• ISSN 1001-1455  CN 51-1148/O3
  • EI Compendex、CA收录
  • 力学类中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊、CSCD统计源期刊
高级检索 E-mail Alert

台阶地形爆破振动放大与衰减效应研究

武旭 张云鹏 郭奇峰

引用本文:
Citation:

台阶地形爆破振动放大与衰减效应研究

    作者简介: 武旭(1988—),男,博士, 13051510807@163.com;
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目 51604017
    中央高校基本科研业务费专项基金项目 FRF-TP-16-017A3

  • 中图分类号: O389

Amplification and attenuation effect of blasting vibration on step topography

  • CLC number: O389

  • 摘要: 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。
  • 图 1  计算模型示意图

    Figure 1.  Sketch map of calculation model

    图 2  振动速度云图

    Figure 2.  Vibration velocity nephogram

    图 3  质点峰值振动速度随高程变化曲线

    Figure 3.  Variation of peak particle vibration velocity with elevation

    图 4  放大倍数随高程变化曲线

    Figure 4.  Variation of amplification factor with elevation

    图 5  振动速度与坡底面宽度的关系

    Figure 5.  Relation of bottom width with vibration velocity

    图 6  高程对振速的放大与衰减示意图

    Figure 6.  Amplification and attenuation of vibration velocity based on elevation

    图 7  爆破振动速度现场监测

    Figure 7.  Field monitoring of blasting vibration velocity

    图 8  测点布置台阶剖面图

    Figure 8.  Arrangement of measuring points

    表 1  岩石材料参数

    Table 1.  Material parameters of rock

    岩石 岩石密度/(g·cm-3) 弹性模量/GPa 泊松比 切线模量/GPa 抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa
    闪长玢岩 2.54 57.64 0.27 5.5 56 4.49
    下载: 导出CSV

    表 2  炸药的材料和状态方程参数

    Table 2.  Material and equation of state parameters of explosive

    密度/(g·cm-3) 爆速/(km·s-1) 爆压/GPa A/GPa B/GPa R1 R2 ω E/GPa
    1.0 3 3.43 321.9 0.18 4.2 0.8 0.15 3.51
    下载: 导出CSV

