董斌斌，程新鋒，閆 雷，易文華，劉 偉，楊 硯，劉連生,2

(1. 江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業(yè)工程重點實驗室，江西 贛州 3410003；3.江西應用技術(shù)職業(yè)學院，江西 贛州 341000)

爆破地震波在不同充填介質(zhì)中傳播的衰減效應一直是工程爆破領域研究的熱點問題[1-7]。眾多學者圍繞爆破地震波穿越結(jié)構(gòu)面做了大量的研究。Zhao J 等[8]采用非線性模型—雙曲彈性模型分析了節(jié)理數(shù)目不同對節(jié)理透、反射系數(shù)的影響；俞縉等[9-11]采用雙重非線性法研究了應力波入射單個節(jié)理和多個節(jié)理的傳播特征；Hao H 等[12]對應力波垂直入射節(jié)理面與平行入射節(jié)理面進行了探討，發(fā)現(xiàn)兩種不同的入射方式對應力波衰減快慢有顯著區(qū)別；Li J C 等[13-14]提出了“虛擬波源(VWS)”的概念，運用粘彈性模型與非連續(xù)位移法分析了結(jié)構(gòu)面厚度、入射角等因素對應力波的影響；范留明等[15]提出薄彈性夾層模型，發(fā)現(xiàn)入射角、波阻抗及厚度是影響應力波傳播的主要因素，該模型在夾層透射解析方面分析較完善，夾層反射情況分析未作深入討論；錢七虎等[16]對應力波在裂隙中的傳播特性展開了研究，發(fā)現(xiàn)裂隙的完整性、泊松比和入射角對應力波衰減均有影響；孫金山等[17]對比了爆破地震波在順層和反傾夾層中的傳播差異；余永強等[18]對爆破地震波在斷裂地層高應力作用下的振動特性展開了研究；張奇[19]對應力波從垂直方向穿越節(jié)理面展開了研究，結(jié)果表明，充填介質(zhì)的縱波波速與應力波衰減顯著相關(guān)，而應力波從其他方向穿越節(jié)理面時未探討；劉希靈等[20]對彈性波在不同種類的巖石中傳播進行了探討，結(jié)果表明，巖石顆粒之間緊密度越高，彈性波衰減越慢，而彈性波在氣態(tài)、液態(tài)介質(zhì)條件中傳播未作描述；劉婷婷等[21]提出三單元模型對充填結(jié)構(gòu)面進行描述，從已有的理論對比分析了充填厚度、剛度以及充填介質(zhì)波速與應力波傳播的關(guān)系，尚未結(jié)合實際工程分析。上述研究普遍集中在結(jié)構(gòu)面數(shù)目、入射角、厚度、剛度等方面對爆破地震波的影響，在理論研究上對結(jié)構(gòu)面進行了理想化、簡單化的假設，與實際工程依然有差距。

筆者基于混凝土邊坡相似模型，結(jié)合試驗采集的爆破振動數(shù)據(jù)，探討爆破地震波穿越不同充填介質(zhì)結(jié)構(gòu)面的振動傳播規(guī)律，為降低爆破振動效應提供相關(guān)依據(jù)。

1 爆破振動試驗

爆破振動試驗在混凝土邊坡相似模型中進行，對比永平銅礦露天邊坡巖體力學參數(shù)[22]，確定以水、425#硅酸鹽水泥和篩選后的細沙按0.44∶1∶1.5的調(diào)配比例進行澆筑[23]，混凝土邊坡相似模型力學參數(shù)如表1所示。設計的模型長2 700 mm，寬2 700 mm，高1 100 mm，一共有7層，包含6個臺階面，分別設置為0～6號測點，其中以0號測點為基準面，定義0號測點高程為0 mm，每個臺階的高度是120 mm，每個測點均設有預制螺桿，用于安裝拾振器，邊坡臺階坡面角均為67°，最終邊坡角42°。模型的中心采用直徑為8 mm的鋼筋預制了25個炮孔，孔距、排距125 mm，孔深135 mm。模型分成8個區(qū)域，其中一個沒有預制結(jié)構(gòu)面定義為均質(zhì)區(qū)域，其余7個區(qū)域的3號臺階分別預制傾角為15°、25°、35°、45°、55°、65°和75°的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面長180 mm、寬450 mm、厚5 mm，模型澆筑成型后用泥、細沙、水和空氣對結(jié)構(gòu)面進行充填，充填介質(zhì)物理參數(shù)如表2所示，混凝土邊坡相似模型的尺寸大小和測點分布如圖1所示。

