李繼業(yè)，康 強(qiáng)，趙明生，王園園

(1.中交一公局 第四工程有限公司，南寧 530003；2.保利新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司，貴陽 550002；3.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 839202；4.貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴陽 551499)

節(jié)理裂隙是巖體最常見的構(gòu)造特征，也是工程爆破施工最不可避免又具有重要影響的巖體構(gòu)造。節(jié)理裂隙不但在炸藥爆破過程中影響爆破效果，也通過影響爆破振動(dòng)波的傳播衰減，從而在爆破振動(dòng)相關(guān)研究中具有重要意義，一直以來都是爆破行業(yè)巖石構(gòu)造特征研究中的重點(diǎn)內(nèi)容。節(jié)理裂隙的存在帶來的爆破振動(dòng)波的反射散射透射效應(yīng)，結(jié)合自然巖體隨機(jī)生成的復(fù)雜幾何形態(tài)，在考慮到爆破振動(dòng)波本身作為非平穩(wěn)信號(hào)的復(fù)雜多變，在巖體中會(huì)形成非常復(fù)雜的響應(yīng)特征。除了爆破振動(dòng)波本身入射角、頻率、幅值、持續(xù)時(shí)間及節(jié)理的傾角、厚度、數(shù)量等幾何形態(tài)的影響，節(jié)理填充物的剛度、多相介質(zhì)特征、張開閉合斷續(xù)特征、粗糙度等也同樣影響到節(jié)理對(duì)爆破振動(dòng)波的透反射效應(yīng)[1-3]，從而帶來了實(shí)際上非常復(fù)雜的綜合效應(yīng)。除了作為地震動(dòng)有關(guān)研究的子集的爆破振動(dòng)有關(guān)研究，天然地震研究領(lǐng)域、地球物理勘探領(lǐng)域等同樣非常重視巖體節(jié)理裂隙，節(jié)理裂隙影響地震波傳播衰減規(guī)律的研究在多個(gè)領(lǐng)域都具有顯著的重要意義。

近年來，有關(guān)節(jié)理裂隙對(duì)爆破振動(dòng)波的研究有：楊仁樹等采用ABAQUS/EXPLICIT的有限元模擬[4]，以ricker子波信號(hào)作為爆破震源，分析了爆破后產(chǎn)生的復(fù)合應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)與爆炸應(yīng)力波在節(jié)理處的反射與衍射效應(yīng)，以及節(jié)理在爆炸應(yīng)力波作用下的破壞特征。陳雪峰等采用水泥砂漿制作巖石模型試件[5]，以天然巖體常見的充填物紅黏土作為模型節(jié)理材料，試驗(yàn)研究了充填節(jié)理厚度對(duì)爆炸應(yīng)力波的吸收衰減作用。李鵬等采用FLAC3D模擬巷道上方存在兩條平行節(jié)理?xiàng)l件[6]，輸入爆破荷載分析了層狀節(jié)理巖體對(duì)爆破振動(dòng)波在不同方向的作用規(guī)律。劉洪宇等采用數(shù)值模擬分析了2條平行節(jié)理?xiàng)l件下[7]，節(jié)理剛度、歸一化間距、傾角、剛度比等對(duì)P波衰減的影響作用。董千采用云母片模擬充填節(jié)理[8]，分析了地應(yīng)力作用對(duì)節(jié)理對(duì)爆炸應(yīng)力波衰減規(guī)律的影響，結(jié)果顯示在地應(yīng)力作用下節(jié)理傾角、數(shù)量、間距等對(duì)爆炸應(yīng)力波的作用與無地應(yīng)力條件存在差異。柴少波等采用UDEC分析了平面P波在兩條交叉節(jié)理中的傳播規(guī)律[9]，模擬顯示節(jié)理剛度、幾何形態(tài)、入射波頻率等都會(huì)影響透反射系數(shù)，且交叉節(jié)理不同位置的透反射系數(shù)也不同。

節(jié)理與入射波間的夾角、節(jié)理剛度、節(jié)理數(shù)量、節(jié)理間距等一直是相關(guān)研究的重點(diǎn)。相比天然巖體節(jié)理裂隙發(fā)育的隨機(jī)性，采用模型試驗(yàn)可以根據(jù)需要嚴(yán)格控制模擬節(jié)理的條件，因此成為了節(jié)理有關(guān)研究常用的試驗(yàn)研究手法。采用水泥砂漿制作巖石相似模型試件，以云母片作為節(jié)理相似材料模擬充填節(jié)理，開展試驗(yàn)研究，分析了上述因素對(duì)爆破振動(dòng)傳播衰減規(guī)律的影響作用，研究成果可以為節(jié)理巖體條件下的爆破振動(dòng)控制提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 相似材料配方

