频繁爆破振动对框架结构楼房质量影响的研究论文


     本科毕业设计说明书 频繁爆破振动对框架结构楼房质量影响的研究 STUDY ON THE INFLUENCE OF FREQUENT BLASTING VIBRATION ON THE QUALITY OF FRAME STRUCTURE BUILDINGS 学院(部): 化学工程学院 专业班级: 弹药工程与爆炸技术12-5 学生姓名: 付傲然 指导教师: 李洪伟 副教授 2016年5月30日 频繁爆破振动对框架结构楼房质量影响的研究 摘要 现如今,随着爆破技术越来越普遍的应用于建筑行业、采矿及其他工业,工程爆破(岩石爆破和城市控制拆除爆破)已成为当今及其常见的工程施工技术。矿山、采石场和楼房地基的某些情况下的建设,都需要进行岩石爆破;而在旧城改造的过程中,也少不了城市控制拆除爆破这项技术的运用。但是,在带来诸多便利的同时,工程爆破的危害,特别是爆破振动的危害,会给我们带来不少的困扰。它会使邻近建筑物或构筑物产生某些破坏,使其周围地质产生诸如塌方和危石之类的危险因素,这会给经济建设进程带来不少不必要的阻碍,比如产生某些不必要的经济纠纷或重大安全事故,造成不必要的损失。本文将从爆破地震波的参数着手,主要是对所实地测得数据进行分析,全面探讨爆破地震波对框架结构建筑物动力作用的特点,从而为进一步有效控制爆破地振动造成的危害提供参考。 为了能搞清爆破振动对框架结构的影响,本文大致从两方面对这个问题进行探讨,一是说明爆破振动波的传播规律,二是研究框架结构楼房对爆破地震波的动力响应问题。文章通过对某框架楼房内的爆破振动实地测试,并进行适当的数据处理,得出普遍情况下框架结构楼房内不同地点对爆破振动的响应规律。最后围绕爆破地震波的三要素,通过分析得出框架结构楼房在频繁爆破振动作用下,不同位置和不同楼层的振动幅度呈现一定的规律。 本文的结论在一定程度上说明了框架结构楼房对爆破地震波的响应特点,且在工程实践中得以证实,具有一定的可信度,可以用于实际工程的参考。 关键词:频繁爆破振动,爆破地震波,框架结构楼房,测震仪 STUDY ON THE INFLUENCE OF FREQUENT BLASTING VIBRATION ON THE QUALITY OF FRAME STRUCTURE BUILDINGS ABSTRACT Nowadays, with more and more widespread application of blasting technology in the construction industry, mining and other industrial engineering blasting (rock blasting and controlled blasting demolition of city) has become the common engineering and construction technology. The construction of some mines, quarries and building foundation under the need in the process of rock blasting; the transformation of the old city in the city, and ultimately controlled demolition using blasting of this technology. However, it brings many conveniences, hazards of blasting engineering, especially the hazard of blasting vibration, will bring no less trouble to us. It will make the adjacent buildings or structures caused some damage to the surrounding rock hazard such as landslide and dangerous rock like factors, this will give the process of economic construction, bring a lot of unnecessary obstacles, such as the generation of some unnecessary economic disputes or major accidents, cause Necessary losses. This paper will from the blasting seismic wave parameters set, mainly on the field measured data analysis, a comprehensive study of blasting seismic wave of frame structure building dynamic characteristics, so as to further effective control blasting vibration damage to provide reference. In order to understand the influence of blasting vibration on the frame structure, this article from two aspects of this problem are discussed, one is to explain the propagation law of blasting vibration wave, two is the response of frame building on the power of blasting seismic wave. The blasting vibration of a frame building in the field test, and appropriate data processing, different place building frame structure under general conditions on Response Law of blasting vibration. Finally, around the three elements of blasting seismic wave, through the analysis of frame building in frequent blasting earthquake action, different positions and different floor vibration amplitude showed a certain pattern. The results show that the frame structure of the building in response to the characteristics of the blasting seismic wave in a certain extent, and it was proved in the engineering practice, has a certain credibility, can be used in practical engineering. KEYWARDS:frequent blasting vibration,blasting seismic wave,、frame structure building,seismic instrument 目录 摘要(中文) I 摘要(外文) II 1绪论 1 1.1 引言 1 1.2 相关领域的研究现状 1 1.2.1 爆破地震参数计算的相关研究及现状 2 1.2.2 爆破振动危害评价标准的研究 3 1.3 课题的研究内容 5 2爆破地震波形成的机理及其在对框架结构的影响 7 2.1 概述 7 2.2爆破地震波的形成机理 7 2.3 爆破地震波的特性 7 2.4 爆破地震波的传播规律 8 2.5 爆破地震对框架结构的影响 10 3爆破振动的危害及预防措施 11 3.1 爆破振动的危害 11 3.1.1 爆破振动对人的危害 11 3.1.2 爆破振动对建(构)筑物的危害 11 3.1.3 爆破振动对环境的危害 11 3.2 爆破振动影响下框架楼房的减震措施 12 3.2.1 楼房方面采取的措施 12 3.2.2 爆破施工方面采取的措施 12 4爆破振动的测试以及数据处理 14 4.1 爆破振动的测试原理 14 4.2 爆破振动的测试方法 14 4.2.1 测震传感器 14 4.2.2 爆破振动自记仪 14 4.3 爆破振动的实例分析及数据处理 16 4.3.1 现场情况概述 17 4.3.2 现场测试方案 18 4.3.3 测试结果与数据处理 18 5总结 31 5.1结论 31 5.2不足与展望 31 参考文献 33 致谢 34 1绪论 1.1 引言 随着爆破技术的不断发展和完善以及城镇建设改革的需要,工程爆破的应用范围己由最早的采矿、修路发展到今天的城市大型建(构)筑物的拆除、基坑的开挖以及城区道路和机场的平整建设等;爆破的环境也己由人烟稀少的荒郊野外转移到人口密集的城镇。