隔振沟对爆炸塔周边地表振动的影响＊

胡八一，陈石勇，谷 岩，刘 宇，刘仓理

（中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳621900）

爆炸塔作为一类特殊的抗爆建筑结构，广泛应用于工业、交通、水利、军事科研及矿山开采等领域［1］。随着人们对环境保护和人类健康的日益重视，过去户外进行的许多爆炸作业及爆炸加工将更多地转入室内爆炸塔中，因此，爆炸塔的应用也将更加广泛和频繁［2－3］。

然而，在爆炸塔的使用过程中，爆炸产生的地震波对邻近建筑和仪器设备仍有较强的冲击振动影响，个别爆炸塔因此不能完成设计当量的考核实验［4］。对这种由爆炸冲击引起的地震波的振动影响，通常运用隔振沟技术［5－8］降低和削弱。隔振沟的尺寸大同小异，如1kg TNT当量爆炸塔，隔振沟宽0.8m，深1.8m；5kg爆炸塔，隔振沟宽1m，深1.4m。但所有这些设计或工程均没有说明为何要这样设计隔振沟，也没有爆炸塔建成后对邻近实验室地面冲击振动监测结果的报道，因此，对爆炸塔使用过程中出现的较强地面振动也就无法进行量化对比测量和分析。

基于以上状况，我们专门设计建造了一个小型爆炸塔，对该塔体在无隔振沟和有隔振沟两种条件下进行了爆炸对比实验，监测了塔体周边地表的振动速度，着重关注爆炸地震波的振动幅值、频率和持续时间等3个要素［9－11］。

本文中，简要介绍这个研究结果，以期进一步认识爆炸塔周边地表的振动特征并对隔振沟参数设计提供有益参考。

1 实验设计

1.1 爆炸塔及炸药参数

爆炸塔为柱形椭球封头结构，用钢筋钢纤维混凝土建造，如图1所示，内径2m，柱段高1.5m，壁厚0.4m。有0.6m×0.5m的防爆门及数个∅20mm起爆测试通道。隔振沟宽度0.3m，深1m。

炸药为压装TNT药球，密度1.63g／cm3，药球中心设计有∅11×5mm太安传爆药，用雷管中心起爆。实验时药球中心始终与塔内地面保持0.15m的高度。

实验分2个步骤进行，先是塔体建成后无隔振沟时，安排5发实验，实验用炸药球半径分别是35、45、55和65mm，其中1发35mm为重复性验证实验，目的是考察速度峰峰值的统计涨落幅度；然后是隔振沟挖成后，安排4发爆炸实验，实验用炸药球半径分别是40、50、60和70mm。

1.2 测试布局及仪器

如图2所示，在爆炸塔周边地表布设了2条互成90°的对应重复测线，目的是考察塔体地面地质状况及传感器安装等微小差别对测试数据的影响。图2中A、D点位于隔振沟内侧，距塔体外表0.2m，距隔振沟壁0.1m，相同测线上各测点间距均为0.9m。

振动速度传感器是VS－10型双向（垂直z及水平径向x）磁电式传感器，通过1.5m长引线接入UBOX－20016型拾振器，通过触发设置实现现场等待式记录。

图1 塔体结构示意图Fig.1 Schematic of the chamber

图2 测点布局Fig.2 Arrangement of the measuring points

2 测试结果及分析

2.1 地表振动波形特征

细致分析实验获得的近百条爆炸塔周边地表振动波形，可归纳出以下几点认识：

（1）无隔振沟时，各点垂直（z方向）振幅均大于水平（x方向）振幅，垂直方向振动周期较大，同时叠加了频率较高的小振幅高频振动，如图3所示。有隔振沟后，沟内侧A、D点的垂直及水平向振幅均急剧提高，水平方向振幅反而超过垂直向，随着炸药量增大，这一趋向更为显著；不过此时沟外侧各点的振幅，仍是垂直方向大于水平方向，与无隔振沟时一样，图4所示为有隔振沟时最大炸药量加载的A点垂直（z方向）与水平（x方向）方向振动波形。

图3 A点无隔振沟振动波形Fig.3 The vibration waves without trench

图4 A点有隔振沟振动波形Fig.4 The vibration waves with trench

（2）在实验的药量范围（283～2 338g），爆炸引发的地震波持续时间一般小于0.1s，个别可持续近0.2s。这个持续时间与600kg单段药量爆破［12］测得的振动时长（0.4s）差一倍，与50t大型爆破［13］的振动持续时间（2～5s）小很多。与天然地震的几十秒至数分钟的振动时间就相差多。

（3）对实测速度波形进行FFT分析，发现垂直方向的振动，其频谱主要位于20～500Hz这个范围，而水平方向的振动，则大多位于200～800Hz范围内。图5即是图3所示波形的FFT分析结果，其中纵坐标A为量纲一相对振幅，显然比文献［11］（单次17kg炸药）和文献［12］的振动频率分布更高（其最高功率对应的频谱分别是169.38和14.64Hz）。且发现隔振沟存在与否对振动频谱基本无影响。

图5 典型振动波形的FFT频谱Fig.5 The FFT spectra of typical vibration waves

2.2 各点振动速度峰峰值比较

由于峰峰值更能说明振动幅值的大小，所以用来代表振动的强弱。表1、2分别是无隔振沟、有隔振沟时垂直z及水平x向的各点处振动速度峰值的数据。

表1 无隔振沟时振动速度峰峰值比较Table 1 Comparison of vibration velocity peak to peak value without trench

