第３３卷第３期 ２０１０年６月 武汉科技大学学报 Ｖｏ１．３３。Ｎｏ．３ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｎ．２０１０ 边坡爆破振动传播规律的试验研究 钟冬望，陈江伟，余刚 （１．武汉科技大学理学院，湖北武汉，４３００６５； ２．武汉科技大学冶金工业过程系统科学湖北省重点实验室，湖北武汉，４３００６５） 摘要：从爆破地震效应分析入手，对实验室内混凝土边坡的爆破振动进行试验研究，探讨爆破振动在边坡中的 传播规律，并分析了边坡爆破振动对边坡作用机理和地震强度的影响。结果表明，人工预留的预裂缝作为减 震沟有明显的减震效果，且表明可运用于实际的边坡爆破５－程。 关键词：边坡；爆破振动；减震 中图分类号：０３８２．２；ＴＤ２３５．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４—３６４４（２０１０）０３—０３３２—０５ 随着国民经济建设的发展，爆破技术在采矿、 水电、铁路、高速公路等基础建设项目中的运用越 来越广泛，大规模的爆破开挖边坡的情况越来越 应分析人手，对实验室内混凝土边坡的爆破振动 进行试验研究，探讨爆破振动在边坡中的传播规 律，并分析了边坡爆破振动对边坡作用机理和地 震强度的影响，以期为了解边坡爆破振动对边坡 多，但由爆破引起的边坡滑坡、坍塌等事故屡见不 鲜。爆破对边坡的作用主要表现在两个方面 】剖： 一地震强度的变化规律提供试验依据。 是形成的震动惯性力增加了边坡的致滑因素； 二是爆破后出现不断的震动使边坡围岩中的剪应 １ 试验 １．１模型的制作与安装 力增加，使原生结构面、构造结构面、原有的裂纹 裂隙扩展和延伸，甚至产生新的爆破裂纹和微裂 纹，致使其原有的力学性能下降，从而影响了边坡 的整体稳定性。 图１为试件模型的侧视和俯视图。模板按图 纸的尺寸进行加工，模拟试件的制作由４２５ 硅酸 盐水泥和筛选后的细砂浇注而成，配比为 （水） ： （水泥）：Ⅲ（砂子）一０．５：１：２，养护２８ ｄ。 边坡在爆破开挖过程中的稳定问题是一个亟 待解决的问题。为了探索爆破震动的传播规律， 图２为试件的实际模型。成型试件模型的主要参 数如下：压缩强度为４２．５ ＭＰａ；体积密度为２ ４３６ ｋｇ／ｍ。；泊松比为０．２０；拉伸强度为２．５３ ＭＰａ；弹 性模量为３３．４ ＧＰａ；纵波速度为４ ０５２ ｍ／ｓ；模型 边坡角为４２。。试件规格为１ ２００ ｍｍ×９００ ｍｍ ｏ ｏ ｏ ｏ ｏ 寻求爆破荷载作用下边坡的动态响应及其响应与 爆源之间的对应关系，陈士海等 。 研究了爆破开 挖对边坡稳定性的影响，并通过现场监测提出了 切实可行的减震措施。为此，本文从爆破地震效 。 Ｑ＼炮 （ａ）侧视图 （ｂ）俯视图 图１试件模型的侧视和俯视图（单位：ｍｍ） Ｆｉｇ．１ Ｓｉｄｅ ａｎｄ ｔｏｐ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｍｏｄｅｌ 收稿日期：２００９ １１ ２６ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０７７４０５６）． 作者简介：钟冬望（１ ９６３一），男，武汉科技大学教授，博士．Ｅｍａｉｌ：ｚｈｏｎｇｄｗｌ２３＠２６３．ｎｅｔ ２０１０年第３期 钟冬望，等：边坡爆破振动传播规律的试验研究 ３３３ 图２试件实际模型图 Ｆｉｇ．２ Ａｃｔｕａｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｍｏｄｅｌ ×９００ ｍｎｌ，共分２组：一组在离底线１００ ＩＴＩｍ处 设有深为２５０ ｍｍ、宽为ｌＯ ｍｒｎ预留的预裂缝， 另一组未设。每个模型台阶上预留１４个炮孔，炮 本试验所用测试仪器为ＩＤＴＳ３８５０爆破振动 记录仪。该爆破振动记录仪可同时记录３个方向 的振动速度，其分辨率高，最小分辨振动速度可达 ０．００１ ６ ｃｍ／ｓ，读数精度达到０．