吳帥峰， 王 戈， 袁東凱， 劉殿書

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083; 2.開封市質量技術監(jiān)督檢驗測試中心，河南 開封 475000)

爆破振動對新澆混凝土影響的試驗研究

吳帥峰1， 王 戈2， 袁東凱1， 劉殿書1

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083; 2.開封市質量技術監(jiān)督檢驗測試中心，河南 開封 475000)

為探究新澆混凝土受爆破振動作用下的安全振速，以保證混凝土結構的可靠性，采用露天深孔爆破作為振源，對齡期為6 h、12 h、36 h、48 h和72 h的C40混凝土分別在2～10 cm/s的爆破振速下進行試驗。通過測試各齡期試件在受振動擾動后的縱波波速及抗壓強度，分析得出：齡期為6 h和12 h時，2.3 cm/s的爆破振速能夠使混凝土產生大于0.05的損傷以及5%以上的強度折減；齡期為36 h和48 h時，能夠對混凝土造成損傷和強度折減的振速為4 cm/s，36 h齡期為混凝土抗振能力提升的拐點；齡期為72 h時，混凝土表現(xiàn)出明顯的抗振性能。最后，以損傷不大于0.05和強度折減不大于5%雙重指標，給出齡期為6 h、12 h、36 h、48 h和72 h的混凝土安全振速分別為2 cm/s、2 cm/s、4 cm/s、5 cm/s、7 cm/s。為完善新澆混凝土在爆破振動下的安全標準提供參考。

新澆混凝土；爆破振動；混凝土齡期；安全振速

在爆破施工與澆注混凝土交叉并行施工的情況下，會引起爆破振動對臨近新澆混凝土的擾動問題，如地下工程爆破開挖與澆筑混凝土支護圍巖，水電工程中爆破開挖與大壩混凝土澆筑。工程資料與試驗數(shù)據均表明，爆破振動對新澆混凝土產生不利影響，我國相關的規(guī)程和標準[1-2]均將3天內的新澆混凝土劃分為同一個齡期，并給出相應的安全振速標準，如表1所示。而實際上，0～3天齡期是混凝土強度增長最快的階段，工程經驗表明齡期在12 h內強度增長最快且對外界擾動最敏感，齡期大于24 h后強度增長速率減緩而抵抗外界擾動能力增強，當齡期增長到72 h后時強度大幅度提高，約達到28天齡期強度的60%，抗外界擾動能力也大幅提高。因此，給定0～3天齡期的混凝土為同一個安全振速標準過于籠統(tǒng)，也不利于施工過程對安全判據的把握[3-4]。李毅敏等[5]采用室內模型試驗的方法，對1、2、3、5、7、10天齡期混凝土試件進行落錘振動沖擊試驗，得出振動擾動下強度與齡期的關系。戴思南等[6]采用數(shù)值模擬的方法，對大尺寸混凝土結構在1、3、7天齡期下受爆破振動擾動進行研究，確定出各齡期混凝土爆破振動安全允許控制值。谷海清[7]采用現(xiàn)場試驗方法對1天和3天齡期的樁基混凝土進行抵抗爆破振動能力試驗，給出1天和3天齡期混凝土的允許質點振動速度分別為2～3 cm/s和6～8 cm/s。盧文波等[8-9]建立新澆混凝土在爆破Rayleigh波作用下的理論計算模型，由此采用數(shù)值模擬方法得出1、3、7、28天齡期混凝土的爆破安全振速。相關研究均得出規(guī)范給定的新澆混凝土的安全振速標準較為保守，而且不夠細化，特別是針對0～3天內的數(shù)據過于籠統(tǒng)。目前，國內外尚缺少不同強度標準混凝土3天內的爆破安全振速標準，這些方面的研究工作還有待進一步開展。

表1 規(guī)范給出的新澆混凝土安全振速

基于此研究現(xiàn)狀，本文對0～3天齡期混凝土進一步細化，分別為6 h、12 h、36 h、48 h和72 h，并分別監(jiān)測5個齡期混凝土在露天深孔臺階爆破振源作用下的損傷和強度折減，對安全振速臨界值進行探討，以完善上述研究。

