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第37卷 第2期 2020年6月 爆 破 BLASTING Vol. 37 No. 2  Jun. 2020 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2020. 02. 002 爆炸荷载作用下礁砂地基信号塔 位移特性试验研究* 钟冬望 1，2， 伍 岳 1，2， 孟庆山3， 雷学文1， 司剑峰1，2， 杜 泉 1，2 （1.武汉科技大学， 武汉430065；2.湖北省智能爆破工程技术研究中心， 武汉430065； 3.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室， 武汉430071） 摘 要 开展吹填礁砂地基上高耸结构物在爆炸作用下的稳定性研究， 对钙质砂地质中的工程建设具有重 要的理论意义和参考价值。针对此问题， 采用高速摄影技术， 进行了礁砂地基信号塔的爆炸动力响应试验研 究， 改变药量、 爆心距和地基含水率等影响因素， 动态捕捉信号塔不同特征点位移大小， 分析其位移时程曲线 特征及峰值的变化规律。试验结果表明 药量Q和地基含水率ρ对信号塔位移峰值影响较大， 药量从50 g 增加到150 g， 信号塔位移峰值增幅为150％ ～ 170％， 全饱和砂较干砂地基上信号塔的位移峰值增大了 105％ ～135％； 信号塔位移峰值随着爆心距R的增加呈下降趋势， 地基中爆炸应力波的衰减速度随爆心距的 增加逐渐趋缓， 且爆炸地震波在信号塔上传播有高层放大效应； 竖直方向的位移峰值均大于水平方向的位移 峰值， 在实际工程中应加强礁砂地基对结构物的竖向约束。 关键词 爆破荷载；钙质砂；高速摄影；位移 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2020）02 －0008 －05 Experimental Study on Displacement Characteristics of Signal Tower on Calcareous Sand Foundation under Blasting Loads ZHONG Dong-wang1， 2， WU Yue1， 2， MENG Qing-shan3，LEI Xue-wen1，SI Jian-feng1， 2， DU-Quan1， 2 （1. Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China； 2. Hubei Intelligent Blasting Engineering Technology Research Center，Wuhan 430065，China； 3. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Science，Wuhan 430071，China） Abstract The study on the stability of high-rise structures on the reef-filled sand foundation under the action of explosion has important theoretical significance and reference value for the construction of calcareous sand geology. Aiming at this problem，this paper uses high-speed photography technology to study the explosive dynamic response test of the signal tower on the calcareous sand foundation. By changing the influencing factors such as the charge vol- ume，the distance between blasting point and testing point（R） ，and the percentage of ground water content，the dis- placement of different characteristic points of the signal tower is dynamically captured，and the characteristics of the displacement time history curve and the variation of the peak value were analyzed at same time. The results show that the charge volume（Q）and the ground