爆破地震安全判据的缺陷与改进

 第21卷 第3期 2001年7月

文章编号:100121455(2001) 0320223206

爆炸与冲击

EXP LOSI ON AND SH OCK W AVES

V ol. 21, N o. 3 

Jul. ,2001 

爆破地震安全判据的缺陷与改进

阳生权1, 廖先葵2, 刘宝琛1

(11中南大学岳麓校区地质矿业工程系, 湖南长沙 410083;

21长沙矿冶研究院爆破研究所, 湖南长沙 410012)

  摘要:分析探讨了爆破地震安全判据及其在工程中的应用, 对其中的某些局限与不足和应用中部分误区提出了质疑, 着重分析了频率和时间等因素对建立爆破地震安全判据的影响, 并就进一步研究和完善现有爆破地震安全判据提出了几点建议和看法。  关键词:爆破地震; 安全判据; 爆破地震效应  中图分类号:O383   文献标识码:AΞ

1 引 言

  、滑坡、开裂和变形等问题或事故虽有发生[1~2], 但

大量的工程事例, (国家或部门相关标准) 的情况下, 却并未对爆破施工环境中被保护物(建、构筑物及运行中的仪器设备等) 构成任何威胁。因此, 进一步明确和探索爆破地震效应研究中的相关理论、定义和概念, 尤其是对爆破地震安全判据中的某些问题的探讨, 显得颇有必要。同时, 应用数学和各力学分支的日益完善, 为进一步研究探讨爆破地震安全判据提供了强大的计算方法和坚实的理论基础, 先进的测量技术和高速的计算机信号处理也为爆破地震观测数据的分析处理提供了有力的计算工具, 并使复杂的、实时和连续的在线安全监测、分析和控制成为可能。此外, 大量的工程实践经验和日益发展的爆破理论使探讨爆破地震安全判据更具现实指导意义。

2 爆破地震安全判据

目前爆破地震安全判据通常以单独的爆破地震强度因子(质点振动位移、速度和加速度) 来描述, 其经验公式广义表达式[4]为

αβ

(1) A =K Q R

β为与场地有关的衰减指数; R 为爆心式中:A 为爆破地震强度物理量; K 为场地系数; Q 为药量; α、

距。

文献[4~5]指出, 质点振速与建、构筑物的破坏和结构失稳最为密切, 质点振速对建、构筑物的破坏起主要作用, 因此采用质点峰值振速来评估爆破地震强度, 其优点是使爆破地震波所携带的能通量与所产生地应力相联系, 并和结构中产生的动能和内应力建立联系。也有学者建议以质点振动加速度来评估爆破地震强度[4], 理由是质点振动加速度和爆破地震产生的惯性力密切相关, 便于换算爆破地震荷载

[6]

和进行结构应力分析。国家标准《爆破安全规程》中评估爆破地震安全距离时用的是质点峰值振速, 具体规定了工程上常见各类建、构筑物在坚硬、中硬和软岩石中地面和地下爆破的安全距离, 但其中所列场地系数和衰减指数的变化范围很大。

收稿日期:2000209225;  修回日期:2000201231

) , 男, 博士, 工程师。   作者简介:阳生权(1968— 

Ξ

                   爆  炸  与  冲  击              第21卷 224

3 缺陷和改进建议

311 安全判据独立阈值理论31111 概念

目前的爆破地震安全判据都只是以某个独立参数的阈值(质点峰值振速或峰值加速度) 来评价爆破地震安全, 作者称之为独立阈值理论, 它在理论和工程应用方面都存在一定程度的局限和不足。

现有爆破地震安全判据只考虑到影响地面爆破地震强度的主要因素是爆心距和药量, 并因此建立了爆破地震强度、爆心距和药量三者之间的经验公式, 但就土岩介质体而言, 影响爆破地震强度和地震波特征的主要因素还应包括介质体物理力学参数和传播途径等, 因此在研究地下结构这类工程的爆破地震效应时, 用现有经验公式评估爆破地震强度并不确切。而且现有质点峰值振速经验公式受场地因素的影响很大。用质点振动加速度来评估爆破地震强度时, 虽然场地因素影响相对小些, 但由于实际爆破地震试验观测数据不充分, 以及不同地区和部门按各自的观测数据建立的建、构筑物爆破地震安全判据不同, 势必影响以质点振动加速度为参数的安全判据的实施和应用。另外, 建、构筑物本身的动力特征对变形、破坏和失稳等起重要作用, 但建、构筑物的结构、定性因素, 土木工程技术在不断发展, 建、, 论, 更加不能弥补其评价爆破地震强度方面的不足, 。31112 理论分析

位移 X =∑A i i )

i

 

(2) (3) (4)

ωi A i cos (ωi t +φi 1) 速度 V =∑

i

 

