隧道表面爆破地震波的产生机制及传播特征

为了研究隧道表面爆破地震波的产生机制及传播规律,提出了隧道表面爆破振动平面应变理论模型,得到了隧道表面爆破振动场积分形式解;以龙南隧道爆破工程为背景,建立了有限元数值模型,通过现场测试验证了数值模拟与理论解答的准确性;提出了基于高分辨率Radon变换的隧道爆破地震波波场分离方法,结合理论解析与数值模拟得到了P波、S波、R波的传播特征,最后综合理论结果与波场分离结果提出了隧道爆破地震波作用分区。结果表明：隧道爆破产生P波、S波,R波在自由面迅速发育,3类波呈现指数衰减特征,S波衰减快于P波快于R波。随着爆心距的增大,垂直方向主要成分由S波转变为R波,水平方向主要成分由S波转变为P波,P波转变为R波。Ⅳ级围岩工况下,隧道爆破地震波作用分区为：隧道轴向距掌子面0～6.44 m为爆破近区,主导波型为水平S波;6.44～21.23 m为爆破中区,主导波型为水平P波;21.23 m外为爆破远区,主导波型为垂直R波。爆破分区分界点与单段最大药量呈线性关系,可通过爆破药量得到隧道爆破分区位置,用于隧道安全稳定性分析。     

一维轴对称杆件爆源模型及其在台阶爆破模拟中的应用

为了解决在实体炮孔建模时需要加密网格、计算量大等问题,提出了一种一维轴对称爆源模型:利用一维线状杆件表述炮孔及炸药,实体单元表述周围岩体,通过杆件节点与实体单元的拓扑关系,将杆件节点上的爆生气体压力施加至周围实体单元上,并根据实体单元的体应变计算出杆件节点处的横截面变化情况,从而实现模拟炸药与周围岩体的相互作用。通过与实体炮孔模型的数值对比分析,发现压力衰减指数为1.25时,一维轴对称爆源模型获得的径向质点峰值振动速度（peak particle velocity, PPV）衰减规律及振动速度时程曲线与实体炮孔模型基本一致,证明了该模型在模拟爆破问题中的精确性。针对混凝土块动态爆破破坏特性的研究,通过与文献对比分析,进一步验证了该模型的正确性。为验证该一维轴对称爆源模型在台阶爆破模拟中的应用,以鞍钢露天铁矿台阶爆破开采为研究对象,建立了5排50炮孔三维台阶爆破概化模型,模拟了爆区内露天边坡的损伤破坏状态。数值计算结果表明,爆区内拉伸破坏为主,并且除了离爆源较近的第一个测点外,其余测点处的振动速度峰值大小及其随距离的变化规律与现场实测数据基本一致,证明了所提爆源模型在三维台阶爆破远场模拟的可行性。     

基于实测爆破振动计算岩体介质P波品质因子

爆破地震波传播衰减研究对爆破振动预测及安全控制有着重要的指导意义。针对爆破振动实测信号,结合P波、S波的初至识别结果,计算P波、S波在岩体中的传播速度及P波的上升时间,进一步得出岩体介质P波品质因子。结合现场实测振动数据,计算丰宁抽水蓄能电站及舟山绿色石化基地试验区域内岩体介质P波品质因子,计算结果分别为19.02和14.07。结果表明,通过实测地表爆破振动计算得到的P波品质因子远小于经验公式的计算值及一般原岩的品质因子,说明地表疏松层对爆破地震波的传播衰减有较大影响。     

微差爆破震动叠加起始位置数值模拟

采用ANSYS/LS-DYNA3D程序对岩体中双孔微差爆破近源场爆破振动进行了模拟。结果表明,随着离爆源距离的增加,质点振动波形的持续时间变长,同时二炮孔爆破振动波形中质点处于静止状态的间隔变小并产生叠加。因此通过数值模拟可确定微差爆破近区振动叠加起始位置。     

立井冻土爆破冻结管振动力学响应研究

以赵固二矿西风井冻结爆破掘进施工为背景,对爆破作用下冻结管的振动力学响应进行了研究.依据爆炸应力波理论,分析了考虑P波垂直入射时冻结管的力学响应机制.采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件模拟了冻结管受爆炸作用下的振动响应规律:振动波入射冻结管同一截面各测点振动速度相差不大,背爆侧振动速度最大,与P波入射成45°...     