1 爆破振動對新澆混凝土影響機理

水泥作為混凝土中的膠凝材料，隨著齡期的增加，水化反應逐漸完全，形成的凝膠體填充顆粒之間空隙，毛細孔越來越少，使結構更加緊密，水泥漿體逐漸產生凝結與硬化，形成堅固的整體?；炷两K凝到3天齡期之間的水化反應是早期強度形成的關鍵時期，正常養(yǎng)護條件下的普通硅酸鹽水泥3天齡期的強度為28天齡期的40%～60%。在此階段，水泥的水化反應還未完全，在爆破振動作用下會形成內部隨機分布的微裂紋或貫通裂紋，這些裂隙不但破壞凝膠體強度的形成，妨礙水化反應的正常發(fā)展，而且會造成混凝土的強度、極限拉應變和抗?jié)B性降低，嚴重的還導致混凝土直接破壞。

初凝前的混凝土受到的爆破振動擾動相當于二次振搗作用，不會造成破壞。初凝后，過大的爆破振動使混凝土內部產生拉應力，同時混凝土內部水化熱釋放形成溫度應力，徐變及自收縮形成拉應力等，而混凝土的抗拉強度是抗壓強度的1/10左右，此時混凝土的抗拉強度還未形成或強度極小，易產生裂紋，造成損傷，影響結構整體性，嚴重的造成破壞。

爆破振動擾動對新澆混凝土影響的特點為：①爆破荷載拉應力的影響。混凝土是脆性材料，抗拉強度低，極限拉伸小，約為100 με。爆破振動擾動所產生的拉應力，同自身的溫度應力和收縮應力協(xié)同作用下極易超過抗拉極限產生破壞;②混凝土與邊界耦合的影響。早期混凝土波阻抗、彈模小，與基巖接觸面成為弱耦合界面，爆破應力波在界面處發(fā)生反射、透射等一系列復雜傳播行為，過大的振速會造成新澆混凝土在界面處脫開，影響結構整體性;③初凝后，過量的爆破振動會造成水泥漿與骨料脫開，進而形成貫通的裂縫，造成損傷，強度降低;④爆炸應力波頻率的影響。在露天臺階爆破或隧道開挖爆破中所產生的振動主頻通常大于20 Hz，而混凝土的1～3階振型的自振頻率小于10 Hz，此種情況下由共振引發(fā)破壞的可能性極小。而大藥量硐室爆破產生的振動主頻較低，應防止共振引發(fā)的破壞。

2 現(xiàn)場試驗方案

2.1 試驗方案設計

新澆混凝土受爆破振動擾動的現(xiàn)場試驗的核心思想在于：首先，將混凝土試件布置在離爆心距不同距離的測線上，使其受到不同爆破振速的擾動；其次，在相同爆破條件下，對齡期為6 h、12 h、36 h、48 h和72 h的5組混凝土進行試驗，使每組混凝土均受到不同爆破振速作用；最后，測得不同齡期試件在爆破振動擾動下的聲波速變化和單軸抗壓強度變化，結合各測點所測得的振動速度，得出損傷擾動規(guī)律和強度擾動規(guī)律，同時給出各齡期下爆破振動速度允許值。整體測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 試驗測試系統(tǒng)流程Fig.1 System processes of experimental test

基于此思想，該試驗的具體步驟為：①首先測定爆破區(qū)域附近的振動規(guī)律，由此找出目標振速為2～10 cm/s的布點范圍為距爆心15～90 m。②為保證試驗條件一致性，應使不同齡期混凝土試件在同一次爆破下進行試驗?；诖?，采用按時間倒推的方法制作試件。如72 h齡期的試件在計劃試驗前的72 h制成，其他齡期以此類推。③試驗設計距爆破中心由近及遠5個測點，每測點放置5種齡期的試件，如圖2中的1號測點放置齡期為6 h、12 h、36 h、48 h和72 h的試件，每種齡期3個試塊，其他測點依此類推。此時便實現(xiàn)了不同齡期試件有相同的爆破振動條件。④將擾動后的試件養(yǎng)護至28天齡期后進行聲波測試和強度測試，并通過數(shù)據分析得出損傷發(fā)展和強度折減隨爆破振速變化的規(guī)律。

2.2 爆破振源及測點布置的選擇

振源為露天深孔臺階爆破，孔深18 m，1排5個炮孔，單孔裝藥量為150 kg。根據前期現(xiàn)場測振和新澆混凝土安全振速影響范圍，選定2～10 cm/s左右的振動區(qū)域，此區(qū)域在距爆區(qū)15～90 m的范圍內，測點布置在一條直線上，共布置五個試驗測點分別為15m、35 m、50 m、70 m和90 m，如圖2所示。具體測點所選位置不影響工程的正常施工，又能很好得反映爆破對新澆混凝土實際振動情況。每個測點放置5種齡期的混凝土試件，每種齡期有3塊試件，每個測點放置一臺TC-4850測振儀測定各測點振動速度，試件及測振儀布置如圖3所示。

