概述

    爆破時通過炸藥能量的釋放，使炮孔周圍介質(zhì)破碎，同時由于爆破應(yīng)力波作用又使遠(yuǎn)處介質(zhì)產(chǎn)生剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，使介質(zhì)產(chǎn)生裂隙；剩余的一部分能量以波的形式傳播到地面，引起地面質(zhì)點(diǎn)的振動，形成爆破地震。地面與地下工程結(jié)構(gòu)均受爆破地震的影響，在爆破工程設(shè)計(jì)時需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行爆破地震強(qiáng)度的檢算。近年來，爆破拆除工程日益增多，為了不致?lián)p傷破壞爆體周圍的建筑與設(shè)備，嚴(yán)格控制爆破振動是極為重要的。因此，在控制爆破設(shè)計(jì)中，同樣需要進(jìn)行爆破強(qiáng)度的檢算。通常使用爆破測振儀對其進(jìn)行爆破振動速度監(jiān)測。

爆破地震與自然地震

爆破地震與自然地震有相似之處，即二者都是急劇釋放能量，并以波動的形式向外傳播，從而引起介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)振動，產(chǎn)生地震效應(yīng)。但爆破地震還有以下特點(diǎn)：

一、爆破地震的震源能量小，影響范圍??；

二、持續(xù)時間短，爆破地震一般在0.1～0.2 S左右，而自然地震持續(xù)時間長，一般在10～40 S左右；

三、爆破地震振動頻率高，而自然地震一般是低頻振動；

四、可以控制爆破震源大小及作用方向；

五、通過改變爆破技術(shù)可以調(diào)節(jié)振動強(qiáng)度。

雖然在同一地點(diǎn)的兩種地震波參數(shù)相同，但爆破地震對該處建筑的影響和破壞程度要比自然地震輕。因此，對于爆破地震問題不應(yīng)按自然地震的計(jì)算方法來處理。

爆破振動速度

爆破所引起的地面振動與天然地震一樣，是一個非常復(fù)雜的隨機(jī)變量。它是以波的形式傳播的，其振幅、周期和頻率都隨時間而變化。振動的物理量一般用質(zhì)點(diǎn)的振速、加速度、位移和振動頻率等表示。用振動的哪些物理量作為衡量爆破地震效應(yīng)強(qiáng)度的判據(jù)，在不同的工程實(shí)踐中，各有側(cè)重。目前，國內(nèi)外多采用地面質(zhì)點(diǎn)的振動速度作為衡量爆破地震效應(yīng)強(qiáng)度的判據(jù)。這是因?yàn)椋?/p>

一、它可以使爆破振動的烈度與自然地震烈度相互參照；

二、目前采用的速度傳感器及二次儀表比較普遍，標(biāo)定與信號檢測較容易。

三、便于換算與結(jié)構(gòu)破壞判據(jù)相關(guān)的參數(shù)。

爆破振動速度的計(jì)算

巖石介質(zhì)的振動矢量是由相互垂直的三個方向的矢量和求得的。一般用垂直振動速度作為判據(jù)。在理論的推導(dǎo)上，由于爆破振速的大小與炸藥量、距離、地形、爆破方法等有關(guān)，推導(dǎo)出的公式（經(jīng)驗(yàn)公式）較多，目前使用較多的是由相似理論 量綱分析的結(jié)果，給出按藥量立方根比例推算的方法決定函數(shù)關(guān)系（薩道夫斯基提出的經(jīng)驗(yàn)公式），中科測控系列爆破測振儀軟件均可以分析爆破數(shù)據(jù)，提供參考

v=k(Q^(1/3)/R)^α                          式（1）

式中：V為爆破產(chǎn)生的振動速度（cm/s）；K為介質(zhì)系數(shù)；α為衰減系數(shù)；Q為最大一段裝藥量（kg）；R為測點(diǎn)與爆心的距離（m）。  由于工程爆破的地質(zhì)條件、裝藥設(shè)計(jì)等等條件千變?nèi)f化，式中的參數(shù)經(jīng)常變化，特別是K與α系數(shù)的值要在具體的工程條件下確定。通常使用小藥量試爆，測試數(shù)據(jù)V、R、Q值進(jìn)行線性回歸，計(jì)算得出a1，a0的數(shù)值：即將式（1）變形得

lnV=lnK+αln(Q^1/3／R)                 式（2）

令： y=lnV，a0=lnK,a1=α，x=ln(Q^1/3/R)得

y=a0+a1x                              式（3）

求出K與α之值，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的Q、R值計(jì)算出V值，同時應(yīng)使V值小于《爆破安全規(guī)程》（GB6722 86）規(guī)定的安全振速［V］范圍內(nèi)。

