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第37卷 第4期 2020年12月 爆 破 BLASTING Vol. 37 No. 4  Dec. 2020 doi10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2020. 04. 005 钙质砂地基含水率对爆破振动特性影响分析* 钟冬望 1,2, 杜 泉 1,2, 孟庆山3, 雷学文1, 何 理 1,2, 司剑峰1,2, 伍 岳 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 含水率对钙质砂地基爆破振动特性的影响研究, 是岛礁建设工程急需解决的问题。基于小波包变 换技术分析了试验中3种含水状态钙质砂地基的能量衰减规律。研究表明 同一药量情况, 同一测点情况下 钙质砂地基中含水率高的质点振动速度较含水率低的大。质点爆破振动的能量衰减速率均随着爆心距的增 加而逐渐趋缓, 饱和钙质砂地基大于湿钙质砂地基大于干钙质砂地基。同时比较了3种含水状态的钙质砂 地基质点的径向、 切向、 垂向的振动速度峰值, 得出了3种含水状态的钙质砂地基的萨道夫斯基计算公式, 拟 合优度较好, 对岛礁工程建设和试验研究具有参考价值。 关键词 钙质砂;振动速度;萨道夫斯基公式;含水状态;小波包能量分析 中图分类号 TU435;TU413. 6 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X(2020)04 -0031 -05 Analysis of Influence of Moisture Content of Calcareous Sand Foundation on Blasting Vibration Characteristics ZHONG Dong-wang1, 2, DU Quan1, 2, MENG Qing-shan3,LEI Xue-wen1,HE Li1, 2, SI Jian-feng1, 2, WU Yue1, 2 (1. Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,China; 2. Hubei Province Intelligent Blasting Engineering Technology Research Center, Wuhan 430065,China;3. State Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics and Engineering, Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071,China) Abstract The influence of moisture content on the vibration characteristics in calcareous sand foundation is an urgent problem to be solved in the construction projects of islands and reefs. Based on the wavelet packet transform technology,the energy decay laws of three kinds of water-bearing calcareous sandy ground in the experiment were an- alyzed in this article. Studies have shown that the vibration particle velocity with high water content in calcareous sand foundation is greater than that with low water content with the same charge amount and the same measuring point. The of particle vibration gradually slowed down with the increase of the distance to blast center. This energy at- tenuation rate is the largest for the saturated calcareous sand foundation,second largest for the wet calcareous sand foundation,and then the least for the calcareous dry sand foundation. At the same time,the radial,tangential,and ver- tical peak particle vibration velocities of the three types of water-bearing