工程爆破的应用极大地降低了人们的劳动强度,加快了建设速度,提高了工作效率。但是随着爆破技术的广泛应用,人们越来越关注爆破对周围环境和建筑物造成的影响,尤其是爆炸时产生的灰尘、振动等问题更加得到了重视。 炸药爆炸释放出来的能量以两种形式表现出来,一种是冲击波,另一种是爆炸气体。随着传播距离的增大,冲击波衰减为应力波和地震波,地震波引起的(近地表)地面振动称为地振动。当这种振动达到一定强度时,就会对爆区周围的建筑物造成一定的破坏。因此,很多爆破工作者正在进行不断地试验和研究,来寻求有效地控制爆破振动效应的方法[1]。 生活中,爆破作业产生的爆破振动,会给我们实际的居住环境带来很多方面的影响,有可能造成楼房质量急剧下降造成不必要的事故,也会影响我们正常的生产和生活。而现如今框架结构楼房已经逐渐代替传统砖混式结构,成为楼房结构的主流,所以研究框架楼房在频繁爆破振动下的质量变化,减小爆破振动危害有非常重要的意义。研究爆破振动对框架楼房的影响,主要是探究爆破作用下地震波的传播规律,以及框架楼房在振动影响下的相应变化,为确定合适的爆破方案、装药方式、单孔装药量以及单响药量的确定提供理论的依据,从而在爆破振动危害的允许条件下,使爆破达到最佳的效果。 框架式楼房主要以混凝土地基混凝土柱子混凝土楼板作为受力支撑,各个受力部位都是有钢筋和砼(混凝土)相连,优点是稳固性强,空间设置灵活,其抗震性相比于传统砖混结构的要好一些,有的框架楼房在剪力墙的帮助下抗震能力又会再上一个档次。因此,研究这种楼房在频繁爆破振动下的质量变化,有着极其重要的意义。 对于如何评价爆破振动对建筑物或构筑物造成破坏的标准,人们一直采用的是质点的峰值速度。因为爆破振动的破坏程度与质点振速大小的相关性最好,而且用质点振动速度可以将地震波所携带的能量与所产生的地应力、在结构中所产生的动能与内力联系起来。大量的实践表明,质点振速越小,建筑物的破坏就越不明显,反之破坏就很严重,因此可以认为用质点振动速度来衡量爆破地震效应是很可行的[2]。 因此,为了搞清楚框架结构楼房对爆破地震波的响应特点,我们在本文中进行结构响应分析时,主要是考虑质点振动速度和振动频率等爆破振动因素,来对此课题进行全方位的讨论。 1.2 相关领域的研究现状 研究爆破地震波对周围建筑物的影响要主要分析两方面内容,一方面是爆破地震波的特性及传播过程,另一方面就是不同特性的建筑物对地震波的响应情况,前者很多爆破工作者已经做了大量工作,而后者最近才为大家所关注,所以很多理论都不够成熟,待进一步研究。 1.2.1 爆破地震参数计算的相关研究及现状 国外第一个爆破地振动规律是1950年由Morris[3]提出的,该经验公式考虑了装药量、测点与爆区的距离以及爆破场地的特征参数,以质点最大振幅作为爆破安全的评价标准,该经验公式的出现为后来的评判标准提供了理论研究方向。1967年Lecont[3]对Morris的公式进行了修正,用质点最大振速取代质点最大振幅作为评价爆破对周围建筑物等的影响程度。接下来的几年里AmbraseysHendron以及Dowding[4]通过研究也得到了同样的结果,引入了比例距离一项,并对经验公式进行了修正,该公式在爆破领域中得到了广泛的应用。除了对质点峰值进行研究外,前苏联学者[5]研究结果表明,振动持续时间与起爆药量之间的关系不明显,而与测试距离存在一定的关系。 国内在爆破地震波研究方面要比国外晚,但是也取得了一定的成绩。在经验公式的研究方面,由于区域性地质的问题,各个地方的差异较大,工程上一般采用萨道夫斯基公式[6],韩子龙[7]发现结构物在爆破地震作用下,其破坏程度与爆破地震引起的地面质点振动速度成正比,与频率比(即地面振动频率与结构自振频率之比)的常用对数成反比,以此为根据引进折合速度的概念得出长沙矿冶院公式。 另外,从上世纪以来常用的公式有以下几个。 ①美国矿业局对二十个采石场和建筑工地的爆破振动观测数据进行统计分析后,戴维在1966年提出了振速的计算公式: (1-1) 式中,K和分别为现场的特征系数和指数。 ②奥特维尔等人对欧洲采石场的爆破振动观测数据进行了统计分析,于1955年提出的振速公式如下: (1-2) 式中,K和分别为现场的特征系数和指数。 ③日本矿业会爆破振动研究委员会和物理探矿技术协会土木探矿研究会在1976年发布的《爆破振动测定指南》中并未涉及振动速度的计算公式,代之而行的是各公司的规定。 旭化成工业株式会社提出: (1-3) 式中:K——与爆破条件、地质条件有关的系数,掏槽爆破时,K=500~1000,台阶爆破时K=200~500; ——指数,爆区为粘土层时,=2.5~3.0,爆区为岩石时,=2.0; Q——药量,10Kg<Q<3000Kg; R——爆心距,30m<R<1500m. 我国爆破安全规程采用的是前苏联科学撒道夫斯基提出的经验公式。由以上经验公式可知,建筑结构物产生的质点最大振速与应力成正比,说明质点振动速度是判断结构物是否破坏的重要物理量。所以国内外大多把质点的最大振速作为衡量建筑物破坏的判据。在条件允许的情况下,为了保证爆源周围房屋的安全性,必须实时监测爆破作业下质点的最大振速,通过工程实践中测得的数据研究框架结构楼房在爆破作用下的振动响应,并利用萨道夫斯基公式以及其修正形式进行线性回归分析,获得爆破振动反应中的振速衰减规律的K和值,进而研究爆破地震波的衰减规律[6]。 1.2.2 爆破振动危害评价标准的研究 上述我们对爆破地震波的参数进行了研究,目的是为了能更准确的预报爆破地振动对目标物的影响程度。过去我们一直都将质点振速作为评价爆破振动危害的唯一标准,但是经过这些年的实践与研究我们发现爆破地震波的频率也是一个非常重要的影响因素[7]。 很多国内学者在这方面做了大量卓有成效的工作,在爆破研究工作中取得了很大的进展,李孝林[8]对爆破振动测试结果的分析表明,频率在爆破震害中起重要作用,因而在建筑物爆破振动安全评价中应同时考虑振动幅值和频率两个指标。文中分析了爆炸能量、起爆段数、距离以及传播介质对爆破振动频率的影响,通过对爆破振动频率影响因素的分析得知,在爆破振动测试结果的分析中,应充分注意到爆破条件和测试条件的变化。叶海旺[9]等从爆破振速和爆震频率两方面介绍了爆破地震对结构的影响以及非爆破因素对结构的影响,并围绕这些所进行的各项研究和实验。 爆破振动危害评价标准在不同时候都有不同变化,我国的爆破界学八方之长,经过不停的经验总结,发布了适应当今形势的爆破安全规程,以下表格是最新的安全允许标准[10]。 表1.1 爆破振动安全允许标准 序号 保护对象类别 安全允许振速(cm/s) <10Hz 10Hz~50Hz 50Hz~100Hz 1 土窑洞、土坯房、毛石房屋a 0.5~1.0 0.7~1.2 1.1~1.5 2 一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物a 2.0~2.5 2.3~2.8 2.7~3.0 3 钢筋混凝土结构房屋a 3.0~4.0 3.5~4.5 4.2~5.0 4 一般古建筑与古迹b 0.1~0.3 0.2~0.4 0.3~0.5 5 水工隧道c 7~15 6 交通隧道c 10~20 7 矿山巷道c 15~30 8 水电站及发电厂中心控制室设备 0.5 9 新浇大体积混凝土d: 龄期:初期~3d 龄期:3d~7d 龄期:7d~28d 2.0~3.0 3.0~7.0 7.0~12 注1:表列频率为主振频率,系指最大振幅所对应波的频率。 注2:频率范围可根据类似工程或现场实测波形选取。选取频率时亦可参考下列数据:硐室爆破<20Hz;深孔爆破10Hz~60Hz;浅孔爆破40Hz~100Hz。 