安全振速爆破地震引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的振動速度，作為衡量爆破地震效應(yīng)強(qiáng)度的判據(jù)。

不同的振速對巷道、建（構(gòu)）筑物等造成不同程度的破壞。為此，我國制定的《爆破安全規(guī)程》（GB6722 2014），規(guī)定了有關(guān)的安全振速，以防止爆破振動引起的危害和損失。

礦山巷道的安全振速為：

(1)圍巖不穩(wěn)定，但有良好支護(hù)：［V］<10cm/s。(2)圍巖中等穩(wěn)定，有良好支護(hù)：［V］≤20 cm/s。(3)圍巖穩(wěn)定無支護(hù)：［V］≤30 cm/s。

建(構(gòu))筑物地面質(zhì)點(diǎn)的安全振速為：

(1)土窯洞、土坯房、毛石房屋：［V］≤1cm/s。(2)一般磚房，非抗震大型砌塊建筑物：［V］≤2～3 cm/s。(3)鋼筋混凝土框架房屋：［V］≤5cm/s。

爆破振動反應(yīng)譜

如上所述，雖然已將爆破地震的安全振速作為建（構(gòu)）筑物是否破壞的判據(jù)，據(jù)以判斷該建（構(gòu)）筑物在一定的爆破情況下是否安全，但是，對于建筑結(jié)構(gòu)可承受爆破地震荷載數(shù)值還無法確定。因?yàn)?，安全振速不能確定爆炸振動對建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生的地震荷載（地震力）。地震荷載與一般荷載不同，一般荷載與結(jié)構(gòu)的動力特性無關(guān)，可以獨(dú)立確定。而地震荷載不僅取決于地震烈度，即地震時受到的影響和破壞程度的大小，還與建筑物的動力特性等因素有密切關(guān)系，如結(jié)構(gòu)的自振周期、阻尼等。目前，我國與世界上大多數(shù)國家對自然地震的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，采用了反應(yīng)譜理論來確定地震荷載。

應(yīng)譜的概念用一個阻尼諧和振動子（即單自由度體系）來模擬真實(shí)建筑物，然后考察此振動子在承受地震引起的速度、加速度、位移特性。我們將實(shí)測到的地面加速度曲線作為確定反應(yīng)譜的輸入，對于某一個自振頻率 阻尼的組合情況求出對于地面加速度的最大反應(yīng)，這一最大反應(yīng)就是反應(yīng)譜曲線上的一個點(diǎn)。因此，反應(yīng)譜的定義是單自由度體系對于給定的地面加速度考慮阻尼時的最大反應(yīng)（加速度、速度、位移）與系統(tǒng)的自振頻率（或周期）的關(guān)系曲線。反應(yīng)譜計(jì)算理論是根據(jù)地震時的實(shí)測記錄，通過分析計(jì)算所繪制的加速度反應(yīng)譜曲線為依據(jù)的。

反應(yīng)譜分析在爆破地震中的應(yīng)用爆破振動波形可進(jìn)行直觀分析，為什么還要進(jìn)行反應(yīng)譜分析？振動強(qiáng)度的物理量中，如振幅的大小，振動持續(xù)的時間的長短等在所測波形中容易了解。然而，象頻率的高低、分布情況、能量的大小等物理量，從波形圖中不易得到。只有通過頻譜分析才能獲得振動各參量中的各頻率成分和分布范圍，得到主振幅的頻率值。爆破地震頻譜分析很重要，它對各種結(jié)構(gòu)物，地下工程等，在爆破作用下的動力分析，提供了不可缺少的振動參數(shù)。