    表 3  爆破振动观测结果

    Table 3.  Blasting vibration measurements

    测点 最大单孔起爆药量/kg 水平距离/m 垂直距离/m 峰值振动速度/(cm·s-1)
    MP1 500 14.8 0.0 38.35
    MP2 44.1 30.8 3.33
    MP3 86.4 43.0 1.41
    MP4 90.3 54.0 1.50
    MP5 132.8 63.0 0.94
    MP6 140.3 74.1 1.08
    MP7 183.3 90.2 0.69
    MP8 190.9 103.0 0.87
    下载: 导出CSV
  • [1] 唐海, 李海波.反映高程放大效应的爆破振动公式研究[J].岩土力学, 2011, 32(3):820-824. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2011.03.030
    Tang Hai, Li Haibo. Study of blasting vibration formula of reflecting amplification effect on elevation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(3):820-824. doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2011.03.030
    [2] 朱传统, 刘宏根.地震波参数沿边坡坡面传播规律公式选择[J].爆破, 1988, 5(2):30-34.
    Zhu Chuantong, Liu Honggen. Selection of formula on propagation of the parameters of explosive seismic wave along slope[J]. Blasting, 1988, 5(2):30-34.
    [3] 王在泉, 陆文兴.高边坡爆破开挖震动传播规律及质量控制[J].爆破, 1994, 11(3):1-4.
    Wang Zaiquan, Lu Wenxing. Propagation of blasting vibration and quality control of high slope in excavation by blast[J]. Blasting, 1994, 11(3):1-4.
    [4] 舒大强, 何蕴龙, 董振华.岩质高边坡开挖爆破震动荷载及其对边坡稳定性影响的研究[J].工程爆破, 1996, 2(4):39-43.
    Shu Daqiang, He Yunlong, Dong Zhenhua. Research on vibration load from excavation blasting and its influence on stability of rock high-slope[J]. Engineering Blasting, 1996, 2(4):39-43.
    [5] 舒大强, 李小联, 占学军, 等.龙滩水电工程右岸高边坡开挖爆破震动观测与分析[J].爆破, 2002, 19(4):65-67. doi: 10.3963/j.issn.1001-487X.2002.04.026
    Shu Daqiang, Li Xiaolian, Zhan Xuejun, et al. Observation and analysis of blasting vibration on the right bank's high slope of Longtan hydropower project[J]. Blasting, 2002, 19(4):65-67. doi: 10.3963/j.issn.1001-487X.2002.04.026
    [6] 吕淑然, 杨军.露天矿爆破地震效应与降震技术研究[J].有色金属, 2003, 55(3):30-32.
    Lü Shuran, Yang Jun. Study on blasting seismic effect and anti-vibration technology in the open-pit mine[J]. Non-ferrous Metal, 2003, 55(3):30-32.
    [7] 万鹏鹏, 璩世杰, 许文耀, 等.台阶爆破质点振速的高程效应研究[J].爆破, 2015, 32(2):29-32. doi: 10.3963/j.issn.1001-487X.2015.02.005
    Wan Pengpeng, Qu Shijie, Xu Wenyao, et al. Study of elevation effect of bench blasting particle vibration velocity[J]. Blasting, 2015, 32(2):29-32. doi: 10.3963/j.issn.1001-487X.2015.02.005
    [8] 张伟康, 谢永生, 吴顺川, 等.矿山边坡爆破振动高程放大效应研究[J].金属矿山, 2015, 44(3):68-71.
    Zhang Weikang, Xie Yongsheng, Wu Shunchuan, et al. Research on elevation amplification effect of blasting vibration in mine slope[J]. Metal Mine, 2015, 44(3):68-71.
    [9] 胡光球, 璩世杰, 梁新民.高程放大效应对露天采场爆破震动衰减的影响研究[J].黄金, 2015, 36(7):28-32.
    Hu Guangqiu, Qu Shijie, Liang Xinmin. Research on the influence of elevation amplification effect on open-pit blasting vibration attenuation[J]. Gold, 2015, 36(7):28-32.
    [10] 周同龄, 李玉寿.反映高程的爆破震动公式及其应用[J].江苏煤炭, 1997, 22(4):21-22.
    Zhou Tongling, Li Yushou. Blasting vibration formula of reflecting amplification and application[J]. Jiangsu Coal, 1997, 22(4):21-22.
    [11] 付波, 胡英国, 卢文波, 等.岩石高边坡爆破振动局部放大效应分析[J].爆破, 2014, 31(2):1-7.
    Fu Bo, Hu Yingguo, Lu Wenbo, et al. Local amplification effect of blasting vibration in high rock slope[J]. Blasting, 2014, 31(2):1-7.