a选取建筑安全允许振速时,应综合考虑建筑物的重要性、建筑质量、新旧程度、自振频率、地基条件等因素。 b省级以上(含省级)重点保护古建筑与古迹的安全允许振速,应经专家论证选取,并报相应文物管理部门批准。 c选取隧道、巷道安全允许振速时,应综合考虑构筑物的重要性、围岩状况、断面大小、深埋大小、爆源方向、地震振动频率等因素。 d非挡水新浇大体积混凝土的安全允许振速,可按本表给出的上限值选取。 GB6722-2014.爆破安全规程[S].北京:冶金工业出版社,2015 此标准将主振频率和振速作为衡量爆破振动影响大小的主要因素,这种评价标准很科学合理,这也是我们现在公认最准确的安全评价标准,以此作为工程爆破中的安全依据很具有可行性[10]。 1.2.3 框架结构楼房对爆破振动的响应研究 工程爆破时地震波在地质材料中的传播及对地下结构的作用,往往引起结构不同程度的损伤。这种消极效应如不加以有效地控制,往往会带来安全隐患,因此研究爆破引起的爆破地震波对建筑结构的影响,具有重要的现实意义。 国外主要通过爆破地震烈度法来评价地震波对建筑物的影响,这种方法是以宏观震害为依据,将单一参数法同动力法的反应谱分析相结合,沿用天然地震中的振动烈度的概念形成的[11]。 大致总结起来,框架结构楼房对爆破振动的响应研究方式,有以下几种。 (1)地震烈度法 这种方法是以宏观震害为依据,将单一参数法同动力学方法的反应谱分析相结合,沿用天然地震中的振动烈度的概念形成的。其中,最有代表性的是前苏联的学者采用周期从0.15到0.8秒范围内反应谱平均值的谱烈度。该方法考虑了地震波的频谱特征和结构自振周期。比单一参数法前进了一步。然而,从爆破地震反应谱曲线的特征来看,频谱范围很宽,且衰减很快,采用平均值必然带来很大的误差,所以这种方法也是一种粗略的衡量方法。 C.B麦德维捷夫于1967年提出了一个爆破地震烈度表,它将不同的谱烈度与爆破振动的破坏特征联系起来建立了12级的爆破振动烈度表,这种用爆破振动烈度表的方法是从振动烈度表的宏观概念中移植过来而制定的,因此存在着一些问题和缺点。 (2)反应谱法 反应谱理论是以质点弹性体系在实际地震过程中的动力响应为基础来进行结构反应分析的。按照这一理论,应用反应谱曲线,就可以按照实际的地面振动来计算建筑物的动力响应。采用这一理论计算结构动力荷载,首先将不同的建筑物简化为不同的单质点或多质点体系,然后求得结构的自振特性,即自振频率和对应的振型曲线。 (3)时程分析法 反应谱理论虽然同时考虑了建筑结构各频段振动幅值的最大值和频率两个要素,但爆破振动持续时间却未能得到明确的反应。鉴于此,许多学者提出了时程分析法,时程分析法又称直接动力法,在数学上又称逐步积分法。其基本思想是:把爆破振动的加速度地震波作为建筑结构的荷载输入列入建筑结构振动方程的右端,解方程得到结构的位移、速度、加速度公式,再将时间离散化,自爆破振动发生的起始状态开始,对时间逐步积分求解,从而可以看到建筑结构响应的全过程[12]。 1.3 课题的研究内容 目前,国内外学者对于爆破振动做了大量的研究,也取得了丰硕的成果。本文将在 前人对此研究的基础上重点对以下方面进行分析: (1)研究爆破振动产生的机理,振动波形成的原因,概括和总结影响爆破振动的因素。 (2)研究爆破地震波的传播规律。 (3)研究框架结构楼房对爆破振动的响应问题。 (4)对振动波的实地工程测试方法进行研究,包括测试目的、内容、方法、仪器,测点的布置、测试结果分析; (5)在前面理论、实践、模拟的基础上,研究降低爆破振动对框架结构楼房危害的措施。 2爆破地震波形成的机理及其对框架结构的影响 2.1 概述 炸药在岩石中爆炸时会产生强烈的冲击波和应力波,邻近药包周围的岩石会产生压碎圈和破裂圈。随着传播距离的增加,逐渐衰减不再能够引起岩石的破裂而只能引起岩石质点产生弹性振动,这种振动是以弹性波的形式向外传播的,造成地面的振动,因而又称为地震波。爆破地震波虽然不能够使岩石破坏,但是它会引起岩石的强烈弹性振动,从而使爆破场地周围建筑物出现破坏甚至倒塌现象,露天边坡滑动以及地下巷道中岩石裂开、冒落或倒塌,形成严重的爆破地震效应。 框架结构作为当今楼房结构的主流种类,相比传统砖混结构有很多不同点,爆破振动在框架结构中的传播有别于在其他类别介质中的传播规律,本文经过查阅文献资料,在后面的介绍中表明了对这个内容的一些认识。 2.2爆破地震波的形成机理 炸药在岩(土)体中爆炸时,一部分能量对炸药周围的介质引起扰动,并以波动形式向外传播。通常认为:在爆炸近区(药包半径的10至15倍),传播的是冲击波。在中区(药包半径的15-150倍)为应力波。当应力波继续向外传播,波的强度进一步衰减,其作用只能引起质点做弹性振动,而不能引起岩石破坏,这种波称为弹性波。地震波是一种弹性波,它包含在介质内部传播的体波和沿地面传播的面波。 体波可分为纵波和横波。纵波是由震源向外传播的压缩波,在传播过程中能引起介质产生压缩和拉伸变形。其特点是周期短,振幅小和传播速度快。横波是由震源向外传播的剪切波,在传播过程中能引起介质质点产生剪切变形。它的特点是周期长,振幅较纵波大,传播速度仅次于纵波。通常也把纵波叫P波(即初至波),把横波叫S波(即次至波)。 面波仅限沿地面传播,它是体波在自由面多次反射叠加而成:主要包含瑞利波和勒夫波。其特点是周期长、振幅大,传播速度较体波慢,但携带的能量较大。爆破过程中造成岩石破裂的主要原因是体波的作用,而造成爆破地震破坏的主要原因是面波的作用。 在短距离内,所有的三种波(P波、S波、R波)几乎是一起到达,因而辨认地震波的类型是非常复杂的。而在远距离处,传播速度较慢的S波,R波开始与P波分离,就能辨认它们。在一幅完整的爆破地震波的记录图形中,一开始是一系列振幅较小,频率较高的波形,主要是纵波(P波)和横波((S波),紧接着一段是振幅较大,频率较低的波形,这是面波((R波),持续一段时间后,波形逐渐衰减[13]。 2.3 爆破地震波的特性 爆破地震波是由爆炸应力波转换而来的、在岩土介质中传播的一种能量逐渐衰减的扰动。对爆破地震波特征的认识,是研究爆破振动效应的前提和基础。爆破地震波有如下主要特征:距离爆破源较近距离的振动波形比较简单,基本上是一个脉冲,其时间长度与炸药量成线性关系;‚振动波形随着距爆源距离的增加而越来越复杂,最大振幅出现的时间向后推移,且其频率有所减小;ƒ实验数据在按照参数来处理时,在对数坐标中可拟合成一条直线,这表明存在着相似关系。 爆破地震波与天然地震波之间存在着较大的差异性,与天然地振动相比,爆破振动波的特性主要有: 1)两者之间有着不同的震源机制。由于爆破作业是瞬时发生的,能量极为有限,因此爆破振动波的卓越周期明显小于天然地振动; 2)具有振动幅值大、衰减快、破坏范围小的特点; 3)爆破振动作用的持续时间较短,一次振动只能持续几十毫秒至几百毫秒,比天然地震(多在十几秒,几十秒甚至更长)要短得多,所以爆破地震的破坏能力远远小于天然地震; 4)振动频率高。天然地振动的主频大都在0.5~5Hz, 但爆破地振动的主频一般在5~500Hz。与普通民用建筑物的自振(基振)频率相比,天然地振动的主频与它更为接近, 因此爆破振动与普通结构发生共振的可能性相对较小; 5)爆破地震的破坏能力远远小于天然地震。天然地震加速度最大值超过0. 1g 时, 将会造成建筑物一定程度的损坏, 而爆破地震加速度值为1. 0g 时, 建筑物的结构才会受到轻微程度的破坏; 6)爆破地震波能量远小于天然地震波,只能对周围几十米至数公里的范围产生影响,而天然地震将影响几百甚至上千公里; 7)爆破地震波的波长较短,通常在几十米至几百米范围内,而天然地震的波长往往达到上千米。 2.4 爆破地震波的传播规律 20世纪80年代以前,人们对爆破地震的研究主要还局限在单纯的测试和总结经验上,对爆破振动效应未进行全方位的分析,基于前人的经验,广大爆破工作者通过大量的试验和回归分析以及计算机的辅助运用,得出了大量有用的结论。 ⑴传播路径 当基岩面与浅眼爆源距离近时,表面积累而次生的面波弱,而边坡位移在坡顶生成的走向张性裂隙又减弱了面波的传播,因而这几年近90个边坡地震测震,均只见体波而未见面波。因此,对于近距离岩石浅眼爆破地震波,可以主要研究体波的传播,而相对忽略面波。 体波无论纵波和横波在土层内的传播速度,均比基岩内慢得多,根据折射定透射波应比入射波以更接近竖直的方向传播,因此工程中可以近似认为,体波在土层中是竖直折射的川。到达地表的体波是从地表对应的岩土介面处入射的,因此基岩内体波可近似认为是从爆源沿直线入射到岩土介面,地震波传播路径见图2.1。 图2.1 体波的传播路径 ⑵地震波在岩土中传播的衰减 岩土介质可认为是黏弹性体,地震波能量在岩土内传播是岩土介质动能与形变势能相互转化的过程。