李孝林 1，王少雄 2，高懷樹(shù) 3
（1.北京科技大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，北京 100083; 2.北京北方諾信科技有限公司，北京 100045，3.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司，北京 100045）
摘 要：為了分析影響爆破振動(dòng)頻率的各個(gè)因素，為結(jié)構(gòu)物爆破振動(dòng)安全評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試，結(jié)合實(shí)際分
析了頻率在爆破振動(dòng)中的作用，并分析了結(jié)構(gòu)物爆破振動(dòng)響應(yīng)的頻譜特性，發(fā)現(xiàn)爆炸能量、起爆段數(shù)、距離以及傳播介質(zhì)對(duì)爆破振動(dòng)
頻率都有不同程度的影響。通過(guò)對(duì)爆破振動(dòng)頻率影響因素的分析，指出在爆破振動(dòng)的測(cè)試分析中應(yīng)充分注意到爆破條件和測(cè)試條件的
變化。
關(guān)鍵詞：爆破振動(dòng)；振動(dòng)頻率；頻譜特性
中圖分類號(hào)：TD 235.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Analysis of factors affecting blasting vibration frequency
LI Xiao-lin 1，WANG Shao-xiong 2，GAO Huai-shu3
(1.College of Resources and Civil Engineering, Beijing University of Science and Technology, Beijing
100083, China; 2. Beijing North Norcin Tech-Co., LTD, Beijing 100045, China; 3.China Weapon Industries
Group Corporation, Beijing 100045, China)
Abstract：In order to analyze each element affecting blasting vibration frequency and provide reliable basis for the evaluation of structures blasting vibration safety, through blasting vibration testing on the spot, the thesis has studied the function of frequency in the blasting vibration in practice, and studied the frequency chart characteristic of the response of structure under blasting vibration. It has discovered the influence of blasting capacity, blasting delay interval, distance and spread substance on blasting vibration frequency. Through the analysis of the affecting factors of blasting vibration frequency, the paper points out that the transformation of blasting condition and test condition should be paid full attention to in the measurementanalyses of explosion vibration.
Key words：blasting vibration；vibration frequency；frequency chart characteristic
0 引 言
中國(guó)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-86）規(guī)定：一般建筑物和構(gòu)筑物的爆破地震安全性應(yīng)滿足安全振動(dòng)速度的要求，即現(xiàn)行規(guī)程是用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度表示地震動(dòng)強(qiáng)度的。但是，隨著爆破技術(shù)的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)，以單一的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度作為衡量爆破振動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)也有許多不妥之處，希望用質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和對(duì)應(yīng)頻率作為振動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)[1]。