    [12] 林士炎, 李长洪, 乔兰, 等.爆破震动对高速路边坡影响的数值模拟[J].北京科技大学学报, 2003, 25(6):507-509. doi: 10.3321/j.issn:1001-053X.2003.06.005
    Lin Shiyan, Li Changhong, Qiao Lan, et al. Numerical simulation on the influence of blasting vibration on the freeway slope[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2003, 25(6):507-509. doi: 10.3321/j.issn:1001-053X.2003.06.005
    [13] 李山有, 马强, 韦庆海.地震体波斜入射下的断层台阶地震反应分析[J].地震研究, 2005, 28(3):277-281. doi: 10.3969/j.issn.1000-0666.2005.03.015
    Li Shanyou, Ma Qiang, Wei Qinghai. Seismic response analysis of fault step subjected to obliquely incident body waves[J]. Journal of Seismological Research, 2005, 28(3):277-281. doi: 10.3969/j.issn.1000-0666.2005.03.015
  • [1] 刘爱文俞言祥付长华吕红山陈鲲赵纪生周正华王伟 . 50t科学爆破振动的衰减特征及地形效应. 爆炸与冲击, 2010, 30(1): 21-26. doi: 10.11883/1001-1455(2010)01-0021-06
    [2] 柴修伟 . 不同炸药性能对爆破振动效应的影响. 爆炸与冲击, 2011, 31(5): 548-552. doi: 10.11883/1001-1455(2011)05-0548-05
    [3] 中国生房营光谷任国赵奎 . 基于小波分析的建(构)筑物爆破振动安全评估. 爆炸与冲击, 2009, 29(1): 35-40. doi: 10.11883/1001-1455(2009)01-0035-06
    [4] 杨建华卢文波陈明周创兵 . 岩石爆破开挖诱发振动的等效模拟方法. 爆炸与冲击, 2012, 32(2): 157-163. doi: 10.11883/1001-1455(2012)02-0157-07
    [5] 杨年华张乐 . 爆破振动波叠加数值预测方法. 爆炸与冲击, 2012, 32(1): 84-90. doi: 10.11883/1001-1455(2012)01-0084-07
    [6] 邱贤阳史秀志周健黄丹陈新 . 基于HHT能量谱的高精度雷管短微差爆破降振效果分析. 爆炸与冲击, 2017, 37(1): 107-113. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0107-07
    [7] 路亮龙源谢全民李兴华纪冲赵长啸 . 爆破振动信号的提升小波包分解及能量分布特征. 爆炸与冲击, 2013, 33(2): 140-147. doi: 10.11883/1001-1455(2013)02-0140-08
    [8] 史秀志林大能陈寿如 . 基于粗糙集模糊神经网络的爆破振动危害预测. 爆炸与冲击, 2009, 29(4): 401-407. doi: 10.11883/1001-1455(2009)04-0401-07
    [9] 李维光张继春 . 爆破振动作用下顺层岩质边坡稳定性分析. 爆炸与冲击, 2007, 27(5): 426-430. doi: 10.11883/1001-1455(2007)05-0426-05
    [10] 马冲詹红兵姚文敏余海兵 . 爆破振动作用下含软弱夹层边坡稳定性及安全判据. 爆炸与冲击, 2018, 38(3): 563-571. doi: 10.11883/bzycj-2016-0275
    [11] 李洪涛卢文波舒大强朱传云 . P波作用下衬砌混凝土的爆破安全振动速度研究. 爆炸与冲击, 2007, 27(1): 34-39. doi: 10.11883/1001-1455(2007)01-0034-06
    [12] 费鸿禄曾翔宇杨智广 . 隧道掘进爆破振动对地表影响的小波包分析. 爆炸与冲击, 2017, 37(1): 77-83. doi: 10.11883/1001-1455(2017)01-0077-07
    [13] 吴从师徐荣文张庆彬 . 自由面对爆破振动信号能量分布特征的影响. 爆炸与冲击, 2017, 37(6): 907-914. doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0907-08
    [14] 方前程商丽商拥辉宋译 . 爆破振动诱发民房结构损伤识别的随机森林模型. 爆炸与冲击, 2017, 37(6): 939-945. doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-0939-07
    [15] 中国生敖丽萍赵奎 , . 基于小波包能量谱爆炸参量对爆破振动信号能量分布的影响. 爆炸与冲击, 2009, 29(3): 300-305. doi: 10.11883/1001-1455(2009)03-0300-06
    [16] 施建俊李庆亚张琪卫星王辉 . 基于Matlab和BP神经网络的爆破振动预测系统. 爆炸与冲击, 2017, 37(6): 1087-1092. doi: 10.11883/1001-1455(2017)06-1087-06
    [17] 杨润强严鹏王高辉卢文波陈明 . 地应力水平对深埋隧洞爆破振动频谱结构的影响. 爆炸与冲击, 2019, 39(5): 055201-1-055201-12. doi: 10.11883/bzycj-2017-0366
    [18] 张胜凌同华曹峰黄戡 . 模式自适应连续小波去除趋势项方法在爆破振动信号分析中的应用. 爆炸与冲击, 2017, 37(2): 255-261. doi: 10.11883/1001-1455(2017)02-0255-07
    [19] 朱俊杨建华卢文波陈明严鹏 . 地应力影响下隧洞边墙的爆破振动安全. 爆炸与冲击, 2014, 34(2): 153-160. doi: 10.11883/1001-1455(2014)02-0153-08
    [20] 钟冬望吴亮余刚 . 邻近隧道掘进爆破对既有隧道的影响. 爆炸与冲击, 2010, 30(5): 456-462. doi: 10.11883/1001-1455(2010)05-0456-07
  • 加载中
图(8)表(3)
计量
  • 文章访问数:  416
  • HTML全文浏览量:  50
  • PDF下载量:  485
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-03-29
  • 录用日期:  2016-07-29
  • 刊出日期:  2017-11-25