在这一过程中,内摩擦等蠕变性质及散射等作用使得原传播方向上的能量逐渐减少。岩体内的微观缺陷也以内摩擦形式消耗机械能,特别是高频情况下更显著,大量的岩体波速和衰减测试结果证实了这一事实。根据参考文献,介质的这种蠕变性质可用黏滞性来表示,地震波在线性黏弹性介质中传播的运动方程可表示为 (2-1) (纵波) (2-2) (横波) 通常岩石为低粘滞性戒指,在工程应用的频率范围内,纵横波的衰减系数分别有如下近似式: ,, (2-3) , (纵波) (2-4) ,, (2-5) , (横波) (2-6) 其中a和b为纵、横波的吸收系数。由上述诸式可以看出,在低黏滞性和工程应用频率范围之内,地震波的衰减系数与岩石介质的黏滞系数成正比,与频率的平方成正比,与波速的三次方成反比,此时波速与频率无关,不发生频散。其中其中爆源震谱由爆源性质和炸药与岩石匹配性质的综合影响决定,吸收系数a和b因射线路径上岩石对不同频率地震波能量的吸收不同而异[14]。 2.5 爆破地震对框架结构的影响 在爆源附近,爆破地震效应主要以应力波形式传播。建筑物或介质受爆破应力波的直接作用,但是建筑物的基振频率与地震波的主振频率有很大的差别,或者由于介质对质点的约束作用,建筑物将不会发生自由振动,因此建筑物对爆破振动的动力响应不是特别明显。这种由应力波直接作用而对建筑物产生的破坏机制称为波动机制。因为爆破振动波对建筑物的作用时间非常短,且其衰减过程很快,因此对于体积较大的框架结构楼房,这种破坏往往是局部的。在爆破工程中,这类问题一般根据建筑物或介质材料的强度理论进行安全性判断。 在距爆源中远距离的地方,由于爆破地震波的主振频率相对较低,建筑物将受到整体振动作用。当爆破振动波的频率与建筑物的自振频率比较接近时,建筑物可能发生共振现象。此时建筑物的破坏主要由建筑物整体振动时动力反应的放大作用引起。因此,破坏往往发生在建筑物地表以上的薄弱部位。 理论研究表明,周期在0.05-2s间的振动对框架结构的影响最大。总的来说,当加速度和位移较大、振动持续时间较长,综合起来造成建筑物的主要破坏,包括框架结构丧失整体性、主要承重结构不足引起的破坏,以及地基失效等,从而导致建筑物的严重破坏[15]。 3爆破振动的危害及预防措施 3.1 爆破振动的危害 爆破地震效应被公认为爆破破坏作用兰大公害之首。虽然爆破产生的地震波会随着距爆源的距离的增加而不断衰减,但由于城市人口密集,建筑相对集中,爆破地震效应对城市人、建筑、环境的影响还是不容忽视的。而且,爆破地震效应很可能会影响到爆破工程的预期效果。 3.1.1 爆破振动对人的危害 在城镇特别是临近住宅区进行爆破施工时,往只考虑了爆破振动对建构筑物的影响,而轻视甚至忽略了爆破振动对人的影响。 人对振动是非常敏感的,有研究结果表明,大部分人能感觉低到0. 15 -0. 33的连续振动。振动对人的影响是一个复杂的问题,就全身振动而言,在一定条件下,振动可引起人的主观感觉,当振动达到一定强度时,可引起人的不良感觉,进而对人体产生较大的心理影响和生理影响,会危害人体的健康,甚至会对人产生性命威胁。过去渔民经常利用炸药炸鱼,利用的就是炸药水中爆炸时产生的水击波和振动对鱼类的伤害。不仅如此,就算按照爆破振动安全规程规定的爆破振动安全标准进行爆破作业,像矿区等频繁爆破作业也会使附近居民产生逆反和疲惫心理,长期下来,也会不同程度的影响到居民的正常生活,如睡眠、学习、体息和娱乐等,会引起居民的烦恼或不安,这与社会和谐的理念是完全相悖的。 3.1.2 爆破振动对建(构)筑物的危害 建构筑物受爆破振动作用后的破坏途径,可以分为以下两种。 (1)非振动破坏。非振动破坏就是指与地基状况相关的建构筑物的破坏。一定的场地条件的建构放物由于爆破振动的影响会导致地基较大的位移或失稳,如地基土液化、基础不均匀沉陷和开裂等,从而引起上部建构筑物的破坏或者加速建构筑物的破坏。 (2)振动破坏。振动破坏取决于爆破振动的特性和建构筑物的抗震性能。建构)筑物受到振动的影响有大有小,其表现形式自轻至重依次为墙皮剥落、墙壁龟裂、地板裂缝、基础变形或下沉和倒塌。其相应的破坏程度可分别为轻微损坏、中等损坏、严重损坏、倒塌或倒毁。 3.1.3 爆破振动对环境的危害 爆破振动对环境的危害在矿山爆破中尤其是在节理、裂隙发育及破碎带较多的采矿区尤为突出。矿山生产爆破是一个反复持久的过程,爆破产生的振动载荷的冲击作用日积月累,使各种破坏效应得到不断加强和延续,在岩石内部产生近似材料的蠕变一样的损伤积累,当其超过边坡稳定的临界值时,就会发生边坡的失稳。这种不确定的失稳会对矿区实施爆破作业人员有生命威胁。另外,爆破作业区附近工厂的精密仪器、电子设备等由于爆破振动引起的内部损伤是不可恢复的。一定程度的爆破振动还会造成工厂控制设备紊乱、程序报错,而造成经济损失。爆破振动还对爆破作业区附近的动物、植物等自然环境也会造成一定的危害[16]。 3.2 爆破振动影响下框架楼房的减震措施 3.2.1 楼房方面采取的措施 当今建筑业发展迅速,楼房越建越高,其结构基本上采用的都是框架式。框架式楼房主要以混凝土地基混凝土柱子混凝土楼板作为受力支撑,各个受力部位都是有钢筋和砼(混凝土)相连,由钢筋混凝土浇灌成的承重梁柱组成骨架,再用空心砖或预制的加气混凝土、陶粒等轻质板材作隔墙分户装配而成。墙主要是起围护和隔离的作用,由于墙体不承重,所以可由各种轻质材料制成。优点是稳固性强,空间设置灵活,其抗震性相比于传统砖混结构的要好得多。 现在流行的还有一种剪力墙设计。剪力墙是用钢筋混凝土墙板来承担各类荷载引起的内力,并能有效控制结构的水平力,这种用剪力墙来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。这种设计在高层(10层及10层以上的居住建筑或高度超过24米的建筑)房屋中被广泛应用。 框架结构中,还有一种框剪结构,又名框架—剪力墙结构,它是框架结构和剪力墙结构两种体系的结合,吸取了各自的长处,既能为建筑平面布置提供较大的使用空间,又具有良好的抗力性能。这种结构的住房有很好的抗震性。 3.2.2 爆破施工方面采取的措施 为了确保周边居民和建筑物的安全,必须将爆破地震的危害严格控制在允许范围之内。通常采用的有效减震措施有以下几种。 (1)限制一次爆破的最大装药量;本文中工程实例的爆破现场,就是采用两孔一起爆、少量多次的方式进行爆破,这样虽然不方便,但能把爆破振动效应降得很低。 (2)选用低威力低爆速的炸药。实践证明,炸药的波阻抗越大,爆破振动强度也越大。 (3)选择适当的装药结构。装药越分散,地震效应越小。可采用如下装药结构以减小振动效应:①不耦合装药;②硐室条形药包;③空气间隔装药;④孔底留空气垫层。 (4)采取预裂爆破技术,或在爆源与需要保护的建筑物之间开挖减震沟槽。单排或多排的密集空孔也可以起到一定的减震作用; (5)用适当的爆破类型。爆破地震的强度随爆破作用指数门J增大而减小。抛掷爆破与松动爆破相比,振速可降低百分之四至百分之二十二,而在最小抵抗线方向最小,反向最大,两侧居中。而采取大孔距小抵抗线爆破可降低爆破地震效应; (6)用微差爆破技术减震。微差爆破是以毫秒级的时间间隔分批起爆炸药。大量的试验研究表明,在总装药量和其它爆破条件相同的情况下,微差爆破的振速比齐发爆破的振速可降低40%-60℅。 (7)用能获得最大松动的爆破设计。松动条件良好的炮孔爆破,比靠近自由而的炮孔爆破产生的振动较小。 (8)充分利用地形地质条件,如河流、深沟、渠道、断层等,都有显著的隔震减震作用。除上述减震措施外,还应注意不同建筑物的动力响应也不同,建筑结构对其抗震性能影响很大。一般低矮建筑物的抗震性能比高大、细长的高耸建筑物要好的多[17]。 4爆破振动的测试以及数据处理 4.1 爆破振动的测试原理 装药爆炸过程引起周围介质质点的振动,其主要振动物理量有质点位移、振动速度、振动频率和加速度等。这些物理量之间存在着固定的解析关系: a = = (质点位移x、速度v和加速度a) (4-1) 只要测量出其中的若干参数,原则上就可以确定剩下的参数,由于数值换算过程存在固有误差,因而直接测量出需要的参数更为准确。 我国《爆破安全规程》明确表示采用振动速度大小作为各类爆破安全判据,因而本文主要讨论振动速度的测试方法。在爆破现场对所要保护的地段进行测量时,所测量的并非是地振动本身,而是保护地段对于正在进行观测的地振动反应。要采取、记录观测量,就必须采用相应的传感器和数据记录仪。 在本次完成毕业论文的过程中,我和几位同学对淮南蔡家岗的爆破现场进行了爆破振动的实地测量,对爆破振动测试方面的主要流程与原理有了很充分的认识,其总的测试原理如图4.1所示。 