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。     

爆破振动波叠加数值预测方法

根据场地地震波的传播叠加原理,以实测单炮孔爆破振动波形为基础,考虑预测点位置与各炮孔 的相对位置关系,并按照实际起爆网路设计的各炮孔起爆时差和实测的地震波传播速度等参数,计算获得预 测点的爆破振动波形。不仅可以预测爆破振动速度峰值,而且可以预测完整的振动波形,并可获知爆破振动 持续时间及主振频率分布范围。根据现场应用数码电子雷管的深孔爆破实验,该方法计算的预测波形与实测 波形相当吻合,计算结果可靠性较好,可以在实际工程中推广使用。     

不同炸药性能对爆破振动效应的影响

从岩石内炸药爆轰能量释放形式的角度,结合现场实时爆破振动监测数据,对比分析2种不同炸药性能的炸药产生的爆破振动特性,并对质点振动速度峰值的衰减规律及爆破振动持续时间进行回归分析.结果表明:除单响炸药量和爆心距,炸药自身性能对爆破振动效应的衰减规律和振动持续时间也有很大影响.     

孔内起爆位置对爆破振动场分布的影响作用规律

岩石钻孔爆破中,孔内起爆位置决定炸药爆轰波的传播方向,进而影响爆破振动场的分布。通过分析柱状药包爆轰产物和爆炸能量的分配及其爆炸应力场的分布,揭示了起爆位置的影响作用机理;基于Heelan短柱解延长药包叠加计算模型,比较分析了不同起爆位置下爆破振动场的分布规律,并结合现场实验,验证了起爆位置对爆破振动场分布的调节作用效果。结果表明:起爆位置的影响作用机理在于柱状药包爆炸能量的轴向不均匀分配和爆破振动场叠加的相位延迟效应;孔内起爆位置对爆破振动场的分布起调节作用,爆破振动沿爆轰波传播正向叠加增强,且爆破振动场分布的不均匀性受药包长度和炸药爆轰速度的调控;对于常见的几种起爆方式,现场实验统计结果显示,底部起爆时地表爆破振动峰值最大,中部起爆次之,上部起爆最小,且爆破振动差异性随炮孔深度的增加而增大,但振动差异会随距离逐渐消减。     

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。     

40kg TNT当量爆炸塔的振动监测及分析

运用速度传感器和拾振器，对40 kg TNT当量爆炸塔在15、20、25和40 kg TNT炸药爆炸加载下爆炸塔旁侧实验室所在地面、屋顶以及塔顶的振动速度进行监测分析。测试结果表明:在本实验条件下实验室地面质点振动速度峰值均小于5 cm/s，振动持续时间为5~10 s，振动频率一般高于10 Hz；屋顶的竖向振动峰值是水平向的6~7倍，即存在显著的竖向振动放大效应。小波包分析表明:地面竖向振动携带的能量是水平向振动携带能量的2.5~4.0倍，质点振动信号中95%以上的能量处于0~160 Hz频带，而竖向振动中90%以上的能量集中在10~40 Hz范围。研究结果提示:6 m深隔振沟的隔振效果十分有限，在超过5 kg TNT当量的加载条件下，欲取得理想的隔振效果，应选择独立地基和隔振支座的减振设计方式。     

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。     

Coupled elastic waves in uniform isotropic media

This article deals with a certain type of wave in an infinite elastic medium. In contrast to ordinary longitudinal and transverse waves, the amplitude of the type of wave in question depends sinusoidally on the coordinates of a plane which is transverse to the direction of propagation of the wave, i.e., the wave is actually a packet of travelling and stationary waves. Longitudinal waves of this type are always coupled with transverse waves, while transverse waves of the given type may be coupled with longitudinal waves or another transverse wave or may exist as a single wave in the form of a packet containing a travelling wave and a stationary wave. The coupled waves have two phase velocities, which depend on the mechanical properties of the medium, the frequency of vibration, and the wave numbers of the stationary waves. Coupled surface waves in an elastic medium are more general in character than Rayleigh waves; they exhibit dispersion, and they can be used to explain certain seismological observations made during earthquakes—the complete absence of vertical displacements in some cases and the frequent occurrence of horizontal displacements parallel to the wave front. Allowing for the coupling of elastic waves in a layer leads to a more general characteristic equation than the equation obtained in the Rayleigh-Lamb problem. S. P. Timoshenko Institute of Mechanics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev. Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 35, No. 9, pp. 19–28, September, 1999.     

