预测地表质点振速峰值, 能够适应实际地形和地质条件的变化, 预测结果的准确性显著高于萨氏公式, 表明该公式较好地反映了质点振速峰值沿等效路径衰减的基本规律, 为台阶爆破地震波质点振速峰值预测提供了一种新方法。     

50t科学爆破振动的衰减特征及地形效应

对药量达50t的科学爆破开展了流动强震观测,包括爆破振动的衰减观测和地形效应观测。在分 析此次爆破强震记录的基础上,利用萨道夫斯基公式分析了垂直向峰值速度和加速度的衰减规律,爆破地区 为中等强度的层状岩石且当地地形沟壑纵横是此次振动能量衰减较快的原因。通过离散小波变换分析(db8 小波基函数)得到了此次爆破振动能量的时频分布规律,随着爆心距的增大,爆破振动能量集中的频率减小而 振动的持续时间则相对增加。根据中国地震烈度表,在近爆心区振动烈度可以达到Ⅶ度,然而相对于天然地 震的烈度衰减,爆破振动烈度的衰减较快。通过比较一个高14m 山包的不同位置的强震记录,分析了此次 爆破振动的地形效应。由于山包的聚焦效应,山顶的加速度峰值是山脚的2.4倍,且地形效应对某频率段内 的振动有选择的放大,该频率段与山包的大小和高度有关。振动轨迹图显示,随着高度的增加,山体的侧向摆 动和转动逐渐增强。     

爆破开挖振动下既有大型储油罐的动力响应

针对既有大型储油罐近区基础爆破开挖中的安全问题,采用ANSYS/LS-DYNA的隐式-显式顺序求解方法,结合流固耦合算法,研究了爆破振动下大型储油罐的动力响应规律。分析了罐壁不同位置的质点振速,由于质点振速分布情况较为复杂,不宜用局部质点振速判断罐壁危险点;总结了罐壁上应力的分布规律,结果显示爆破振动对储油罐的影响主要集中在迎爆侧下部,且在罐壁迎爆侧高度为3 m左右的位置最易发生象足屈曲;分析了不同频率爆破振动作用下满载储罐罐壁的质点振速,结果表明在爆破振动主频范围内,载荷频率远大于储罐固有频率条件下,罐壁上质点振速随着爆破振动频率的降低呈减小趋势;建立了储油罐罐壁质点振速与罐内液面高度的关系,结果表明降低液面高度可以有效提高储油罐的爆破振动安全阈值,爆破施工中邻近储罐储液高度不宜高于10 m。     

地铁隧道毫秒延时爆破环境振动特性研究

基于地铁隧道毫秒延时爆破环境振动特性现场试验，考虑爆破荷载的不规则特性，采用基于非对称加卸载准则的修正Davidenkov本构模型描述场地土体的动力非线性特性；通过改进Friedlander方程来模拟内源爆炸在圆柱形炮孔表面产生的瞬态空气冲击波；实现了包含毫秒延时爆破荷载输入和有限元-无限元耦合边界的地层-爆源体系三维精细化有限元模型，并与现场实测数据对比验证了该模型方法的有效性。对50 ms延时爆破和齐爆引起的环境振动特性进行了数值模拟，对比发现毫秒延时爆破不仅可以有效降低地表峰值振速，而且可以显著改变地表振动的频谱特性。毫秒延时爆破产生的地表振动频带较集中，对分散爆破振动能量的作用显著，且地表速度响应的主频较高，远离建筑结构自振频率，可显著降低爆破施工引起的邻近建筑物的结构振动水平。     

自由面数量对水下钻孔爆破振动信号能量分布及衰减规律的影响

针对自由面不仅影响爆破效果还影响爆破振动效应的问题,提出从能量角度探索自由面对水下爆破振动衰减规律的影响。以三峡大坝至葛洲坝水利枢纽河段水下钻孔爆破地震波现场监测数据为基础,结合SPH-FEM数值模拟技术和小波时频能量分析方法,对不同自由面数量的爆破振动信号的总能量、各频带间的能量分布特征及振动衰减规律进行了研究。结果表明:水下钻孔爆破具有低主频、短持时、快衰减的特点,爆破主频带主要集中在15.625～31.250 Hz;受单一自由面限制的水下开槽爆破,监测信号的爆炸能量主要以振动形式消耗,单自由面比振动能为13.14 mm2/(kg·s2),随着后续开挖爆破自由面数量的增加,双自由面和三自由面的比振动能分别降低至1.36和0.28 mm2/(kg·s2),频带质点峰值振动速度分别降低65%和37%,能量更多用于破碎和抛掷岩体,水下爆破振动主频由低频向高频带（31.25～62.50 Hz）发展。因此,在水下控制爆破设计时,需要考虑自由面数量对振动能量分布和衰减规律的影响,并利用这个特征,确定各段的控制药量,减少对周边建构物的共振危害。     

自由面对爆破振动信号能量分布特征的影响

基于爆破振动实测数据, 通过小波分析方法, 得到不同数量自由面爆破振动信号的总能量、各频带的峰值质点振动速度(PPV)及各频带能量, 进而对不同数量自由面爆破振动信号的能量分布特性进行研究。结果表明:开(掏)槽爆破, 由于受单一自由面限制, 大部分炸药爆炸的能量都将作为地震能量消耗掉;自由面越多, 爆破振动信号总能量越少;自由面的数量可影响各频带振动分量分布, 随自由面数量的增加, 爆破振动能量更趋向高频分布, 中低频能量有减少趋势, 振动速度降低;同一振动信号中的高频带PPV虽比低频带PPV高, 但振动持续时间短, 能量衰减较快。建议在工程爆破的减振设计中, 优化起爆方案, 尽量利用多个自由面, 这将比仅仅减少单段起爆药量更有效。     

下穿铁路隧道爆破振动衰减规律研究

基于Heelan短柱药包理论,引入等效作用半径的概念,得到内部瞬时激励荷载作用下爆破峰值振动速度的衰减模型方程,并通过量纲分析进行验证。结合下穿隧道爆破工程,研究不同雷管段位及不同炮孔类型对应的爆破峰值振动速度的衰减规律。此外,讨论球形装药、柱状装药条件下改进公式的药量形式表达式,结果显示,利用等效作用半径作为拟合参考变量可以综合考虑不同雷管段位及不同炮孔类型对爆破振动规律的影响。统计数据表明,利用改进公式得到的拟合效果最优,可以为类似隧道爆破振动研究提供参考。     

地应力水平对深埋隧洞爆破振动频谱结构的影响

爆破振动的频谱特性对隧洞安全施工具有重要意义。采用动力有限元方法，分析了不同地应力水平条件下围岩爆破振动频率特征，通过对实测爆破振动信号的时域和频域联合分析，研究了不同频带上的振动能量分布。结果表明，爆破振动的主频及各个振动能量优势频带都有随地应力水平升高而降低的趋势，伴随爆破破岩过程而发生的地应力瞬态卸载动力效应是产生这一现象的主要原因。地应力水平越高，爆破振动信号中20～100 Hz的低频振动能量比重越大。当爆区的地应力为20 MPa时，20～100 Hz频带内的振动能量可达到总振动能量的35%左右；当爆区的地应力为30～50 MPa时，20～100 Hz频带内的振动能量可达到总振动能量的50%以上。除地应力水平外，应力卸载速率及岩体的力学特性也对爆破振动主频具有显著影响，卸载速率越高，低频振动能量比重越大。卸载速率取决于掏槽爆破方式，直孔掏槽导致岩体应变能释放速率最高。岩体弹性模量越大，爆破振动的主频越高。