water content（ρ）have a great influence on the peak displacement of the sig- nal tower，the charge volume changes from 50 g to 150 g，and the peak value increases by 150％ ～170％. The peak value of the signal tower on the fully saturated sand is 105％ ～135％ larger than that of the dry sand foundation. The peak displacement of the signal tower decreases with the increase of the distance（R）. The attenuation speed of the explosion stress wave in the foundation gradually slows down with the increase of the distance（R） ，and the explosion seismic wave propagates on the signal tower with a high-level amplification effect. The displacement peaks in the ver- 万方数据 tical direction are larger than the displacement peaks in the horizontal direction. In actual engineering，the vertical constraint to the structure with the reef sand foundation should be strengthened. Key words blasting load；calcareous sand；high speed photography；displacement 收稿日期2020 －01 －06 作者简介钟冬望（1963 －） ， 男， 博士、 教授， 从事矿山工程力学、 爆 炸理论及其应用等方面的教学与科研工作，（E-mail） 1057831589＠ qq. com。 通讯作者孟庆山（1974 －） ， 男， 研究员、 博士生导师， 从事珊瑚岛礁 工程地质和力学特性方面的研究工作， （E-mail）qsmeng＠ whrsm. ac. cn。 基金项目国家自然科学基金项目（51574184、51404175） ； 湖北省教 育厅科学技术研究项目（Q20181109） ； 冶金工业过程系统 科学湖北省重点实验室开放基金项目（Y201717） 作为海上丝绸之路的中继站， 南海岛礁的建设 意义重大。目前， 我国正在进行“填岛工程” ， 其上 修建码头、 机场、 楼房等各类民用建筑物及军工设 施， 而这些吹填岛屿表面的沉积物为礁砂， 礁砂主要 成分为钙质砂［ 1，2］。钙质砂是由海洋生物成因的、 富含碳酸钙或碳酸镁等物质的特殊岩土介质， 具有 颗粒多孔隙、 形状不规则、 易破碎、 粒间易胶结等特 点， 其力学性质与一般陆相、 海相沉积物相比有明显 的差异［ 3-5］。为确保岛礁上建筑物的稳定性与安全 性， 有必要开展吹填礁砂地基上高耸结构物爆炸动 力响应模型试验。 对于普通陆源砂在爆炸荷载作下的动力特性， 国内外学者已开展了大量研究。前苏联学者梁霍夫 对饱和土中爆炸应力波传播问题做了开拓性试验和 理论研究［ 6］， 得出了应力波在准饱和土中传播及衰 减的基本规律。钱七虎等进行了三相介质饱和土自 由场中爆炸实验［ 7］， 计算结果表明 随着爆心距离 的增加， 波的衰减强度依赖于所含空气的含量。石 教往［ 8］、 燕琳等分别进行了深层药包爆炸压实试验 和饱和砂地表爆炸沉降的试验［ 9］， 论述了饱和砂爆 压过程的基本特性及其压实机制。关于钙质砂的研 究， 大多基于其基础物理力学性质。秦月等采用室 内模型试验［ 10］， 研究了钙质砂地基中单桩在不同受 力方向下的承载性状。陈海洋等通过光学拍照和图 像处理方法［ 11］， 描述了钙质砂的分形特性。徐学勇 等通过控制爆炸参数， 测试不同参数作用时钙质砂 爆炸前后声波特性和表面沉降规律［ 12］， 揭示了饱和 钙质砂爆炸密实动力特性。目前， 关于钙质砂爆炸 动力学方面的研究尚不多见。 高速摄影技术具有全局化、 非接触式、 高精度、 高帧频等优点， 有较强的直观性， 已被运用于许多试 验研究和工程实际， 并得到较好的结果。因此， 根据 工程现场实际情况， 结合相似理论配制不同的礁砂 地基形式及信号塔结构模型， 进行了礁砂地基爆炸 动力响应模型试验， 通过高速摄影系统来记录和捕 捉礁砂地基上结构物的特征点位移和变形情况， 研 究不同爆破参数、 不同地基形式及含水率对礁砂地 基上高耸结构物的爆炸位移特性的影响。 