ω2i A i sin (ωi t +φi 2) 加速度 a =∑

i

 

πf , f 为频率) ; t 为时间; φi 1、φi 2为相位差。式中:A i 为幅值系数; ωi 为圆频率(ωi =2

对于单自由度体系, 爆破作用下的位移、速度和加速度的地震反应值分别为[4]

η相对位移 x (i , t ) =∑j X j (i ) δj (t )

j

 

(5) (6) (7)

 

η相对速度 x (i , t ) =∑j X j (i ) V j (t )

j

 

 

¨() ¨η绝对加速度 x 0i , t +x (i , t ) =∑j X j (i ) a j (t )

j

式中:i 为第i 质点体系; j 为第j 振型; ηj 为第j 个主振型参与系数

ηj =

m X (i ) ∑

j j

 

(8)

j j

2

m X (i ) ∑

j

式中:m j 为第j 质点质量; X j (i ) 为第j 质点无阻尼时的主振型函数; δ(t ) 为位移反应函数, V j (t ) 为速度反应函数, a j (t ) 为加速度反应函数

t

¨(τ) -ε(t -τ

δ(t ) =-) d τx 0) e j sin n ′j (t -τn ′j 0

(9) (10) (11)

V j (t ) =-a j (t )

t

∫¨)

=n ′x (τ

∫e

t

¨(τ)

x 0

e -

ε(t -τ)

j

) -[cos n ′j (t -τ

ε) ]d τsin n ′j (t -τn ′j

j

(t -τ) -εj

2

ε) +) ]d τ[(1-cos n ′j (t -τj (t -τ2) sin n ′n ′n ′j j

  结构体爆破地震力

 第3期             阳生权等:爆破地震安全判据的缺陷与改进                225

 

P ij =m i

n X (i ) a (t ) ∑

j j

j

j

(12)

¨) τ式中:n j 为无阻尼时的圆频率, n ′为时刻的地面加速度, εj 为有阻尼时的圆频率, x (τj 为阻尼系数。

通过上述波动理论和结构响应分析表明, 爆破地震各强度描述因子(位移、速度和加速度) 均是频率和时间的函数, 而且各物理参数间相互联系。因此, 强度和结构动力特性不但取决于质点振动幅值(速度或加速度) , 还与地震波的时间和频率(周期) 密切相关。如果只是简单地用其中某一、二个独立的物理参数来建立爆破地震安全判据, 就会忽视其它爆破地震强度影响因素, 以及土岩介质体与爆破地震波之间的相互作用, 显然不妥。312 工程应用分析

越来越多的震害和爆破地震的观测资料[1~3]分析表明, 建、构筑物的地震破坏不但取决于地震的幅值, 而且还与地震频谱和持续时间等因素有关。观测发现, 很多情况虽然质点峰值振速超过了现行安全标准, 但爆破地震并未对结构物造成威胁(见表1) , 这时主振频率往往远离固有频率或持续时间较短, 显著作用频率段也远离结构体或子结构体(结构体中附着在结构体上或由于节理、层理和裂隙面等缺陷面分割成的相对独立体) 的固有频率。而对于文献[1~2]中造成的事故或工程问题, , 震波所致。从频谱分析来看, :为均匀而且分散; , , 显著作用频率段同样体现了这点。(钢筋砼结构公路隧道质点峰值振速允许值为15cm/[6]) 的情况下, 却导致一期隧道顶部掉碎块(4cm ×4cm ) 、照明供电异常和一扇连通硐铁门振坏倒塌等问题(见表2) 。由监测结果可知, 爆破地震波的主振频率和显著作用频率段均较为接近结构的固有频率, 导致被破坏体结构与爆破震动共振, 同时由于是推进式循环爆破作业, 存在着不可忽视的爆破地震波对一期隧道结构体的累积作用, 以及由于隧道间围岩宽度较小(22m ) 造成的爆破地震作用下的类墙体振动。该工程在施工过程中经多次专家论证, 最后将质点峰值振速允许值定为510cm/s 。

表1 大源渡水利枢纽坝体及闸墩爆破震动监测超标数据一览表(允许振动速度为510cm/s )

T able 1 R estults of the blasting vibration monitoring of d am in D. Y. D. Pow er station

测量次序测点位置总药量/kg 最大剂爆药量/kg 爆心距/m 质点峰值振速

/(cm/s )

第一次超标

8#闸墩动力控制室361059. 2025. 05117(T )

第二次超标

8#闸墩下、上游侧481803. 60

34. 0(下游)  5170(上游)

第三次超标

8#闸墩下、上游侧1361606. 30

48130(下游)  20100(上游)

下游61988(V ) 61061(T ) 71458(L ) 上游111314(T )  严重超标下游49. 9(V ) 6. 0(T ) 9. 3(L ) 上游017(T )

