基于模型试验的减振沟减振效应灰关联度分析_段宝福.pdf

第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 基于模型试验的减振沟减振效应 灰关联度分析 段宝福 1,2， 公伟增1,2， 张雪伟1,2， 沈世占1,2， 孙克斌1,2 （1．山东科技大学 土木工程与建筑学院， 山东 青岛 266590； 2．山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室， 山东 青岛 266590） 摘要 为了研究爆破地震波传播过程中减振沟的减振规律， 以实际工程为背景进行室内减振 沟相似模型试验， 通过控制减振沟的深度、 宽度、 长度和相对位置等参数， 研究减振沟参数变化 时的减振规律。运用灰色绝对关联度法确定减振沟参数对减振效果影响的主次关系， 通过分析 各变量对测点振速峰值影响的相关程度得出 爆心距和爆源深度为影响爆破振动效应的关键因 素， 减振沟其他参数一定时， 爆心距越小或者爆源越浅， 减振沟的减振效应越明显。对确定的爆 破施工， 减振沟的深度为准优因素， 增加减振沟的深度可有效的提高减振效应。 关键词 爆破振动； 减振沟尺寸； 减振沟位置； 相似模型试验； 减振效应； 灰关联分析 中图分类号 TD235文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 01-0064-05 Grey Correlation Analysis of Vibration Reduction Effect of Damping Ditch Based on Model Experiment DUAN Baofu1,2, GONG Weizeng1,2, ZHANG Xuewei1,2, SHEN Shizhan1,2, SUN Kebin1,2 （1．College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2．Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China） Abstract To study the vibration reduction law of the damping ditch during the blasting seismic wave propagation, the indoor similar model test of damping ditch is carried out by taking the actual engineering as the background． By controlling the parameters such as the depth, width, length and relative position of the damping ditch, to study the vibration reduction law with the damping ditch parameters change． The grey absolute correlation is used to determine the primary -secondary relationship of the influence of ditch parameters on the vibration reduction effect． The results showed that the blasting distance and the source depth are the key factors affecting the blasting vibration effect． When other parameters of the damping ditch are fixed, the smaller the blasting distance or the shallower the source is, the vibration reduction effect of the damping ditch is obvious． For the determined blasting construction, the ditch depth is a quasi-optimal factor, and increasing the ditch depth can effectively improve the vibration reduction effect． Key words blasting vibration; damping ditch size; damping ditch position; similar model experiment; vibration reduction; grey correlation analysis 露天煤矿开采过程中产生的爆破振动如果不加以控制将对矿井边坡及其周围建筑物产生严重的破 坏效应。