頻譜分析地震波是質(zhì)點(diǎn)作周期性振動的彈性波，波動可能是瞬態(tài)的、周期性的或隨機(jī)性的。分析地震的作用，所關(guān)心的是地震通過時質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的運(yùn)動。諧振運(yùn)動的基本運(yùn)動方程為：

u=umax sinwt                   式（4）

式中：u是在t時刻的質(zhì)點(diǎn)位移；umax是位移幅值；w 是角頻率，w =2πf，f為頻率。對式(4)求導(dǎo)，得到質(zhì)點(diǎn)作諧振動的速度（V）和加速度（a）。 若只考慮最大值，則 實(shí)際上，地震波中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動不是簡單的諧振動，位移幅值和周期都不是固定常數(shù)，而隨時間變化。但上述各參量幅值間的關(guān)系，可用來分析地震波中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動。爆破產(chǎn)生的振動波中包含各種成分的波。圖1是一較典型的爆炸地震圖。地震圖中三條曲線分別記錄了質(zhì)點(diǎn)位置矢量在三個方向上（縱向L，垂直方向Z，橫向T）的分量?？梢钥闯?，最先記錄下的是體波，爾后是表面波。各諧波分量中振幅最大的分量的頻率為主頻率。求算主頻率的方法是對波形進(jìn)行傅里葉譜分析，因質(zhì)點(diǎn)的振動波形是時間的函數(shù)，通過傅里葉變換把振動波形的振幅隨時間變化的函數(shù)變換成振幅隨頻率變化的函數(shù)，即由時域變成頻域。

頻譜分析是以傅里葉級數(shù)和傅里葉積分為基礎(chǔ)。波形分析采用傅里葉積分的方法，是把時間域里的信號x(t)變換為頻率域里的函數(shù)x(w)之間的關(guān)系，記錄波形只在持續(xù)的時間T內(nèi)，x(t)才存在傅里葉變換。式中：x(t)：是爆破振動量（如位移、加速度等 ）的時間歷程；x(w)：為x(t)的頻譜；w是角頻率；j=-1是復(fù)數(shù)單位。對有限長波形的傅里葉變換是一復(fù)數(shù)。

x(w)=R(w)+jI(w)                       式（5）

式中實(shí)部： 虛部： 譜的幅值為 相位譜為： 快速傅里葉變換(即FFT算法)，是通過把整個數(shù)據(jù)序列，分離成若干個較短的序列來計(jì)算離散傅里葉變換(DFT)，以替代整個序列的DFT。FFT算法有多種計(jì)算結(jié)構(gòu)形式，常用的柯立 杜開法是使數(shù)列成2P的數(shù)據(jù)序列。FFT法可達(dá)到較快較高的速度和精度，達(dá)到實(shí)時分析的效果和替代繁雜的計(jì)算。因此用它編制成軟件，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行頻譜分析。

進(jìn)行實(shí)測的爆破地震測試系統(tǒng)框圖如圖２所示。使用上述系統(tǒng)可以把爆破地震直接進(jìn)行記錄分析打印,得到頻譜分析的結(jié)果，找出振動波形中的主頻率。該系統(tǒng)可用筆記本式電腦直接在現(xiàn)場進(jìn)行測試。找出主頻率，以此來判斷地震波對結(jié)構(gòu)的影響，以及分析結(jié)構(gòu)在地震波作用下的反應(yīng)，求算出爆破地震荷載的大小和方向。

綜合分析

爆破地震效應(yīng)強(qiáng)度是以振速(或加速度,位移)為判據(jù)，為保證建(構(gòu))筑物的安全，必須使其控制在《爆破安全規(guī)程》的安全振速及有關(guān)規(guī)定的范圍內(nèi)。國內(nèi)大多使用速度作為安全判斷依據(jù)，加拿大、美國是以加速度作為安全判斷標(biāo)準(zhǔn)，各有利弊，根據(jù)自己的需要或者是測試方便來選取。而要知道爆破地震所產(chǎn)生的地震荷載(地震力)，則要通過測試與頻譜分析，求出主頻率。可進(jìn)行某些建筑物的抗震(爆破地震)的設(shè)計(jì)，指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)與采取的安全措施以及事故的事后分析等。無疑對解決工程爆破問題是有幫助的。

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