台阶地形爆破振动放大与衰减效应研究

    作者简介:武旭(1988—),男,博士, 13051510807@163.com
  • 1. 北京科技大学土木与资源工程学院, 北京 100083
  • 2. 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 北京 100083
  • 3. 华北理工大学矿业工程学院, 河北 唐山 063009
基金项目:  国家自然科学基金项目 51604017中央高校基本科研业务费专项基金项目 FRF-TP-16-017A3

摘要: 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。

English Abstract

  • 爆破振动强度的影响因素极其复杂,其衰减特征是在基于实践经验和对数据统计分析的基础上得到的,随着爆破技术在边坡工程中的广泛应用,萨道夫斯基公式计算值与实测数据的误差达到50%以上[1],该公式对高差变化较大的地形已不再适用。许多学者采用现场实验、理论分析及数值模拟等手段对爆破振动的地形效应进行了深入研究。台阶地形的放大效应与高程、爆源距、坡面角以及结构面的产状有关[2-5]。吕淑然等[6]认为台阶正高差地形的高程越高放大效应越明显,而唐海等[1]认为台阶地形中振动速度的放大系数存在最大值。万鹏鹏等[7]通过实验观测分析得到台阶地形爆破振动放大效应是受鞭梢效应和坡面效应影响的结论。张伟康等[8]、胡光球等[9]、周同龄等[10]通过分析与爆破振动有关的物理量,运用量纲分析法推导了反映高程放大效应的爆破振动公式并在工程中应用。同时,动力有限元方法成功应用在了爆破动态模拟中,并被证明在边坡顶部质点振动速度都呈现出放大效应[11],放大现象是一个局部的动力响应[12],振动速度放大效应的实质是在台阶平台上产生波形转换及波形叠加[13]

    本文中利用数值模拟方法对台阶地形爆破地震波的放大与衰减规律进行研究,结合现场实验数据分析结果提出台阶地形爆破振动速度预测模型。

    • 模型做如下假设:岩石视为各向同性的连续均匀介质,爆轰产物的膨胀是绝热过程;忽略重力影响。台阶模型的岩石材料参数如表 1所示,炸药材料及状态方程参数如表 2所示。

      岩石 岩石密度/(g·cm-3) 弹性模量/GPa 泊松比 切线模量/GPa 抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa
      闪长玢岩 2.54 57.64 0.27 5.5 56 4.49

      表 1  岩石材料参数

      Table 1.  Material parameters of rock

      密度/(g·cm-3) 爆速/(km·s-1) 爆压/GPa A/GPa B/GPa R1 R2 ω E/GPa
      1.0 3 3.43 321.9 0.18 4.2 0.8 0.15 3.51

      表 2  炸药的材料和状态方程参数

      Table 2.  Material and equation of state parameters of explosive

      采用高能炸药材料和JWL状态方程描述,爆轰压力计算:

      $ p=A\left( 1-\frac{\omega }{{{R}_{1}}V} \right){{e}^{-{{R}_{1}}V}}+B\left( 1-\frac{\omega }{{{R}_{2}}V} \right){{e}^{-{{R}_{2}}V}}+\frac{\omega E}{V} $

      式中:p为爆轰压力, E为炸药爆轰产物的内能, V为爆轰产物的相对体积, ABR1R2ω、为所选炸药的性质常数。

    • 利用LS-DYNA程序建立爆破模型,根据实验方案、岩石物理力学参数以及爆破参数,边坡爆破各模型尺寸:台阶高度H分别为12、15、18、21 m;台阶坡底面宽度W分别为10、15、20 m;坡面角为90°。图 1中给出了模型边界条件及炮孔主要参数。

      图  1  计算模型示意图

      Figure 1.  Sketch map of calculation model

    • 模型计算时间0.03 s。爆炸后模型质点竖直方向振动速度随时间变化形态如图 2所示。

      图  2  振动速度云图

      Figure 2.  Vibration velocity nephogram

      通过LS-PrePost后处理程序提取时间历程记录点处竖直方向的峰值质点振动速度,12组数值模型的计算结果如图 3所示。

      图  3  质点峰值振动速度随高程变化曲线

      Figure 3.  Variation of peak particle vibration velocity with elevation

      台阶表面质点振动速度总体上随距离的增加呈指数衰减规律;对于单个台阶,由于高差的存在质点振动速度在上级台阶坡顶处产生放大效应。由图 2中曲线分析可得:爆破振动速度的高程放大效应是在爆源距和高差达到一定值后产生。当W=10 m、H=12 m,振动速度的放大效应在第3级台阶出现,为研究产生放大效应后高程对振动速度的影响规律,改变第3级台阶的高度,建立16个台阶模型。

      台阶坡顶质点振动速度的放大倍数n随高差的变化曲线如图 4所示,高差由1 m增加到18 m,放大倍数n呈现先增加后降低的变化规律,当高差为9 m时,放大倍数n达到最大值1.34。

      图  4  放大倍数随高程变化曲线

      Figure 4.  Variation of amplification factor with elevation

      质点振动速度的放大倍数并不随台阶高度的增加而单调增加,当台阶高度超过某一临界值时,放大倍数随台阶高度的增加而减小。这一现象表明,高程对地震波既有放大作用也存在衰减作用。

