爆破开挖基坑地震波的频谱特征.pdf

第 2 2卷第4期 2 0 0 5年 1 2月 爆破 B LAS T G V0 1 ． 2 2 N o ． 4 D e c ． 2 o o 5 文章编号 1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 0 5 0 4 0 0 2 9 0 3 爆破 开挖基坑地震 波的频谱特征 田 运生 ， 李战 军 ， 汪 旭光 ， 于 亚 伦 1 ． 北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 北京矿冶研究总院， 北京 1 0 0 0 4 4 摘要 经过对实测波形进行快速傅立叶变换 ， 得到 了其相应的频谱 图。通过对爆破地震频谱特性的研 究。 探讨了爆破开挖基坑地震波的频谱特征， 为同类工程爆破 中的抗震设计， 合理选择爆破方法和药量等提 供 了依据。 关键词 爆破震动； 频谱分析； 地震波 中图分类号 T D 2 3 5 ． 1 文献标识码 A S p e c t r a Ch a r a c t e r i s t i c s o f Bl a s t i n g Vi br a t i o n W a v e f r o m Fo un d a t i o n Pi t Ex c a v a t i o n T I A N Y u n s h e n g ， L I Z h a n -j u n ， W A N G X u g u a n g ， Y U Y a l u n 1 ． C i v i l a n d E n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g S c h o o l ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． B e i j i n g G e n e r a l I n s t i t u t e o f Mi n i n g a n d Me t a l l u r g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ， C h i n a Ab s t r a c t R e l e v a n t s p e c t r a fi g u r e s a r e o b t a i n e d b y t h e t r ans f o r m a t i o n o f p r a c t i c a l l y me a s u r e d w a v e i n t o F a s t F o u ri e r T r a n s f o rma t i o n F 兀’ ．T h r o u g h s t u d y i n g t h e s p e c t r a c h a r a c t e ri s t i c s o f b l ast i n g v i b r a t i o n - s p e c t r a c h a r a c t e r - i s t i c s o f b l ast i n g v i b r a t i o n w a v e f r o m f o u n d a t i o n p i t e x c a v a t i n g a r e r e s e a r c h e d ．Th e res u l t s are u s e d t o s e l e c t a r e a s o n a b l e b l ast i n g me t h o d and e x p l o s i v e s q u ant i t y-and h e l p t h e a n t i s e i s mi c d e s i g n i n p ara l l e l e n g i n e e rin g b l ast i n g ． Ke y wo r d s b l ast i n g v i b r a t i o n ； s p e c t r a c h a r a c t e ri s t i c s ； v i b r a t i o n w a v e ● ● ■ ‘ - - 一 l 刖 吾 爆破地震波是一个复杂的振动信号， 从波形图 中很难得到频率的高低、 分布情况以及能量的大小 等物理量。