目前，國(guó)外評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)展到不只以單一參數(shù)作為判據(jù)。如瑞典的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)綜合考慮了振動(dòng)速度、頻率、位移和加速度等多項(xiàng)指標(biāo)，美國(guó)礦務(wù)局、德國(guó)和芬蘭的判據(jù)引入振動(dòng)速度和頻率兩個(gè)指標(biāo)[2]?，F(xiàn)在大多數(shù)人意識(shí)到振動(dòng)速度和頻率兩項(xiàng)指標(biāo)作為判據(jù)是必要的。事實(shí)上，在注重總結(jié)質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度的衰減規(guī)律的同時(shí)，對(duì)爆破地震波中頻率的分布特征以及衰減規(guī)律進(jìn)行更深入的研究，對(duì)爆破振動(dòng)控制的理論研究和工程應(yīng)用都具有重要的意義。
1 爆破振動(dòng)頻率的計(jì)算分析
爆破振動(dòng)特性可用幅值、頻譜和持時(shí)三大要素來(lái)描述。幅值是爆破振動(dòng)強(qiáng)度的標(biāo)志。頻譜是幅值與頻率的關(guān)系，爆破振動(dòng)的頻譜屬連續(xù)譜，各種頻率的振動(dòng)成分都有，但不同頻率振動(dòng)成分的幅值不同，具有最大幅值振動(dòng)成分的頻率稱為主頻。持時(shí)是爆破振動(dòng)作用持續(xù)的時(shí)間。幅值、頻譜與持時(shí)的不同組合決定著爆破振動(dòng)的安全性。爆破振動(dòng)三要素(幅值、頻率和持續(xù)時(shí)間)均受震源動(dòng)力特性、傳播距離、場(chǎng)地條件及建筑物動(dòng)力響應(yīng)特性的制約。爆破振動(dòng)頻率的計(jì)算，目前國(guó)內(nèi)有兩種公式計(jì)算爆破振動(dòng)頻率。文獻(xiàn)[3]提出用下式計(jì)算爆破地震動(dòng)引起的地面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率
式中， k f為頻率系數(shù)， kf =0.01～0.03； s c 為巖的橫波波速，cm/s；Q 為相同距離同時(shí)起爆的總藥量，kg； R 為測(cè)點(diǎn)至爆源距離，m。文獻(xiàn)[2]提出的振動(dòng)頻率計(jì)算公式如下
式中， k 為系數(shù)，對(duì)于硐室爆破， k =0.8～5.0；對(duì)于臺(tái)階爆破， k =5.0～50；對(duì)于拆除爆破，k =1.0～10；藥量大時(shí)系數(shù)取小值，反之取大值。上述兩個(gè)公式都是在一定試驗(yàn)條件獲得的經(jīng)驗(yàn)公式，為計(jì)算爆破振動(dòng)頻率做了有益的探索。通過(guò)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，回歸分析得出頻率計(jì)算公式如下[3]：
2 爆破振動(dòng)頻率影響因素分析
振動(dòng)測(cè)試結(jié)果表明，隨著爆破方式的改變，振動(dòng)幅值和主頻率都有所改變[4]。通常，對(duì)于露天礦爆破，與爆破振動(dòng)關(guān)系最為密切的爆破參數(shù)，分別是距離、最大段藥量、超深、方位、總藥量和高差等參數(shù)。
2.1 起爆方式（延時(shí)間隔時(shí)間）對(duì)振動(dòng)頻率的影響
通過(guò)對(duì)爆破地震波形的研究不難發(fā)現(xiàn)，齊發(fā)爆破的振動(dòng)頻率較小，而微差爆破的振動(dòng)頻率較高。在現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)測(cè)試中，分別對(duì)地表延期分區(qū)起爆和 V 型起爆進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)爆區(qū)改變起爆網(wǎng)絡(luò)后，爆破振動(dòng)頻率特性有所改變。
通過(guò)改變起爆網(wǎng)絡(luò)，變?cè)瓉?lái)的 V 型起爆為分區(qū)微差起爆后，使爆破振動(dòng)的頻率發(fā)生了變化。圖 1是 V 型起爆(a)和地表延期分區(qū)起爆(b)的比較，兩炮的幾何位置比較接近，均在采礦實(shí)驗(yàn)室同一地點(diǎn)測(cè)試，地質(zhì)條件基本相同。
如圖 1，從兩炮的幅值譜看，地表延期分區(qū)起爆較“V"型起爆有以下特點(diǎn)：
（1）主頻有明顯提高；