圖2 現(xiàn)場試驗設計及試件布置Fig.2 Field test design and specimens arrangement

圖3 1號測點及試件布置Fig.3 No. 1 measuring point and specimen arrangement

2.3 混凝土試件的制備

混凝土試件的制作參照混凝土試件制作標準[10]，模具為100 mm×100 mm×100 mm，采用該試驗場地施工所用配合比，目標強度為C40，如表2所示。試件按齡期分五批制備，分別為：6 h，12 h，36 h，48 h和72 h。為保證各齡期試件受到相同的振動效應，在同一次爆破作業(yè)下將5種不同齡期的試件同時布置在選定的測點上，每種齡期混凝土試件3個。

表2 混凝土配合比

3 試驗測試與結果分析

3.1 試件測試方法

將受爆破振動作用后的試件運至標準養(yǎng)護室后3天再進行拆模，養(yǎng)護條件為溫度20±2℃，相對濕度95%以上，待滿至28天后進行測試，測試內容包括超聲波測試和單軸抗壓強度測試。其中超聲波測試試件的縱波波速，采用表面直透法，即發(fā)射端的超聲脈沖經過被測試件后將攜帶其內部結構、材料性質等信息，經接收端接收，是混凝土無損檢測中常用的方法；抗壓強度的測試使用萬能壓力機。

3.2 振動監(jiān)測結果

經測試，分別得到了各測點的振動數(shù)據和各試件的縱波波速及抗壓強度。其中，振動數(shù)據為各測點的基本信息，如表3所示，測點1的爆破振型如圖4所示。以三相合成振速為表征值，其范圍為2.3～11.7 cm/s，符合試驗方案設定情況，主頻范圍均大于25 Hz，而理論計算得出混凝土塊1～3階振型頻率一般小于10 Hz，在此測區(qū)內不會因共振效應而產生破壞[11]。

表3 測點振動數(shù)據

圖4 測點1的爆破振型圖Fig.4 Blasting vibration type of the test point 1

3.3 試件損傷規(guī)律

損傷變量是巖石損傷力學理論的核心問題，巖石的損傷變量反映巖石內部損傷的情況，巖石損傷力學研究中，很多都用連續(xù)損傷力學分析巖石的損傷變量。最基本、應用最多的是用彈性波速變化來計算損傷：

(1)

式中：Vpr為受爆破振動作用后的試件縱波波速；Vp為未受爆破振動作用的試件縱波波速。

根據式(1)得出混凝土試件的損傷如表4所示，該表中縱波值為各齡期3塊試件的平均值。為研究各齡期下混凝土受爆破振動擾動后的損傷發(fā)展規(guī)律，將損傷與振速相關聯(lián)，分別構建縱橫對比，橫向對比不同齡期下?lián)p傷發(fā)展與振速的規(guī)律，縱向對比不同振速下?lián)p傷發(fā)展與齡期的規(guī)律。如圖5所示。

表4 現(xiàn)場試驗混凝土損傷

圖5 試件損傷與振動速度關系Fig.5 Relationship between the damage value and the vibration velocity

由表4數(shù)據和圖5(a)曲線走勢可以看出，試件的齡期越短，受爆破振速影響越大。其中，6 h齡期混凝土的損傷隨爆破振速增大迅速增長，振速從2.301 cm/s增大到3.707 cm/s階段其損傷從0.078增長至0.187，增長最快、增幅最大；在振速增至7.922 cm/s的階段，損傷緩慢增加，當振速再增大時損傷已變化不大，表明6 h齡期混凝土最易受爆破振動的擾動，較小的振速就能產生較大的損傷，當振速超過一定量時混凝土試件內部裂隙已貫通，基本失去承載能力。12 h齡期混凝土損傷發(fā)展曲線較6 h下降較多，但在2.301 cm/s振速下?lián)p傷依然大于0.05，從損傷發(fā)展趨勢上來看，振速從2.301 cm/s增大到3.707 cm/s階段時損傷并未明顯上升，而振速在5.465 cm/s時損傷突然增大，隨后又平穩(wěn)發(fā)展，表明12 h齡期混凝土抵抗爆破振動能力有所上升。36 h齡期混凝土在振速小于5 cm/s時損傷小于0.05，且隨著爆破振速增加損傷發(fā)展緩慢，表明該齡期混凝土已經具有一定的抵抗爆破振動能力。48 h和72 h齡期的混凝土受振速影響產生的損傷發(fā)展情況整體相似，損傷量較之前情況明顯減小，只有當振速大于10 cm/s時試件損傷才超過0.05。

