爆破振动对建筑物影响测试要点

第 17卷 � 第 4期 东 � 北 � 地 � 震 � 研 � 究 Vo1�17 � No�4 � 2001年 12月 � SEISMOLOGICAL RESEARCH OF NORTHEAST CHINA Dec�2001 爆破振动对建筑物影响测试要点 任锡泰 (山东省地震局, 山东 � 济南 250014) 摘� 要: 针对爆破振动对建筑物影响的测试方法、测试物理量选择、仪器性能要求、现场测试技术以及 数据处理和要点等问题进行了较为系统的介绍, 可供从事该项工作人员参考。 关键词: 爆破; 振动; 测试 中图分类号: TB41 � � � � 文献标识码: A � � � � 文章编号: 1004�2865 ( 2001) 04�0054�05 收稿日期: 2001�05 作者简介: 任锡泰 ( 1944�10) , 男, 山东省济南市人 �1967年毕业于哈尔滨工业大学, 高级工程师, 现从事地震工程与地震灾害 预测研究工作 � 1 � 引言 当炸药爆炸时, 将在围岩内产生强烈的应力波。当应力波强度衰减到不能再使岩石产生永久变 形时, 就以弹性波 (体波) 的方式在岩石内传播, 到达地球面时引起的面波, 将对建筑结构产生 破坏影响, 这就是爆破地震的振动破坏机制。通过实地测试研究爆破地震对建筑物影响程度主要有 以下几种方法: ( 1) 单一参数法。该方法是选择与建筑物破坏相关性较好的地震动参数, 以此为控制参量, 通 过观测并以相应的安全标准为依据, 判定对建筑物的影响程度; ( 2) 地震烈度法。爆破地震烈度是地震烈度概念在爆破地震效应研究领域的引伸。该方法考虑 了地震波的频谱特性和结构的自振周期; ( 3) 动力分析法。该方法沿用地震工程学中的反应谱理论和动力分析方法, 对爆破地震进行频 谱和反应谱分析, 计算结构的动力反应和结构中产生的应力应变, 能比较准确地进行震害分析并指 导抗震设计, 是目前最先进的方法。 将上述三种方法进行比较, 单一参数法尽管存在其结论带有片面性和保守性, 对不同场区和不 同建筑的适应性较差的缺陷, 但是由于该方法简单, 无须繁琐计算, 在一般爆破工程中能够满足安 全评定的要求, 实用性强。因此, 仍为目前最广泛采用的方法。�爆破安全规程 ( GB6722- 86) 中, 针对该方法制定了控制标准, 为判定结论提供了依据。本文仅就此方法予以阐述。 2 � 振动参量及安全判据 目前, 在爆破工程中, 振动控制参量可采用地震动加速度、速度和位移。从物理机制分析, 加 速度与惯性力相联系, 速度与能量相关, 而位移则反映变形。大量实践证明, 振动速度与建筑破坏 的相关性较好, 因此, 目前国内外倾向于采用振动速度作为控制参量。�爆破安全规程 ( GB6722 - 86) 对安全振动速度作出明确 (见表 1) , 新的 �爆破安全规程 (征求意见稿) 中, 又按频 率分段进行了修定 (见表 2) , 因此在采用单一参数法进行爆破地震观测与分析时, 应以振动速度 值为测试参量, 并根据有关标准, 对建筑物进行安全评估。 表 1 � 爆破安全振动规定 ( GB6722- 86) 序号 地面建筑物和隧道分类 安全振动速度 ( cm/ s) 1 土窄洞、土坯房、毛石房屋 1� 0 2 一般砖房、非抗震大型砌块建筑物 2~ 3 3 钢筋混凝土框架房屋 5 4 水工隧洞 10 5 交通隧洞 15 6 矿山巷道: 围岩不稳定有良好支护 围岩中等稳定有良好支护 围岩稳定无支护 � 10 20 30 表 2� 爆破振动安全标准 (新 �爆破安全规程 征求意见稿) 序号 地面建筑物和隧道的分类 不同频段的爆破振动速度 ( cm/ s) ( 1~ 10) Hz ( 10~ 50) Hz ( 50~ 100) Hz 1 土窑洞、土坯房、毛石房屋 0� 5 0�5~ 1� 0 1� 0 2 一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物 1� 0 1�0~ 2� 5 2� 5~ 3�0 3 钢筋混凝土框架房屋 2� 0 2�0~ 4� 0 4� 0~ 5�0 4 一般古建筑与石迹 0� 2 0�2~ 0� 6 0� 6 5 水工隧道 5 5~ 8 8~ 10 6 交通隧道 7 7~ 12 12~ 15 7 矿山巷道 20 20~ 40 40~ 60 8 水电站及发电厂中心控制室设备 0� 2 0�2~ 0� 5 0� 5 9 电站中控室厂房及输、变电设备基座 3� 0 3�0~ 4� 5 4� 5~ 5. 