隔振溝對爆炸塔周邊地表振動的影響＊

胡八一，陳石勇，谷 巖，劉 宇，劉倉理

（中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽621900）

爆炸塔作為一類特殊的抗爆建筑結構，廣泛應用于工業、交通、水利、軍事科研及礦山開采等領域［1］。隨著人們對環境保護和人類健康的日益重視，過去戶外進行的許多爆炸作業及爆炸加工將更多地轉入室內爆炸塔中，因此，爆炸塔的應用也將更加廣泛和頻繁［2－3］。

然而，在爆炸塔的使用過程中，爆炸產生的地震波對鄰近建筑和儀器設備仍有較強的沖擊振動影響，個別爆炸塔因此不能完成設計當量的考核實驗［4］。對這種由爆炸沖擊引起的地震波的振動影響，通常運用隔振溝技術［5－8］降低和削弱。隔振溝的尺寸大同小異，如1kg TNT當量爆炸塔，隔振溝寬0.8m，深1.8m；5kg爆炸塔，隔振溝寬1m，深1.4m。但所有這些設計或工程均沒有說明為何要這樣設計隔振溝，也沒有爆炸塔建成后對鄰近實驗室地面沖擊振動監測結果的報道，因此，對爆炸塔使用過程中出現的較強地面振動也就無法進行量化對比測量和分析。

基于以上狀況，我們專門設計建造了一個小型爆炸塔，對該塔體在無隔振溝和有隔振溝兩種條件下進行了爆炸對比實驗，監測了塔體周邊地表的振動速度，著重關注爆炸地震波的振動幅值、頻率和持續時間等3個要素［9－11］。

本文中，簡要介紹這個研究結果，以期進一步認識爆炸塔周邊地表的振動特征并對隔振溝參數設計提供有益參考。

1 實驗設計

1.1 爆炸塔及炸藥參數

爆炸塔為柱形橢球封頭結構，用鋼筋鋼纖維混凝土建造，如圖1所示，內徑2m，柱段高1.5m，壁厚0.4m。有0.6m×0.5m的防爆門及數個?20mm起爆測試通道。隔振溝寬度0.3m，深1m。

炸藥為壓裝TNT藥球，密度1.63g／cm3，藥球中心設計有?11×5mm太安傳爆藥，用雷管中心起爆。實驗時藥球中心始終與塔內地面保持0.15m的高度。

實驗分2個步驟進行，先是塔體建成后無隔振溝時，安排5發實驗，實驗用炸藥球半徑分別是35、45、55和65mm，其中1發35mm為重復性驗證實驗，目的是考察速度峰峰值的統計漲落幅度；然后是隔振溝挖成后，安排4發爆炸實驗，實驗用炸藥球半徑分別是40、50、60和70mm。

1.2 測試布局及儀器

如圖2所示，在爆炸塔周邊地表布設了2條互成90°的對應重復測線，目的是考察塔體地面地質狀況及傳感器安裝等微小差別對測試數據的影響。圖2中A、D點位于隔振溝內側，距塔體外表0.2m，距隔振溝壁0.1m，相同測線上各測點間距均為0.9m。

振動速度傳感器是VS－10型雙向（垂直z及水平徑向x）磁電式傳感器，通過1.5m長引線接入UBOX－20016型拾振器，通過觸發設置實現現場等待式記錄。

圖1 塔體結構示意圖Fig.1 Schematic of the chamber

圖2 測點布局Fig.2 Arrangement of the measuring points

2 測試結果及分析

2.1 地表振動波形特征

細致分析實驗獲得的近百條爆炸塔周邊地表振動波形，可歸納出以下幾點認識：

（1）無隔振溝時，各點垂直（z方向）振幅均大于水平（x方向）振幅，垂直方向振動周期較大，同時疊加了頻率較高的小振幅高頻振動，如圖3所示。有隔振溝后，溝內側A、D點的垂直及水平向振幅均急劇提高，水平方向振幅反而超過垂直向，隨著炸藥量增大，這一趨向更為顯著；不過此時溝外側各點的振幅，仍是垂直方向大于水平方向，與無隔振溝時一樣，圖4所示為有隔振溝時最大炸藥量加載的A點垂直（z方向）與水平（x方向）方向振動波形。

圖3 A點無隔振溝振動波形Fig.3 The vibration waves without trench

圖4 A點有隔振溝振動波形Fig.4 The vibration waves with trench

（2）在實驗的藥量范圍（283～2 338g），爆炸引發的地震波持續時間一般小于0.1s，個別可持續近0.2s。這個持續時間與600kg單段藥量爆破［12］測得的振動時長（0.4s）差一倍，與50t大型爆破［13］的振動持續時間（2～5s）小很多。與天然地震的幾十秒至數分鐘的振動時間就相差多。

（3）對實測速度波形進行FFT分析，發現垂直方向的振動，其頻譜主要位于20～500Hz這個范圍，而水平方向的振動，則大多位于200～800Hz范圍內。圖5即是圖3所示波形的FFT分析結果，其中縱坐標A為量綱一相對振幅，顯然比文獻［11］（單次17kg炸藥）和文獻［12］的振動頻率分布更高（其最高功率對應的頻譜分別是169.38和14.64Hz）。且發現隔振溝存在與否對振動頻譜基本無影響。

圖5 典型振動波形的FFT頻譜Fig.5 The FFT spectra of typical vibration waves

2.2 各點振動速度峰峰值比較

由于峰峰值更能說明振動幅值的大小，所以用來代表振動的強弱。表1、2分別是無隔振溝、有隔振溝時垂直z及水平x向的各點處振動速度峰值的數據。

表1 無隔振溝時振動速度峰峰值比較Table 1 Comparison of vibration velocity peak to peak value without trench