相似模型實(shí)驗(yàn)采用水泥石膏材料制作試件。水泥石膏材料在脆性上接近巖石，是常用的相似材料之一。參考有關(guān)文獻(xiàn)[8,10]，選取的材料為42.5硅酸鹽水泥、粒度模數(shù)為中砂的河砂、特技熟石膏，配比為細(xì)砂∶水泥石膏=4∶1，水泥∶石膏=7∶3，水固比=5∶1。采用上述配比分別制作3個(gè)正方體標(biāo)準(zhǔn)試件與6個(gè)圓柱體試件，放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)滿28 d后，經(jīng)過打磨機(jī)加工后，開展單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試、巴西劈裂測(cè)試、直剪測(cè)試、密度測(cè)試等性能測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)見圖1所示。經(jīng)過物理力學(xué)測(cè)試取平均值，上述配比下的有關(guān)參數(shù)為：密度為2034.6 kg/m3、單軸抗壓強(qiáng)度6.7 MPa、抗拉強(qiáng)度約0.7 MPa、彈性模量為5.26 GPa、泊松比0.25、內(nèi)聚力0.78 MPa、內(nèi)摩擦角31.2°。由于天然巖體的性能參數(shù)變化值很大，因此上述配方及其性能參數(shù)對(duì)應(yīng)不同巖體時(shí)的相似比不同，如對(duì)應(yīng)于石灰?guī)r的相似比在20左右。

1.2 相似模型設(shè)計(jì)

模型尺寸如圖2所示，均為長(zhǎng)2 m，截面尺寸0.2 m的長(zhǎng)方體試件。起爆點(diǎn)設(shè)置在試件中間，試件兩邊分別可以設(shè)置一種節(jié)理?xiàng)l件，從而可以一次起爆獲取2種條件的振動(dòng)數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn)[8]的設(shè)計(jì)，在試件中央放置一個(gè)10 cm直徑鋼管，在鋼管內(nèi)部中點(diǎn)預(yù)制炮孔，放入雷管堵塞后作為爆源，從而可以利用鋼管保護(hù)水泥砂漿試件避免爆炸破壞，實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)試件進(jìn)行重復(fù)利用。

圖 1 巖石力學(xué)性能測(cè)試

圖 2 試件示意圖(單位：mm)

模型中使用云母片模擬節(jié)理材料。為了固定云母片，采用在木頭模具底部木板上開槽，以及上部使用開槽木條固定，從而確保澆筑模型振搗水泥砂漿過程中云母片的固定，如圖3所示。

圖 3 模具照片示例

相似模型試驗(yàn)總共包括了下述條件：數(shù)量1條、2條、3條，間距均為5 cm；三種節(jié)理傾角20°、40°、60°，均為3條5 cm間距節(jié)理。試驗(yàn)試件澆筑完成后需澆水養(yǎng)護(hù)28 d以上。

2 模型試驗(yàn)及數(shù)據(jù)

試驗(yàn)測(cè)試采用儀器為國(guó)產(chǎn)爆破測(cè)振儀TC-4850，采用石膏作為耦合劑固定在試件軸線上節(jié)理前后位置，兩側(cè)測(cè)點(diǎn)距離最中間節(jié)理中點(diǎn)距離均為13 cm。每次爆破前在鋼管內(nèi)采用與試件相同配方水泥石膏材料填塞入鋼管內(nèi)并留出炮孔，然后養(yǎng)護(hù)7 d以上。爆源均為單發(fā)電雷管，放置位置位于試件中心處，并采用速凝石膏堵孔。

試驗(yàn)情況如圖4所示。

模型試驗(yàn)所得典型信號(hào)如圖5所示。

圖 4 相似模型試驗(yàn)

圖 5 典型信號(hào)

測(cè)試所得數(shù)據(jù)如表1所示。

表 1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)分析

由于模型為長(zhǎng)寬比10∶1的對(duì)稱長(zhǎng)方體且爆源位于軸線上，導(dǎo)致處于對(duì)稱方向上的試件表面的水平切向爆破振動(dòng)信號(hào)幅值遠(yuǎn)小于水平軸向與垂直方向，數(shù)值相差達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在此忽略不予分析，只對(duì)水平軸向與垂直方向振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。

(1)節(jié)理數(shù)量對(duì)爆破振動(dòng)影響

節(jié)理數(shù)量對(duì)水平軸向、垂直方向爆破振動(dòng)衰減規(guī)律影響的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖6所示。