0 10 新浇大体积混凝土块 龄期 1~ 3 天 1� 5 1�5~ 2� 0 2� 0~ 2�5 龄期 3~ 7 天 2� 5 2�5~ 5� 0 5� 0~ 7�0 龄期 7~ 28 天 7� 0 7�0~ 9� 0 9� 0~ 10 3 � 对观测仪器的要求 为了减少微积分电路造成的误差, 爆破振动速度观测应尽可能选用速度传感器+ 线性放大器系 统。早年国产的 65型拾震器、GZ- 2型测振仪以及近年生产的 891型传感器和配套测振仪均能胜 任一般测试任务。由于微分环节易引起高频干扰, 因此尽量不选用位移传感器+ 微分放大器系统。 无论选用何种仪器, 从技术指标上, 应该考虑系统灵敏度、频带宽度及传感器的最大量程。由于爆 破振动产生的信号电平较高, 因此对测试系统的噪声指标要求不高。 4 � 测试分量及测点布设 4�1 � 测试分量数的确定 554期 任锡泰: 爆破振动对建筑物影响测试工作要点 每个测点需要测试几个方向的分量, 由测试要求决定。一般情况下, 由于建筑物垂直方向抗震 储备能力较大, 可以仅进行水平方向两个分量的测试, 即测试径向振动速度 V 径 和切向振动速度 V切。有时为了安全起见, 需增加测试垂直向振动速度 V垂。此时, 测点质点振动速度为三个分量 的矢量和, 即 V = V 2径+ V 2切+ V 2垂。 4�2 � 测点布设 对一具体的爆破施工, 当只需了解某些指定的建筑物的安全程度时, 仅在相应建筑物附近地面 布设测点即可; 当需了解不同地形、地物对爆破地震的响应情况时, 应将测点布设在其附近。例 如, 当研究地层断裂对爆破地震波的影响或研究隔震带减震效果时, 应将测点布设于其两侧。当需 要了解振动强度随距离的衰减规律和确定安全距离时, 则布置一条多测点构成的测线。此时测点的 布设应掌握三条原则: ( 1) 由于爆破地震效应在爆源的不同方位有明显差异, 其最大值一般在爆破 自由面后侧且垂直于炮心连线方向上, 因此, 应沿此方向布设测点; ( 2) 由于爆破振动的强度随距 离的增加呈指数规律衰减, 测点间距应该是近密远疏, 最好按对数坐标确定测点距离; ( 3) 为了保 障振动强度衰减公式的拟合精度, 测点数不宜太少, 最好要保证 8个以上测点, 最少不得少于 6 个。 5 � 测试前的准备工作 5�1资料收集 ( 1) 一般资料 !工程名称和详细地点; ∀地形、地质资料以及周围的地物、地貌; #过去已进行过的测试资料; ( 2) 爆破的有关参数 !爆破类型和编号, 详细的平面图、断面图及起爆顺序; ∀设计参数: 最小抵抗线大小、药包间距、排距、药包数量、分段爆破药量、延迟时间和单位 耗药量及岩石硬度系数等; #装药状况: 每一药室和炮孔的装药量、炸药品种、装填密度; 药室和炮孔参数; 起爆方法; 堵塞条件。 5�2 � 宏观考察 在爆破进行以前, 宜对某些建筑物的结构型式、新旧程度、破坏现状等进行调查, 以备在爆破 之后进行复查, 了解有无新的破坏。这项工作对于微观测试是一个有益的补充和验证。 5�3 � 仪器参数的预调 为了获得较理想的效果, 必须对仪器参数进行合理的预调整, 为此, 需根据已搜集的资料 和下列公式估算各测点的振动速度值: � � � � � � � � � � � � � V= K 3 Q R � ( 1) 式中: Q : 药量 (公斤) , 齐发爆破时为总药量, 微差爆破时为最大一段药量; R : 与爆源间距离 ( m) ; V : 质点振动速度 ( cm/ s) ; K、�: 场地系数。 K 值的大小与爆破方法、岩石性质及测点处的岩土性质有关; �值主要取决于爆岩性质及地震 56 东 � 北 � 地 � 震 � 研 � 究 17卷 波传播介质的特性, 其大小反映了振动速度随爆心距的增加而衰减的快慢程度。 下面列出国内已取得的经验数据供参考使用。 表 3 � 爆区不同岩性的 K 、�值 岩性 K � 坚硬岩石 50~ 150 1� 3~ 1� 5 中硬岩石 150~ 250 1� 5~ 1� 8 软岩石 250~ 350 1� 8~ 2� 0 5�4 � 拾震器的安装与固定 为了使拾震器真实地记录测点爆破地震动的信号, 拾震器必须与测点表面牢固地结合在一起。 为此可采取以下措施: ( 1) 当测点表面为岩石时, 可在岩石表面浇筑平整的混凝土平台; ( 2) 当测 点为土质表面时, 应在表土上铺以碎石, 经人工夯实后浇筑混凝土平台; ( 3) 拾震器与测点平面的 连接方式可采用速凝水泥砂浆或环氧树脂。 除此以外, 仪器在使用前应进行标定。在爆破现场与放炮人员约定起爆时间等细节问题也不可 忽视。 6 � 数据处理 通过各测点数据的时域分析和频域分析, 可得出振动速度值及其主频率。现有数据处理软件 (如东方振动与噪声研究所的 DASP) 具有很强的分析功能, 在此不予赘述。下面只介绍爆破药量、 距离与振动速度三者之关系的公式推导。 