图4.1 爆破振动测试原理 得出原始数据后,利用萨道夫斯基公式进行数据处理,得出爆破地震波对所测地点的影响情况结论。 4.2 爆破振动的测试方法 4.2.1 测震传感器 目前爆破振速测试采用的传感器大多是磁感应电式速度传感器,简称感应式传感器,也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势,是一种机-电能量变换型传感器,不需要外部供电电源,电路简单,性能稳定,输出阻抗小,且具有一定的频率响应范围(一般为10~1000 Hz )。 4.2.2 爆破振动自记仪 随着科学技术的发展,爆破振动记录仪也由光线示波器、磁带记录仪等发展到如今的电子自记录仪。以我们此次使用的四川拓普测控科技有限公司UBOX5016爆破振动记录仪为例,自记仪主要包含信号调理和转换、采集控制以及USB通信3大部分。信号调理和转换部分将来自传感器的模拟信号进行调理和转换。采集控制部分实现对采集程序的控制和数据的存储,USB通信部分实现PC和设备之间通过USB接口进行数据传输。 在使用数据采集器前,首先要明确被采集信号的一些基本特性:频率范围、幅度范围等。根据这些基本特性设定采集器的采样率和量程等采集参数。当启动采集后,采集器根据这些设置对输入信号进行调理,调理后送入A/D转换器,A/D转换后的数据经锁存后保存于每通道独立的存储器中。存储器相当于环形缓冲存储器,如A/D转换的数据样点数超过了存储器的容量,新数据覆盖旧数据。当触发条件满足后,采集控制器内的采样长度计数器开始计数,计数达到设定的采样长度后,采集结束,存储器保存满足需要的采集数据。利用分析软件Bm View通过USB接口取得卡上存储器样点数据。 表4-1 UBOX-5016爆破振动智能监测仪的主要参数 最高采样频 率/KSps A/D分辨率/Bit 量程/V 输入信号带宽/Hz 尺寸/ mm 200 16 1、2、5 0~10 171*14*64 4.2.2 测试流程与分析方法 (1)测试流程 a.前往爆破现场,选定合适的测量点。 b.在起爆前,根据传感器的灵敏度进行工程标定以及采集仪的参数、配置设置。 c.将传感器固定在测量点并与采集仪的相应输入通道相连。 d.密切注意爆破现场炸点的线路铺设情况和警示哨声,做好记录准备。 e.现场起爆警示哨声响起时,将采集仪设置为待触发状态。 f.起爆,然后将仪器中的数据取出,进行分析。 (2)分析方法 爆破振动衡量标准口前多用振动速度,国内外也有采用振动加速度的。大量实测资料表明,爆破振动速度的大小与炸药量、距离、介质、地形地质和爆破方法等因素有关,它由三个互相垂直的分量形成,通常采用其中最大值作为判定标准。通常垂直振动比较明显,所以一般采用质点垂直振动速度作为判定标准。 爆破振动速度的计算目前主要根据萨道夫斯基经验式估算,公式为: (4-2) V为质点垂直振动速度,cm/s; Q为同段起爆的最大药量,分段起爆时取最大一段的药量,kg; R为爆源中心到观测点的距离,m; K为与介质特征、爆破方式和条件有关的系数; α为爆破振动衰减系数。 K和α的值可由试验后进行线性回归确定或根据经验查表得 此公式适用于硐室大爆破,对于钻眼爆破喝药量分散的拆除爆破,其计算式偏大,可以酌情取α=1.36~1.93,K=(0.25~1.0)K 表4-2 爆区不同岩性的K,α值 岩性 K α 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 我国爆破安全规程规定的质点最大允许速度见表4.3所示。 表4-3 质点最大允许速度 地质条件 质点速度 地窖洞,土坯房,毛石房屋 1.0 一般砖房,非抗震性大型砌体建筑物 2~3 钢筋混凝土框架房屋 5 水工隧道 10 交通隧道 15 矿山巷道 围岩不稳定,有良好支护 10 围岩中等稳定,有良好支护 20 围岩稳定,无支护 30 对于爆破振动的衰减规律分析,我们结合现场爆破振动现场测试数据,基于最小二乘法数学原理,运用萨道夫斯基经验公式,通过线性回归确定k与a值,得到爆破地震波在框架式楼房中传播的一般规律。 对萨道夫斯基经验公式两边取对数,即: (4-3) 令,,,,上式可以表示为: (4-4) 该式称一元线性回归方程,a, b称回归系数,y为自变量x的y回归值。对所得数据选取有代表性的部分,用excel 2003软件进行回归分析即可得出近似的可以使用的K和α的值,从而得出萨道夫斯基公式的表达式。 4.3 爆破振动的实例分析及数据处理 4.3.1 现场情况概述 为了真正搞清楚爆破振动对框架楼房的质量影响,本人在李洪伟副教授以及几位同学的帮助下,对位于淮南蔡家岗的基坑爆破现场进行了实地的爆破振动测量。此项目系中铁四局某项目部承建,进行开挖地下空间项目的工程爆破施工,现场情况如下。 图4.2 手机拍摄的爆破现场全景图 此爆破基坑周围环境较为复杂,南北方向邻近住宅小区,西方为在建的高层楼房工地群,东方一条马路之隔为淮南五中校区,距此地一公里左右。邻近爆破基坑的西南方有一座竣工不久的高层框架式楼房,我们的数据采集点就设在这座高层楼房中 图4.3 测点所在楼房 图4.4 仪器安放情况 4.3.2 现场测试方案 现场实地测量期间,我们主要对与爆破现场邻近的一座高层楼房进行了爆破振动数据采集。该楼房为当今主流的框架结构高层楼房,主体结构已经完工,正在进行粉刷墙面等初步的内外部装修施工。本次测振中单响药量Q和爆心距R为已知量,我们通过在此高层楼房内布置测点,监测楼房对爆破振动的响应情况,观察随着爆心距的改变、测点的位置变化以及楼层高度的增加,爆破振动效果的变化情况。最后通过分析实测数据得到频繁爆破振动对框架结构楼房的质量影响情况。 具体的测点布置方案如下: a.为了得出不同爆点距离对同一楼层内同一位置的影响,在楼房内同一楼层一个位置布置测点,进行了多次爆破振动的测试。 b.为了得出楼房内不同部位对爆破振动的反应,分别在同一楼层的几个不同房间布置测点进行测试。 c.为了得出不同高度的楼层对爆破振动的反应,分别在不同楼层的相同位置布置了若干测点。 下图4.5为爆破现场爆点基本方位距离与测点在楼内简易平面图的位置。 图4.5 数据采集现场基本情况图 4.3.3 测试结果与数据处理 ⑴测试结果展示与误差分析 本次测试过程中,总共驱车去往淮南蔡家岗某爆破现场四次,采集到大量振动数据,现根据上述测点布置方案中的三个思路进行数据整理。另外UBOX-5016爆破振动智能检测仪有三个通道,分别测试径向、切向以及竖直方向的振动情况,并且此仪器一次性可采集四段爆破的数据,下面的表4-4列出了在淮南蔡家岗爆破现场旁楼房内,所采集到的全部原始数据。 表4-4 现场测震原始数据 测点位置 通道方向 最大振速/cm/s 主振频率/Hz 第一次 第二次 第三次 第四次 第一次 第二次 第三次 第四次 一楼1(50m) 径向 0.24 0.10 0.19 0.06 15.25 15.86 33.56 13.42 切向 0.23 0.17 0.29 0.12 17.70 32.34 32.95 31.73 竖直 0.86 0.46 0.73 0.32 53.71 52.49 52.490 52.49 一楼2(50m) 径向 0.07 0.01 0.01 0.01 2302 1221 2293 2308 切向 0.01 0.10 0.12 0.06 17.09 13.42 65.91 16.47 竖直 7.56 0.28 0.38 0.19 2.44 65.52 65.91 42.11 一楼3(50m) 径向 0.07 0.08 0.04 0.03 14.64 14.64 61.64 76.29 切向 0.15 0.29 0.02 0.02 32.95 32.95 62.65 62.65 竖直 0.11 0.10 0.17 0.16 17.09 25.63 74.46 74.46 二楼1(45m) 径向 0.26 0.15 0.18 0.32 18.31 18.92 28.07 15.86 切向 0.28 0.11 0.14 0.36 60.42 60.42 16.47 60.42 竖直 1.09 0.37 0.48 0.69 45.16 41.50 45.16 44.55 二楼2(45m) 径向 0.01 0.21 0.01 0.03 34.79 931.36 625.00 626.22 切向 0.30 0.01 0.14 0.21 34.79 57.98 34.79 57.98 竖直 0.01 0.18 0.01 0.03 34.79 931.39 625.01 34.79 