５ ，并可自动地 实时采集８次爆破振动波形。在坡顶等间距分别 孔的排距为１００ ｍｍ，孔距为２００ ｍｍ，炮孔直径 为ｌＯ ｍｍ，炮孔深度为２００ ｍｒｎ，孔内采用８ 纸 质普通瞬发电雷管。为保证炮孔堵塞效果，除预 布置３个测点，在坡身正中间布置１个测点，在坡 底与坡身交界处布置３个测点，共计７个测点。 每个测点布置１台爆破振动记录仪和１台水平垂 直２个方向速度传感器。速度传感器的安装是在 设计点位钻凿一直径为６ ｒｎｍ、深为５０ ｍｍ的 孔，将传感器的尖锥插入并固定，保持与试件耦合 即可。图３为试件模型的俯视平面图。 留装药长度外，其余全部用细沙堵塞。由于试件 模型尺寸较小，为了减少和消除试件模型四周自 由面对爆破效果的影响，爆破前还在垂直爆破自 由面方向的两侧施加钢板，并用钢筋和螺栓夹紧， 以便模拟边界效应。 １．２测试系统和测点布置 ｏ ｌ４ ０ １３ ０ １２ ０ １ｌ ｏ １（） ０ ｌ４ ０ １３ ０ １２ ０ Ｉ１ Ｏ １０ ０ ９ ０ ５ ０ ４ ０ ８ ０ ７ ０ ２ ０ ６ ０ ｌ 塞 、ｃ ０ ９ ｏ ５ ｏ ８ ｏ ７ ０ ６ ｏ １ ０ ３ ０ ４ ０ ３ ｏ ２ ｏｏ～Ⅵｏ ｏ（）＼Ⅳ Ｉ， ｆ水 需 直）／Ｏ Ⅶ Ⅲｏ ９０ｆ） （水平和垂直 一一、Ⅶ Ｏ＼Ⅶ 水 直 ０ ｏ Ⅱ０ ｏＯ＼Ⅱ０ Ｉ Ｉ誊 （ｂ）有减震沟 （ａ）无减震沟 图３试件模型的俯视平面图（单位：ｍｍ） Ｆｉｇ．３ Ｐｌａｎａｒ ｇｒａｐｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｍｏｄｅｌ ２结果与分析 ２．１试件爆破振动分析 式中：Ｖ为质点振动速度，ｃｍ／ｓ；Ｑ为单段最大药 量，ｋｇ；Ｒ为爆破中心至被保护对象或测点的距 离，ｍ；ｎ为爆破地震波传递的衰减指数；Ｋ为爆 爆破地震波的破坏作用主要决定于质点振动 速度，而不是波自身的传播速度，其传播和衰减遵 循一定的规律。因此，只要估计质点的最大振动 速度并采取一定的控制手段，就可减少爆破振动 带来的危害。质点的最大振动速度公式为 破现场地质条件的系数。 对预裂缝减振的效果可直接采用计算法、推 算法、频响分析法和动力学计算法等［８］。采用推 算法，即首先在与现场实际相似的台阶模型上测 得大量爆破振动数据，再根据测点与不同爆源的 Ｖ＝Ｋ ）“ （１） 距离采用 武汉科技大学学报 ２０１０年第３期 一∑ 一１ ／∑ ｉ＝１ ’ （２） 自一∑ｇ （ ）。 ｉ＝１ 一 （３） （４） 量 蝗ｌＩ ／ 需 式中： 为测点至第ｉ爆源的距离，ｍ；ｑ 为测点 至第ｉ爆源的药量，ｋｇ。 式（２）～式（４）求等效距离 、等效药量 和相应的 比例距离 ；最后再对振动速度和比例距离取对 数，通过回归分析后，得出预裂缝振动衰减公式。 ２．２试件爆破振动传播规律的分析 在无减震沟的情况下，先对每个孔使用单发 ８ 瞬发电雷管，然后逐个孔进行爆破，并对不同 炮孔爆破时同一测点的振动速度进行分析。表１ 为起爆孔点爆破时测点１监测的振动速度。由表 １可看出，在同一个测点上，距离爆源越远振动速 度越慢，地震波随着距离的延长呈衰减的趋势，但 垂直方向振动速度的衰减速度明显大于水平方向 振动速度的衰减速度。 表１ 起爆孔点爆破时测点１检测的振动速度 Ｔａｂｌｅ １ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｆｉｒｓｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ａｆｔｅｒ ｂｌａｓｔｉｎｇ 再对某一炮孔爆破后不同测点的振动速度进 行分析。表２为孔点１０起爆后６个监测点的振 动速度。图４为表２所列数据制作的振动速度衰 减图。由图４可看出，当炮孔起爆后，距离爆源越 远，振动速度越慢，地震波随着距离的延长呈衰减 的趋势，但垂直方向振动速度的衰减速度明显大 于水平方向振动速度的衰减速度，这与振动传播 理论相吻合。 