1 爆破试验 1. 1 试验地基基础及结构物 本文试验中地基采用测试用礁砂样品， 取自南 海某岛礁附近海域， 包含粗砂、 细砂两种不同颗粒大 小的钙质砂， 组成均匀混合细砂、 上部细砂下部粗 砂、 上部粗砂下部细砂三种地基形式， 平铺于长3m、 宽1 m、 深0. 6 m的室外基坑中。基坑底层10 cm以 黄沙铺底， 其上用双层防水布做隔层， 以减少礁砂地 基中水分的流失， 控制其含水率。地基上下分层高 度均为25 cm， 每铺10 cm厚时， 使用小型夯实机对 礁砂夯实。试验现场布置如图1、 图2所示。 图1 试验场地现场布置图 Fig. 1 Test site layout 图2 试验场地示意图（ 单位cm） Fig. 2 Test site schematic（unitcm） 地基上的高耸结构物为塔形和筒形结构物型 式， 以模拟礁岛上信号塔、 灯塔等结构， 本文主要对 信号塔结构进行了研究。塔形结构物上部结构采用 钢架结构制作，高度约85 cm，基础底板直径 17. 5 cm， 埋深12. 5 cm， 采用C30混凝土浇灌制作， 模型示意图如图3所示， 将其底座埋于礁砂地基中。 9第37卷 第2期 钟冬望， 伍 岳， 孟庆山， 等 爆炸荷载作用下礁砂地基信号塔位移特性试验研究 万方数据 在信号塔上以相同的间距布置摄影专用动态捕捉标 示点。 图3 信号塔结构示意图（ 单位cm） Fig. 3 Signal tower structure diagram（unitcm） 1. 2 试验方法及试验参数 试验使用的炸药为2＃岩石乳化炸药， 手工制成 球形药包， 插入单发导爆管雷管， 采用耦合装药形 式， 炮孔用钙质砂堵塞， 并用三层橡胶皮进行覆盖防 护， 上压沙袋， 防止砂石飞溅。爆破方式为单孔爆 破， 炮孔布置在两结构物模型连线的中垂线上， 药包 埋深0. 25 m， 爆心距（爆源到模型基座连线的垂直 距离） 分别为0. 75 m、1 m、1. 5 m， 可微调。炸药在 砂土介质中爆炸， 能量急剧释放， 使炮孔周围介质破 碎压缩， 同时爆炸能量以波动形式向外传播， 从而引 起介质的质点振动。采用高速摄影机来记录塔模型 上部结构的位移和变形情况， 可以了解和分析礁砂 地基上高耸结构物在爆炸荷载作用下的动力响应特 性。高速摄影系统采用日本NAC公司的GX-8超 高感光度高速相机， 最高拍摄速度为60万幅／ s， 测 试系统由摄影主机与装有HXLink控制软件的计 算机相连， 通过手持型遥控器JPad3进行手动触 发采集数据。拍摄时， 要保证清晰拍摄到结构模型 上的人工标示点， 方便图像的后期处理。炮孔布置 及高速摄影拍摄位置可见图2。 试验参数基于以下2个方面 （1） 在起爆方式上， 通过改变起爆药量Q和爆心距R， 得出钙质砂地基中 不同药量和爆心距的作用效果。（2） 改变钙质砂地基 的含水率ρ， 模拟岛礁涨潮、 落潮时的地基形式， 定义 干砂、 湿砂、 全饱和砂（ 全淹没） 三种含水率， 得出不同 含水率对信号塔结构爆炸动力响应的影响。 1. 3 图像处理 试验中， 高速摄影统一采用3000 fps拍摄帧率， 像幅852 384像素， 将高速摄影拍摄得到的原始文 件保存为AVI视频格式， 采用配套的视频分析软 件， 动态捕捉模型塔上的标记点， 得到不同捕捉点在 拍摄平面X、Y方向上的位移时程曲线， 对应导出 EXCEL表， 得出各测点位移峰值。其中，X为拍摄 平面的水平方向，Y为竖直方向， 如图4所示。图5 为试验流程图。 图4 动态捕捉标示点及坐标方向示意图 Fig. 4 Dynamic capture of marker points and coordinate directions 图5 试验流程图 Fig. 5 Test flow chart 2 试验结果与分析 2. 1 不同药量、 爆心距对信号塔结构位移的影响 试验中有50 g、100 g、150 g三种炸药量， 图6 为均混干砂地基， 爆心距1. 5 m， 埋深0. 25 m时， 三 种药量下信号塔测点1在X方向的位移时程曲线， 其位移峰值分别为0. 19 cm、0. 25 cm和0. 51 cm。 可看出， 药量Q从50 g增大到150 g， 信号塔位移峰 01爆 破 2020年6月 万方数据 值增大了168％。如图7所示为均混干砂地基， 三 种药量下信号塔结构上不同测点在X、Y方向的位 移峰值趋势图。从图中可以看出， 随着药量的增加， 信号塔上三个捕捉点在X、Y方向上的位移峰值均 呈增大趋势。且药量越大， 位移峰值的增量越大。 整体上， 各捕捉点在Y方向上的位移峰值大于X方 向上的位移峰值。 图6 不同药量下信号塔位移时程曲线 Fig. 6 Signal tower displacement time history curve under different doses 图7 不同药量下信号塔位移峰值趋势图 Fig. 7 Peak trend of signal tower displacement under different doses 如图8所示为上细下粗湿砂地基， 药量100 g， 埋深0. 