（2）出現(xiàn)多峰，說(shuō)明爆破振動(dòng)能量較為分散。
2.2 采礦方法對(duì)爆破振動(dòng)頻率的影響
現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果顯示，爆破地震波在巖體表面與內(nèi)部、爆源的近區(qū)與中區(qū)、遠(yuǎn)區(qū)有不同的衰減規(guī)律和頻譜特性，并且爆破地震波中面波和體波的成分也存在顯著差異。為充分了解爆破振動(dòng)激勵(lì)特性的變化，不僅對(duì)露天礦爆破振動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)還對(duì)井下爆破對(duì)地面結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)影響進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。分析結(jié)果表明，由于露天礦爆破藥量大、傳播距離相對(duì)較遠(yuǎn)（水平距離大都在 1 500 m 以上，段藥量 4 500 kg 左右），爆破振動(dòng)的主頻率較低（約4.5 Hz；而對(duì)于井下爆破，段藥量較小，傳感器布置在爆區(qū)在地表投影附近（垂直距離不到 200 m，水平距離為 100 m 左右，最大一段火工品量為 150 kg左右），爆破振動(dòng)的主頻率較高（約 36 Hz）。 0.53cm/s 1 4 16 64 256頻率/Hz 0.12cm/s 1 4 16 64 256頻率/Hz （a） “V"型起爆（b） 分區(qū)微差起爆圖 1 不同起爆方式的頻率特性Fig.1 frequency property to different blasting methods206 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 25 卷
2.3 離爆源的絕對(duì)距離影響主頻率
隨著傳播距離的增加振動(dòng)幅值減小、主頻降低、持時(shí)增長(zhǎng)。距離增加振動(dòng)擾動(dòng)空間加大、波陣面能量密度降低、介質(zhì)阻尼損耗增多故幅值減小[5]。不同頻率振動(dòng)成分隨距離衰減速率不同，頻率越高衰減越快，因此響應(yīng)譜的主頻率隨著到爆源的絕對(duì)距離的增加（比例距離保持不變）而降低。圖 2 中的響應(yīng)譜是根據(jù)比例距離相近而絕對(duì)距離不同處記錄的運(yùn)動(dòng)計(jì)算的，通過(guò)比較，可以看到這個(gè)主頻率降低的例子。
2.4 爆破段數(shù)影響主頻率
若實(shí)際測(cè)量的地面運(yùn)動(dòng)是由起爆若干段等間隔爆炸產(chǎn)生，響應(yīng)譜就在延期間隔對(duì)應(yīng)的頻率處變
尖。在圖 2 中可以看出這種改變，圖 2 上的譜是根據(jù)段藥量相同、到爆源的絕對(duì)距離相同處實(shí)測(cè)的運(yùn)動(dòng)計(jì)算的。差別：一個(gè)是單段爆破，而另一個(gè)是由七個(gè)段別組成的爆破。
2.5 場(chǎng)地條件（傳播介質(zhì)）影響主頻
爆破場(chǎng)地介質(zhì)越堅(jiān)硬，振動(dòng)幅值相對(duì)較低、主頻較高、持時(shí)較短。不同的傳播介質(zhì)對(duì)地震波具有不同的濾波作用。在距離爆區(qū)大約 30 m 處，通過(guò)巖石傳遞的主要傳播頻率范圍從 20~100 Hz，而對(duì)于土壤，大約發(fā)生在 6~50 Hz 范圍內(nèi)[6]。
可以通過(guò)比較圖 3 的響應(yīng)譜看出，土壤(c1=1 200 m/s)與巖石(c=4 100 m/s)之間不同的傳播頻率。這些譜是根據(jù)比例距離相近處單段爆炸記錄的運(yùn)動(dòng)計(jì)算的，比例距離的換算是以能量為基礎(chǔ)的。
3 結(jié) 論
通過(guò)對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析表明：
（1）不同的結(jié)構(gòu)物對(duì)爆破振動(dòng)的響應(yīng)有所不同，在爆破振動(dòng)安全評(píng)價(jià)中，除了考慮振動(dòng)幅值外，還應(yīng)充分注意頻率的影響。
（2）測(cè)點(diǎn)的位置（包括距爆破地點(diǎn)的距離、傳播介質(zhì)等）、藥量以及起爆段數(shù)對(duì)爆破振動(dòng)頻率都有影響，距離爆破地點(diǎn)越遠(yuǎn)、傳播介質(zhì)越松軟，測(cè)得的振動(dòng)頻率越低，與結(jié)構(gòu)物的固有頻率越接近，容易引起共振反應(yīng)。因此，在爆破振動(dòng)的測(cè)試分析中應(yīng)予以重視。
（3）提高爆破振動(dòng)主頻、減小持時(shí)、克服振動(dòng)迭加，對(duì)建筑物爆破振動(dòng)安全非常重要。
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