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關于爆破震動安全判據的幾個問題

2019-05-09 17:25:20 責任編輯:崔瑋娜

汪旭光l 于亞倫2

( l.北京礦冶研究總院.北京 100044; 2.北京科技大學.北京 100083)

 

摘要    闡述了同時采用質點振速和頻率兩個指標作為爆玻震動安全判據的必要性、可行性,并介紹了爆破振動頻率的計算公式。

關鍵詞    爆玻震動;振動速度;振動頻率;安全判據

炸藥爆炸釋放出來的能量以兩種形式表現出來,一種是沖擊波,另一種是爆炸氣體。隨著傳播距離的增大,沖擊波衰減為應力波和地震波。地震波引起的(近地表)地面振動稱為地震動。我國《爆破安全規程》(GB6722-86)規定:一般建筑物和構筑物的爆破地震安全性應滿足安全振動速度的要求,即現行規程是用質點振動速度表示地震動強度的。 實踐表明,這種規定基本上滿足了工程爆破的要求,使爆破安全距離的確定有法有依。 但是,隨著爆破技術的深入研究,人們也發現,以單一的質點振動速度作為衡量爆破地震動強度的唯一指標也有許多不妥之處,希望用質點峰值振動速度和對應頻率(簡稱振速和頻率)作為振動強度的指標。美國、德國等一些發達國家已經考慮了振動速度對應頻率的綜合影響,將這兩個指標納入爆破震動安全判據中。

 

1用振速-頻率作為震動強度指標的必要性

1.1理論上的必要性

地震動是由不同頻率、不同幅值的波動在一個有限時間范圍內組合的隨機過程。地震動的峰值(最大振幅)、頻率和持續時間被稱為地震動的三要素,而最大振幅又與速度、加速度密切相關,若已知位移、速度和加速度三個參數中的任一個,經過積分或微分便可求出另兩個。故地震動的速度、頻率和持續時間也是表征地震動強度的三個必不可少的參量,特別是前兩項(振速和頻率)更是缺一不可。

1.2工程實踐上的必要性

結構對爆破震動的反應與頻率特性的關系也十分密切。

(1)眾所周知,當建筑物地基輸人的地震動的主要周期接近建筑物的自振周期時,由于共振作用,將產生更大的振動,容易引起建筑物的破壞。我們在爆破工程中時有發現,炸藥爆炸時,在其他相同條件下,距爆源近的建筑物未受破壞,而距爆源遠的卻遭受了破壞,這是因為建、構筑物種類繁多,結構各異,爆破類型很多,起爆方式不一,爆破條件和爆破地震波通過的介質情況復雜。在地面質點振動速度值相同的情況下,建 (構)筑物將會出現不同的振動頻率和振動持續時間。即使相同的建、構筑物在振速相同的條件下,不同的振動頻率和振動持續時間,對建、構筑物的結構動力影響也是不一 樣的。

 (2)在自然地震中,烈度為7~9度時,地震加速度平均值為0. 075~0. 3g.大部分房屋建筑物遭受破壞。但在如此大的爆破地震動作用下.對一般房屋的影響卻很小,這是因為一般房屋的自振周期多在0. 2~1. Os (頻率1~5Hz)范圍內,而自然地震的加速度的頻率多在2~5Hz之間.很少超過10Hz,二者頻率范圍比較接近,但爆破地震動的加速度的頻率大都在10~30Hz,甚至高達50Hz,遠遠大于一般房屋的自振頻率,故不易被破壞。這從另一側面也說明了振動頻率的重要性。

1. 3 從國外發展趨勢看的必要性

采用速度-頻率作為地震動強度指標也是眾望所歸。目前.國外表示質點振動強度的指標有位移、速度、加速度和頻率。各國的規定有所不同。例如,美國早期曾采用加速度作為地震動強度的指標,而英國、葡萄牙、加拿大、瑞典、俄羅斯等國則采用質點振動速度作為地震動強度的指標。但是,由于在爆破震動作用下使建(構)筑物破壞的主要因素是振速和頻率,僅考慮單一因素是不合理的。因此,一些主要西方國家在制定爆破振動安全標準時,普遍考慮了振速和頻率的共同影響。舉例說明如下。

(1)美國的爆破震動安全判據。根據對建筑物的保護程度不同,不同行業部門制定了不同的安全判據。美國礦業局(USBM)和露天礦復墾管理局(OSMRE)分別制定 了各自的標準,將此兩個標準合成以后,成為日前國際上比較流行的爆破震動安全判據 (圖1 )。

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(2)德國爆破震動安全判據(BRD-DIN4150)。將建筑物分為:①工業和商業建筑;②民用建筑;③重點保護建筑三種類型,綜合考慮了爆破引起的最大質點振速和振動頻率的影響,充分反映了不同頻率的爆破震動對建筑物的影響,如圖2和表l所示。