calcareous sandy foundation were compared, and the K values,α values of the Sadofsky formula were obtained with a good fitting goodness. This study has refer- ence value for island reef engineering construction and related experimental research. Key words calcareous sand;vibration velocity;Sadovsky formula;watery state;wavelet packet energy analy- sis 万方数据 收稿日期2020 -07 -16 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, 研究院、 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) 近年来, 随着国家海上丝绸之路战略的推出, 海 洋资源的开发和国防安全的需要, 使得我国海域建 设不断加速。在我国南海诸岛广泛分布着钙质砂。 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组成, 经物理、生物、 化学及 化学作用过程形成的碳酸盐沉积物。钙质砂颗粒具 有多孔隙、 形状不规则、 易破碎、 颗粒间易胶结等特 点[ 1]。我国对于南海岛礁的相关研究, 主要开始时 期可追溯到上世纪70年。到目前为止, 研究成果颇 丰。这些成果中对于钙质砂在静荷载下钙质砂的力 学物理特性的研究较为多见, 张家铭等人对钙质砂 进行了一维和等向压缩试验阐述了钙质砂的压缩特 性及其压缩机理同时探讨了破碎与塑性功、 膨胀、 应 力应变、 强度之间的关系[ 2]。钱炜对某岛礁一定深 度范围内的钙质砂, 开展了剪切性能及压缩特性试 验研究, 发现珊瑚砂砾混合碎屑物的压缩变形与珊 瑚砾块和珊瑚砂的质量组成有关, 同时也受到含水 量的影响[ 3]。魏久淇等利用改进的直径 37 mm分 离式霍普金森铝制压杆, 对级配相同的钙质砂与福 建标准砂开展35组被动围压冲击试验, 研究了应变 率和密度对两种砂动态力学特性的影响[ 4]。赵章 泳使用经过系统标定的霍普金森压杆试验装置对不 同含水率钙质砂进行了在准一维应变条件下的动态 压缩试验, 发现当钙质砂应变小于0. 025时潮湿试 样的切向模量高于干燥试样,而在应变大于 0. 025时则相反。 潮湿钙质砂的切线模量随含水率 的增加先减后增[ 5]。同时提出了非饱和钙质砂锁 变现象的模型。徐学勇等人在自己制作的1 m3立 方体试验箱中, 研究了饱和钙质砂在小药量爆炸荷 载作用下的动力响应特性, 比较了相同试验条件下 石英砂钙质砂的爆炸响应[ 6,7]。但在露天大尺度模 型条件下, 钙质砂地基在爆破荷载作用下质点振动 响应的研究尚不多见。 开展了干钙质砂地基、 湿钙质砂地基和饱和钙 质砂地基中球形药包爆炸试验, 测试各含水状态钙 质砂地基的不同爆心距的质点振动速度。分析不同 含水状态钙质砂地基中的爆破振动速度峰值和能量 衰减规律, 并对试验中各含水状态钙质砂地基的质 点振动速度峰值基于萨氏公式进行拟合, 得到了相 应的K、α值。 1 试验设计 1. 1 试验材料与设备 本试验所用的地基材料为南海某岛礁上的钙质 砂细颗粒, 如图1所示。如图2所示为本次试验的 试验现场环境。本次采用的振动测试仪器为中科测 控生产的TC-4850, 采样频率设置为8 kHz。爆破试 验所用的炸药类型为岩石乳化炸药。 图1 钙质砂细颗粒 Fig. 1 Fine particle calcareous sand 图2 试验现场 Fig. 2 Test site 1. 2 试验方案 本试验将晒干的钙质砂细砂颗粒填满试验长 4 m、 宽3 m、 深度为0. 6 m的基坑中并用夯机压实。 对钙质砂地基干、 湿、 饱和3种含水状态进行药量为 0.05 kg、0.1 kg、0. 15 kg的爆破振动试验, 其中干钙 质砂地基含水率为0%,湿钙质砂地基含水率为 50%, 饱和钙质砂地基含水率为100%, 试验参数如表 1所示。试验装药埋深为25 cm, 测振仪器在地基中 的布置测点如图3所示, 测点距离爆源的位置, 即爆 心距分别为1.3 m、1.5 m、1.7 m、1.9 m、2.1 m。 23爆 破 2020年12月 万方数据 表1 钙质砂地基振动试验参数 Table 1 Vibration test parameters of calcareous sand foundation 地基类别含水率/ %装药埋置深度/ cm药量/ kg爆心距/ m 干钙质砂0250. 05、0. 10、0. 151. 3 1. 5 1. 7 1. 9 2. 1 湿钙质砂50250. 05、0. 10、0. 151. 3 1. 5 1. 7 1. 9 2. 1 饱和钙质砂100250. 05、0. 10、0. 151. 3 1. 5 1. 7 1. 9 2. 