下游61774(V ) 51513(T ) 61373(L ) 上游 131405(T )  严重超标下游37. 6(V ) 2 37. 8(T ) 10. 4(L ) 上游13016(T )

下游1789(V ) 2143(T ) 2084(L ) 上游2098(T )

510~16310(下游) 917~17115(上游)

超标

17. 5

主振频率/H z

振动持续时间/ms 2842. 0下游2068(V ) 3800(T ) 2218(L ) 上游2136(T )

显著频率段/H z 监测结果

6. 7~60. 05. 0~72. 6(下游) 010~13310(上游)

无任何异常现象未发现结构破坏和开裂现象未发现结构破坏和开裂现象

  注:1.V 2垂直方向, T 2水平方向, L 2水平径向。

2. 测试系统为I NV306型智能信号采集处理分析系统+8912Ⅱ型传感器。

                   爆  炸  与  冲  击              第21卷 226

表2 某公路隧道二期工程爆破地震监测异常现象观测结果

T able 2 The abnorm al results of the blasting safety monitoring of the 2nd term engineering of a tunnel

异常现象施工里程/m 固有频率/Hz 允许振速/(cm/s ) 测点位置/m 爆心距/m 总药量/kg

最大齐爆药量/kg 质点峰值振速/(cm/s ) 振动持续时间/ms 主振频率/Hz 显著频率段/Hz

一期隧道顶部掉碎碴、照明供电不正常

01+480. 0~00+721. 0

一期隧道连通硐铁门破坏倒塌

00+951. 080~120(铁门)

510(规程要求1510cm/s 以下)

≤12~18(钢筋砼衬砌)  120(照明设备)

510(规程要求为1510cm/s 以下)

一期隧道南侧墙中

2510~5510250. 0~400. 027. 0~38. 00. 96~6. 53540. 8~1036. 049. 0~162. 042. 0~167. 0

一期隧道南侧00+95010与00+97010墙中

2610(00+959. 0) 29. 0(00+970. 0)

341. 034. 5

5. 26(00+950. 0) 4. 46(00+970. 0) 850. 494. 076. 0~128. 0

  注:测试系统为M L 采集分析系统+PDM -2磁带记录仪+CD -1速度传感器。

  如此看来, 关, ]。, 征也不容忽视, 在主, 可适当放宽地震波波幅值峰值的限制, 在持续时间不长或爆破规模不大的情况下也是如此。反之, 则应严格限制地震波波幅值峰值。同样, 结合爆破规模考虑地震波的持续时间, 爆破规模不大时可允许放宽对持续时间限制。另外, 在爆破地震安全判据中宜详尽列举各种建筑物和构筑物的类型, 并针对各种类型的建筑物和构筑物采用诸如加权值法等方法调整判据值大小。此外, 由于爆破地震波频率特征与药量大小、爆心距和介质体物理力学性质及传播途径有关, 如何使爆破地震波能量集中的显著作用频率带避开被保护物固有频率, 应在安全判据中提供指导性参考建议。

313 爆破地震监测及其结果处理

水平横向(T ) 和垂爆破地震强度可用互相独立和正交的三个分量进行描述, 它们是水平纵向(L ) 、

直方向(V ) 的分量。文献[7]指出很难确定三个分量中哪一分量更为重要。从结构响应的角度上讲, 水平方向的振动趋于控制结构物垂直墙体和上部结构体的水平响应, 而垂直振动趋于控制水平板状结构体的垂直响应。结构振动响应幅值峰值应是三个正交方向的矢量和峰值(实际最大值) , 而不是三个正交方向响应幅值峰值(可能不在同一时刻) 的矢量和(名义最大值) , 后者比前者通常要大40%, 而一般情况下真实矢量和峰值要比单个方向幅值峰值大5%~10%。因此, 用于爆破地震控制的名义最大值实际上与理论安全系数并不相符。

在爆破地震效应实践应用和试验研究中, 往往从实施的便利性出发, 本来应按四维(t , L , T , V ) 问题进行讨论, 却把问题简化为二维[t , D ∈(L , T , V ) ]问题, 即通常只考虑到了时间t 和空间三维中的振动速度或加速度最大的方向, 而忽视了其他两个方向的值, 把空间矢量最大值简化为某一方向的最大值。同时在工程界也有默认垂直方向为最危险方向的误解。它们从概念和数值上改变了相应安全指标, 体现现有爆破地震安全判据有不合理和不适宜的一面。只强调安全判据工程应用的便利性, 就淡化甚至曲解了爆破地震安全判据颁布与实施的目的, 安全系数偏小可能造成工程事故甚至是灾难性后果; 而安全系数偏大, 从投资的角度来看势必导致工程成本的增加, 造成一些不必要的浪费和损失。