表2 有隔振沟时振动速度峰峰值比较Table 2 Comparison of vibration velocity peak to peak value with trench

对比分析表1、2中的数据，可以看到：

（1）爆炸产生的地震波确实是典型的非平稳随机信号［10］，对R＝35mm进行的2次重复实验结果充分显示了随机涨落特征；此外，2条重复测线上各对应点数据的较大差别也提示地面施工状况或传感器安装力矩的微小差别也会导致测试结果呈现较大的差异。

（2）隔振沟的存在使沟内侧（靠塔体）地表的振动幅度增强至原来的约10倍，这是爆炸地震波在隔振沟自由面的反射效应所致。郭学彬等［14］在野外均质黄土层中发现振速增加现象（但增量仅约30%），并把它解释为沟槽的动力反应，该动力反应区宽度约0.60m。B、E点的数据也提示炸药量越大，这种动力反应现象越明显，而B、E这2个点距隔振沟中心0.65m，正好处于动力反应区的边缘上。

（3）隔振沟对水平方向的振动衰减更为有效，使振幅衰减至原来的1／10以下；垂直方向的振幅衰减至原来的1／4～1／3。这个结果与郑水明等［6］对11t的落锤从12m高处落下的隔振研究结论一致，即：隔振沟使水平向振动速度峰值衰减了80%，使垂直方向衰减了不足30%。

（4）B、C、E、F这4个点的数据表明隔振沟并没有从绝对振动幅值上降低爆炸塔隔振沟外侧0.5～1.5m区域地表的质点振动速度。这个结果很有意义，首先它解释了为何个别爆炸塔运行时相邻建筑的地面振动仍然非常强烈；其次它提示我们，需要从理论上探讨隔振沟的深度设计依据，而不能再一句经验设计成深1～2m。

图6 介质中的地震波Fig.6 The seismic waves in the medium

3 讨 论

天然或人工振源在介质中引发的地震波如图6所示，首先是纵波（P波），它的振动方向与波传播方向一致，使介质产生疏密相间的压缩和膨胀；其次是横波（S波），质点振动方向与波传播方向垂直，使介质被剪切，S波分SV和SH波；最后是面波（主要以瑞利波为主），瑞利波（R波）是前面2种体波（P波和SV波）在介质边界相互作用叠加形成的，使介质质点作图6中所示的逆向椭圆运动，且质点垂直方向振幅为水平向的约1.5倍。

从前面实测的地面振动波形可以看出，爆炸引起的地面振动是很复杂的随机过程，它既有体波也有面波，是不同幅值、不同频率与不同相位的各种波型的叠加波。同时由于测点离振源中心较近，P波、S波和R波在传播时尚未分离，他们对地面振动均有贡献，但从振幅角度看，垂直方向的振幅仍然大于水平方向，周期较大，衰减也较慢，具有面波（R波）特征。因此，爆炸塔的隔振就主要考虑对瑞利波的衰减，已有的研究认识均表明：R波在半无限空间中的有效传播深度约1.5λ［15］（λ为R波波长），文献［16］的动光弹研究显示出当隔振沟深度达到（3～4）λ时，R波被完全反射回去，此时达到最大隔振效果。

显然求出爆炸地震波中R波的波长λ，即可据此设计爆炸塔的隔振沟深度。实际工程中爆炸塔外侧周边地面混凝土层厚仅几厘米，主要还是粘土层，在粘土层中C.H.Dowding［17］给出的S波速度vS为200～800m／s，瑞利波速度vR≈0.92vS，则R波速度在184～736m／s这个范围内。赵增欣［18］在大烟囱爆破中测出水泥地面的S波速度vS＝619m／s，由此得到R波速度vR＝569m／s，与郑水明［6］的分析计算和文献［17］对页岩中R波波速的实测结果671m／s也较接近。因此爆炸塔周边地面瑞利波的传播速度可参照取为569m／s。而本文中实测的垂直向振动频率（R波的垂直分量体现）主要分布在200～500Hz之间，如图7所示。波长λ＝vR／f，故此时R波的波长在200Hz时为2.85m，在500Hz时为1.14m。由于对结构破坏较大的是低频振动，取200Hz时的最大波长λmax＝2.85m。考虑文献［15－16］的研究成果，并结合实际工程可行性和建设成本，则隔振沟深度建议取3λ，深约8.5m。

图7 垂直方向振动的频谱分析Fig.7 The FFT analysis of the vertical vibration waves

4 结 论

（1）爆炸塔周边地表的振动具有典型非平稳随机信号特征，振动波形是包含体波和面波的叠加波；地面振动的持续时间小于0.2s，垂直向振动频谱范围在20～500Hz，水平向则范围在200～800Hz。

（2）隔振沟的存在使靠塔体一侧地表的质点振动幅度因自由面反射效应而增强至之前约10倍，质点水平方向振动幅度的增大比垂直方向更突出；无隔振沟或隔振沟外侧，地表垂直方向振幅大于水平方向，垂直方向振动周期较大，衰减更慢，具有面波特征；水平方向频率更大，衰减更快，振幅较小，具有体波特征。隔振沟对地表振动频率无明显影响。

（3）隔振沟对水平方向的振动衰减效应更加明显，可使水平方向振幅衰减至原来的1／10；使垂直方向振幅衰减至原来的1／4～1／3。

（4）对爆炸塔产生的地震波，隔振沟的深度至少应达到2～3倍瑞利波波长，即5.7～8.5m，才能产生明显的隔振作用；实测结果也表明1m深的隔振沟基本上无隔振意义。

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