而不同频率成分的信号对结构或设备的 振动影响是不相同的。如在实际爆破工程中， 同一 爆破条件下， 相邻建筑物的反应就可能极不相同， 有 的建筑物振动强烈， 而有的反应不大， 其中一个重要 原因就是由于爆破地震波中包含有很多频率成分， 当其主要频率等于或接近某一建筑物的固有频率 时， 该建筑物就振动强烈， 否则振动影响就弱， 因此， 在爆破振动分析中就很有必要了解爆破振动信号的 收稿 日期 2 0 0 50 9 0 2 ． 作者简介 田运生 1 9 6 1 一 ， 男； 北京 北京科技大学和北京矿冶研 究总院联合培养博士生． 频率成分以及建筑结构的固有频率特性。 通过数学上的傅立叶变换， 把时间域的各种动 态信号变换到频率域进行分析， 使研究的问题简单 化， 就可求得爆破振动信号的各种频率成分和它们 的幅值及相位， 这对研究爆破地震波的特性及结构 的动力反应是很有意义的。因此， 频谱分析的目的 是为了研究动态信号的频率结构， 求得振动参量中 各个频率成分和频率分布的范围； 求得振动参量各 个频率成分的幅值分布， 从而得到主要幅度和能量 分布的频率值 J 。 2 频谱分析的傅立叶积分计算 对于爆破震动波来说， 它属于非周期性的瞬态 波形， 一般可采用傅立叶积分法。任意一个仅出现 一 次的瞬态波形， 都可以看成是无限小的基频谐波 维普资讯 爆破 2 0 0 5年 1 2月 分量的叠加， 非周期波形或瞬态波形的谱的连续谱。 非周期函数， t 的傅立叶积分可写成下式口 ， J 一 F to e JtOtd 4 , 1 ∞ 其中 F t o I， t e - to t d t 2 F t o 称为频率函数或已知非周期函数， t 的 谱密度， 又称为， t 的傅氏变换。 已知波形的时间变化曲线为 a t ， 则傅立叶频 谱密度为 ∞ A ∞ I口 t e - y o t d t 3 由于实测波形的时间是有限区间 ， 为 0 一 ， 即 tT 时， a t 0 ， T为瞬态波 形的持续时间， 所 以 ， A ∞ 1 口 t e d t R ∞j ， ∞ 4 式中， R ∞ 为实部； ， ∞ 为虚部。 ， R ∞ 』 D a t c o s to td t 5 ． T l to Jo 口 s in to td t 6 谱的幅值为 l A to l ∞ ∞ 7 相位角为 ∞a r c t a n 8 在本文中只考虑相对幅值谱， 而不再讨论相位 谱。分析计算中选用梯形法计算它们的幅度谱值。 3 爆破地震波的频谱特征 3 。 1 汕头电厂爆破开挖基坑的工程概况 施工区的岩土工程条件依据区域地质资料和勘 察结果， 场地基底岩石为燕山晚期第二次、 第三次、 第五次侵入的花岗岩 y ， 其表层覆盖为第四系滨 海相沉积物 Q 和基岩风化残积土 Q 及局部的 人工填土 Q ， 第四系厚度由北向南渐浅， 最大厚 度 北端煤场 约 3 0 m左右； 个别地段 汽机、 锅炉 位置 基岩直接出露地表。 二期主厂房开挖项目包括汽轮机房、 A排外、 煤 仓间、 锅炉房、 集控楼等的基础开挖。整个项 目 包括 土方6 0 5 5 m ， 石方5 4 4 9 8 m ’ ， 合计6 0 5 5 3 m 。 ， 其中 汽轮机房 大开挖到 一0 ． 5 m， 煤仓 间大开挖到 一 6 ． 0 m， 锅炉房大开挖到 一 0 ． 5 m， A排外大开挖到 一 3 ． 0 m、 一 4 ． 0 m 、 一 4 ． 8 m， 集控楼开挖到 一 4 ． 0 m 。 3 ． 2 频谱随距离增加的变化特性 a 药量 1 5 k g 、距离 4 O m b 药量 1 5 k g 、距离 6 0 m 图 1 同药量不同距离的频谱图 从图l 中可以看出， 爆炸地震的频率范围较宽， 随着距离的增加呈现出宽度逐渐减小的变化趋势， 当距离较大时， 其变化不再明显。