我们认为, 造成结构体失稳或破坏的是爆破地震整个动力时程, 而非爆破地震波的波幅值峰值, 因此不能用某一时刻的振动波幅值峰值来判断爆破地震超标与否。把其中的相关因子逐个单独进行讨论

 第3期             阳生权等:爆破地震安全判据的缺陷与改进                227

也是不适宜的。应予以全面综合考虑。可通过完善爆破地震安全监测系统来准确和便利地评估爆破地震。一方面是硬件的建立, 即相关仪器的制造, 要求能同时观测爆破地震多个物理参数, 另一方面是建立爆破地震安全判据专家系统, 要求能通过输入包括建、构筑物类型及其动力特征、环境因素与场地条件、爆破方式和爆破参数等参数后通过监测即能根据其中的安全判据系统进行爆破地震安全评估。

另外, 由于爆破地震波是随机波, 具有随机性、模糊性和不确定性, 决定了采用数理统计方法的必然性。但在处理观测数据方面存在某些误区。资料表明[4,9]在相当一部分观测数据处理工作中, 回归曲线图上的回归数据较为分散, 回归数据的分布规律也不明显, 这种数理统计工作似乎有些牵强。甚至有些数据根本不具备形成规律的条件, 要剔除为数本身并不多的观测数据中的一定比例的数据, 才得以保证回归处理所谓理想的相关系数。在一些毫无传播规律可言的传播介质(例如松散土和杂填土等介质及局部风化地带和裂隙发育岩石等缺陷介质) 中, 由于缺陷介质体内缺陷部分和地质构造分布的随机性、物理几何性质的模糊性和不确定性, 使得其中传播的地震波规律很难用上述地震波衰减经验公式(1) 来表示。这样得到的经验公式便失去了制定和建立公式的意义, 并不能准确地评估爆破地震安全与否。

4 结 论

通过理论分析和爆破安全判据的应用分析, (1) 把地震幅值、, 。以提高(2) , 通过相互关联的多因素关联组合建立合理的综合评判模型。

(3) 重视爆破地震累积效应, 完善其相关理论。所谓爆破地震累积效应, 就是同一地震波的各峰值

之间的迭加和干扰作用, 以及相对独立的各地震波作用于同一介质体的效应累积, 其影响在隧道和地铁等地下工程的推进式掘进循环爆破和矿山生产连续爆破中显得尤为突出。

参考文献:

[1] 李仲奎, 王爱民, 李达成1某地下厂房施工过程中突发性破坏的分析及对策[J].岩土工程学报,1997,19(5) :44—

79.

[2] 张世雄, 尹家国, 谢达武, 等1地质因素与爆破等工程因素对坚硬裂隙岩体稳定性的影响[J].矿冶工程,1997,17(1

增刊) :8—11.

[3] 阳生权, 刘宝琛1控制爆破中配电站等安全问题的处理[J].工程爆破,2000,6(3) :89—92. [4] 黄树棠, 张雪亮1爆破地震效应[M].北京:地震出版社,1981. 116—119;157.

[5] 霍永基, 王湘均, 费骥鸣1爆破地震效应及安全评定方法[A].土岩爆破文集(第二辑) [C]1北京:冶金工业出版社,

1985. 184—187.

[6] G B 6722-86, 爆破安全规程[S].

[7] The C ommission on T est Methods ,Suggested Method for Blast Vibration M onitoring [J].Int J R ock Mech M in Sci &G eomech Ab 2

str ,1992,29(2) :143—156.

[8] 波林格A. 爆炸振动分析[M].刘荟锡, 熊建国. 北京:科学出版社,1957.

[9] 周家汉, 陈善良, 杨业敏, 等1爆破拆除建筑物时震动安全距离的确定[A].土岩爆破文集(第三辑) [C].北京:冶金

工业出版社,1988. 112—119.

                   爆  炸  与  冲  击              第21卷 228

Default of the Judging Standard of B lasting Vibration Safety Abstract

Y ANG Sheng 2quan 1,LI AO X ian 2kui 2,LI U Bao 2chen 1

(1. Department o f Mining and G eological Engineering , Central South Univer sity ,

Changsha  410083, Hunan , China ;

2. Department o f Blasting , Intitute o f Mining and Metallurgy o f Changsha ,

Changsha  410012, Hunan , China )

Abstract :In this paper ,these problems are explored theoretically and discussed in engineering application. The theme is the judging standard of blasting vibration safety (JS OBVS ) . Firstly the present theories of the JS OBVS are described ,and then its unreas onable and unsuitalble aspects are discussed and explained in three aspects of the wave theory and dynamic analysis of structure and engineering application ,and s ome misunderstanding in engineering ap 2plication are pointed out. It is em phasized that frequency spectrum and history of waves etc. an im portant pole in founding the JS OBVS. Lastly s ome opinions and suggestions of and m standard are suggested.

