建筑物對爆炸地震波傳播的影響

馬 坤，陳亞紅，陳 潔，曾 丹，張樹海*，茍瑞君

(1.中北大學環境與安全工程學院，太原 030051；2.中國兵器工業火炸藥工程與安全技術研究院，北京 100053)

近年來各種意外爆炸事故仍是最嚴重的災害事故之一，2020年6月浙江溫嶺一液化氣罐車在行駛路面發生爆炸，并引發附近一間廠房發生二次爆炸，造成周圍建筑物不同程度損壞以及巨大經濟損失；2019年3月江蘇鹽城一化學儲存倉庫發生爆炸，爆炸事故波及到周圍居民房屋及多所學校，造成不同程度的損害[1-2]。炸藥在生產及儲存過程中發生意外爆炸多為地面爆炸，爆炸過程中絕大部分部分能量會以熱能、地震波和沖擊波等形式釋放，可能造成爆炸振動、空氣沖擊波、噪聲等公害。其中特別是爆炸產生的地震波。爆炸地震波的主頻率一般較低，與周圍建筑物和設施相近，有可能引起共振從而對周邊建筑產生不良影響，嚴重的話有可能會給人民的生命財產造成危害和損失[3-4]。

對爆炸地震波傳播規律分析是控制其危害的重點。盧文波等[5]通過對巖土爆破地震波主頻分析，認為其主頻衰減存在離散性；閆常陸等[6]通過對巖石爆破地震波峰值速度進行擬合回歸，得到地震波振動幅值的衰減規律；林大超等[7]采用多種變換方法對爆炸地震波信號進行時頻分析，認為小波變換方法可以更好地給出爆炸地震波的細節信息；李松[8]通過實驗驗證說明地震波以不同角度穿過不同介質時其振速會發生改變。田運生等[9]和魏曉林等[10]通過研究建筑結構對地震波的響應來分析地震波的危害，但未對建筑結構對地震波傳播的影響進行討論。唐海等[11]研究了復雜地形下地震波的傳播規律，并結合經驗公式得到符合高程放大效應的振動公式。張永哲[12]根據實測數據,分析了地表斷層對地震波傳播的影響。鐘冬望等[13]結合邊坡模型試驗，認為爆炸地震波在邊坡坡體處傳播時與在平地傳播時有較大差異。通過以上研究表明，地震波的傳播規律不但與起爆藥量、傳播距離有關，還受到地質地形等因素的影響。

由于在爆破工程方面的廣泛應用，巖土中爆炸所誘發的地震波得到了廣泛研究，而實際發生意外爆炸時多為地表爆炸，因此對地表爆炸地震波的傳播規律有待進一步研究與完善。同時較多研究主要討論建筑物對地震波的響應，關于建筑物的存在會對地震波傳播和衰減造成的影響目前尚不明確。將通過對建筑物內部及外部進行爆炸試驗，采集所形成的地震波信號，總結出建筑結構對地面爆炸地震波傳播規律的影響，為實際生產和炸藥儲存廠房的安全距離判定提供合理的依據。

1 試驗概況

試驗修建鋼筋混凝土建筑模型，側翼兩面為磚墻，朝向爆心一面的墻為鋼筋混凝土墻，此墻高7 m，跨度9 m，頂部為現澆鋼筋混凝土屋蓋。地基向下埋深1.5 m，地基結構為鋼筋混凝土筏板基礎，混凝土標號C30，鋼筋標號二級鋼Q235b，持力層(地基與環境介質接觸的層面為持力層)為粉質黏土，地表回填土及砂石約800 mm厚。建筑物的結構模型如圖1所示。

圖1 建筑物結構模型平面圖

使用TNT炸藥在地面引爆，分別測量在建筑物外部進行爆炸(結構被爆)及建筑物內部進行爆炸(結構主爆)時的地震波信號，藥量分別為1 000 kg、200 kg。主裝藥采用袋裝TNT包堆放，包裝規格為50 kg/袋，為了方便TNT包堆放，設定方形交錯堆垛方式，擴爆藥柱置于藥包堆垛的頂面中心處。試驗采用“雷管→傳爆藥→擴爆藥→主裝藥”傳爆序列，起爆點設在主裝藥上部中心，采用電雷管起爆，傳爆藥柱插入擴爆藥柱的傳爆藥孔內，擴爆藥柱埋入主裝藥上表面內。試驗均為地表爆炸。