为了减少爆破振动对周围建筑物的危害， 许多学者从振源，振动传播到被保护建筑物防护等 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．01．015 段宝福， 公伟增， 张雪伟， 等．基于模型试验的减振沟减振效应灰关联度分析 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （1） 64-68， 74． DUAN Baofu, GONG Weizeng, ZHANG Xuewei, et al． Grey Correlation Analysis of Vibration Reduction Ef－ fect of Damping Ditch Based on Model Experiment ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （1） 64-68,74． 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51874189） 移动扫码阅读 64 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol．51No．1 Jan． 2020 方面进行了大量研究[1-4]。其中， 在爆源与被保护建 筑物之间开挖减振沟是 1 种常用减振方法。丁凯等[5] 利用现场爆破振动试验监测并对地震波能量分析得 到减振沟对地震波能量具有明显的衰减作用，同时 能够改变地震波能量的频率。王利军等[6]通过数值 计算表明隧道爆破施工时不同减振沟参数下地表质 点振动速度的变化规律与减振机理分析结果相符， 并对减振沟 3 个参数对地铁隧道减振效果影响程度 进行排序。候舜等[7]模拟爆破拆除试验研究了减振 沟内依次充填空气、 黄沙、 水， 分析可知充填物为空 气时减振效果最好。 通过减振沟在不同领域的应用和减振沟各参数 对减振机理的研究，表明开挖减振沟能够显著的降 低爆破振动效应。然而由于爆破施工危害的不可逆 性，工程施工地质条件的特殊性，目前的研究多数 通过数值模拟定性分析减振沟单一尺寸或相对位置 变化的减振规律，定量分析减振沟尺寸与相对位置 综合变化对减振效果影响的却不多。减振沟减振效 果各因素之间具有复杂性，不清晰的关联性，灰关 联度分析就是对各种复杂的影响因素通过灰关联度 确定其对系统主行为的贡献程度[8]。灰色关联分析 在工程爆破领域应用是可行的，并且取得了大量的 研究成果[9-11]。通过灰关联度分析， 确定减振沟参数 在降震效果中的主次关系。以实际工程为背景进行 减振沟室内相似模型试验，探索减振沟的深度、 宽 度、长度、相对位置等参数对振速峰值影响的关联 程度，为爆破施工过程中开挖减振沟降振方案的优 化提供理论参考，对爆破工程的防震减灾与成本控 制意义重大。 1模型试验 1．1相似模型尺寸及材料的确定 试验以某露天煤矿爆破开采为背景，根据地质 勘查资料，矿区岩石主要是煤矸石与中粗粒砂岩。 距爆源约 60 m 处有 1 个变电站厂房，为了减弱爆 破振动，保护变电站的安全，在开挖区域和新建灯 塔之间， 距离变电站 23 m 的位置开挖 1 条减振沟， 减振沟宽 1．5 m， 深 6．5 m， 长 13 m， 在爆破开挖过 程中对变电站处振动监测。 模型试验需要满足几何、 材料以及荷载相似[12-13]。 为了便于室内试验模型制作，同时模型满足几何相 似， 尺寸 1∶100 等比例缩小制作混凝土模型， 地基几 何尺寸长宽高为 650 mm300 mm300 mm。试验 时利用夹制模具约束模型的侧面，改善边界条件的 相似性， 降低边界效应对试验结果的影响[14]。 根据材料强度相似原则，选择均质的低强度素 混凝土作为试验材料。综合考虑模型制作以及相似 限制，确定模型的混凝土设计抗压强度为 12 MPa， 采用混凝土强度等级为 32．5 的普通硅酸盐水泥、 细 度模数为 2．5 的中砂。计算出混凝土配比为 水泥∶ 水∶砂＝1∶0．66∶5．58。 最终测得实际模型混凝土强度为 11 MPa、 密度为 2．06 g/cm3。 1．2冲击荷载的施加 本次模型试验主要研究爆破远区弹性振动波， 荷载施加过程中不用完全模拟现场爆破产生的冲击 荷载，只需能产生相应的弹性振动波的冲击荷载即 可。不考虑爆炸在非弹性区的作用，仅计算在弹性 区的爆炸能量。