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1.4 從與國際接軌角度看的必要性

我國加入WTO已成定局。在我國成為WTO成員國以后,國外一些大的工程公司 (包括爆破公司)將進入我國市場,我國爆破工作者也將有更多的機會走向國際市場。 無疑,在國際爆破工程競標中使用國際流行的先進爆破震動安全判據指標將有利于中標,從這一角度看,亦需要將振功頻率引入我國爆破震動安全判據中。

2 采用速度-頻率作為震動強度指標的可能性

應該說,目前我國具備了以速度-頻率作為震動強度指標的基本條件,有可能將二者納入爆破震動安全判據中,主要依據是:

(1)國外有眾多國家的經驗可以借鑒,特別是美國、德國的標準已執行了多年。

(2)國內已有不少單位利用國際上先進儀器進行了大量的觀測,積累了相當豐富的資料,例如:美國NCSC5OOO型電腦控制數字輸出測震儀(NOMIS COMPUTER SYSTEM CORPORATION 5000 Portable Microprocessor Based Digitizing Seismograph)主體由固化的電子計算機、熱敏打印機和可充電蓄電池組成;輔體由三維傳感器和噪聲測試麥克風組成。可以測出質點三維振動速度及其矢量和、振動加速度、質點振動位移、振動頻率和噪聲強度、噪聲頻率,同時畫出質點振動速度與頻率之間的關系圖和地震波形圖,還能繪出美國USBM和OSMRE安全判據圖或DIN4150爆破振動安全標準。測試結果在爆破后1min由熱敏打印機打印輸出。NCSC5000型測震儀使用方便、抗干擾能力強、數據準確程度高,是目前國內外進行爆破地震測試的最先進設備。

國內已采用上述先進儀器分別對硐室爆破、臺階爆破、拆除爆破等進行了相當數量的觀測,得到了一批有價值的資料。

(3)近幾年來,在公安部三局和中國工程爆破協會的主持和組織下,對全國工程爆破技術人員進行了系統的培訓、考核,整個行業的技術人員素質有了顯著的提高,具備了執行國際先進的爆破震動安全標準的水平。

3 采用速度-頻率作為震動強度指標的具體建議

(1)吸收國外有關標準的有益數據與經驗,并根據我國爆破技術人員已經掌握的實測數據資料制定出我國新《爆破安全規程》的有關規定,即巖石爆破對地面建筑物和隧道的爆破震動安全判據可采用地面質點振速和主振頻率兩個指標。以主振頻率的不同頻段確定相應的振速,其基本形式類似于圖3所示。圖中地面建筑物和隧道類別可以根據已有資料適當增加。

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(2)建立常見建(構)筑物自振周期表。為防止爆破振動頻率與建(構)筑物自振頻率相近而引起的共振現象,必須了解建(構)筑物的自振頻率或自振周期。表2列出了常見建(構)筑 物的自振周期[1]。

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(3)爆破振動頻率的計算。目前國內有兩種計算公式計算爆破振動頻率。

文獻[2]提出用下式計算爆破地震動引起的地面質點振動頻率:

f=( kfC7/5s./ Q1/3 ) • ( Q1/3 / R)2/5        (1)

式中, kf為頻率系數,kf=0.01~0.03; Cs為巖石的橫波波速,cm/s;Q為相同距離同時起爆的總藥量, kg; R為測點至爆源距離, m。

文獻〔3]提出的振動頻率計算公式如下:

f=k(Q1/3 /logR)1/2    (2)

式中,k為系數,對于硐室爆破,k=0. 8~5. 0;對于臺階爆破,k=5.0~50;對于拆除爆破,k=1.0~10;藥量大時系數取小值,反之取大值。上述兩個公式都是在一定試驗條件下獲得的經驗公式,為計算爆破振動頻率做了有益的探索。可以試用,但將它列入新《爆破安全規程》中,條件尚不成熟。

4 結束語

筆者在分析了我國采用振速-頻率作為震動強度指標的必要性與可能性之后,提出了在制定我國新的統一的《爆破安全規程》時,應考慮振速與頻率綜合影響的建議,即將振動速度和主振頻率兩個指標作為爆破震動安全判據。同時指出,在目前尚無一個理想的、被普遍接受的振動頻率計算公式的條件下,根據我國已有的實測數據制定出不同地面建筑物和隧道的保護對象所在地的質點峰值振動速度和對應的頻率,以經驗數據代替計算公式,這是目前唯一可行的方法。

參考文獻

[l]黃吉順, 蔣志光.爆破振動工程特性及其安全技術措施. 工程爆破文集(第六輯).深圳:海天出版社,1997.

[2]焦永斌.爆破地震安全評定標準初探.爆破, 1995,(3): 45~47.

[3]唐春海等.爆破地震動安全判據的初步探討.有色金屬(季刊), 2001,53 (1):l~3.

 

摘自《汪旭光院士論文選集》



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