試驗測震系統選用成都中科測控有限公司生產的TC-4850型便攜數據采集儀，傳感器選用TCS-B3型三軸振動速度傳感器，該傳感器具有體積較小、便于安裝、抗干擾能力較強、測試精度高等特點。由于試驗場地為沙土場地，土質疏松，考慮到炸藥爆炸時會產生強烈的地震波與沖擊波，使用傳統的地表石膏粉或鋼釬固定傳感器會導致試驗時傳感器松動[14]。因此測試時將傳感器埋于地下50 cm處，傳感器放置的平面壓平，x方向指向爆源中心，用信號線連接采集信號儀器輸入口，將數據采集儀埋于旁邊70～100 cm處防止爆炸產生的碎片將儀器損壞。試驗采用16 kHz采樣率。為保證不丟失觸發前的信號頭，設置采樣負延時為-2 000 ms。信號采集儀器與傳感器布置如圖2所示。

采集地震波信號時通常是沿爆源中心的徑向或環向布置一條或幾條測線。在一條測線上測點數一般不少于5個。限于試驗場地原因，測點位置間隔采用對數間隔會導致遠距離測點地質環境改變，為了測距及記錄與計算準確，測點間距采用等差數設置。不同工況下的測點布置如表1所示。

表1 試驗工況測點位置

2 爆炸地震波信號分析

2.1 爆炸地震波峰值速度變化規律

使用相關分析軟件，讀取采集到的爆炸地震波信號，得到結構被爆和結構主爆地震波徑向、切向和垂向三個方向的地震波波形圖，如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4所示波形圖可以看出，地震波的振動由不規則的強烈振動轉化為較為規則的阻尼振動，地震波振動速度衰減快，持續時間短，一般來說，選取地震波振幅相中的最大振幅作為研究對象，即波形圖中的最大偏移位置。由于此次試驗為地面爆炸，故主要以表面波為主，所以三個方向的速度分量中垂直方向峰值速度更大，其次是水平徑向。隨著測點到爆心距離的增加，爆炸地震波的峰值速度逐漸降低，表明爆炸地震波在由近及遠傳播過程中振動強度不斷減小，但由于主爆與被爆測試距離與藥量不同，為對其進行更詳細的分析，通過分析軟件BVA(blasting vibration analysis)得到主爆與被爆地震波各個方向的峰值速度如表2、表3所示。

表2 工況1各測點振動峰值速度

表3 工況2各測點振動峰值速度

圖3 被爆測點振動速度波形圖

圖4 主爆測點振動速度波形圖

試驗中記錄了試驗模型主爆和被爆兩種工況各個信號采集點三個方向的分量振動速度:水平徑向(x)、水平切向(y)以及垂直方向(z)。由于測得的地震波信號為地面爆炸所產生，所以表面波對質點的振動速度影響很大，其中垂直方向的速度分量主要是由表面波引起，由波形圖和表中數據也可以看出垂直方向振動峰值速度更大，故對垂直方向質點的振動峰值速度進行線性擬合。將爆炸地震波的衰減影響因素用質點峰值振動速度來描述，一般體現形式為

(1)

式(1)中:v為質點峰值振動速度，cm/s；Q為爆炸最大裝藥量，kg；R為測點到爆心距離，m；K是與爆炸方式、環境介質等有關的系數；α表示地震波隨傳播距離衰減的指數。對式(1)中的K、α進行線性擬合，得到符合本次試驗的地震波傳播規律，對式(1)兩邊取對數得

(2)

(3)

通過對模型結構被爆的峰值速度線性擬合，得到符合本實驗場地環境的K和α值，因為K和α是與環境介質有關的系數和衰減指數，此次實驗場地環境介質為土質較為松軟的沙土介質，由于鋼筋混凝土地基向下埋深1.5 m，改變了地質條件,外加實驗為地面爆炸，故建筑物地基顯著影響了地震波傳播的環境介質。為了進一步比較建筑物對地震波傳播造成的影響，同時也為了便于不同藥量爆炸之間相互比較，把距爆心的實際距離轉化為比例距離處理，將比例距離公式定義為

(4)

式(4)中:R是爆心距，m；結合式(1)，爆炸振動速度的表達式為

(5)

不考慮爆炸地震波傳播過程中發生的折射和反射，只考慮振動速度幅值的衰減。取上述結構被爆擬合出來的公式，求解速度-比例距離曲線，再將結構主爆的峰值速度與比例距離的關系在圖中標記，如圖5所示。