因此，简化爆破冲击荷载为单摆球 水平冲击荷载。根据爆炸力相似及材料强度相似原 理， 计算的本次试验要求荷载 11．1～16．6 kPa。加载 摆球选择摆线长 40 cm，摆球为直径 55 mm，质量 650 g 的刚性球，摆球上摆角度范围为 30～40， 具 体加载角度采用试加载试验确定。 1．3相似模型试验方案 振动数据的采集使用北京东方振动和噪声技术 研究所研制的 INV3060S 型采集仪，本次试验对振 动速度三分量数据进行采集，传感器 x 方向为测点 到震源方向， y 方向与 x 方向水平垂直， z 方向垂直 向上，对采集到的数据使用东方所配套数据处理软 件 DASP-V11（Data acquisition and signal prossing- V11 ） 工程版进行处理。试验模型示意图如图 1。 相似模型试验中 0 号模型不设减振沟，模型共 分为 7 组， 第 1 组改变减振沟深度； 第 2 组改变减振 沟宽度；第 3 组改变减振沟长度；第 4 组改变爆心 距， 即改变测点到爆源的水平距离； 第 5 组改变爆源 深度， 即改变冲击荷载加载点到地面的垂直距离； 第 6 组改变减振沟与建筑物的距离，即改变减振沟到 图 1试验模型示意图 Fig．1Schematic diagram of the test model 65 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．1 Jan． 2020 测点的距离。 第 7 组为对比验证相似模型， 1-2 号模 型为其他各组改变参数的对比模型。各组模型具体 参数见表 1。 1．4相似模型振动采集 室内模型试验前， 通过试加载， 最终确定单摆冲 击荷载加载角度为 35。将试块置于冲击荷载加载 架下面， 连接好传感器和采集仪， 释放冲击球， 完成 1 组振动采样， 记录并保持振动数据， 每组模型进行 10 次数据采集， 依次完成所有各组的振动采样。利 用 DASP-V11 软件导入采集的振动原始数据，通过 时域分析各模型的振动数据，由绘图后处理可以清 楚的看到每次冲击荷载作用下各测点的振动情况， 对每组模型的振动数据剔除无效数据后取平均作为 测点峰值振速。每组模型各测点 x、 y、 z 方向的振动 速度峰值见表 2。 2试验结果分析 由表 2 可知，各组中 y 方向的峰值振动速度最 大，为衡量振动效应的主要因素。将采集到的各模 型试验数据按分组将控制参数由小到大排列，分析 对应模型 y 方向的峰值振动速度，研究减振沟各参 数对爆破地震波的减振规律。 第 1～第 3 组减振沟的 相对位置固定， 改变减振沟的尺寸， 第 4～第 6 组减 振沟的尺寸固定，改变减振沟的相对位置。引入不 设减振沟的 0 号模型， 参数对比模型 1-2 号模型。 2．1减振沟尺寸对减振影响规律 减振沟尺寸包括减振沟的深度、 宽度、 长度， 减 振沟的尺寸变化对应模型 y 方向振速峰值变化曲线 如图 2。 第 1 组模型控制减振沟开挖深度，对应模型 y 方向振速峰值变化曲线为图 2 中的 a 曲线。当减振 沟的深度由小到大变化时， 对应模型振速逐渐减小， 表 1各试验模型减振沟参数明细 Table 1The damping groove parameters of each test model 序号 减振沟 深度/cm 减振沟 宽度/cm 减振沟 长度/cm 爆心距 /cm 爆源深 度/cm 减振沟 与建筑 物的距 离/cm 1-1 1-2 1-3 2-1 2-2 3-1 3-2 4-1 4-2 5-1 5-2 6-1 6-2 7-1 7-2 7-3 6 9 12 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 6 9 7 1．5 1．5 1．5 2 2．5 1．5 1．5 1．5 1．5 1．5 1．5 1．5 1．5 1 1．5 2．5 13 13 13 13 13 18 23 13 13 13 13 13 13 14 20 10 60 60 60 60 60 60 60 45 30 60 60 60 60 45 60 40 10 10 10 10 10 10 10 10 10 5 15 10 10 10 10 5 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 15 35 20 15 25 表 2室内试验各模型 3 个方向振速峰值 Table 2The peak values of three directions for each model in laboratory tests 0 1-1 1-2 1-3 2-1 2-2 3-1 3-2 4-1 4-2 5-1 5-2 6-1 6-2 7-1 7-2 7-3 1．