高層建筑在爆破地震波作用下振動傳播規律

雷 振，賀 路，吳桂義，高正華，袁玉寶

(1.貴州理工學院礦業工程學院，貴陽 550003；2.貴州大學礦業學院，貴陽 550025)

在工程上人們一直關注著許多問題，而爆破地震波對高層建筑物的影響一直是重大研究對象之一，長時間以來，為了解決這一問題,國內外許多專家學者從問題的一般規律出發來研究，展開了大量的研究工作。爆破地震波振速和頻率是首要的研究對象，加強對各種爆破條件下爆破地震波的特性分析和建筑物破壞現象、破壞特征的宏觀調查以及爆破地震波的特征參數研究，以調查資料和現場爆破振動測試數據為依據；通過數據的分析處理，研究爆破地震波影響作用下建筑物的振動傳播規律[1-4]；用量綱分析得出爆破振動峰值速度或加速度關于爆心距與藥量的經驗公式，并在此基礎上進行爆破振動的預測與評估；著名的薩道夫斯基公式和爆破地震波強度衰減規律方程[5]都是針對振動進行的研究工作。隨著對爆破地震效應的控制愈來愈嚴格,在今后的一段時間內，爆破地震波對建筑物的影響研究仍將是工程爆破領域的熱點問題之一[6-9]。目前，對這一問題的研究方法和角度也呈現出多樣化的態勢。人們認為高程在建筑物的振動傳播規律中是一個不可忽視的重要因素，高程影響系數和與爆破有關的系數對爆破振動的影響是不容忽視的，應加強對振動演化規律的研究?？紤]到高邊坡條件，前人提出了高程修正公式[10]，即

(1)

式中：v為質點振動速度，cm/s；Q為最大段藥量，kg；H為爆源至測點的垂直距離，m；R為爆源至測點的水平距離，m；K,α為與地形和地質條件有關的參數；β為高程影響系數。

上述公式在爆破工程中得到了廣泛的應用。

鑒于此，在貴陽市觀山湖區百花大道延伸道路邊坡的爆破工程進行現場試驗，通過高程修正公式，分析在距爆心不同距離、距地面高差不同情況下，在建筑結構中爆破地震波作用所引起的振動傳播規律，為控制爆破振動以及預測結構是否破壞提供參考依據。

1 爆破現場試驗

1.1 試驗場地概況

試驗場地位于貴州省貴陽市觀山湖區百花大道邊坡的山體和一小區的五幢高層建筑。爆破開挖采用2號巖石乳化炸藥，由于該邊坡對面是高層建筑小區，采用了控制爆破減少振動，并對其進行了實時監控。高邊坡主要為中硬巖石，采用深孔控制爆破和逐孔起爆的方法進行開挖，爆破參數如表1所示。

表1 爆破參數

1.2 監測點布置

共有5個傳感器，需要分批測量，在高邊坡坡底對面小區的一至五幢分別布置1#～5#水平監測點，垂直方向每幢建筑的1、5、9、13、17層分別布置1#～5#監測點(見圖1)；測點參數如表2所示。

圖1 測點布置Fig.1 Layout of measuring points

表2 測點參數

爆破振動監測方案1，測點分別布置在離爆源最近的樓房130、183、236、289、342 m處，沿爆源中心的徑向同一條直線，因振動幅值不大，頻率不是很高，只需將傳感器直接置于地表，周圍用石膏粘附即可，從而保證了傳感器與建筑物一起振動。每次在起爆前打開儀器，以防止儀器的誤觸發。每幢樓房布置一個測點，每個測點之間相隔距離53 m，測點在同一樓層，安放在樓道處，因爆破振源位置和距離不同，每次測得振動速度及頻率也不同。

爆破振動監測方案2，共有5個測點布置在每幢樓距地面高差2、14、26、38、50 m處，每次測試時，測點在同一幢樓房，沿爆源中心的垂向一條測線，因振動幅值不大，頻率不是很高，只需將傳感器直接放置樓道處，周圍用石膏粘附即可，每次測試嚴格要求測點的垂直方向保持在一條直線上，因爆破振源位置和距離不同，每次測得振動速度不同。