由圖5(b)可得，在相同振速下，試件損傷隨齡期的增長而降低；隨齡期的增長，較高振速下?lián)p傷的降低幅度和速度均大于較低振速下的幅度和速度。振速為11.703 cm/s時，在齡期由6 h增至12 h階段，損傷急劇下降；在齡期增至48 h階段內，損傷緩慢下降；在齡期增至72 h階段內，損傷發(fā)展較為平穩(wěn)，但損傷仍大于0.05，表明齡期在72 h以內的混凝土，在受到大于10 cm/s爆破振動時均造成較大破壞。振速為7.922 cm/s和5.465 cm/s時，損傷隨齡期的發(fā)展趨勢與振速為11.703 cm/s時基本相同，但損傷曲線整體較之下降較多，在齡期增至36 h后損傷均小于0.05。振速為3.707 cm/s和2.301 cm/s時，兩者的主要差異在6 h至12 h階段，3.707 cm/s的振速對6 h齡期混凝土仍造成較大損傷，并在12h時產生拐點，而2.301 cm/s的振速對6 h齡期混凝土產生的損傷較小，約為0.078，但兩者在12 h齡期后損傷發(fā)展曲線基本重合。

根據以上數(shù)據和分析，將損傷小于0.05為判定標準[12]，可得齡期為6 h、12 h、36 h、48 h和72 h的混凝土安全振速分別為：2 cm/s，2 cm/s，5 cm/s，7 cm/s和10 cm/s。

3.4 抗壓強度測試及結果分析

抗壓強度是混凝土的重要力學指標，它直接決定了結構物的可靠性與穩(wěn)定性。受爆破振動作用的混凝土強度會有一定程度的折減，當振速過大時可能造成開裂破壞，因此，抗壓強度測試是一項必需的實驗。試驗組試件和對比組試件的28天齡期抗壓強度測試結果如表5所示，每個齡期有6組數(shù)據，每組數(shù)據下有3塊試件。

表5 試件抗壓強度試驗結果

由于不同齡期試件分批制作，強度有少許差異，為方便觀測，將同一齡期試件的抗壓強度進行歸一化處理：

(2)

式中：P為受爆破振動作用后的試件強度；P0為未受爆破振動作用的試件強度。

取3塊試件的平均值后，將強度歸一值與振速關聯(lián)，分別構建不同齡期時強度歸一值與振速的規(guī)律，以及不同振速下強度歸一值與齡期的關系。如圖6所示。

圖6 強度與振動速度關系Fig.6 Relationship between strength and vibration velocity

由圖6(a)可得，齡期越短，試件強度受爆破振速影響越大，此規(guī)律與損傷發(fā)展相同。其中，6 h齡期混凝土強度隨爆破振速下降幅值最多、最快，在振速為2.301 cm/s時強度已下降至93.5%，隨著振速增大強度持續(xù)降低，當振速為11.703 cm/s時，強度降低為84.3%，表明6h齡期混凝土極易受到爆破振動破壞，此階段混凝土應嚴格控制周邊爆破條件。12 h齡期混凝土在2.301 cm/s振速下，強度降低至94.7%，強度隨著振速增大依次減小，但幅度明顯減小，在大于5 cm/s振速后強度變化較為平穩(wěn)，在最大振速11.703 cm/s時，強度減小至90.1%，表明12 h齡期混凝土抵抗爆破振動能力有所上升。36 h齡期混凝土在小于4 cm/s振速下，強度基本不減小，在大于4 cm/s振速下，強度由97%逐漸降低至91.3%，表明此時混凝土已具有一定的抵抗爆破振動能力。48 h和72 h齡期混凝土在小于5.465 cm/s振速下，強度下降至95.6%，在振速為5.465 cm/s至11.703 cm/s階段，強度變化很小，下降至94%。

