绍兴安盛爆破工程有限公司浙江绍兴
摘要：对于爆破振动信号的频谱分析，国内外的研究以单次爆破和多段微差爆破为主，而预裂爆破与传统意义上的多段微差爆破存在一定的差异，预裂爆破一般可分为预裂孔爆破和主爆破(或主爆破+缓冲爆破)，预裂孔爆破和主爆破之间基本不存在振动干扰，因而各自形成多段微差爆破。预裂孔首先起爆导致岩体原有裂隙扩展，沿预裂爆破孔间径向贯通，形成一定宽度的预裂缝，预裂缝将导致爆破应力波产生反射、绕射，造成爆破应力波能量的衰减及其频率成分的改变。本文分析了预裂缝对爆破振动频谱分布特征的影响。
关键词：预裂缝；爆破振动；频谱分布特征；
爆破振动是一类持续时间短暂、频域和时域局部化的不平稳信号，振动信号具有时间、频率的双重特性，通常现场所测得的爆破振动为时域内的振动信号，由于爆破振动的频率成分复杂，在时域内很难观察到振动的频率特性。长期以来爆破技术作为岩土工程开挖过程中的重要施工手段，爆破给人们带来了便捷，同时也带来了危害。合理的爆破技术将让人们在岩体施工过程中受益匪浅。
一、研究背景
爆破振动是岩体爆破开挖过程中的主要负面效应。爆破振动波为非平稳随机信号，含有丰富的频率成分，且其频谱特性受爆源、岩体介质等多因素的综合影响。而不同频率成分的振动波对建（构）筑物及仪器设备的振动影响是不相同的。当爆破振动的优势频率接近建（构）筑物的自振频率时，会产生一定的共振作用，易引起建（构）筑物的破坏。因此，为了更好地控制爆破振动，有必要对爆破振动的频谱响应特性与演化规律进行研究。国内外许多学者通过分析实测振动数据对爆破振动频谱响应的特性进行了研究。这些研究成果表明：随着爆心距的增加，高频成分衰减较快，低频成分衰减较慢；而段药量、孔径、孔深越大，岩体介质越软弱，爆破主频越低；地下爆破诱发振动主频比露天爆破高。目前对于球状药包、柱状药包等爆源所激发的弹性波场的时域解析解均已由前人推导得到，而相应的频域解却鲜有研究。研究同一监测点处能量谱在各频带中的分布规律，探讨预裂缝对爆破振动频谱特征的影响，本研究对于揭示预裂缝(预裂爆破)对爆破振动传播及其频谱特征变化的影响具参考价值。
二、预裂缝对爆破振动频谱分布特征的影响
1.爆破振动功率谱与主振频带分布。小波系数在时域内的信号差异在频域内更加突出，而各频带的功率密度函数能准确描述各频带对爆破振动所做的贡献，因此采用各频段的小波包系数的功率密度函数能更好地对爆破振动的主振频带分布规律进行研究。功率密度函数定义为某一频带的小波包分解系数重构后做变换幅值的均方。测点戈径向预裂爆破与主爆破的功率谱图，预裂爆破的功率谱明显大于主爆破的功率谱，无论是预裂爆破还是主爆破，功率谱主要分布在前频带(0～31．25Hz)，即使在前频带分布也很不均匀，在频带出现局部极大值，预裂爆破的功率谱在频带上分布广泛，而主爆破的功率谱向低频的频段集中，随后迅速下降。目前国内外在制定爆破振动安全控制标准时均采用爆破振动主振频率范围内的峰值振速，通过以上分析可知，爆破振动的主振频率并不唯一，存在多个主振频带，并且主爆破的主振频带集中于低频段，这在制定爆破振动安全标准时需要引起特别的注意。爆破振动存在多个主振频带，并且同一次爆破试验中，预裂孔爆破的主振频带分布更加广泛，而主爆破的主振频带向低频集中。