2 試驗數據與分析

2.1 試驗結果

試驗選取測點3個方向振動速度進行研究，數據如表3所示。

表3 測點振動速度數據

2.2 爆破振動速度衰減規律分析

2.2.1 爆破振動速度隨水平距離的規律

爆破振動速度隨著水平距離的變化趨勢如圖2～圖3所示。

圖2 高差為50 m的振速Fig.2 Vibration velocity with height difference of 50 m

圖3 高差為2 m的振速 Fig.3 Vibration velocity with height difference of 2 m

由圖2可知，測點在高于地面(高差50 m)隨著水平距離的增加，垂向振速逐漸減??；除了300～350 m處最后一測點三向振速，垂直方向振速恒大于水平切向和徑向振速；垂向速度衰減趨勢比較顯著。

由圖3可知，測點在接近地面(高差2 m)爆破振動速度隨水平距離的增加，垂向和徑向逐漸減減小，切向振速先減小后增加，從數值上來看，變化不大；垂向振速恒大于切向和徑向振速。垂向速度衰減趨勢比較顯著。

2.2.2 爆破振動速度隨高差變化的規律

爆破振動速度隨著高差變化的趨勢如圖4～圖5所示。

圖4 水平距離130 m振速隨高差變化Fig.4 Vibration velocity changes with height difference at a horizontal distance of 130 m

圖5 水平距離342 m振速隨高差變化Fig.5 Vibration velocity changes with height difference at a horizontal distance of 342 m

由圖4可知，測點接近爆源(水平距離130 m)垂向振動速度隨著高差的增大而逐漸增大。垂向振速恒大于切向振速和徑向振速；然而切向振速和縱向振速隨著高差的增加基本保持平穩不變，改變測點的高度基本不會改變測點的切向和徑向的振動速度。

由圖5可知，測點遠離爆源(水平距離342 m)垂向振動速度隨著高差的增大而逐漸增大。分析表明：垂向振速隨高差的增加而逐漸增大，切向和垂向振速變化規律不能準確判斷。

3 高差修正公式分析

試驗選取測點3個方向中的最大振動速度進行分析，數據如表4所示。

表4 測點最大振動速度

由表4可知，在爆心距130～342 m范圍，當測點放置距爆心水平距離130 m時，高差從高到底，測點振速基本都是逐漸減小的，但測點在爆心水平距離為342 m時，衰減規律已經沒那么明顯，甚至是從高到低還出現很多增大的情況，這表明爆破的衰減規律是在一定范圍內的，超出這個范圍，衰減趨勢性減弱。

用式(1)擬合表4 的數據得到測點在不同距地高差下，最大振動速度隨著水平距離變化的非線性擬合曲線(見圖6～圖10)。

圖6 高差2 m的變化規律Fig.6 Variation of height difference of 2 m

圖7 高差14 m的變化規律Fig.7 Variation of height difference of 14 m

圖8 高差26 m的變化規律Fig.8 Variation of height difference of 26 m

圖9 高差38 m的變化規律Fig.9 Variation of height difference of 38 m

圖10 高差50 m的變化規律Fig.10 Variation of height difference of 50 m

分析表明：不管測點在哪個高差位置，振速都隨著水平距離的增加而減小。擬合得出的匯總數據如表5所示。

表5 擬合匯總Table 5 Fitting summary

由表5分析得到，衰減系數和高程影響系數隨高差的變化如圖11～圖12所示。

圖11 衰減系數隨高差變化Fig.11 Attenuation coefficient changes with height difference

圖12 高程差影響系數隨高差變化Fig.12 Elevation influence coefficient changes with height difference

由圖11可知，隨著高差的逐漸增加，衰減系數α整體上逐漸增大，測點隨著高差的增加，同一高差的測點隨著水平距離的增加，衰減效果更加顯著。分析表明：得出衰減系數α隨著距地高差的減小而逐漸減小。

由圖12可知，測點遠離地面，等于是爆源和測點相對高差較大時，高程影響系數β較大，中間位置出現了一個低谷，呈一個先降低后增加的趨勢。分析表明：高程影響系數β在爆源至測點的垂直距離最大時也最大，隨垂直距離的增加，先降低后增加，出現了一個低谷。

4 結論

1)垂向振動速度隨著水平距離的增加逐漸減小，整體上垂向振動速度大于徑向和切向振速。

2)在水平地面時，隨著爆心水平距離的增加，振動速度逐漸降低。切向和徑向振速衰減趨勢較小。

3)在測點同一樓層時，水平距離不變，隨著距地高差的增加，振動速度也越來越大。

4)衰減系數α整體上隨著高差的增大而增大。

5)高程影響系數β呈現先減小后增加的趨勢。