如前所述, 药量、距离和振动速度三者的关系, 通常采用公式 ( 1) , 问题归结为 K、�值的计 算: � � � � � � � � � � � � � �= ∃ n i= 1 x i- x y i- y !n i= 1 x i - x 2 (2) � � � � � � � � � � � � � K = 1g- 1 y- � x (3) 为了验证拟合曲线的可靠程度, 利用下式进行相关系数计算: � � � � � � � � � � � � � �= ! ( x i- x ) ( y i- y )! ( x i- x ) 2 ! ( yi- y ) 2 12 (4) 其中 y= 1g V, x= 1g Q 1 3 R , n 为测点数 由于测量中各种误差的存在, 严格说应对误差范围作出估计。具体方法在有关文献中多有介 绍。 由于爆破振动测试结果针对性较强。不同爆破条件时的 K、�值的离散度较大。因此, 报告中 必须明确所得结论是针对某次爆破而言。 7 � 测试结论与分析 ( 1) 一般情况下, 测试结论的内容主要是根据测试数据和国家标准的规定, 明确现有房屋已有 损坏与爆破振动有无关系, 给出本次爆破施工时的建筑物安全距离; ( 2) 对测试结果和结论意见要做必要的分析和解释。 574期 任锡泰: 爆破振动对建筑物影响测试工作要点 !对于测试得出的异常数据, 例如距离远的测点比距离近的振动速度值大, 在复查确认测试本 身无误后, 应该从地形、地物对地震效应的影响等方面寻找原因, 作出解释。如笔者对鲁南水泥厂 石灰石矿爆破振动测试时, 某点振动速度比前一点还大, 不符合衰减规律。经调查分析, 其原因是 该测点位于一深沟前沿, 振动波在此处由于波阻抗的变化引起反射, 造成同相位叠加所致; ∀对建筑物影响的具体结论意见确定后, 应对国家标准中的安全振动速度值的规定做如下解 释: 安全振动速度值是对爆破施工加以限定的数值, 实测结果小于这个数值, 建筑物肯定是安全 的, 但并不是说达到这个数值建筑物就一定损坏; #一次爆破与多次爆破对建筑物的影响。应该肯定, 对于完好房屋而言, 如果一次爆破对其不 产生损坏影响, 说明该房屋在本次振动作用下处于弹性变形范围内, 那么多次重复同样的爆破施 工, 一般情况下不会造成损坏。但是如果房屋原有损坏, 那么多次爆破将会扩大原来的损坏程度。 这一点在测试报告中要予以明确; %如果测试结论是爆破振动对建筑物无影响, 但是在本次爆破之前测区内房屋确有损坏, 而施 工单位在此前又多次进行过同类施工。在这种情况下, 应该分析房屋损坏的原因。可以对宏观考察 结果按房屋结构特点、新旧程度、破坏程度进行分类排队。看其破坏程度与建筑年代的关系、破坏 程度与爆源距离有无规律性关系。同时对施工质量、地基处理情况及地质情况做比较详细的了解。 必要时, 可对与爆源距离相近甚至更远的其它地区的房屋情况进行调查对比, 综合分析得出破坏原 因。笔者在山东兖州地区的一次测试中, 曾按上述思路开展工作, 最后查清房屋破坏原因是: 该处 地基土为膨胀土, 具有较大的吸水膨胀、失水收缩的的变形特点, 建造在该地基土上的房屋随季节 变化反复出现不均匀沉降, 在干旱年份造成的损坏尤为明显。 参考文献 [ 1] 霍永基, 等 � 爆破地震效应及安全评定方法探讨 � 土岩爆破文集 (第二辑) [ C] � 北京: 冶金出版社, 1985 [ 2] 张雪亮, 等 � 爆破地震效应 [ M ] � 北京: 地震出版社, 1981 TEST ING KEY POINTS FOR THE INFLUENCE OF BLAST VIBRAT ION TO BU ILDING REN Xi�tai ( Seismological Bur eau of Shandong Province, Shandong J inan 250014) ABSTRACT � As to the influence of blast v ibration to building , t his ar ticle g ives a detailed descr iption on the key problems such as test ing methods, physical indexes, requir ements of instrument per formances, testing techniques and data processing analyses, w hich also prov ides some references for the professionals in this field� Key words: Blast ; V ibration; Testing 58 东 � 北 � 地 � 震 � 研 � 究 17卷