表2 有隔振溝時振動速度峰峰值比較Table 2 Comparison of vibration velocity peak to peak value with trench

對比分析表1、2中的數據，可以看到：

（1）爆炸產生的地震波確實是典型的非平穩隨機信號［10］，對R＝35mm進行的2次重復實驗結果充分顯示了隨機漲落特征；此外，2條重復測線上各對應點數據的較大差別也提示地面施工狀況或傳感器安裝力矩的微小差別也會導致測試結果呈現較大的差異。

（2）隔振溝的存在使溝內側（靠塔體）地表的振動幅度增強至原來的約10倍，這是爆炸地震波在隔振溝自由面的反射效應所致。郭學彬等［14］在野外均質黃土層中發現振速增加現象（但增量僅約30%），并把它解釋為溝槽的動力反應，該動力反應區寬度約0.60m。B、E點的數據也提示炸藥量越大，這種動力反應現象越明顯，而B、E這2個點距隔振溝中心0.65m，正好處于動力反應區的邊緣上。

（3）隔振溝對水平方向的振動衰減更為有效，使振幅衰減至原來的1／10以下；垂直方向的振幅衰減至原來的1／4～1／3。這個結果與鄭水明等［6］對11t的落錘從12m高處落下的隔振研究結論一致，即：隔振溝使水平向振動速度峰值衰減了80%，使垂直方向衰減了不足30%。

（4）B、C、E、F這4個點的數據表明隔振溝并沒有從絕對振動幅值上降低爆炸塔隔振溝外側0.5～1.5m區域地表的質點振動速度。這個結果很有意義，首先它解釋了為何個別爆炸塔運行時相鄰建筑的地面振動仍然非常強烈；其次它提示我們，需要從理論上探討隔振溝的深度設計依據，而不能再一句經驗設計成深1～2m。

圖6 介質中的地震波Fig.6 The seismic waves in the medium

3 討 論

天然或人工振源在介質中引發的地震波如圖6所示，首先是縱波（P波），它的振動方向與波傳播方向一致，使介質產生疏密相間的壓縮和膨脹；其次是橫波（S波），質點振動方向與波傳播方向垂直，使介質被剪切，S波分SV和SH波；最后是面波（主要以瑞利波為主），瑞利波（R波）是前面2種體波（P波和SV波）在介質邊界相互作用疊加形成的，使介質質點作圖6中所示的逆向橢圓運動，且質點垂直方向振幅為水平向的約1.5倍。

從前面實測的地面振動波形可以看出，爆炸引起的地面振動是很復雜的隨機過程，它既有體波也有面波，是不同幅值、不同頻率與不同相位的各種波型的疊加波。同時由于測點離振源中心較近，P波、S波和R波在傳播時尚未分離，他們對地面振動均有貢獻，但從振幅角度看，垂直方向的振幅仍然大于水平方向，周期較大，衰減也較慢，具有面波（R波）特征。因此，爆炸塔的隔振就主要考慮對瑞利波的衰減，已有的研究認識均表明：R波在半無限空間中的有效傳播深度約1.5λ［15］（λ為R波波長），文獻［16］的動光彈研究顯示出當隔振溝深度達到（3～4）λ時，R波被完全反射回去，此時達到最大隔振效果。

顯然求出爆炸地震波中R波的波長λ，即可據此設計爆炸塔的隔振溝深度。實際工程中爆炸塔外側周邊地面混凝土層厚僅幾厘米，主要還是粘土層，在粘土層中C.H.Dowding［17］給出的S波速度vS為200～800m／s，瑞利波速度vR≈0.92vS，則R波速度在184～736m／s這個范圍內。趙增欣［18］在大煙囪爆破中測出水泥地面的S波速度vS＝619m／s，由此得到R波速度vR＝569m／s，與鄭水明［6］的分析計算和文獻［17］對頁巖中R波波速的實測結果671m／s也較接近。因此爆炸塔周邊地面瑞利波的傳播速度可參照取為569m／s。而本文中實測的垂直向振動頻率（R波的垂直分量體現）主要分布在200～500Hz之間，如圖7所示。波長λ＝vR／f，故此時R波的波長在200Hz時為2.85m，在500Hz時為1.14m。由于對結構破壞較大的是低頻振動，取200Hz時的最大波長λmax＝2.85m。考慮文獻［15－16］的研究成果，并結合實際工程可行性和建設成本，則隔振溝深度建議取3λ，深約8.5m。

圖7 垂直方向振動的頻譜分析Fig.7 The FFT analysis of the vertical vibration waves

4 結 論

（1）爆炸塔周邊地表的振動具有典型非平穩隨機信號特征，振動波形是包含體波和面波的疊加波；地面振動的持續時間小于0.2s，垂直向振動頻譜范圍在20～500Hz，水平向則范圍在200～800Hz。

（2）隔振溝的存在使靠塔體一側地表的質點振動幅度因自由面反射效應而增強至之前約10倍，質點水平方向振動幅度的增大比垂直方向更突出；無隔振溝或隔振溝外側，地表垂直方向振幅大于水平方向，垂直方向振動周期較大，衰減更慢，具有面波特征；水平方向頻率更大，衰減更快，振幅較小，具有體波特征。隔振溝對地表振動頻率無明顯影響。

（3）隔振溝對水平方向的振動衰減效應更加明顯，可使水平方向振幅衰減至原來的1／10；使垂直方向振幅衰減至原來的1／4～1／3。

（4）對爆炸塔產生的地震波，隔振溝的深度至少應達到2～3倍瑞利波波長，即5.7～8.5m，才能產生明顯的隔振作用；實測結果也表明1m深的隔振溝基本上無隔振意義。

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