二楼3(45m) 径向 0.01 0.01 / / 1779 1779 / / 切向 0.07 0.22 / / 16.47 15.86 / / 竖直 0.20 0.52 / / 16.47 18.31 / / 二楼1(65m) 径向 0.19 0.14 0.12 0.13 18.92 15.86 15.86 15.86 切向 0.19 0.89 0.08 0.09 18.31 13.42 13.42 17.71 竖直 0.64 0.35 0.31 0.20 49.43 45.16 45.77 18.31 二楼2(65m) 径向 0.01 0.03 0.01 0.01 378.41 9.15 438.84 831.29 切向 0.01 0.14 0.04 0.03 378.41 57.98 57.98 35.41 竖直 0.01 0.77 0.15 0.18 378.41 34.79 35.41 35.41 二楼3(65m) 径向 0.01 0.01 0.01 0.01 2461 1738 1718 1711 切向 0.16 0.07 0.13 0.10 18.31 15.25 17.71 21.36 竖直 0.31 0.21 0.18 0.19 18.31 15.86 18.31 17.71 二楼1(26m) 径向 0.03 0.10 0.01 14.36 7.93 344.84 2094 1.22 切向 0.07 0.01 12.73 0.04 10.98 2092 1.83 0.61 竖直 0.17 4.24 0.04 2.34 45.77 2.44 0.61 1.83 二楼2(26m) 径向 28.95 28.98 0.19 0.16 4.88 4.27 91.55 101.92 切向 0.12 6.70 9.70 3.75 418.09 2.441 4.88 2.44 竖直 1.04 2.95 0.27 0.26 131.83 615.23 6.71 9.76 续表4-4 二楼3(26m) 径向 0.70 0.44 0.12 0.17 4.88 1476 10376 1606 切向 8.41 0.09 3.24 9.21 4.27 64.08 1.22 6.10 竖直 14.73 27.01 25.33 0.06 3.05 16.47 10.37 87.89 四楼1(50m) 径向 0.08 0.12 0.10 0.12 13.42 18.92 18.31 18.92 切向 0.11 0.15 0.16 0.15 13.42 15.86 19.53 15.86 竖直 0.15 0.47 0.34 0.47 42.75 42.11 42.11 42.11 四楼2(50m) 径向 0.08 0.07 0.07 0.09 18.92 17.72 7.93 18.31 切向 0.14 0.13 0.12 0.16 18.31 17.72 11.59 15.86 竖直 0.33 0.18 0.10 0.46 42.11 42.11 18.31 43.94 四楼3(50m) 径向 0.06 0.06 0.06 0.06 44.55 12.81 18.31 20.14 切向 0.21 0.22 0.15 0.20 18.31 20.75 18.92 17.70 竖直 0.41 0.43 0.29 0.28 44.55 42.11 18.31 44.55 六楼2(65m) 径向 0.07 0.08 0.08 0.12 18.31 13.42 17.72 18.92 切向 0.26 0.08 0.12 0.15 21.36 17.72 17.72 15.86 竖直 0.66 0.15 0.15 0.47 43.94 42.72 42.72 42.11 八楼2(65m) 径向 0.15 0.29 0.24 0.31 15.86 18.92 18.31 15.86 切向 0.49 0.31 0.32 0.25 20.75 23.19 15.86 18.31 竖直 0.99 1.05 1.08 1.50 18.31 40.28 18.31 40.28 十楼2(65m) 径向 0.36 0.56 0.41 6.64 15.86 15.86 15.86 2.44 切向 0.25 0.40 0.33 5.34 18.31 17.71 18.31 14.64 竖直 1.50 1.91 1.30 11.75 40.28 40.28 40.89 5.49 (备注:此次进行爆破施工的单响药量绝大部分大部分为4Kg,八楼和十楼部分测点为2Kg。) 对数据采集结果进行观察,我们发现了部分存在明显误差的数据,现对这些数据进行适当的误差原因分析。 比如一楼测点2(50m爆心距)竖直通道第一次的最大振速7.565,二楼测点1(26m爆心距)竖直通道第二次的最大振速4.243和第四次的最大振速2.349,明显大于同一次测量其他几次的数值,可能的原因有以下几点: a.在仪器设置为待触发状态时,仪器附近人为走动引起的地面振动使仪器被触发,采集的数据是这次地面振动的数据,因此产生较明显的误差。 b.爆破现场爆点处的炮孔深度都不完全一样,因此尽管每次单响药量和其他参数都相同,但每个爆点处产生的地震波强度都不同,因此所采集到的数据会产生变化,某些炮孔深度变化较大的测点会产生较明显的误差。 c.所使用的仪器进行数据采集时,使用的是石膏加水进行传感器的人工固定,因此某些时候传感器的固定并不牢固,就产生了某些不必要的自身振动,也就采集到了有明显误差的数据。 d.因测量所在的楼房为刚竣工的高层楼房,大部分住户正在进行室内装修,可能会产生某些剧烈振动,对所测数据产生某些较大影响。 另外,表中可以看出某些频率在相同情况下的几处测震点,也发生了较大的变化,其误差产生原因也大致是以上所讲的四个方面。 现场爆破振动波监测数据显示,在高层框架楼房中,浅孔地震波频率分布较广,主要集中于之间,爆破地震波的径向最大振速一般小于切向最大振速,并且竖直方向的最大振速比前两者都要大。 ⑵利用萨道夫斯基公式进行线性回归分析 对于我们所测的的大量数据,基于最小二乘法数学原理,运用萨道夫斯基经验公式,通过线性回归分析处理,可以得出公式中两个重要参数K和α的值,得出方程的表达式现场处的振动波传播与衰减情况进行计算与某些预测。 我们所使用的软件为Microsoft Office 2003中的Excel软件,我们从原始数据中抽出大量有利用价值的有效数据,利用其中的数据处理功能与图表功能进行回归分析。以下用表格和图表来展示数据的回归分析处理情况,分质点速度的径向(指向爆点方向)、切向(垂直于爆点方向)和竖直三个方向分别进行处理。 表4-5 径向数据回归分析处理 0.011 4 1.587 69 0.023 -3.772 -4.510 0.034 4 1.587 69 0.023 -3.772 -3.381 0.013 4 1.587 72 0.022 -3.814 -4.343 0.012 4 1.587 72 0.022 -3.814 -4.423 0.035 4 1.587 26 0.061 -2.795 -3.352 0.106 4 1.587 26 0.061 -2.795 -2.244 0.011 4 1.587 26 0.061 -2.795 -4.510 0.19 4 1.587 30 0.052 -2.939 -1.661 0.165 4 1.587 30 0.052 -2.939 -1.802 0.707 4 1.587 33 0.048 -3.034 -0.347 0.442 4 1.587 33 0.048 -3.034 -0.816 0.122 4 1.587 33 0.048 -3.034 -2.104 0.17 4 1.587 33 0.048 -3.034 -1.772 0.244 4 1.587 50 0.031 -3.449 -1.411 0.101 4 1.587 50 0.031 -3.449 -2.293 0.198 4 1.587 50 0.031 -3.449 -1.619 0.067 4 1.587 50 0.031 -3.449 -2.703 0.015 4 1.587 54 0.029 -3.526 -4.200 0.014 4 1.587 54 0.029 -3.526 -4.269 续表4-5 0.072 4 1.587 57 0.027 -3.580 -2.631 0.089 4 1.587 57 0.027 -3.580 -2.419 0.04 4 1.587 57 0.027 -3.580 -3.219 0.038 4 1.587 49 0.032 -3.429 -3.270 0.154 4 1.587 45 0.035 -3.344 -1.871 0.263 4 1.587 45 0.035 -3.345 -1.336 0.325 4 1.587 45 0.035 -3.345 -1.124 0.013 4 1.587 52 0.030 -3.489 -4.343 图4.6 径向数据回归分析散点图 由图表可近似得出,,即萨道夫斯基公式中, , 所以,径向质点振动速度的衰减方程为, (4-5) 表4-6 切向数据回归分析处理 0.010 4 1.587 69 0.023 -3.772 -4.605 0.141 4 1.587 69 0.023 -3.772 -1.959 0.161 4 1.587 72 0.022 -3.815 -1.826 0.105 4 1.587 72 0.022 -3.815 -2.254 0.109 4 1.587 26 0.061 -2.796 -2.216 0.089 4 1.587 26 0.061 -2.796 -2.419 0.225 4 1.587 26 0.061 -2.796 -1.492 续表4-6 0.222 4 1.587 30 0.053 -2.939 -1.505 0.155 4 1.587 30 0.053 -2.939 -1.864 0.324 4 1.587 33 0.048 -3.034 -1.127 0.311 4 1.587 33 0.048 -3.034 -1.168 0.139 4 1.587 33 0.048 -3.034 -1.973 0.18 4 1.587 33 0.048 -3.034 -1.715 0.255 4 1.587 50 0.032 -3.450 -1.366 0.011 4 1.587 50 0.032 -3.450 -4.510 0.2 4 1.587 50 0.032 -3.450 -1.609 0.167 4 1.587 50 0.032 -3.450 -1.790 0.061 4 1.587 54 0.029 -3.527 -2.797 0.011 4 1.587 54 0.029 -3.527 -4.510 0.053 4 1.587 57 0.028 -3.581 -2.937 0.098 4 1.587 57 0.028 -3.581 -2.323 0.066 4 1.587 57 0.028 -3.581 -2.718 0.022 4 1.587 49 0.032 -3.430 -3.817 0.123 4 1.587 45 0.035 -3.345 -2.096 0.654 4 1.587 45 0.035 -3.345 -0.425 0.325 4 1.587 45 0.035 -3.345 -1.124 0.019 4 1.587 52 0.031 -3.489 -3.963 图4.7 切向数据回归分析散点图 由图4.7可得出,,即萨道夫斯基公式中, , 所以,切向质点振动速度的衰减方程为, (4-6) 表4-7 竖直方向数据回归分析处理 0.01 4 1.587 69 0.023 -3.772 -4.605 0.044 4 1.587 69 0.023 -3.772 -3.124 0.023 4 1.587 72 0.022 -3.815 -3.772 0.023 4 1.587 72 0.022 -3.815 -3.772 0.036 4 1.587 26 0.061 -2.796 -3.324 0.589 4 1.587 26 0.061 -2.796 -0.529 0.012 4 1.587 26 0.061 -2.796 -4.423 0.281 4 1.587 30 0.053 -2.939 -1.269 0.232 4 1.587 30 0.053 -2.939 -1.461 0.676 4 1.587 33 0.048 -3.034 -0.392 0.589 4 1.587 33 0.048 -3.034 -0.529 0.221 4 1.587 33 0.048 -3.034 -1.510 0.19 4 1.587 33 0.048 -3.034 -1.661 0.288 4 1.587 50 0.032 -3.450 -1.245 0.145 4 1.587 50 0.032 -3.450 -1.931 0.189 4 1.587 50 0.032 -3.450 -1.666 0.082 4 1.587 50 0.032 -3.450 -2.501 0.022 4 1.587 54 0.029 -3.527 -3.817 0.01 4 1.587 54 0.029 -3.527 -4.605 0.111 4 1.587 57 0.028 -3.581 -2.198 0.099 4 1.587 57 0.028 -3.581 -2.313 0.048 4 1.587 57 0.028 -3.581 -3.037 0.066 4 1.587 49 0.032 -3.430 -2.718 0.198 4 1.587 45 0.035 -3.345 -1.619 0.298 4 1.587 45 0.035 -3.345 -1.211 0.425 4 1.587 45 0.035 -3.345 -0.856 0.015 4 1.587 52 0.031 -3.489 -4.200 图4.8 竖直方向数据回归分析散点图 由图4.8可以得出,,,即萨道夫斯基公式中, , 所以,竖直方向质点振动速度的衰减公式为, (4-7) 比较以上公式4-5、4-6和4-7,可以看出三个方向上的振速衰减公式中的K、α值与经验表4-2中各种岩性的岩石并不能很好的吻合,这说明对于振动波在筋混凝土中的衰减规律,不能简单的等同于其在岩石中的传播规律,框架楼房对振动波的响应有其自己的特点。 另外,通过比较公式4-5、4-6和4-7,发现式质点竖直方向上最大振速的衰减,明显比径向和垂向最大振速的衰减要快。我们可以近似的将公式4-7作为最大段炸药量、振动速度以及爆心距三者之间的函数关系式,可为楼房附近的安全爆破施工提供指导依据。 ⑶控制变量进行数据分析 本人根据测点布置方案分三种情况进行数据整理。 具体的测点布置方案如下: 为了得出不同爆点距离对同一楼层内同一位置的影响,在楼房内同一楼层一个位置布置测点,进行了多次爆破振动的测试。 为了得出楼房内不同部位对爆破振动的反应,分别在同一楼层的几个不同房间布置测点进行测试。 为了得出不同高度的楼层对爆破振动的反应,分别在不同楼层的相同位置布置了若干测点。 以下分通道分情况列表进行数据整理,选取了具有代表性的最大振速和主振频率。 7. 同一测点不同爆心距的爆炸振动测试数据 此测点位于楼房2楼最北面的主卧室(见图4.5测点一),在这一点进行了多次爆破振动的测试,可得出不同爆点距离对同一楼层内同一位置的普遍性影响。 表4-8 通道一(径向)数据 爆心距/m 最大振速/cm/s 主振频率/Hz 21 0.055 7.935 26 0.075 7.935 续表4-8 45 0.232 18.921 65 0.151 15.869 表4-9 通道二(切向)数据 爆心距/m 最大振速/cm/s 主振频率/Hz 21 0.098 13.428 26 0.045 10.986 45 0.226 60.425 65 0.117 13.428 表4-10 通道三(竖直)数据 爆心距/m 最大振速/cm/s 主振频率/Hz 21 0.266 45.106 26 0.171 45.776 45 0.271 45.166 65 0.203 49.438 由以上三个表格中的数据可以看出,无论在三个方向的哪个方向上,随着爆心距的增加,同一测点所测得的最大振速大致呈现下降趋势,但26m和45m这两点出现反常,可能是现场起爆时出现意外或是测量仪器发生人为因素的影响。 b.同一楼层不同测点的爆破振动测试数据(爆心距皆为50m) 每一楼层都设置了三个测点(详情见图4.5),测点一为最北面的主卧室,测点二为中间的大客厅,测点三位于最南面的小卧室。本人经过原始数据分析比较发现一楼所测数据误差最小,以下展示一楼三个测点的测振数据,可得出楼房内不同部位对爆破振动的反应。 