1 图3 振动测点布置示意图( 单位m) Fig. 3 Vibration measurement point layout(unitm) 2 试验结果与分析 2. 1 振速峰值(ppv)比较及其衰减规律 对钙质砂地基3种不同含水率分别进行了 0. 05 kg、0. 1 kg、0. 15 kg药量的爆破试验, 分析3种 不同含水率钙质砂地基径向、 切向、 垂向的爆破质点 振动速度峰值(ppv) , 测试数据如表2所示, 数据绘 制成图4所示。 结合表2及图4, 可得各种地基质点振动速度 与爆源药量和爆心距的规律。对于同一药量,3种 不同含水率的钙质砂地基的ppv均为径向最大, 垂 直向次之, 切向最小。相同爆心距, 含水率越高的钙 质砂地基ppv越大。药量越大, 振动速度越大。药 量一定时, 随着爆心距增加, 振动速度减小。ppv衰 减速率随爆心距的增加而减小。对比不同含水率地 基的ppv可以看出, 同等药量, 同一爆心距的条件 下, 饱和钙质砂地基ppv较湿钙质砂大, 湿钙质砂地 基ppv较干钙质砂地基ppv大。在1. 3 m到2. 1 m 范围内, 干钙质砂地基质点ppv的衰减速率较湿钙 质砂地基ppv和饱和钙质砂地基ppv大。 表2 药量不同爆心距质点3向振速峰值 Table 2 The peak of the 3-speed vibration velocity 振动速度峰值/(cms -1) 地基 类型 爆心距/ m 径向 0. 05 kg 切向垂向径向 0. 10 kg 切向垂向径向 0. 15 kg 切向垂向 1. 310. 002. 819. 8017. 734. 6312. 2126. 106. 8316. 33 1. 58. 091. 876. 8714. 913. 128. 1521. 435. 1312. 96 干钙 质砂 1. 76. 071. 373. 9812. 892. 595. 2518. 223. 6610. 71 1. 95. 171. 113. 0311. 421. 553. 2313. 812. 738. 96 2. 14. 061. 062. 1110. 761. 383. 0111. 822. 367. 57 1. 314. 536. 2011. 3622. 876. 7014. 5629. 058. 9518. 08 1. 512. 125. 569. 7819. 435. 5912. 3323. 027. 7816. 03 湿钙 质砂 1. 710. 154. 728. 8517. 345. 2711. 2520. 566. 5213. 87 1. 98. 943. 967. 5615. 024. 6610. 2318. 865. 5611. 39 2. 18. 173. 265. 9513. 503. 939. 3516. 504. 3310. 52 1. 317. 638. 0613. 1525. 069. 2718. 6533. 1110. 2120. 60 1. 515. 627. 3311. 6921. 768. 0517. 3627. 139. 4518. 55 饱和 钙质砂 1. 714. 156. 3610. 7517. 357. 1315. 0324. 077. 9716. 86 1. 912. 435. 529. 9616. 786. 0813. 8621. 767. 9015. 02 2. 111. 135. 018. 9315. 525. 7911. 7920. 157. 5713. 99 2. 2 萨道夫斯基公式拟合 萨道夫斯基公式在平整地形条件下预测地面的 爆破振动质点速度具有较高的精度。我国长期以来 在爆破地震安全距离与质点振动速度计算方面也是 采用萨道夫斯基公式。目前, 爆破安全规程对陆 源岩土的萨氏公式的K,α值有相应的范围。对岛 33第37卷 第4期 钟冬望, 杜 泉, 孟庆山, 等 钙质砂地基含水率对爆破振动特性影响分析 万方数据 礁的钙质砂类的岩土却是空白。由上述比较得知, 径向ppv为最大, 危害较大。利用python进行编程 对径向振动速度拟合得到不同地基的萨道夫斯基公 式的K,α的值及相关拟合优度, 如表3所示。 图4 质点3向振速峰值比较 Fig. 4 Comparison of particle point 3 to vibration velocity peak 表3 钙质砂地基萨氏公式及K值、α值 Table 3 Sadowski formula and K value and α value of various calcareous sand foundations 地基类型K值α值拟合优度R2残差平方和萨氏公式 干钙质砂221. 523. 050. 9530. 178v =221. 52 Q1/3 CJ R 3. 05 湿钙质砂129. 592. 140. 9390. 113v =129. 59 Q1/3 CJ R 2. 14 饱和钙质砂101. 281. 740. 9210. 112v =101. 28 Q1/3 CJ R 1. 74 表3中列出了通过试验数据拟合的萨式公式, 从拟合结果优度值来看, 试验数据的拟合效果较好, 拟合结果可以为今后的工程实践和科研工作作为参 考。从表中可以看出钙质砂地基的含水状态对萨氏 公式中的K值、α值较大的影响。