由于工程实践中通常用垂直方向的最大振动 速度作为判据，因此根据所测得的数据用 表２孔点１０爆破时各测点监测的振动速度 图４振动速度随距离的变化 Ｆｉｇ．４ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｓａｄｏｖｓｋ公式进行回归分析，即可得振动速度衰 减公式。对坡顶测点垂直方向的振动速度回归 后，得：Ｋ ＝１５３．６２，ｎ 一１．７７；对坡底测点垂直 方向的振动速度回归后，得：Ｋ。：：：１０４．８７，ａ 一２． ２８。由此可得试件模型的振动速度衰减公式，即： Ｖ坡顶＝＝：１５３．６２（Ｑ 。／Ｒ） ・ （５） Ｖ坡 一１０４．８７（Ｑ 。／Ｒ） （６） 式中：Ｖ坡顶为坡顶测点质点振动速度，ｃｍ／ｓ；Ｖ坡底 为坡底测点质点振动速度，ｃｍ／ｓ；Ｑ为单段最大 药量，ｋｇ；Ｒ为爆源至测点的水平距离，ｍ。 比较式（５）、式（６）后发现，在同样条件下坡顶 振动速度大于坡底振动速度，具有明显的高程放 大效应；其次在同样条件下坡顶振动速度的衰减 速度明显小于坡底振动速度的衰减速度，表明在 临近边坡爆破时，边坡具有放大振动速度的作用， 且振动速度的衰减速度变慢。 ２．３试件预裂缝减振效果分析 在试件模型中，坡底距离坡面１００ ｍｍ的断 面处有一个深为２５０ ｍｍ的减震沟，其平面图如 图３（ｂ）所示。为了便于分析，分别在预裂缝两侧 设２组对称测点（测点３与测点４，测点５与测点 ６），其中处于预裂缝爆破区一边的有测点３和测 点６，处于预裂缝保护区一边的有测点４和测点 ５，距离预裂缝均为５０ Ｆｉｌｍ。表３为孔点１４用单 个８ 瞬发电雷管起爆后７个测点的振动峰值。 据此分别将预裂缝两侧对称测点（测点３与测点 ４，测点５与测点６）的垂直方向振动速度和水平 方向振动速度制作对比直方图，如图５所示。由 图５（ａ）可看出，将爆破区测点３与保护区测点４ 的振动峰值作比较，其水平方向振动峰值降低了 ６７．９ ，垂直方向振动峰值降低了７２．７ 。同样 地，由图５（ｂ）可看出，将爆破区测点６与保护区 测点５的振动峰值作比较，其水平方向振动峰值 降低了６４．７ ，垂直方向振动峰值降低了８６．２ ， 表明试件模型中的减震沟可将水平方向振动峰值 ２０１０年第３期 钟冬望。等：边坡爆破振动传播规律的试验研究 ３３５ 二 二 、暑 辱 捌 剥 擦 瑶 （ａ）测点３与测点４的对比 （ｂ）测点６与测点５的对比 图５预裂缝的减震效果示意图 Ｆｉｇ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｄａｍｐｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅ－ｓｐｌｉｔ ｃｒａｃｋ 表３孔点ｌ４爆破时各测点监测的振动速度 Ｔａｂｌｅ ３ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｅａｃｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ａｆｔｅｒ ｂｌａｓｔｉｎｇ 度，表明临近边坡爆破时，边坡具有振动速度放大 作用，且振动速度的衰减速度变慢。Ｉ二Ｊ ］ ］ ］ ］ ］ ］（４）试件模型中的减震沟可将水平方向振动 ｍｍ １ ｌ００ ９８Ｏ ６４０ ７２０ 丁１．５４５ ８ ２．３０４ ５ ２．９１３ ７ Ｏ．９３５ １ ３．３６５ ９ １．４５９ １ ０．７４０ ７ ６．８９３ ２ １．８７９ ６ 峰值降至６４．７ ～６７．９ ，垂直方向降至７２．７ ～８６．２ ，表明预裂缝具有明显的减震效果，可运 用于实际的边坡爆破工程。 参 考 文 献 李祥龙，庙延钢，杨溢，等．爆破震动对边坡稳定性 ４１Ｏ ４４Ｏ ６．７５３ ８ １．１８８ ６ １．４７０ ４ ０．９２９ ６ ２．９０４ ９ ６８０ 影响分析Ｉ－Ｊ］．爆破，２００６，２３（４）：１５—１９． 李廷春，沙小虎，邹强．爆破作用下高边坡的地震效 应及控爆减振：疗法研究ＥＪ］．