表1 混凝土邊坡相似模型力學參數(shù)

表2 不同充填介質(zhì)物理參數(shù)

注：0～6為測點編號
圖1 模型尺寸及測點布置
Fig.1 Model size and points layout

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同充填介質(zhì)的振動速度分析

爆破振動試驗中以起爆電子雷管的方式模擬炸藥爆炸的過程，通過BlastmateⅢ型爆破測振儀采集爆破振動信號，該儀器的拾振器能夠采集切向、垂向和徑向的不同振動信號，不同振動方向的區(qū)分如圖2所示。爆破振動測振儀配有相應的Blastware數(shù)據(jù)導出軟件，在爆破測振完成后將數(shù)據(jù)線一端連接爆破振動測振儀，另一端連接電腦，操控Blastware軟件即可將儀器監(jiān)測的數(shù)據(jù)導入電腦，作為后期爆破振動信號處理分析的原始數(shù)據(jù)。試驗按照充填介質(zhì)的不同，分為4組試驗。在每組工況下，分別將介質(zhì)充填到不同傾角的結(jié)構(gòu)面進行試驗，故每組工況共做8次試驗。每次試驗時以模型的中心炮孔作為第1個炮孔，依次布置其他相鄰2個炮孔(3個炮孔的連線指向爆破結(jié)構(gòu)面)，3個炮孔同時起爆。每做完一組試驗對結(jié)構(gòu)面內(nèi)的介質(zhì)進行清理，然后重新充填另一種介質(zhì)進行下一組試驗，由于試驗時使用電子雷管，藥量小，各個炮孔可以循環(huán)使用。3號臺階是縱向空的不同傾角的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面內(nèi)依次充填泥、細沙、水和空氣，為了探究爆破地震波穿越不同介質(zhì)結(jié)構(gòu)面的振動傳播規(guī)律，對4號測點切向、垂向和徑向的爆破振動信號進行采集，原始信號經(jīng)過EEMD消噪后[24]的質(zhì)點振動速度時程如圖3所示，不同充填介質(zhì)的峰值振動速度如圖4所示。

圖2 不同振動方向
Fig.2 Different vibration directions

圖3 質(zhì)點峰值振動速度時程
Fig.3 Time history of particle vibration velocity

圖4 不同充填介質(zhì)的峰值振動速度
Fig.4 Peak vibration velocity of different filling media

結(jié)合圖3和圖4的峰值振動速度來看，無結(jié)構(gòu)面的均質(zhì)區(qū)域的峰值振動速度最大，其他不同充填介質(zhì)的峰值振動速度要小于均質(zhì)區(qū)域的峰值振動速度，由此可知爆破地震波穿越結(jié)構(gòu)面后振動速度下降；對比不同充填介質(zhì)的峰值振動速度，發(fā)現(xiàn)充填介質(zhì)為水時峰值振動速度最大，泥、細沙次之，空氣最小。一方面結(jié)構(gòu)面內(nèi)不同充填介質(zhì)的波阻抗存在差異，均質(zhì)區(qū)域是無結(jié)構(gòu)面的均質(zhì)臺階面，其波阻抗等于整個混凝土邊坡相似模型的波阻抗。由表2可知，均質(zhì)區(qū)域的波阻抗最大，泥的波阻抗大于水的波阻抗，水的波阻抗大于細沙的波阻抗，空氣的波阻抗最小。當爆破地震波穿越同一個結(jié)構(gòu)面時，結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填介質(zhì)的波阻抗越小，爆破地震波衰減越快，因此充填介質(zhì)為泥的峰值振動速度大于充填介質(zhì)為細沙的峰值振動速度，充填介質(zhì)為細沙的峰值振動速度大于充填介質(zhì)為空氣的峰值振動速度；另一方面爆破地震波在氣體、液體、固體介質(zhì)中傳播時也有所區(qū)別，當充填介質(zhì)為空氣時，結(jié)構(gòu)面連續(xù)性最差，造成爆破地震波被阻隔無法穿越結(jié)構(gòu)面，透射能量大幅度減小，因而峰值振動速度衰減最快。當充填介質(zhì)為固體時，從微觀結(jié)構(gòu)分析，爆破地震波穿越結(jié)構(gòu)面時，本質(zhì)上是巖體內(nèi)部一個個能量微單元由近到遠振動傳遞的過程。固體微顆粒之間在自然狀態(tài)下存在細微的空隙，當爆破地震波穿越結(jié)構(gòu)面時，部分能量壓縮固體顆粒之間的空隙，持續(xù)壓縮空隙做功的過程消耗爆破地震波能量，其振動強度也相應減小。水由微壓縮的流體質(zhì)點構(gòu)成，流體質(zhì)點之間緊密相連，在空間上連續(xù)均勻分布，其空隙遠遠小于固體顆粒之間的空隙[25]，當爆破地震波穿越結(jié)構(gòu)面時，能量微單元能在水介質(zhì)中穩(wěn)定傳遞，爆破地震波的透射性能大幅度提升，因此在不同充填介質(zhì)的情況下，水的峰值振動速度最大。