K ey w ords :blasting vibration ;judging

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文章编号:100121455(2001) 0320223206

爆炸与冲击

EXP LOSI ON AND SH OCK W AVES

V ol. 21, N o. 3 

Jul. ,2001 

爆破地震安全判据的缺陷与改进

阳生权1, 廖先葵2, 刘宝琛1

(11中南大学岳麓校区地质矿业工程系, 湖南长沙 410083;

21长沙矿冶研究院爆破研究所, 湖南长沙 410012)

  摘要:分析探讨了爆破地震安全判据及其在工程中的应用, 对其中的某些局限与不足和应用中部分误区提出了质疑, 着重分析了频率和时间等因素对建立爆破地震安全判据的影响, 并就进一步研究和完善现有爆破地震安全判据提出了几点建议和看法。  关键词:爆破地震; 安全判据; 爆破地震效应  中图分类号:O383   文献标识码:AΞ

1 引 言

  、滑坡、开裂和变形等问题或事故虽有发生[1~2], 但

大量的工程事例, (国家或部门相关标准) 的情况下, 却并未对爆破施工环境中被保护物(建、构筑物及运行中的仪器设备等) 构成任何威胁。因此, 进一步明确和探索爆破地震效应研究中的相关理论、定义和概念, 尤其是对爆破地震安全判据中的某些问题的探讨, 显得颇有必要。同时, 应用数学和各力学分支的日益完善, 为进一步研究探讨爆破地震安全判据提供了强大的计算方法和坚实的理论基础, 先进的测量技术和高速的计算机信号处理也为爆破地震观测数据的分析处理提供了有力的计算工具, 并使复杂的、实时和连续的在线安全监测、分析和控制成为可能。此外, 大量的工程实践经验和日益发展的爆破理论使探讨爆破地震安全判据更具现实指导意义。

2 爆破地震安全判据

目前爆破地震安全判据通常以单独的爆破地震强度因子(质点振动位移、速度和加速度) 来描述, 其经验公式广义表达式[4]为

αβ

(1) A =K Q R

β为与场地有关的衰减指数; R 为爆心式中:A 为爆破地震强度物理量; K 为场地系数; Q 为药量; α、

距。

文献[4~5]指出, 质点振速与建、构筑物的破坏和结构失稳最为密切, 质点振速对建、构筑物的破坏起主要作用, 因此采用质点峰值振速来评估爆破地震强度, 其优点是使爆破地震波所携带的能通量与所产生地应力相联系, 并和结构中产生的动能和内应力建立联系。也有学者建议以质点振动加速度来评估爆破地震强度[4], 理由是质点振动加速度和爆破地震产生的惯性力密切相关, 便于换算爆破地震荷载

[6]

和进行结构应力分析。国家标准《爆破安全规程》中评估爆破地震安全距离时用的是质点峰值振速, 具体规定了工程上常见各类建、构筑物在坚硬、中硬和软岩石中地面和地下爆破的安全距离, 但其中所列场地系数和衰减指数的变化范围很大。

收稿日期:2000209225;  修回日期:2000201231

) , 男, 博士, 工程师。   作者简介:阳生权(1968— 

Ξ

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3 缺陷和改进建议

311 安全判据独立阈值理论31111 概念

目前的爆破地震安全判据都只是以某个独立参数的阈值(质点峰值振速或峰值加速度) 来评价爆破地震安全, 作者称之为独立阈值理论, 它在理论和工程应用方面都存在一定程度的局限和不足。

现有爆破地震安全判据只考虑到影响地面爆破地震强度的主要因素是爆心距和药量, 并因此建立了爆破地震强度、爆心距和药量三者之间的经验公式, 但就土岩介质体而言, 影响爆破地震强度和地震波特征的主要因素还应包括介质体物理力学参数和传播途径等, 因此在研究地下结构这类工程的爆破地震效应时, 用现有经验公式评估爆破地震强度并不确切。而且现有质点峰值振速经验公式受场地因素的影响很大。用质点振动加速度来评估爆破地震强度时, 虽然场地因素影响相对小些, 但由于实际爆破地震试验观测数据不充分, 以及不同地区和部门按各自的观测数据建立的建、构筑物爆破地震安全判据不同, 势必影响以质点振动加速度为参数的安全判据的实施和应用。另外, 建、构筑物本身的动力特征对变形、破坏和失稳等起重要作用, 但建、构筑物的结构、定性因素, 土木工程技术在不断发展, 建、, 论, 更加不能弥补其评价爆破地震强度方面的不足, 。31112 理论分析

位移 X =∑A i i )

i

 

(2) (3) (4)

ωi A i cos (ωi t +φi 1) 速度 V =∑

i

 