钙质砂地基中含 水越高, 其对应的萨氏公式K值和α值越小。 2. 3 爆破振动能量的小波包分析 对于爆破振动的研究, 越来越多的学者发现爆 破振动危害不仅与质点的振动速度峰值有关还与振 动的主振动频率和爆破地震波中的能量有着密切的 关系, 有学者提出了用能量分析的方法来研究爆破 振动。目前, 用小波包分析的方法对质点能量进行 分析已被广泛使用[ 8-11]。本模型试验使用的采样频 率为8 kHz, 根据采样定理,Nyquist频率为4 kHz。 根据小波包算法, 采用二进尺度变换, 对信号10层 分解后第j个频带重构信号对应的频率范围为 [j ~(j + 1) ] fa/210(1) 式中j =0,1,2,3, ,210-1;fa为分析频率,fa =4 kHz。 设小波包分解爆破振动信号为x(t) 。将信号 x(t) 投影到小波包基上, 通过各个小波包系数反映 爆破振动信号的不同特征, 其表达式如下 x(t)= xi, 0( t0)+ xi, 3( t1)+ xi, 2( t2)+ + xi, j( tj)=∑ 2i-1 j =0 xi, j( tj)(2) 式中,xi, j( tj)为微振动信号小波包分解到节点 i、j, 即( 第i层第j频带) 上的重构信号。 利用小波包变换将爆破振动信号的能量信息映 射到不同频段上, 结合巴什瓦定理及式(2)可知, 第 层信号分量的能量为 Ei, j =∫xi, j( t)2dt =∑ n m =1 vj, m (3) 式中vj, m表示重构信号; xi, j离散点对应的赋值; m为离散点的个数,n为采样数据的长度, 其中m = 1,2,3,4,5, ,n。 所以, 爆破振动的总能量为 E0=∑ 2i-1 j =0 eEi,j 2 (4) 依据式(1)~(4) , 通过python进行相应的编 程, 统计归纳得出不同含水状态的钙质砂地基的各 测点爆破振动信号能量值如表4所示, 采用样条曲 线绘制如图5所示。 43爆 破 2020年12月 万方数据 表4 钙质砂地基测点总能量 Table 4 Measurement total energy of calcareous sand foundation 地基类型药量/ kg 1. 3 m1. 5 m 不同爆心距测点总能量E0/ kJ 1. 7 m1. 9 m2. 1 m 0. 0512. 606. 874. 163. 212. 66 干钙质砂0. 1019. 2310. 526. 825. 034. 25 0. 1528. 7715. 9310. 568. 656. 73 0. 0528. 1517. 5811. 208. 066. 27 湿钙质砂0. 1036. 5526. 5817. 0611. 627. 83 0. 1546. 9732. 9622. 6916. 7513. 16 0. 0542. 6230. 1220. 9015. 7112. 35 饱和 钙质砂 0. 1051. 3337. 2627. 8820. 1616. 03 0. 1561. 2145. 8233. 7525. 6619. 58 图5 各含水率钙质砂地基质点能量衰减趋势 Fig. 5 Energy attenuation trend of matrix points in calcareous sands with different water content 结合表4和图5可以看出, 在爆心距1. 3 m的 测点,3种含水状态的地基能量, 饱和钙质砂地基质 点能量最大, 湿钙质砂的次之, 干钙质砂的最小, 爆 心距在1. 3 m后3种地基的爆破振动能量的衰减速 率逐步减缓, 爆破振动能量速率在饱和钙质砂地基 中最快, 在湿钙质砂中次之, 在干钙质砂中最慢。 3 结论与展望 目前, 随着国家综合国力的日益增强, 科研与基 建能力的大幅提升, 对于海洋的开发和科研探索将 会迅速增长, 这有利于国家的国防安全建设以及科 研综合能力的增长。本文通过对钙质砂地基的爆炸 振动响应特性试验探索, 得出如下结论 (1) 本文比较了0. 05 kg药量下的钙质砂地基 的测点的径向、 切向、 垂向3个方向质点振动速度峰 值(ppv) , 每种含水状态的钙质砂地基ppv, 径向最 大, 垂向次之, 切向最小。 (2) 得出了同种条件下3种含水状态的钙质砂 地基的振动衰减公式。实验表明 质点振动速度衰 减速率随爆心距的增加而减小。在爆破荷载作用 下, 饱和钙质砂质地基的质点振动速度较湿钙质砂 地基的大, 湿钙质砂地基的质点振动速度较干钙质 砂地基的大。 (3) 本文基于小波包技术对钙质砂地基测点的 能量进行了分析, 同药量情况下, 饱和钙质砂地基的 质点爆破振动的能量比湿钙质砂地基的大, 湿钙质 砂地基的质点爆破振动能量比干钙质砂地基的大, 质点爆破振动的能量衰减速率随着爆心距的增加而 逐渐趋缓, 其衰减速率 饱和钙质砂地基大于湿钙质 砂地基大于干钙质砂地基。 参考文献(References) [1] 陈海洋, 汪 稔, 李建国, 等.钙质砂颗粒的形状分析 [J].岩土力学,2005,26(9) 44-47. 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