    • 当台阶高度一定,坡底面宽度分别为10、15、20 m时,建立12组数值模型,台阶坡顶、坡底处质点峰值振动速度与坡底面宽度的关系如图 5所示。

      图  5  振动速度与坡底面宽度的关系

      Figure 5.  Relation of bottom width with vibration velocity

      图 4中质点峰值振动速度衰减特征显示,坡底面宽度越大,相同高程处质点振动速度越低;坡底面宽度较大台阶的爆破振动速度衰减速率更快。振动速度随坡面宽度增大而减小。在有高差存在的台阶地形中,高程和爆源水平距离的共同作用影响爆破振动速度的大小。

    • 根据模拟实验数据的分析结果,结合对各参考文献中爆破振动速度计算经验公式的分析,认为用下式对台阶地形爆破振动速度计算更为准确:

      $ v=K{{\left( \frac{\sqrt[3]{Q}}{R} \right)}^{\alpha }}{{\left( \frac{\sqrt[3]{Q}}{H} \right)}^{\beta }}\ \ \ \ H\ne 0 $

      式中:v为质点峰值振动速度,Q为装药量,R为距爆源的水平距离,H为高程差,Kαβ为与岩石、地形相关的系数。

      图 6所示,炸药爆炸后产生的爆破地震波传播至点ABC时,水平距离R对振动速度的衰减作用相同,A点振动速度为v,由于高程的影响B点振速为v+v′,高差h1对振动速度起到放大作用;当单个台阶高程增加为h1+h2时,C点速度降为v-v″,此时高程对振动速度起到衰减的作用。式(2)中R为距爆源水平距离,不影响高差对振速的作用。高差H值在一定范围内,产生振速放大效应,数据拟合得到的β为负值;高程增加到某一值后,此时速度v随着H的不断增加而降低,数据拟合得到的β为正值。

      图  6  高程对振速的放大与衰减示意图

      Figure 6.  Amplification and attenuation of vibration velocity based on elevation

    • 露天深孔爆破炮孔直径310 mm,孔深14~17.5 m,超深2~2.5 m,填塞长度7~8 m,孔网参数:矿石a×b=(7~8) m×(6~7) m,岩石a×b=(5~9) m×(4~8) m。露天台阶高度12~15 m。

      爆破振动监测工作采用TC-4850爆破测振仪,如图 7所示。布置8个测点采集各台阶坡底和坡顶质点振动速度,测点位置如图 8所示。

      图  7  爆破振动速度现场监测

      Figure 7.  Field monitoring of blasting vibration velocity

      图  8  测点布置台阶剖面图

      Figure 8.  Arrangement of measuring points

      表 3数据可知,测点4、6和8均出现振动速度放大现象,根据公式(2)进行数据拟合处理得:

      测点 最大单孔起爆药量/kg 水平距离/m 垂直距离/m 峰值振动速度/(cm·s-1)
      MP1 500 14.8 0.0 38.35
      MP2 44.1 30.8 3.33
      MP3 86.4 43.0 1.41
      MP4 90.3 54.0 1.50
      MP5 132.8 63.0 0.94
      MP6 140.3 74.1 1.08
      MP7 183.3 90.2 0.69
      MP8 190.9 103.0 0.87

      表 3  爆破振动观测结果

      Table 3.  Blasting vibration measurements

      $ v=18.76{{\left( \sqrt[3]{Q}/R \right)}^{1.757}}~{{\left( \sqrt[3]{Q}/H \right)}^{-0.945}} $

      相关系数r2=0.995 3;撒道夫斯基公式拟合相关系数为0.945 3,相关性与公式(2)相比较低,且不能直观体现地形高差对爆破振动速度的影响。

    • (1) 台阶表面质点振动速度随着距离的增加整体上呈指数衰减规律;对于单个台阶,由于高差的存在坡顶质点产生振动速度放大效应,放大效应在距爆源一定距离、达到一定高差的条件下产生。

      (2) 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,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。

      (3) 坡底面宽度越大,爆破振动速度衰减速率越快,相同高程处质点振动速度越小。

      (4) 台阶地形爆破振动速度预测模型为$v=K{{\left( \frac{\sqrt[3]{Q}}{R} \right)}^{\alpha }}{{\left( \frac{\sqrt[3]{Q}}{H} \right)}^{\beta }}$(H≠0),模型对类似工程的爆破地震波衰减规律研究具有一定的参考价值。

参考文献 (13)

目录

    /

    返回文章
    返回