在距离较近处， 相 对幅值谱中存在一个幅值最高但分布频率较窄的振 动分量， 该振动分量随距离增加迅速衰减， 不同频率 的能量衰减不同， 高频成分的能量衰减快于低频。 表现在同一次爆破的频谱图中， 距离 4 0 m处， 主频 为3 7 H z ， 距离 6 0 m处， 主频为2 5 H z ， 所以， 随着测 点距离的增加， 主频降低， 主频域往低频方向移动， 且变窄。 3 ． 3 频谱随装药量增加的变化特性 从图2中可以看出， 装药量4 8 时， 主频为2 8 H z ， 装药量为 l 8 k g 时， 主频为 4 5 H z ， 所以， 当装药 量增加时， 同等距离测点的爆破地震主频率较低， 主 频域处于较低的频率范围。 其原因是装药量大时， 炸药爆炸反应的历史较 长， 爆轰气体膨胀做功能量较大， 药室内正、 负压作 用时间均延长， 使爆源激发的地震波频率较低。 随装药量增加， 地震强度增大， 但地震的优势频 率逐渐减小， 其优势频率带的中心频率稳定在 2 5 4 5 H z 之间。 维普资讯 第 2 2 卷第4 期 田运生等爆破开挖基坑地震波的频谱特征 3 ． 4 频谱对不同起爆方式的反应特性 如图3 a 是地表延期分区起爆频谱图， 图3 b 是 V型起爆频谱图。两炮的几何位置比较接近， 测试 均在一期主厂房外 同一地点进行 。V型起爆主频为 1 ． 0 O- 8 0 ． 6 0 ． 4 0 ． 2 0 ． 0 O 1 ． O 0 ． 8 0． 6 0．4 0． 2 O． O l 2 8 25 6 a 距离4 0 m 、药量4 8 k g 2 4 H z ， 地表延期起爆为 5 0 H z ， 因此， 从两炮的幅值谱 看， 地表延期分区起爆较 V型起爆主频有明显提高， 并且出现多峰， 说明爆破振动能量较为分散。 1 ． 0 O_ 8 0． 6 0 ． 4 0 ． 2 0 ． 0 图2 同距离不同药量的频谱图 0 1 ． O O． 8 O ． 6 0 ． 4 0 ． 2 O ． 0 b 距离4 0 m 、药量 I 8 k g I 2 8 2 5 6 0 a 地表延 期起爆 方式 图3 不同起爆方式的频谱图 3 ． 5 频谱对高程变化的反应特性 从图4可以看出， 坡底主频为 2 8 H z ， 坡顶主频 为4 9 H z ， 因此， 爆破振动从低处向高处传播时， 主 1 ． O 0． 8 O ． 6 0 ． 4 O． 2 0． 0 O l 28 25 6 a 坡底频谱图 l 2 8 2 5 6 b V型起 爆方 式 频有所增大， 地震波的高频部分有所增加， 说明高程 不仅对地震波幅值有放大作用， 对频率域也同样具 有放大作用。 1 ． O 0 ． 8 O ． 6 0 ． 4 O ． 2 0 ． 0 O 图4 高程不同的频谱图 1 28 2 56 b 坡顶频谱图 下转第5 0页 维普资讯 爆破 2 0 0 5年 1 2月 定测振仪的量程， 做好测定爆破振动的准备工作。 在本工程中， 选取K 1 5 0 ， 1 ． 5 ， 预先估计硐室加 深孔预裂爆破引起的爆破振速。 本次硐室加深孔预裂爆破只有一次爆破， 因此 只能做一次测试 ； 并且在施工现场没有装有测振仪 分析软件的计算机 ， 无法把测振仪 的测振记录方式 由只能记录 1 ． 2 5 s的单次测试改变 为记 录时间更 长的连续测试 ， 因此导致测振 以记 录的未通过 预裂 缝的爆破地震波不完整， 但是仍然记录了最大一段 装药量的爆破地震波的波形， 故仍具有重要的价值。 由于测定经过预裂缝传播的爆破地震波的测点 布置在爆区后面预裂缝外侧的山坡上， 经过下部预 裂缝上层 3 条形硐室加单壁深孔预裂爆破已经形 成的上层边坡的减震以后 ， 爆破振动速度已很小， 因 此只有测点 1 处的 Z C C -2 0 1 C型速度传感器测到了 爆破振动信号， 后面的 3 个测点处的振速水平已低 于Z C C -2 0 1 C型速度传感器的触发水平， 未能测到 爆破振动信号。 分析图4和图 5的振速波形图可知 如果没有 预裂缝 ， 硐室爆破 的地 震波在距爆心 9 2 ． 