圖5 被爆擬合曲線、被爆及主爆振幅-比距離關系

在相同比例距離的條件下，結構主爆的爆炸振動峰值速度比結構被爆振動峰值速度下降更快，所以爆炸地震波在傳播過程中，建筑物地基結構會改變地質條件，引起地震波的反射、折射及散射，從而使地震波的衰減更快。在靠近爆心位置結構主爆峰值速度會迅速下降，建筑結構對地震波傳播的峰值速度有著顯著的削弱作用。

2.2 爆炸地震波頻率分析

爆炸地震波造成的危害還與其振動頻率密切相關，爆炸地震波振動頻率也是描述地震波信號的一個重要因素。有必要了解爆炸地震波振動信號的頻率變化規律，頻譜分析能夠求得爆炸地震波信號中各種頻率成分以及它們的能量分布情況。

近年來，小波包變換理論在頻譜分析中得到廣泛應用，能夠更好地反映地震波信號在不同頻率帶上的能量分布情況。采用db8小波基本函數更適合處理類似于地震波這樣的短時非平穩振動信號[15]。利用編程分析軟件對本次試驗的地震波信號進行小波包分析，試驗采樣頻率為16 kHz，則其奈奎斯特(Nyquist)頻率為8 000 Hz。分解層次為9層，其頻帶寬為15.625 Hz，優勢頻率主要分布范圍在0～125 Hz，所以提取前8個頻帶的小波包頻帶能量譜圖，將8個頻帶標號為1～8，頻率范圍分別為0～15.625 Hz、15.625～31.250 Hz、31.250～46.875 Hz、46.875～62.500 Hz、62.500～78.125 Hz、78.125～93.750 Hz、93.750～109.375 Hz、109.375～125 Hz。取結構被爆于結構主爆的1號和4號測點得到小波包頻帶能量譜如圖6所示。不同工況下各頻帶能量占比如表4所示。

圖6 測點1、4小波包頻帶能量譜

表4 工況1、2各頻帶能量占比

通過小波包變換能量頻譜可以看出，爆炸地震波的能量分布在0～125 Hz內，但主要能量多集中在相對固定的頻率范圍。隨著地震波的傳播及時間的推移，結構被爆的振動傳播在沒有建筑物的影響下其振動所攜帶的能量有向高頻發展的趨勢，優勢頻率在46.875～62.500 Hz能量占比增加，使爆炸地震波能量分布具有多峰值特點。結構主爆的地震波能量分布則多集中在低頻成分，隨著地震波的傳播能量分布沒有往高頻發展的趨勢，說明建筑物影響了地震波傳播的環境介質，使高頻分量的能量衰減更快，信號主要以0～31.250 Hz的低頻成分為主。利用小波包變換的分析方法研究短時非平穩振動信號的能量分布情況具有可行性。

3 結論

通過建立鋼筋混凝土模型，引爆不同藥量的TNT炸藥，對測得的地震波信號數據進行線性擬合以及小波包變換分析，得到以下結論。

(1)地震波振動的三個方向速度分量中垂直方向速度峰值更大，振動速度衰減快，持續時間短，隨著測點到爆心距離的增加，爆炸地震波的速度峰值降低，表明爆炸地震波在由近及遠傳播過程中隨著地震波的振動強度不斷減小，峰值速度也相應降低。

(2)對結構被爆垂直方向上的峰值速度進行了線性擬合，在相同比例距離條件下，由于建筑物地基的存在會改變傳播介質的均一性，引起地震波的反射、折射及散射，從而使傳播峰值速度衰減更快。建筑物地基對地震波傳播的峰值速度有削弱作用，會使其在經過地面建筑物后以較低峰值速度傳播。

(3)利用小波包分析方法得到爆炸地震波能量在0～125 Hz不同頻帶上的能量分布情況。在沒有建筑物的影響下，隨著地震波的傳播在46.875～62.500 Hz頻帶上能量占比增加，當地震波傳播經過建筑物時，建筑物改變了其傳播的環境介質，使高頻成分能量衰減，振動信號能量分布以0～31.250 Hz為主。

通過研究建筑物對爆炸地震波傳播的影響，補充了地震波的傳播規律，為實際廠房生產和倉庫炸藥儲存安全距離的判定提供重要參考依據。