高饱和黏性土中爆炸波作用下直埋钢管（空管）动态响应

设计和实施了系列爆炸波作用下钢管的动态响应实验,获得了管道应变、振动速度和加速度及地表振动速度的时间历程。分析实验数据可知:在爆炸波近中场,峰值应变大小同管土相对刚度因数负相关,并随比例距离呈幂函数形式衰减,且在爆炸波不同分区衰减指数不同;地表峰值粒子速度、各管的峰值振动速度和测点峰值应变之间具有良好的线性关系。对各测试量做FFT (Fast Fourier Transformation)频谱分析得:振动信号主要集中在低频段,质心频率在10～60 Hz范围内,频谱同天然地震波谱有明显差异,动应变谱质心频率随药量增加亦呈幂函数形式衰减;考虑了爆腔因素以后,管道和地表振速频谱的质心频率和比例距离取对数后具有线性衰减关系。实验所得数据可应用于相似条件下管道的抗震计算,一些结论可作为深入研究爆炸波作用下埋地管道冲击振动机理的依据。     

爆破地震荷载作用下高密度聚乙烯波纹管动力响应试验研究

为研究爆破地震荷载作用下埋地高密度聚乙烯（high-density polyethylene,HDPE）波纹管的动力响应规律,通过现场预埋管道的爆破试验,结合爆破地震与动态应变等测试手段,分析了爆破地震荷载作用下埋地管道的动力响应特征,研究了管道振动速度及动态应变的分布特征,基于von Mises屈服准则分析评价了管道安全性,提出了爆破振动速度控制标准。试验研究结果表明:试验中管道与地表振速以及管道动态应变随爆心距的减少,随炸药量的增加而增大;爆破地震波振动主频高,管道振动主频高于地表;相同爆破工况条件下,管道上方地表振速普遍大于管道振速;管道截面背爆侧峰值轴向应变以拉应变为主,迎爆侧峰值环向应变以压应变为主;本试验管道安全控制振速可取20 cm/s,此时管道处于安全状态。     

三峡工程基岩爆破振动特性的试验研究

以三峡工程坝基岩体开挖爆破为背景 ,在弱风化花岗岩底板内进行了 6次现场爆破试验 ,测量出距爆源不等距离处的 36组地震波形。通过频域与统计分析发现 ,岩石质点振动主频率与药量、距离成反比关系 ;地震波作用时间与爆破药量成正比关系 ,而与距离成反比关系。应用神经网络理论建立的基于爆破地震效应先验知识的网络模型 (PKFN)能很好地描述爆破地震波的衰减规律 ,其计算平均相对误差仅为 3 .5 %。用地震层析成象方法 (CT)较准确地测定出了岩体爆破松裂区边界 ,并结合PKFN模型得到了三峡工程坝基岩体的临界质点振动速度范围 13 .816 .6cm/s。     

基于小波变换的爆破振动信号能量分布特征分析

为了深入研究爆破地震波特性,应用小波变换方法对具有短时非平稳特点的爆破振动信号进行了能量分布特征分析。根据小波变换的时-频特性和分层分解展开关系,将爆破振动时间历史信号用分层重构信号进行扫描,应用这些信号得到了不同频率带上爆破振动的相对能量分布和振动强度的时间变化规律。爆破振动信号实测结果分析表明,基于小波变换的能量分布特征分析可以更准确地给出爆破振动信号的细节信息。研究结果为分析爆破振动结构安全性提供了新的途径。     

小当量地下爆炸的质点速度模型

在第四纪砂砾层中进行了系列公斤至百公斤级的地下封闭爆炸,研究了小当量化学爆炸地震波传播规律。在近场,地震波持时很短,水平振幅强于垂向振幅。质点速度随当量呈现指数增加,水平向指数为1.09,垂直向指数为0.77,质点速度随距离呈现指数衰减,水平向和垂直向指数分别为2.07与1.57。Sadauskas模型、显函模型和双极模型都能定量描述小当量地下爆炸地震波质点速度变化,但他们之间的反演精度存在差异,双极模型的残差最小。换言之,采用双极模型反演的数据更接近实际。