5 0 m处的 最大垂直振速达到 2 ． 6 8 3 c m ／ s ； 然而通过 5 c m宽的 预裂缝 以后 ， 硐 室爆破 的地震波在距爆心 4 6 ． 6 5 m 处的最大垂直振速仅为 0 ． 1 7 0 c m ／ s 。由此可见， 5 c m宽的预裂缝使硐室爆破地震波的振速衰减幅度 很大。当然， 由于本次全路堑双壁硐室加深孔预裂 爆破只爆破这一次， 因此也只能进行这一次爆破振 动的测试工作， 而且由于施工现场客观条件的限制， 测振结果未能尽如人意。为了准确掌握硐室加深孔 预裂爆破的爆破地震波传播及其衰减规律， 进一步 分析硐室加深孔预裂爆破的降震机理， 还必须在以 后做更多的爆破振动测试工作。 7 结 论 通过这次太长高速公路硐室加深孔预裂爆破的 振动测试 ， 可以得出下面的结论 a ． 预裂缝可以有效地阻断硐室爆破地震波的传 播， 获得十分明显的降震效果。 b ． 硐室加深孔预裂爆破能够确保高边坡的稳定 性 ， 使边坡不受破坏。 C ． 与传统的硐室爆破技术相比， 这种改进的硐 室爆破技术极其有效地减少了爆破地震效应带来的 危害， 能够满足新的爆破安全规程的要求， 有利于扩 大硐室爆破的适用范围， 在新世纪推广应用硐室爆 破技术。 参考文献 [ 1 ] 刘殿中． 工程爆破实用手册 [ M] ． 北京 冶金工业出版 社 ， 1 9 9 9 ． [ 2 ] 孟吉复， 惠鸿斌． 爆破测试技术 [ M] ． 北京 冶金工业 出版社 ， 1 9 9 2 ． [ 3 ] G B 6 7 2 2 --2 0 0 3 ， 爆破安全规程[ s ] ． [ 4 ] 肖一杰 ， 张林 ， 刘宏刚． 硐室加预裂一次爆破成型技 术[ J ] ． 工程爆破， 2 0 0 3 ， 1 2 3 ～ 2 5 ． [ 5 ] S i s k i n d ， D a v i d ． V i b r a t i o n f r o m B l a s t i n g [ M] ． C l e v e l a n d I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f E x p l o s i v e s En g i n e e r s ， 2 0 0 0 ． [ 6 ] I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f E x p l o s i v e s E n gi n e e rs ． B l as t e r S H a n d b o o k [ M] ． C l e v e l a n d I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f E x p l o - s iv e s E n g i n e e rs ， 1 9 9 8 ． 上接第3 1页 4 结语 爆破地震频谱受爆源、 测点距离、 地质地形等多 种因素的影响， 而爆破条件是多种多样， 因此爆破地 震频谱是复杂的、 多变的。但是爆破地震频谱的变 化是有一定规律的。通过实测和分析研究得出 a ． 爆破振动的高频部分随传播距离增加衰减较 快， 而低频部分衰减较慢。 b ． 随着装药量的增加， 同等距离测点的爆破地 震主频率降低。 C ． 不同的起爆方式， 相同测点的频谱幅值不同。 d ． 高程对频谱幅值具有放大作用。 因此， 通过对爆破地震频谱特性的研究， 根据爆 破的具体条件， 对爆破地震频谱进行预先估计， 再通 过改变爆破方式， 以确保建筑物和构筑物等的安全， 这无疑对防震抗震是有实际意义的。 参考文献 [ 1 ] 孟基复， 惠鸿斌． 爆破测试技术[ M] ． 北京 冶金工业 出版社， 1 9 9 2 ． [ 2 ] I e i p e r G A ， C l u p l e s s i s M P ． 描述炸药的爆炸模型[ A ] ． 第 二届爆破破岩国际会议论文集[ C ] ． 武汉 长江科学院 [ 3 ] 张志呈． 定向断裂控制爆破[ M] ． 重庆 重庆出版社， 2 { o O． 维普资讯