临近边坡精确延时控制爆破地震效应研究

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随着国民经济的高速发展,日渐增多的岩土爆破开挖工程衍生出大量人工高陡边坡,边坡维护费用与难度愈来愈大,而边坡稳定是露天爆破工程安全生产的前提,故开展对露天高陡边坡的动力响应研究,分析爆破地震作用下岩体损伤机理,探寻爆破地震危害控制有效途径,加强高精度数码电子雷管在岩土爆破工程中的相关应用研究,进一步推动爆破技术向着精细化、数字化和科学化的方向发展,具有十分重要的理论和现实意义。本文结合数码电子雷管及铱钵起爆系统,基于临近边坡精确延时控制爆破开挖实践,通过理论分析、模型试验、数值计算和现场应用等方法,对精确延时控制爆破地震波传播衰减规律、孔间合理延期时间优选方法、岩体爆破损伤及边坡爆破振动响应等方面进行了深入的分析研究,论文主要工作如下:(1)提出了新的爆破振动持续时间预测公式,并通过在公式中引入信号携带能量项(Es),提高了持时预测精度,研究结果表明,振动持续时间与比例速度(Vmax/R)负相关,与比例药量(Q1/3/R)正相关,一定微差段数情况下,分段地震波叠加干扰情况越严重,信号能量项对振动持时预测精度的贡献就越大。(2)通过对振动信号能量进行小波包分析,揭示了精确延时控制爆破地震波能量的频域细节特征,研究结果表明,随传播距离的增加,信号能量高频部分衰减速度较低频部分快,能量最终向低频带集中;信号能量主要集中在0~300Hz频带范围内,并分为多个子振频带;在减震沟的作用下,爆破地震波峰值振速与能量的减震率分别达到了40%及60%以上,边坡坡面处径向与切向应变峰值平均降低率分别为49.4%和35.2%,且坡面处最大径向与切向应力值由原来的2.26MPa、1.16MPa分别降低至0.84MPa、0.95MPa。(3)通过理论分析、数值计算和试验研究,根据不同的爆破环境、目标和要求,基于降低爆破振动强度、改善爆破效果和同时考虑爆破振动强度与岩体爆破效果双重因素分别提出了三种合理微差延期时间计算方法,适用于不同的爆破条件。其中基于炸药能量分配理论的合理微差延期时间计算方法,能够实现分段振动波干扰相消,降低爆破振动强度,改善岩体破碎效果,且不受各药包质量及空间位置等因素的影响。(4)结合高速摄影技术以及动态应变测试系统,建立了一套完整的实验研究系统,实现了多参数条件下的爆破测试集成化、自动化,解决了精确延时控制爆破试验的关键技术问题;完善了基于声波测试的爆破累积损伤计算方法,并从爆破能量及能量传递过程两个方面提出了减小岩体爆破损伤危害的具体控制措施。(5)通过对爆破振动信号的地震反应谱分析,揭示了精确延时控制爆破振动对构筑物动力效应的影响规律,提出了基于CQC模态组合法的精确延时控制爆破振动响应分析方法,解决了各阶振型反应不对等性造成的边坡动力效应评价结果偏离实际情况的问题,研究结果表明,边坡速度及标准速度反应总效应值随毫秒延时的增加,呈现出先减小,后增大,而后又缓慢减小的趋势,且均存在极小值;因此,对合理微差延期时间进行选取时,除考虑爆破振动强度及岩体爆破效果两因素外,还应综合考虑边坡结构爆破地震动力效应这一因素。试验研究与工程实际应用结果表明:文中提出的爆破振动持续时间预测公式预测精度高,用于振动持时预测切实可行;给出的基于炸药能量分配理论的合理微差延期时间计算方法,在炸药布孔及段药量设置时更具主动性、灵活性,计算方法简单,便于工程实际推广应用;所建立的实验研究系统可对爆破破岩过程进行多方位、多参数动态实时监测,可在同时考虑岩体爆破效果与边坡坡面应力场强度双重因素的基础上对爆破参数进行优选;针对边坡结构提出的基于CQC模态组合法的精确延时控制爆破振动响应分析方法,使得边坡动力效应评价分析结果更加合理、客观,符合实际情况。
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