ω2i A i sin (ωi t +φi 2) 加速度 a =∑

i

 

πf , f 为频率) ; t 为时间; φi 1、φi 2为相位差。式中:A i 为幅值系数; ωi 为圆频率(ωi =2

对于单自由度体系, 爆破作用下的位移、速度和加速度的地震反应值分别为[4]

η相对位移 x (i , t ) =∑j X j (i ) δj (t )

j

 

(5) (6) (7)

 

η相对速度 x (i , t ) =∑j X j (i ) V j (t )

j

 

 

¨() ¨η绝对加速度 x 0i , t +x (i , t ) =∑j X j (i ) a j (t )

j

式中:i 为第i 质点体系; j 为第j 振型; ηj 为第j 个主振型参与系数

ηj =

m X (i ) ∑

j j

 

(8)

j j

2

m X (i ) ∑

j

式中:m j 为第j 质点质量; X j (i ) 为第j 质点无阻尼时的主振型函数; δ(t ) 为位移反应函数, V j (t ) 为速度反应函数, a j (t ) 为加速度反应函数

t

¨(τ) -ε(t -τ

δ(t ) =-) d τx 0) e j sin n ′j (t -τn ′j 0

(9) (10) (11)

V j (t ) =-a j (t )

t

∫¨)

=n ′x (τ

∫e

t

¨(τ)

x 0

e -

ε(t -τ)

j

) -[cos n ′j (t -τ

ε) ]d τsin n ′j (t -τn ′j

j

(t -τ) -εj

2

ε) +) ]d τ[(1-cos n ′j (t -τj (t -τ2) sin n ′n ′n ′j j

  结构体爆破地震力

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P ij =m i

n X (i ) a (t ) ∑

j j

j

j

(12)

¨) τ式中:n j 为无阻尼时的圆频率, n ′为时刻的地面加速度, εj 为有阻尼时的圆频率, x (τj 为阻尼系数。

通过上述波动理论和结构响应分析表明, 爆破地震各强度描述因子(位移、速度和加速度) 均是频率和时间的函数, 而且各物理参数间相互联系。因此, 强度和结构动力特性不但取决于质点振动幅值(速度或加速度) , 还与地震波的时间和频率(周期) 密切相关。如果只是简单地用其中某一、二个独立的物理参数来建立爆破地震安全判据, 就会忽视其它爆破地震强度影响因素, 以及土岩介质体与爆破地震波之间的相互作用, 显然不妥。312 工程应用分析

越来越多的震害和爆破地震的观测资料[1~3]分析表明, 建、构筑物的地震破坏不但取决于地震的幅值, 而且还与地震频谱和持续时间等因素有关。观测发现, 很多情况虽然质点峰值振速超过了现行安全标准, 但爆破地震并未对结构物造成威胁(见表1) , 这时主振频率往往远离固有频率或持续时间较短, 显著作用频率段也远离结构体或子结构体(结构体中附着在结构体上或由于节理、层理和裂隙面等缺陷面分割成的相对独立体) 的固有频率。而对于文献[1~2]中造成的事故或工程问题, , 震波所致。从频谱分析来看, :为均匀而且分散; , , 显著作用频率段同样体现了这点。(钢筋砼结构公路隧道质点峰值振速允许值为15cm/[6]) 的情况下, 却导致一期隧道顶部掉碎块(4cm ×4cm ) 、照明供电异常和一扇连通硐铁门振坏倒塌等问题(见表2) 。由监测结果可知, 爆破地震波的主振频率和显著作用频率段均较为接近结构的固有频率, 导致被破坏体结构与爆破震动共振, 同时由于是推进式循环爆破作业, 存在着不可忽视的爆破地震波对一期隧道结构体的累积作用, 以及由于隧道间围岩宽度较小(22m ) 造成的爆破地震作用下的类墙体振动。该工程在施工过程中经多次专家论证, 最后将质点峰值振速允许值定为510cm/s 。

表1 大源渡水利枢纽坝体及闸墩爆破震动监测超标数据一览表(允许振动速度为510cm/s )

T able 1 R estults of the blasting vibration monitoring of d am in D. Y. D. Pow er station

测量次序测点位置总药量/kg 最大剂爆药量/kg 爆心距/m 质点峰值振速

/(cm/s )

第一次超标

8#闸墩动力控制室361059. 2025. 05117(T )

第二次超标

8#闸墩下、上游侧481803. 60

34. 0(下游)  5170(上游)

第三次超标

8#闸墩下、上游侧1361606. 30

48130(下游)  20100(上游)

下游61988(V ) 61061(T ) 71458(L ) 上游111314(T )  严重超标下游49. 9(V ) 6. 0(T ) 9. 3(L ) 上游017(T )