圖6(b)可以得出各振速下試件強度隨齡期的變化規(guī)律，即隨著齡期的增長，混凝土抵抗爆破振動的能力增大。當振速為11.703 cm/s時，在6 h到12 h齡期階段，混凝土強度由84.3%快速上升至90.1%，此階段上升量最大；隨著齡期增至48 h，此階段混凝土強度平穩(wěn)上升至94.5%；當齡期增至72 h時，強度已不再增大。當振速為7.922 cm/s時，在6h到12 h齡期階段，混凝土強度由85.6%上升至91%，此階段同樣上升最快；隨后，強度隨齡期的增長而減緩，在48 h時達到強度增長極限，此時強度為94.6%。當振速為5.465 cm/s、3.707 cm/s和2.301 cm/s時，混凝土強度隨齡期的發(fā)展關系相似，在6 h到36 h齡期階段，強度平穩(wěn)增大至最高；隨后，強度不隨齡期增大而變大。該圖反映了齡期的增大使混凝土抵抗爆破振動的能力增強，當振速小于5 cm/s時，12 h齡期為混凝土抵抗爆破振動的一個拐點；當振速大于5 cm/s時，36 h齡期為混凝土抵抗爆破振動的一個拐點。

根據強度和損傷的數(shù)據和分析結果，結合95%強度保證率和損傷小于0.05的雙重判定標準，給出齡期為0～3天C40混凝土的安全振速，如表6所示。由本試驗和相關資料[13-16]可知，我國現(xiàn)行規(guī)范、標準給出新澆筑混凝土爆破安全振動速度具有較大的安全儲備。

表6 C40新澆混凝土損傷、強度雙標準安全振速

4 結 論

通過爆破振動對新澆混凝土影響的現(xiàn)場試驗研究得到如下結論：

(1)齡期在12 h以內的混凝土，其損傷和強度折減的發(fā)展隨爆破振速的增加而急劇增大，施工過程中對齡期12 h內的混凝土應重點保護并采取有效的減振措施。齡期大于36 h后，損傷和強度折減的發(fā)展隨爆破振速的增加明顯減緩，36 h齡期為混凝土抵抗爆破振動的一個拐點。

(2)隨著齡期的增長，新澆混凝土的損傷和強度受振動的影響依次減小。給出了以95%強度保證率和損傷小于0.05的雙重指標為判定依據的爆破振動允許值：6 h、12 h、36 h、48 h和72 h齡期混凝土的安全振速分別為2 cm/s、2 cm/s、4 cm/s、5 cm/s、7 cm/s。

(3)根據本試驗研究結果和國內外相關工程及試驗研究結論，我國現(xiàn)行規(guī)范、標準給出新澆筑混凝土爆破安全振動速度具有較大的安全儲備。但在具體工程中，對爆破安全振動速度的限值沒有把握的情況下，采用嚴格的標準是應當?shù)摹?/p>

(4)本試驗只針對C40混凝土做出相關研究，目前我國尚缺少各種強度標準下新澆混凝土和鋼筋混凝土構件的爆破安全振速判定試驗，具有一定的研究空間。

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Experimental study on the influence of blasting vibration on fresh concrete

WU Shuaifeng1, WANG Ge2, YUAN Dongkai1, LIU Dianshu1

(1. School of Mechanics & Civil Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China;2. Kaifeng Institute of Product Quality Supervision and Inspection, Kaifeng 475000, China)

In order to inspect the safety vibration velocity of fresh concrete under blasting vibration, and ensure the reliability of concrete structure, open-pit longhole blasting was used as a vibration source to test the C40 concrete at the vibration velocity of 2-10 cm/s and the age of 6 h,12 h,36 h,48 h and 72 h. The following results were obtained by testing the longitudinal wave velocity and compressive strength of specimens at various ages under vibration effect: at the age of 6 h and 12 h, 2.3 cm/s of blasting vibration velocity may cause damage degree greater than 0.05 and strength reduction greater than 5%; at the age of 36 h, 48 h and 72 h, the vibration velocity which can cause damage and strength reduction of concrete is 4 cm/s, and the age of 36 h is the inflection point of raising the anti-vibration ability of concrete; at the age of 72 h, the concrete shows proper anti-vibration performance obviously. Finally, with the double index of damage degree no greater than 0.05 and strength reduction no greater than 5%, the safety vibration velocities of concrete at the age of 6 h, 12 h, 36 h, 48 h and 72 h were determined: 2 cm/s, 2 cm/s, 4 cm/s, 5 cm/s and 7 cm/s, respectively. The results provide reference for improving safety standards of concrete under blasting vibration.

fresh concrete; blasting vibration; concrete age; safety vibration velocity

國家自然科學基金資助項目(51574247;10272109);高等學校博士學科點專項科研基金(20100023110001)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(2010QL05)

2016-01-29 修改稿收到日期：2016-04-29

吳帥峰 男，博士，1988年10月生

劉殿書 男，博士，教授，1960年8月生

TU755

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.02.006