圖 6 不同節(jié)理數(shù)量爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

基于相似模型試驗(yàn)，可以得到如下結(jié)論：

①入射波的變化：相比完整模型的震動(dòng)術(shù)，節(jié)理模型在節(jié)理前入射波處測(cè)點(diǎn)隨著節(jié)理數(shù)量由1增加到3，測(cè)得入射波振速值呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，增大的幅值相比完整模型由1到3個(gè)節(jié)理分別為：水平軸向10.1%、17.2%、21.1%，垂直方向11.9%、14.4%、20.2%。水平軸向與垂直方向的變化規(guī)律一致，變化幅值也接近處于同一數(shù)量級(jí)。由于測(cè)點(diǎn)位置固定，而隨著節(jié)理數(shù)量的增大節(jié)理距離測(cè)點(diǎn)更近，因此這種幅值的變化應(yīng)來自于測(cè)點(diǎn)與節(jié)理距離減小帶來的反射波疊加效應(yīng)的增強(qiáng)。

②出射波的變化：與完整模型比較，節(jié)理使出射波振速衰減增大，1至3條節(jié)理的出射波振速相比完整模型，分別下降：水平軸向13.3%、18.9%、35.3%，垂直方向13.8%、18.8%、33.0%。顯然，隨著節(jié)理數(shù)量的增大，出射波振速衰減值也越大。水平軸向與垂直方向的變化規(guī)律一致。

③衰減率的變化：由于入射波在節(jié)理作用下，受到反射疊加作用影響存在一定程度的幅值增大現(xiàn)象，因此在此以完整模型的入射波振速值為基準(zhǔn)比較不同節(jié)理數(shù)量的出射波相比完整的衰減比例，則完整、1條節(jié)理、2條節(jié)理、3條節(jié)理?xiàng)l件的衰減率分別為：水平軸向57.0%、62.7%、65.1%、72.2%，垂直方向58.8%、64.5%、66.3%、72.4%，總體看振速隨著節(jié)理數(shù)量增大而加速衰減，但是衰減增加的程度較小。

(2)節(jié)理角度對(duì)爆破振動(dòng)影響

節(jié)理角度對(duì)水平軸向、垂直方向爆破振動(dòng)衰減規(guī)律影響的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖7所示。

圖 7 不同節(jié)理傾角爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

基于不同節(jié)理傾角的相似模型試驗(yàn)，可以得到如下結(jié)論：

①入射波的變化：相比完整模型的振速，入射波處振速也有所增大，且隨著節(jié)理角度有所變化，傾角20°、40°、60°的入射波振速相比完整模型的增大比例值分別為：水平軸向19.2%、19.0%、19.9%，垂直方向19.6%、17.6%、21.4%。整體上，入射波的變化沒有顯示出線性的規(guī)律變化。

②出射波的變化：相比完整模型出射波數(shù)據(jù)，不同角度節(jié)理模型出射波的振速幅值在20°、40°、60°節(jié)理傾角條件下的降幅分別為：水平軸向31.9%、27.7%、24.2%，垂直方向34.4%、26.5%、21.1%。水平軸向與垂直方向變化趨勢(shì)一致，均隨著節(jié)理傾角增大而減小，也即隨著入射波入射角的減小而減小。

③衰減率的變化：同樣由于節(jié)理模型入射波的增大效應(yīng)，在此以完整模型的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)計(jì)算節(jié)理模型的振速變化幅值，則0°、40°、60°節(jié)理傾角三種條件下的衰減率分別為：水平軸向70.7%、68.9%、67.4%，垂直方向73.0%、69.7%、67.5%。數(shù)據(jù)顯示爆破振動(dòng)隨著節(jié)理傾角的增大，也即隨著入射角的減小而逐漸減小。

4 結(jié)論

采用相似模型試驗(yàn)對(duì)節(jié)理的數(shù)量、傾角對(duì)爆破振動(dòng)波傳播衰減規(guī)律的影響進(jìn)行了分析，結(jié)論如下：

(1)相似模型試驗(yàn)表明節(jié)理區(qū)域前方振動(dòng)波入射區(qū)域存在入射波幅值增大的現(xiàn)象，節(jié)理區(qū)域后方出射波存在幅值減小的現(xiàn)象，節(jié)理區(qū)域的存在顯著的提高了爆破振動(dòng)波的衰減率。

(2)分析了節(jié)理數(shù)量對(duì)爆破振動(dòng)波衰減規(guī)律的影響，結(jié)果顯示隨著節(jié)理數(shù)量的增大，爆破振動(dòng)波的衰減率隨之增大，增大的幅度較小。

(3)分析了節(jié)理傾角對(duì)爆破振動(dòng)波衰減規(guī)律的影響，結(jié)果顯示隨著傾角的增大，爆破振動(dòng)波衰減率有所上升，但是幅值較小，傾角由0°增加到60°，爆破振動(dòng)波衰減率略有增加約6%。