下游61774(V ) 51513(T ) 61373(L ) 上游 131405(T )  严重超标下游37. 6(V ) 2 37. 8(T ) 10. 4(L ) 上游13016(T )

下游1789(V ) 2143(T ) 2084(L ) 上游2098(T )

510~16310(下游) 917~17115(上游)

超标

17. 5

主振频率/H z

振动持续时间/ms 2842. 0下游2068(V ) 3800(T ) 2218(L ) 上游2136(T )

显著频率段/H z 监测结果

6. 7~60. 05. 0~72. 6(下游) 010~13310(上游)

无任何异常现象未发现结构破坏和开裂现象未发现结构破坏和开裂现象

  注:1.V 2垂直方向, T 2水平方向, L 2水平径向。

2. 测试系统为I NV306型智能信号采集处理分析系统+8912Ⅱ型传感器。

                   爆  炸  与  冲  击              第21卷 226

表2 某公路隧道二期工程爆破地震监测异常现象观测结果

T able 2 The abnorm al results of the blasting safety monitoring of the 2nd term engineering of a tunnel

异常现象施工里程/m 固有频率/Hz 允许振速/(cm/s ) 测点位置/m 爆心距/m 总药量/kg

最大齐爆药量/kg 质点峰值振速/(cm/s ) 振动持续时间/ms 主振频率/Hz 显著频率段/Hz

一期隧道顶部掉碎碴、照明供电不正常

01+480. 0~00+721. 0

一期隧道连通硐铁门破坏倒塌

00+951. 080~120(铁门)

510(规程要求1510cm/s 以下)

≤12~18(钢筋砼衬砌)  120(照明设备)

510(规程要求为1510cm/s 以下)

一期隧道南侧墙中

2510~5510250. 0~400. 027. 0~38. 00. 96~6. 53540. 8~1036. 049. 0~162. 042. 0~167. 0

一期隧道南侧00+95010与00+97010墙中

2610(00+959. 0) 29. 0(00+970. 0)

341. 034. 5

5. 26(00+950. 0) 4. 46(00+970. 0) 850. 494. 076. 0~128. 0

  注:测试系统为M L 采集分析系统+PDM -2磁带记录仪+CD -1速度传感器。

  如此看来, 关, ]。, 征也不容忽视, 在主, 可适当放宽地震波波幅值峰值的限制, 在持续时间不长或爆破规模不大的情况下也是如此。反之, 则应严格限制地震波波幅值峰值。同样, 结合爆破规模考虑地震波的持续时间, 爆破规模不大时可允许放宽对持续时间限制。另外, 在爆破地震安全判据中宜详尽列举各种建筑物和构筑物的类型, 并针对各种类型的建筑物和构筑物采用诸如加权值法等方法调整判据值大小。此外, 由于爆破地震波频率特征与药量大小、爆心距和介质体物理力学性质及传播途径有关, 如何使爆破地震波能量集中的显著作用频率带避开被保护物固有频率, 应在安全判据中提供指导性参考建议。

313 爆破地震监测及其结果处理

水平横向(T ) 和垂爆破地震强度可用互相独立和正交的三个分量进行描述, 它们是水平纵向(L ) 、

直方向(V ) 的分量。文献[7]指出很难确定三个分量中哪一分量更为重要。从结构响应的角度上讲, 水平方向的振动趋于控制结构物垂直墙体和上部结构体的水平响应, 而垂直振动趋于控制水平板状结构体的垂直响应。结构振动响应幅值峰值应是三个正交方向的矢量和峰值(实际最大值) , 而不是三个正交方向响应幅值峰值(可能不在同一时刻) 的矢量和(名义最大值) , 后者比前者通常要大40%, 而一般情况下真实矢量和峰值要比单个方向幅值峰值大5%~10%。因此, 用于爆破地震控制的名义最大值实际上与理论安全系数并不相符。

在爆破地震效应实践应用和试验研究中, 往往从实施的便利性出发, 本来应按四维(t , L , T , V ) 问题进行讨论, 却把问题简化为二维[t , D ∈(L , T , V ) ]问题, 即通常只考虑到了时间t 和空间三维中的振动速度或加速度最大的方向, 而忽视了其他两个方向的值, 把空间矢量最大值简化为某一方向的最大值。同时在工程界也有默认垂直方向为最危险方向的误解。它们从概念和数值上改变了相应安全指标, 体现现有爆破地震安全判据有不合理和不适宜的一面。只强调安全判据工程应用的便利性, 就淡化甚至曲解了爆破地震安全判据颁布与实施的目的, 安全系数偏小可能造成工程事故甚至是灾难性后果; 而安全系数偏大, 从投资的角度来看势必导致工程成本的增加, 造成一些不必要的浪费和损失。

我们认为, 造成结构体失稳或破坏的是爆破地震整个动力时程, 而非爆破地震波的波幅值峰值, 因此不能用某一时刻的振动波幅值峰值来判断爆破地震超标与否。把其中的相关因子逐个单独进行讨论