25 m， 爆心距分别为0. 75 m、1 m、1. 5 m时， 信号塔测点1在X方向的位移时程曲线， 其位移峰 值分别为0. 99 cm、0. 53 cm和0. 4 cm。可发现， 爆 心距R从0. 75 m增大到1. 5 m， 其位移峰值减小了 59. 6％。图9为上细下粗湿砂地基， 不同爆心距下 信号塔三个捕捉点在X、Y方向上位移峰值趋势图。 测试结果显示， 随着爆心距的增加， 信号塔各捕捉点 在X、Y方向上的位移峰值呈减小趋势。且爆心距 越小， 位移峰值的差值越大， 说明钙质砂中爆炸应力 波衰减速度在一定近的距离内相对较快， 而随着爆 心距增大， 衰减速度逐渐趋缓。整体上，Y方向的位 移峰值大于X方向的位移峰值。 图8 不同爆心距下信号塔位移时程曲线 Fig. 8 Time history curve of signal tower displacement under different blasting distances 图9 不同爆心距下信号塔位移峰值趋势图 Fig. 9 Peak trend of signal tower displacement under different blasting distances 综合对比其他地基形式下各测点数据， 分析表 明 （1） 随着药量增加， 钙质砂地基上信号塔结构的 位移峰值呈增大趋势； 药量Q从50 g增大到150 g， 信号塔的位移峰值增大了150％ ～170％。（2）随着 爆心距增大， 信号塔的位移峰值呈减小趋势， 且钙质 砂中爆炸应力波的衰减速度逐渐趋缓； 爆心距R从 0. 75 m增大到1. 5 m， 信号塔的位移峰值减小了 50％ ～65％。（3） 信号塔竖直方向的位移峰值均大 于水平方向的位移峰值。 2. 2 不同高程下信号塔的位移特性 图10为上粗下细湿砂地基， 药量100 g， 埋深 0. 25 m， 爆心距1. 1 m时， 信号塔不同高程位移峰值 的变化趋势。结合多次试验数据表明， 随着信号塔 的测点高度H的增加， 位移峰值呈增大趋势， 最高 测点位移峰值较最低测点的位移峰值增大了27％ ～ 50％。整体上， 各测点在Y方向的位移峰值大于X 方向的位移峰值。 11第37卷 第2期 钟冬望， 伍 岳， 孟庆山， 等 爆炸荷载作用下礁砂地基信号塔位移特性试验研究 万方数据 图10 信号塔不同高程位移峰值趋势图 Fig. 10 Signal tower different elevation displacement peak trend graph 2. 3 不同含水率地基下结构位移特性 图11为均匀混合砂地基， 分别在干砂、 湿砂和 全饱和砂的情况下， 药量、 埋深一定， 信号塔位移峰 值随爆心距变化的情况。从图中可以看出， 在X、Y 方向上均有， 全饱和砂地基上的位移峰值＞湿砂地 基上的位移峰值＞干砂上的位移峰值。表明在有一 定含水率时， 礁砂地基介质内孔隙变小， 同时， 爆炸 冲击波在水介质中的传播速度较砂土介质要快， 能 量衰减小， 所以地基的含水率越大， 信号塔的动力响 应越大。在爆心距为0. 75 m时， 三种地基上信号塔 在X方向的位移峰值分别为0. 43 cm、0. 57 cm、 1. 01 cm， 全饱和砂和湿砂地基较相对干砂地基分别 增大了32. 5％和134.8％。综合对比其他测点数据 分析， 全饱和砂较干砂地基上信号塔的位移峰值增 大了105％ ～135％。 图11 不同含水率下信号塔位移峰值趋势图 Fig. 11 Peak trend of signal tower displacement under different water cuts 3 结论 采用高速摄影系统， 测量得出礁砂地基上信号 塔结构物在爆炸载荷作用下的位移时程曲线， 分析 其爆炸动力响应规律， 得出以下结论 （1） 在不同礁砂地基形式下均有， 随着炸药药 量Q、 礁砂地基含水率ρ和测点高度H的增加， 信号 塔的位移峰值呈增大趋势； 随着爆心距R的增加， 信号塔的位移峰值呈减小趋势， 且地基中爆炸应力 波的衰减速度逐渐趋缓。 （2） 相比几个影响因素， 礁砂地基含水率和炸 药量对信号塔结构位移影响较大， 药量从50 g增加 到150 g， 信号塔位移峰值增大量为150％ ～170％， 全饱和砂较干砂地基上信号塔位移峰值增大了 105％ ～135％。其次， 礁砂地基中的爆炸地震波在 信号塔上传播有一定的高程放大效应。 （3） 信号塔在竖直方向的位移峰值均大于水平 方向的位移峰值， 说明礁砂地基对信号塔结构基座 的竖向约束力较弱， 应加强结构物与礁砂地基竖向 连接形式方面的研究。 参考文献（References） ［1］ 金宗川.钙质砂的休止角研究与工程应用［J］.岩土力 学，2018，39（7） 2583-2590. ［1］ JIN Zong-chuan. 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