2.2 不同傾角的振動速度分析

為了進一步探究爆破地震波穿越不同傾角結(jié)構(gòu)面的峰值振動速度衰減趨勢，在相同充填介質(zhì)條件下，隨著結(jié)構(gòu)面傾角增大，各傳播方向上的峰值振動速度均減小(見圖5)。爆破地震波穿越結(jié)構(gòu)面時會發(fā)生透射與反射現(xiàn)象，甚至有繞射現(xiàn)象，爆破地震波的透射能量隨著結(jié)構(gòu)面傾角增大而減小[26]，因此峰值振動速度也相應減小。隨著結(jié)構(gòu)面傾角增大，充填介質(zhì)不同，不同傳播方向上的峰值振動速度衰減程度也不同，表明爆破地震波速度衰減趨勢是在巖體波阻特性、結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填介質(zhì)特征以及爆破地震波的透、反射現(xiàn)象等眾多復雜因素影響下的綜合體現(xiàn)。

圖5 不同傾角結(jié)構(gòu)面的峰值振動速度擬合
Fig.5 Fitting of peak vibration velocity of different inclination structure surfaces

2.3 振動信號能量與頻帶分析

HHT(Hilbert-Huang Transform)是一種目前廣泛運用于爆破振動信號處理的技術(shù)，與小波和傅里葉傳統(tǒng)的分析技術(shù)相比，在處理信號的局部性和非平穩(wěn)性等方面具有更大的優(yōu)勢，主要由經(jīng)驗模態(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)與Hilbert變換構(gòu)成，Hilbert譜表達式為[27]

(1)

式中：Re表示取實部；αi，wi均為常數(shù)。

邊際能量譜則是Hilbert譜進一步對時間(t)積分：

(2)

則頻率i的能量占總能量的百分比為

(3)

邊際能量譜能夠反映爆破振動過程中能量與頻率之間的分布特性，為了研究爆破地震波穿越不同充填介質(zhì)結(jié)構(gòu)面的能量和頻率之間的規(guī)律，對4號測點均質(zhì)區(qū)域和結(jié)構(gòu)面區(qū)域的邊際能量譜進行了分析，相應的邊際能量譜如圖6所示。

圖6 不同充填介質(zhì)的邊際能量譜
Fig.6 Marginal energy spectrum for different filling media

結(jié)合圖6分析，均質(zhì)區(qū)域切向，垂向和徑向上的峰值能量分別為30.76、26.88、33.65 J。當充填介質(zhì)為水時，峰值能量分別為21.41、21.26、31.04 J；當充填介質(zhì)為泥時，峰值能量分別為22.27、18.54、26.85 J；當充填介質(zhì)為細沙時，峰值能量分別為12.58、15.36、21.75 J；當充填介質(zhì)為空氣時，峰值能量分別為6.67、12.23、6.75 J。由此可知，與有充填介質(zhì)的結(jié)構(gòu)面相比，均質(zhì)區(qū)域的峰值能量明顯更大，表明當爆破地震波穿越結(jié)構(gòu)面后能量衰減，峰值能量相應減??；由于結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填介質(zhì)波阻抗不同，峰值能量衰減快慢也不同，可以發(fā)現(xiàn)充填介質(zhì)的波阻抗差異是影響爆破地震波能量衰減的重要因素，結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填介質(zhì)的波阻抗減小，峰值能量也相應減小；值得注意的是，水的波阻抗小于泥的波阻抗，充填介質(zhì)為水的峰值能量卻高于充填介質(zhì)為泥的峰值能量，由此可見爆破地震波在水介質(zhì)中傳播時，不僅水的波阻抗會影響地震波的衰減，而且水的連續(xù)性也會影響地震波的衰減，水能連續(xù)充滿其所占據(jù)的結(jié)構(gòu)面空間，使結(jié)構(gòu)面連續(xù)性比泥、細沙充填的結(jié)構(gòu)面都要密實，同時水的壓縮性小，質(zhì)點間緊密相連，分布均勻，爆破地震波在其傳遞過程中能量消耗相對也就越小。