 第3期             阳生权等:爆破地震安全判据的缺陷与改进                227

也是不适宜的。应予以全面综合考虑。可通过完善爆破地震安全监测系统来准确和便利地评估爆破地震。一方面是硬件的建立, 即相关仪器的制造, 要求能同时观测爆破地震多个物理参数, 另一方面是建立爆破地震安全判据专家系统, 要求能通过输入包括建、构筑物类型及其动力特征、环境因素与场地条件、爆破方式和爆破参数等参数后通过监测即能根据其中的安全判据系统进行爆破地震安全评估。

另外, 由于爆破地震波是随机波, 具有随机性、模糊性和不确定性, 决定了采用数理统计方法的必然性。但在处理观测数据方面存在某些误区。资料表明[4,9]在相当一部分观测数据处理工作中, 回归曲线图上的回归数据较为分散, 回归数据的分布规律也不明显, 这种数理统计工作似乎有些牵强。甚至有些数据根本不具备形成规律的条件, 要剔除为数本身并不多的观测数据中的一定比例的数据, 才得以保证回归处理所谓理想的相关系数。在一些毫无传播规律可言的传播介质(例如松散土和杂填土等介质及局部风化地带和裂隙发育岩石等缺陷介质) 中, 由于缺陷介质体内缺陷部分和地质构造分布的随机性、物理几何性质的模糊性和不确定性, 使得其中传播的地震波规律很难用上述地震波衰减经验公式(1) 来表示。这样得到的经验公式便失去了制定和建立公式的意义, 并不能准确地评估爆破地震安全与否。

4 结 论

通过理论分析和爆破安全判据的应用分析, (1) 把地震幅值、, 。以提高(2) , 通过相互关联的多因素关联组合建立合理的综合评判模型。

(3) 重视爆破地震累积效应, 完善其相关理论。所谓爆破地震累积效应, 就是同一地震波的各峰值

之间的迭加和干扰作用, 以及相对独立的各地震波作用于同一介质体的效应累积, 其影响在隧道和地铁等地下工程的推进式掘进循环爆破和矿山生产连续爆破中显得尤为突出。

参考文献:

[1] 李仲奎, 王爱民, 李达成1某地下厂房施工过程中突发性破坏的分析及对策[J].岩土工程学报,1997,19(5) :44—

79.

[2] 张世雄, 尹家国, 谢达武, 等1地质因素与爆破等工程因素对坚硬裂隙岩体稳定性的影响[J].矿冶工程,1997,17(1

增刊) :8—11.

[3] 阳生权, 刘宝琛1控制爆破中配电站等安全问题的处理[J].工程爆破,2000,6(3) :89—92. [4] 黄树棠, 张雪亮1爆破地震效应[M].北京:地震出版社,1981. 116—119;157.

[5] 霍永基, 王湘均, 费骥鸣1爆破地震效应及安全评定方法[A].土岩爆破文集(第二辑) [C]1北京:冶金工业出版社,

1985. 184—187.

[6] G B 6722-86, 爆破安全规程[S].

[7] The C ommission on T est Methods ,Suggested Method for Blast Vibration M onitoring [J].Int J R ock Mech M in Sci &G eomech Ab 2

str ,1992,29(2) :143—156.

[8] 波林格A. 爆炸振动分析[M].刘荟锡, 熊建国. 北京:科学出版社,1957.

[9] 周家汉, 陈善良, 杨业敏, 等1爆破拆除建筑物时震动安全距离的确定[A].土岩爆破文集(第三辑) [C].北京:冶金

工业出版社,1988. 112—119.

                   爆  炸  与  冲  击              第21卷 228

Default of the Judging Standard of B lasting Vibration Safety Abstract

Y ANG Sheng 2quan 1,LI AO X ian 2kui 2,LI U Bao 2chen 1

(1. Department o f Mining and G eological Engineering , Central South Univer sity ,

Changsha  410083, Hunan , China ;

2. Department o f Blasting , Intitute o f Mining and Metallurgy o f Changsha ,

Changsha  410012, Hunan , China )

Abstract :In this paper ,these problems are explored theoretically and discussed in engineering application. The theme is the judging standard of blasting vibration safety (JS OBVS ) . Firstly the present theories of the JS OBVS are described ,and then its unreas onable and unsuitalble aspects are discussed and explained in three aspects of the wave theory and dynamic analysis of structure and engineering application ,and s ome misunderstanding in engineering ap 2plication are pointed out. It is em phasized that frequency spectrum and history of waves etc. an im portant pole in founding the JS OBVS. Lastly s ome opinions and suggestions of and m standard are suggested.

K ey w ords :blasting vibration ;judging


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