表4-11通道一(径向)数据 楼层 最大振速/cm/s 主振频率/Hz 测点一 0.199 15.869 测点二 0.075 2.293K 测点三 0.049 14.648 表4-12 通道二(切向)数据 楼层 最大振速/cm/s 主振频率/Hz 测点一 0.232 32.349 测点二 0.128 17.479 测点三 0.145 32.959 表4-13 通道三(竖直)数据 楼层 最大振速/cm/s 主振频率/Hz 测点一 0.733 52.49 测点二 0.381 65.528 测点三 0.153 74.463 从以上三个表格可以看出,测点一到测点三在三个方向上的最大振速都依次减小,本人认为这有可能还是爆心距的影响,测点一离爆破基坑最近,测点三最远。 c.不同楼层同一位置的爆破振动测试数据 本次测振选取位于中间大客厅的测点二(参考图4.5),进行不同楼层同一位置的爆破振动测试,可得出不同高度的楼层对爆破振动的反应。 表4-14 通道一(径向)数据 楼层 最大振速/cm/s 主振频率/Hz 一楼 0.045 2.293K 二楼 0.034 91.553 四楼 0.166 25.531 六楼 0.047 59.204 八楼 0.065 15.968 十楼 0.018 18.211 表4-15 通道二(切向)数据 楼层 最大振速/cm/s 主振频率/Hz 一楼 0.071 16.479 二楼 0.141 34.79 四楼 0.084 16.479 六楼 0.096 38.452 八楼 0.109 24.362 十楼 0.074 40.89 表4-16 通道三(竖直)数据 楼层 最大振速/cm/s 主振频率/Hz 一楼 0.198 65.528 二楼 0.188 34.79 四楼 0.458 34.79 六楼 0.565 38.452 八楼 1.088 40.945 续表4-16 十楼 0.992 44.556 从上述三个表格中的数据可以看出,对于每层楼的同一位置,随着楼层的增加,测点的最大振速在竖直方向上一直呈现增长的趋势,这说明了楼房对爆破振动的影响有一种高程放大作用。但是超过八楼之后,十楼的振速又明显减小,这说明这种高程放大作用是有一定范围的,超过这个高度范围,爆破振动对楼房的影响开始减弱。 ⑷不同楼层爆破振动的波形图分析 本人在实地测量中,对波形图也进行了整理分析,发现了一些规律 图4.5 一楼车库某测点通道三(竖直)波形 图4.6 一楼车库某测点叠加波形图 图4.7 六楼测点二通道三(竖直)波形图 图4.8 六楼测点二叠加波形图 从图4.5的竖直方向上的振动波形和图4.6的叠加波形均可以看出,在一楼车库进行测量时,仪器采集到两次较明显的波峰。然而,我们再看位于六楼的图4.7和图4.8的波形图,随着时间的推移,就很难找到两次明显独立的波峰。现对此情况进行以下分析。 这是由于此爆破基坑采用两孔一起爆的方式来减小爆破振动,每次测量都会采集到两次独立的爆破振动,但是由于爆破地震波的衰减效应,地震波传到一楼车库位置时,因距离较短,衰减不那么明显,因此也就监测到两次独立的爆破振动,出现了两次明显独立的波峰。而当爆破地震波传到六楼的位置时,波的衰减已经非常明显,两次爆破地震产生的波已经发生了叠加,因而在波形图中很难找到两次明显的波峰。这种现象在实际的工程爆破施工中很常见,有一定的实用意义。 5总结 5.1结论 制作此次毕业设计的期间,本人查阅了大量相关文献资料,并进行了爆破现场的多次实地数据测量与采集,得到了大量原始数据。本文利用这些宝贵的数据,结合当今一些专家前辈们的理论依据,对数据进行处理与分析之后,对于频繁爆破振动对框架楼房质量的影响,得出以下结论: ⑴框架楼房附近发生频繁爆破振动时,爆破振动的主振频率低、振幅高、持续时间长等因素是影响楼房质量的主要原因。 ⑵在高层框架楼房中,浅孔地震波频率分布较广,主要集中于之间,爆破地震波的径向最大振速一般小于切向最大振速,并且竖直方向的最大振速比前两者都要大。 ⑶质点竖直方向上最大振速的衰减,明显比径向和垂向最大振速的衰减要快。我们可以近似的将公式4-7作为最大段炸药量、振动速度以及爆心距三者之间的函数关系式,可为楼房附近的安全爆破施工提供指导依据。 ⑷爆破振动传播的距离越远,引起的爆破振动效应就越小,表现为振幅和质点振速的减小,其他因素,如爆心距、楼房高度发生改变时,对爆破振动的主振频率影响不大。 ⑸若干次不同爆破振动波在竖直方向上传播时,超过一定高度会发生分散叠加效应,若干次振动会合并成为一次振动。 5.2不足与展望 由于时间及个人能力有限,本文内容存在很多的缺点,研究的内容过于浅显,有待下一步更加深入的研究。本人总结了以下几点不足之处: a.在此次爆破振动的现场测试过程中,由于时间仓储和个人懒惰原因,没有事先制定合理有效的测试方案,导致振动测试的效率很低,也造成了所测数据出现较多的误差。因此,在之后的实验工作中,我应在开始实验前做好充分的准备,这会使工作事半功倍。 b.本文在分析最大振速时,简单的将各个方向的振速进行了处理,按理说速度是矢量,应该求出三个方向的合速度才能有说服力,本人对这个错误有了充分认识,以后的工作中会注意到这个问题。 c.对于所测得的振动数据,没有足够注意到主振频率在地震波对楼房影响中发挥的作用,这方面有待进一步的研究。 d.对原始数据的处理不够精细,考虑不够全面。 频繁爆破振动对框架楼房的质量影响是一个很复杂的工程问题,也是在城市爆破施工中很实用的一个课题,研究这个课题能为爆破施工提供更加安全的保障,我在以后的工作学习中会继续这方面的研究,尽我所能把这个课题搞好搞扎实,这是我个人的一个目标。 参考文献 [1]王俊平.爆破地震波对周围建筑物影响的分析[D].湖北武汉:武汉理工大学,2005 [2]黄树棠,张学亮.爆破地震效应[M].北京:地震出版社,1981,110-123 [3]Carlos Lopez.Drilling And Blasting of Rocks[M],Printed In Netherlands, 1995 [4]Hendron A.J.et al.Specification for Controlled Blasting And Civil Engineering Projects,Proc[M],North American Rapid Excavation And Tunneling Conference, AIME,1972 [5]李的林.爆破振动危害中几个重要因素分析[J].工程爆破,1999,3:6467 [6]张立.爆破器材性能与爆炸效应测试[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2006,218-220 [7]韩子龙.金川矿区露天地下联合开采的爆破振动安全评定.矿业工程,1985(1):1-6 [8]李孝林等.频率在爆破震害中的作用及其影响因素分析[J],工程爆破,2001(3) [9]叶海旺,房泽法,彭志刚.爆破地震对结构的影响.爆破.2002 (1) [10]GB6722-2014.爆破安全规程[S].北京:冶金工业出版社,2015 [11]李秀丽.爆破地震波作用下框架与地基基础协同工作体系的动力反应[D].湖北武汉:武汉理工大学,2004 [12]蔺新丽. 爆破振动作用下建筑结构动力响应研究及灾害控制[D].山东:山东科技大学,2010 [13]赵新涛.爆破振动机理及爆破振动效应控制的研究[D].广西南宁:广西大学,2006 [14]魏晓林,陈颖尧,郑炳旭.浅眼爆破地震波传播规律[A].广东宏大爆破公司,2002.12(4) [15]薛超.爆破地震波作用下框架结构的动力响应[D].贵州贵阳:贵州大学,2009 [16]吴克刚.爆破地震危害及爆破振动测试[J].采矿技术,2009,9(5):116-122 [17]徐建勇,彭立圣.爆破振动测试及减震措施[B].四川建筑,2009,4(29):234-236 [18]李德林等.爆破振动效应对建筑物的影响[A].工程爆破,2004,6(10):66-69 致谢 在作此次毕业设计的过程中,本人得到了李洪伟副教授的精心指导,正是因为李老师不断的提供大量的资料来源、现场测振机会以及耐心的帮助,不仅为我研究这个课题提供了大量知识贮备,而且使我学会了从大量的资料中选择出自己需要的东西、从实地测量中得到有用的数据。在此感谢老师的无私帮助,也感谢帮助我进行现场测震的同窗好友,谢谢培养了我四年的学校。 本文档由香当网(https://www.xiangdang.net)用户上传

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    lsj88888888

    贡献于2020-09-10

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