進一步對比了不同充填介質(zhì)在不同頻帶間的能量百分比(見圖7)，可以發(fā)現(xiàn)爆破地震波能量集中在0～200 Hz，在此頻率范圍內(nèi)分為若干個頻帶，主頻帶則是在各頻帶中能量占比最大的頻帶。在均質(zhì)區(qū)域的能量分布廣泛，在各頻帶間均有分布，切向、垂向和徑向上的主頻帶均集中在60～80 Hz，能量百分比分別為23.67%、22.22%和19.8%。由于結(jié)構(gòu)面的影響，不同充填介質(zhì)的能量在低頻帶更集中，主頻帶多集中在0～20 Hz，主頻帶有往低頻集中的趨勢，由此可見，結(jié)構(gòu)面存在“低通”特性[22,28-31]，即結(jié)構(gòu)面對爆破地震波具有高頻濾波作用，低頻波能夠更容易透射結(jié)構(gòu)面。當充填介質(zhì)為泥時，在0～100 Hz的能量百分比在93.34%～97.22%，充填介質(zhì)為細沙時，在0～100 Hz的能量百分比在96.25%～99.62%，可知充填介質(zhì)為細沙時，能量在0～100 Hz的頻帶分布更多，當充填介質(zhì)為空氣時，能量多分布在0～60 Hz，百分比在88.6%～97.68%之間，由此可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填介質(zhì)的波阻抗越小，高頻波衰減越快。當充填介質(zhì)為水時，分布在0～160 Hz的能量占總能量的比例為96.68%～99.73%，其中主頻帶在各傳播方向上分布不一，切向主頻帶為60～80 Hz，能量百分比為43.24%，垂向主頻帶為0～20 Hz，能量百分比為37.61%，徑向主頻帶則分布在40～60 Hz之間，能量占比為43.71%。由此可知，當充填介質(zhì)為水時，能量主要分布在0～160 Hz，與其他充填介質(zhì)比較而言，頻帶分布更廣；水在結(jié)構(gòu)面內(nèi)是無固定形狀的液態(tài)，當爆破地震波傳遞至結(jié)構(gòu)面時，液體中的粒子因振動傳播無法保持原來的位置而產(chǎn)生移動，但粒子間存在相互作用力，使彼此不分散遠離，形成了連續(xù)流動的狀態(tài)，連續(xù)流動的液體在各傳播方向上過濾高頻波的特性不一致，因而爆破地震波的主頻帶在各傳播方向上分布不一。

圖7 不同充填介質(zhì)的各頻帶能量百分比
Fig.7 Percentage of energy per band of different filling media

3 結(jié)論

1)通過分析對比均質(zhì)區(qū)域(無結(jié)構(gòu)面)與結(jié)構(gòu)面充填水、泥、細沙和空氣的不同介質(zhì)，得到各傳播方向上的峰值振動速度由大到小排序依次為均質(zhì)、水、泥、細沙、空氣。這是由于爆破地震波在氣體、液體，固體介質(zhì)中的傳播特性不同和結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填介質(zhì)波阻抗不同的響應結(jié)果。

2)在相同充填介質(zhì)條件下，隨著結(jié)構(gòu)面傾角增大，各傳播方向上的峰值振動速度均減小；充填介質(zhì)不同，不同傳播方向上的峰值振動速度衰減程度也不同，表明爆破地震波速度衰減趨勢是在巖體波阻特性、結(jié)構(gòu)面內(nèi)充填介質(zhì)特征以及爆破地震波的透、反射現(xiàn)象等眾多復雜因素影響下的綜合體現(xiàn)。

3)爆破地震波在穿越不同充填介質(zhì)結(jié)構(gòu)面后，充填介質(zhì)的波阻抗越小，峰值能量越小，高頻濾波作用越強，表現(xiàn)出爆破地震波在頻帶間能量分布變窄，主頻帶有往低頻帶(0～20 Hz)集中的趨勢；值得注意的是，當水作為充填介質(zhì)時，不僅水的波阻抗會影響地震波的衰減，而且水的微壓縮連續(xù)性也會影響地震波的衰減，與其他充填介質(zhì)比較，水的連續(xù)性使峰值能量和峰值振動速度衰減更慢，能量在頻帶間分布更廣，水的流動性則會造成爆破地震波的主頻帶在各傳播方向上分布不一。