52 0．52 0．48 0．46 0．86 0．87 0．69 0．79 0．77 1．03 1．00 0．60 0．81 0．82 0．67 0．80 1．01 3．13 2．55 1．66 1．39 1．58 1．55 1．50 1．28 2．84 3．43 3．40 1．08 1．13 2．01 2．71 1．42 3．71 1．04 0．44 0．26 0．47 0．32 0．35 0．43 0．53 0．68 1．05 0．28 0．54 0．19 0．24 0．22 0．37 0．25 x 方向y 方向z 方向 序号 峰值振动速度/ （cm s-1） 图 2减振沟尺寸的减振效果 Fig．2Vibration reduction effect of the damping ditch size 66 ChaoXing Safety in Coal Mines 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Vol.51No.1 Jan. 2020 曲线变化较陡，表明减振沟的深度对爆破振动具有 明显的减振效果，随减振沟开挖深度的增加减振效 果越好，但当减振沟深度接近爆源深度时，减振幅 度相对减小。 第 2 组控制减振沟开挖宽度，对应模型 y 方向 振速峰值变化曲线为图 2 中的 b 曲线。随着减振沟 宽度的增加，对应模型的振速减小，曲线变化较为 平缓，表明减振沟开挖宽度的增加能增强减振效 应， 但增幅较小。 第 3 组控制减振沟开挖长度，对应模型 y 方向 振速峰值变化曲线为图 2 中的 c 曲线。由 c 曲线可 以发现爆破振动速度随减振沟增长逐渐减小，减振 沟长度在一定范围内增加时，振速峰值的变化与减 振沟长度的变化近似线性。 2.2减振沟相对位置对降振影响规律 爆心距、爆源深度和减振沟距建筑物的距离发 生变化对应模型 y 方向振速峰值变化曲线如图 3。 第 4 组模型控制爆心距，对应模型 y 方向振速 峰值变化曲线为图 3 中的 d 曲线。爆心距越小对应 的测点振动速度越大，这符合爆破地震波的传播机 理，保护区距离爆源越近越需要采取减振措施保证 安全。 第 5 组模型控制爆源深度，对应模型 y 方向振 速峰值变化曲线为图 3 中的 e 曲线。当爆源在一定 范围内由浅向深发展时，测点的振动速度逐渐减 小，曲线斜率由大变小，表明减振沟的减振效果降 低， 即减振沟对露天和浅埋爆破的减振效果较好。 第 6 组模型控制减振沟距建筑物的距离，对应 模型 y 方向振速峰值变化曲线为图 3 中的 f 曲线。 随着减振沟到测点的距离增加，测点的爆破振动逐 渐增大， 在减振沟参数范围内， 减振沟开挖位置距离 建筑物越远减振效果越差。 综上所述在爆源与被保护建筑物之间开挖减振 沟是 1 条有效的控制爆破振动的手段，特别是对爆 源深度较小的露天爆破减振效果明显。增加减振沟 的深度， 长度， 合理选择减振沟开挖位置能够增加减 振沟减振效果。 3灰关联度计算与优势分析 3.1系统相关变量的确定 建立灰色关联度分析模型，将减振沟参数对爆 破地震波的降振效果影响的主次关系进行量化排 序。确定减振沟减振效应影响因素的主次关系， 可 以为科学合理选择减振沟参数提供依据，更加充分 地发挥减振沟减振的作用。将本试验中控制变量 减振沟深度、 减振沟宽度、 减振沟长度、 爆心距、 爆 源深度、 减振沟与建筑物的距离， 作为灰色模型的相 关因素变量， 分别记作（i1， 2， ， 6） 。试验各测点 x、 y、 z 3 方向振动速度峰值作为评判减振效果的关 键因素，即确定 x、 y、 z 方向峰值振动速度作为灰色 模型的系统特征变量， 分别记作 （j1， 2， 3） 。 3.2灰关联度计算 灰色模型中系统相关变量和系统特征变量的单 位不同，需采用区间值化法对各列数据进行无量纲 化，将其转化为数量级相近的无量纲数据。对于无 量纲化后的数据进行正负相关因素的转化，将负相 关转化后的无量纲数据进行始点零化像计算[15]， 始 点零化后的无量纲数值代入灰色绝对关联度公式 εij＝ 1 si sj 1 si sj si-sj （1 ） si＝ n i1 Σxi0（2 ） sj＝ n j1 Σyj0（3） 式中 xi0为第 i 个始点零化后的系统相关因素 变量； yj0为第 j 个始点零化后的系统特征变量； n 为 样本数量，即带有减振沟的试验组数， n15； si为相 关因素变量始点零化和； sj为系统特征因素变量始 点零化和。 由式 （1 ） 计算出的灰色绝对关联度见表 3。 