2.频带能量分布。由于各测点预裂爆破或主爆破在各个方向的能量和不一样，导致能量分布与能量百分比分布在趋势上并没有对比性，但能量图可得爆破能量在传播路径上的分布规律以及预裂爆破形成的预裂缝对能量传播的阻隔作用，而能量分布百分比图能较好地分析能量在各频带上的分布规律。为了更为直观地呈现预裂爆破与主爆破在频带能量分布规律以及进行各测点能量值的比较，将上述获得的数据进行汇总，预裂孔爆破和主爆破的能量相对值可知，预裂孔爆破的能量普遍大于主爆破的能量，一般而言，预裂孔爆破的单孔药量和单段药量均小于主爆破总药量、持续时间也较主爆破小，这反映出预裂孔药首先起爆形成预裂缝有效的阻隔了随后的主爆破能量的传播。无论是预裂孔爆破还是主爆破，其振动能量主要集中于频带，采用微差分段爆破的振动能量在频域分布广泛但主要集中于O～40Hz。即使在频带中，能量的分布也很不均匀，存在若干个峰值，峰值出现的频带在各个测点、各个方向基本一致，即分段微差爆破能量又主要集中于主振频带上，且主振频带并不唯一，存在多个主振频带，这从侧面反映了爆破振动频率成分的复杂性。另一方面，频带的能量占比，主爆破明显高于预裂孔爆破，而前频带的能量占比差异则小得多，这表明相较于预裂孔爆破，主爆破的能量更多的向低频带集中，这反映出预裂缝对爆破振动存在着高频滤波作用，频率较高、波长较短的振动应力波被预裂缝过滤，而频率较低、波长较长的应力波能更好地穿透预裂缝。
3.不同爆源激发振动的频域解。一是随着荷载持续时间增大，荷载频谱
幅值逐渐减小，相应的低频成分所占比例逐渐增大。故荷载持续时间主要是对频谱的高低频成分比例有影响，荷载持续时间越长，能量越向低频集中。二是柱状药包激发振动的频域解柱状药包可划分为一系列球形药包或短柱状药包。叠加法进行了改进，获得了反映实际情况的柱状药包激发弹性波的时域解。假定柱状药包爆炸后，从其柱状等效弹性边界开始激发弹性波。将该柱状等效边界分解成一系列长径相等的柱单元，并将这些柱单元等效为球状药包的弹性边界一个柱单元激发的弹性波场可以分为２个区域：直达和非直达球面波区域。直达球面波区的弹性波参数均可直接由等效球状药包的弹性波解获得。而对非直达球面波区，其弹性波参数可近似地由直达球面波边界点上的连续条件，用内传柱面波的有关理论确定其振动波参数。三是随着爆心距增大，所有控制点的主频基本上呈现出衰减趋势。各控制点振动主频与爆心距关系曲线基本上都重合，而只有荷载上升时间达到４ｍｓ时，较近区域（控制点的振动主频与爆心距关系曲线才与其他情况的有所差异。这表明荷载上升时间对爆破振动主频衰减的影响相对较小，这一点在远区尤为突出。不同荷载持续时间条件下爆破振动主频－爆心距曲线差异较为明显。若对不同荷载持续时间条件下爆破振动主频和爆心距进行线性回归，可知，荷载持续时间增加时，主频衰减系数减小。综合分析得到：随着荷载持续时间增加，爆破振动主频随距离的总体衰减速率逐渐减小，且同一控制点处振动主频逐渐减小。爆破振动主频的总体衰减速度逐渐减小，同一控制点的爆破振动主频基本上逐渐减小，且近区的差异大于远区。这表明不同装药结构对爆破振动主频特别是近区的振动主频有较大影响。
通过对爆破孔药网参数进行分析，将爆破振动信号合理的分段，分别获得预裂孔爆破和主爆破的振动信号，并对预裂孔爆破和主爆破的振动信号进行小波包分析，获得频率谱密度和能量谱密度，通过比较不同测点位置处预裂孔爆破和主爆破的频率谱密度和能量谱密度。频率较高、波长较短的振动应力波被预裂缝过滤，而频率较低、波长较长的应力波能更好地穿透预裂缝。
参考文献：
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