爆破，２００５，２２（１）：１－６． 李海波，蒋会军．动荷载作用下岩体工程安全的几 降至６４．７ ～６７．９％，垂直方向振动峰值降至 ７２．７ ～８６．２ 。分析结果表明，人工预留的预 裂缝作为减震沟有明显的减震效果。 个问题［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００３，２２（１１）： ３ 结论 （１）试验条件下，混凝土试件模型的振动速度 衰减公式分别为 坡顶一１５３．６２（Ｑ“。／Ｒ） ”；Ｖ坡底 一１Ｏ４．８７（Ｑ ／。／Ｒ） ・ 。 １ ８８７一ｌ ８９Ｏ． 陈士海．爆破地震动研究现状［Ｊ］．爆破，２００３，２０ （１）：１３－１８． 严晓新，李玉河．爆破动力对岩石边坡稳定性影响 ［Ｊ］．隧道建设，２００３，２３（６）：１５－３ｏ． 舒大强，何蕴龙．岩质高边坡开挖爆破震动载荷及 （２）距离爆源越远，振动速度越慢，地震波随 着距离的延长呈衰减的趋势，且垂直方向振动速 度的衰减速度明显大于水平方向振动速度的衰减 速度。 其对边坡稳定性影响的研究［Ｊ］．工程爆破，１９９６，２ （４）：４—７． 贾虎．爆破动载作用下邻近硐室围岩稳定性的研究 ［Ｄ］．淮南：安徽理工大学，２００６． 钟冬望，林大泽，肖绍青．爆炸安全技术［Ｍ］．武汉： 武汉工业大学出版社，１９９２：２４—５６． （３）在同样条件下，坡顶振动速度大于坡底 振动速度，具有明显的高程放大效应，且坡顶振动 速度的衰减速度明显小于坡底振动速度的衰减速 ３３６ 武汉科兰 兰 ———— —— ｎ ０ｆ ｓｌ０ｐｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ“ｂｒ ｎ （１・ｃ。 ｅｏ ｆ Ｓｃ：ｉｅｎ ｃｅ ， Ｗ ｕｈａ ｎ Ｕｎ脚 ｉｗ ．兰ｕ＿ ｖ兰ｅｒｓ ｉｔｙａｏ兰ｆ Ｓｃ ｉｅｎｃ ｅ ａｎ ｄＴ： ｅｃｈ ｎｏｌｏ ｇｙ ，Ｗ ｕｈ ａｎｈｌ４ ３０Ｖ０ ＇ “ Ｈｗｕｈａ“ “ｉＶｅｒｓｉｔｙ。 ｓｃｉｅ ｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｈ’ “““。。ｇｙ’ｈ“。ｎ ｅｘｐｅｒｉ 。ｎｔ ・ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ａ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｆ ｓｏ ； ｅｉｓｍｉｃ ｅｆｆｅ ｅｆ ｆ ｅｃｔ， ｔｔｈｉｓｈｉｓ ｐａｐｅｒ） ｅｒ ｐｐｒ ｌ￣ｅ ｓ ｅ ｎ－ｓ ａｐａｇａｔｉ。ｎ。ｆ ｂｌａｓｔｉｎ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ．ｔ。ｂｌａｓｔｉｎｇ Ｖｉｂｒａｔｉ。ｎ ｏｆ ｃ ｏｎｃｒｅｔｅ ｓｌｏｐｅ ｉｎ ｔｈｅ １ａｂｏｒａｔｏｒｙ，ｉｎｖｅｓｕｇａ ｅｓ“】ｔｈｅｐｒ。ｓｌｏｐｅ ａｎｄ十ｈｅ ｆｆＰｒｔｉｎｔｅｎｓ 霉 ＿。１ｍ ｅｃｈａｎｉｓａｍｔ ｔｏｈｆ ｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｖｉｂｔｒｌａｅ ｔｃｉｏｔ ｎｉ ｓａ￣ ｔ ｈｅ ｏｆ ｖｉ－ｂｒａｔｉ。ｎ ｓ ｐｒｅ—ｓｐｌｉｔ ｃｒａｃｋ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｄａｍｐｉｎｇ ｃｔｉｎｇ ｏｐｒｅ＿ｓｐ１ｎ ｔｈｅ ｓ ｌｏ ｐｒａｃｅ ￣ｔｋ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌ．．．． ．．．．．ｌ ’ ｉｔｙ．ＴｈｅｒｅＳ ｕ１ｔＳｈ０ｗｓ ｄｉ ｔｃｈ 喀 ａｔ ｍ ｄ ｍｐ“ ｄｔ。 ，ａｎｄ ｔｈ ｍ 一“ “ 。 … 培 椰 ｍ．ｄ 三。 ； ｐ ［责任编辑徐前进］ ｇ