3.3灰关联度分析 表 3 对应的灰色关联度矩阵为 A 图 3减振沟相对位置的减振效果 Fig.3Vibration reduction effect of the damping ditch relative position 67 ChaoXing 第 51 卷第 1 期 2020 年 1 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.1 Jan. 2020 表 3灰色绝对关联度计算结果 Table 3Grey absolute correlation value 关联度 减振沟 深度 减振沟 宽度 减振沟 长度 爆心 距 爆源 深度 减振沟 与建筑 物的距 离 x 方向振速 峰值 y 方向振速 峰值 z 方向振速 峰值 0.517 0.722 0.562 0.631 0.552 0.607 0.643 0.551 0.600 0.720 0.541 0.569 0.570 0.564 0.673 0.587 0.560 0.647 A εij [ ] 0.517 0.631 0.643 0.720 0.570 0.587 0.722 0.552 0.551 0.541 0.564 0.560 0.562 0.607 0.600 0.569 0.673 0.647 [] 灰关联度优势矩阵为 B B 3 j1 Σεij[] [1.8011.7911.7931.8311.8061.795] 在灰色绝对关联矩阵 A 中， 若存在任意 1 行各 列的因素同时大于其他各行，则该行的表示的特征 因素为最优特征；若存在任意 1 列各行的因素同时 大于其他各列，则该列的代表的系统相关因素为最 优因素，对系统的各特征变量起最大的影响作用。 观察灰色绝对关联矩阵 A 可以发现， 该矩阵中不存 在最优特征和最优因素。不是所有的灰色关联矩阵 都存在最优特征和最优因素，当不存在最优特征和 最优因素时， 可以研究它的准优特征和准优因素[16]。 分析灰色绝对关联度矩阵 B，综合测点 3 个分 量振动速度峰值分析，对影响减振沟发挥减振效果 的 6 个参考因素之间的关联序列依次为 爆心距、 爆 源深度、 减振沟的深度， 减振沟距建筑物的距离， 减 振沟的长度，减振沟的宽度。爆心距为系统的准优 因素， 即爆心距为影响爆破振动的最关键因素。 爆心距、爆源深度考虑的为不同工程或不同爆 破方案，对同一工程确定的爆破方案减振沟参数之 间的关联序列依次为减振沟的深度、减振沟距建 筑物的距离、 减振沟的长度、 减振沟的宽度， 即准优 因素为减振沟的深度。 减振沟各参数对测点 x 方向振速峰值的关联序 列为 爆心距、 减振沟的长度、 减振沟的宽度、 减振 沟距建筑物的距离、 爆源深度、 减振沟的深度。减振 沟各参数对测点 y 方向振速峰值的关联序列为 减 振沟的深度、 爆源深度、 减振沟距建筑物的距离、 减 振沟的宽度、 减振沟的长度、 爆心距。减振沟各参数 对测点 z 方向振速峰值的关联序列为 爆源深度、 减 振沟距建筑物的距离、减振沟的宽度、减振沟的长 度、 爆心距、 减振沟的深度。 4结论 1） 开挖减振沟对爆破减振效果的影响因素的关 联序列为 爆心距、 爆源深度、 减振沟的深度、 减振 沟距建筑物的距离、 减振沟的长度、 减振沟的宽度， 其中系统的准优因素为爆心距。通过分析为爆破防 护中是否采用开挖减振沟减振以及开挖减振沟如何 平衡各因素达到最佳爆破减振效果提供理论依据。 2） 在确定的工况和爆破方案情况下， 减振沟的 深度是影响减振效果的最关键因素，随着减振沟深 度的增加，减振效果最为明显，当被保护区振动速 度过大时，增加减振沟的深度能够显著的提高减振 效果。 3） 爆心距和减振沟的长度对测点水平径向振速 峰值起着主要影响作用，想要控制保护区水平径向 的振速，爆破施工时爆心距与减振沟的长度不容忽 视。对测点水平切向减振贡献最大的因素为减振沟 的深度， 因此条件允许时， 增加减振沟的深度可有效 的降低建筑物水平切向的振速峰值。影响测点垂直 方向振速峰值的主控因素为爆源深度，对于露天煤 矿开采等浅埋爆破施工采用开挖减振沟控制建筑物 垂直方向的振动速度效果突出。 参考文献 ［1］ 邹新宽， 张继春， 潘强， 等．楔形分段掏槽爆破减振效 应研究 ［J］ ．西南交通大学学报， 2018， 53 （3） 450. ［2］ 谢承煜， 罗周全， 贾楠， 等．露天爆破振动对临近建筑 的动力响应及降振措施研究 ［J］ ．振动与冲击， 2013， 32 （13） 187－193． ［3］ 王遵义， 郭文兵， 杨达明．爆破振动对地表残余变形及 建筑物影响研究以云盖山煤矿二矿为例 ［J］ ．中国 安全科学学报， 2015， 25 （12） 123－128． ［4］ 高富强， 张光雄， 杨军.露天煤矿爆破震动的模型试验 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