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原文传递爆破振动主频的衰减规律及其影响因素研究

论文题名：	爆破振动主频的衰减规律及其影响因素研究
关键词：	爆破振动;衰减规律;振动主频;主频衰减公式;弹性空腔半径
摘要：	工程爆破作为一种经济、高效、适用性广的施工手段，被广泛运用在水利水电工程坝基、边坡和隧洞开挖过程中，其带来施工便利和经济效益的同时，也会诱发的一系列有害效应，作为公害之首的爆破振动的预报和控制是人们关注的重点。目前，对于评价爆破振动安全的标准，质点峰值振动速度和爆破振动频率是两个最重要的爆破安全标准判据。由于爆破振动信号的频率成分及其变化规律更加的复杂，相比于对质点振动峰值速度衰减预测成熟而深入的研究，有关爆破振动主频的衰减预测成果则少得多。因此，开展对爆破振动主频衰减及其影响因素的研究，对于有效控制爆破振动有害效应有重要的积极意义。　　本文针对爆破振动主频的预报和控制这一问题，采用理论分析、解析计算、数值模拟和现场实验相结合的方法，开展了系统的研究，分析了爆破振动频率与结构响应的关系，研究了爆破振动主频的频谱特性及其影响因素，并揭示了爆破振动主频与塑性区发展的关系，在此基础上，分别提出了适用于隧洞钻爆开挖的主频公式和适用于柱状爆源的主频衰减公式，并对该公式进行了验证和参数讨论。　　采用结构动力学的计算分析方法，揭示了爆破振动频率与结构响应的关系。研究表明，随着荷载频率与系统自振频率的比值增大，视主频与系统自振频率的比值随之增大，当荷载频率接近自振频率时，振动峰值频率主要由自振频率控制，当荷载频率远离自振频率时，振动峰值频率主要由荷载频率控制。　　基于无限岩体中球形空腔激发的应力波解，给出了球形爆源激励下岩体系统的自振频率和爆破振动速度幅值谱的解析表达，基于速度幅值谱的计算表达式，分别分析了爆破荷载峰值、荷载上升时间、荷载持续时间、爆心距和弹性空腔半径对爆破振动主频的影响，结果表明，各影响因素都在不同程度上对爆破振动主频有影响。　　采用数值模拟方法，分别建立球形药包和柱状药包数值模型进行计算，结果表明，无论是视主频或是傅里叶主频，都随着弹性空腔半径的增大而减小，且随着岩石纵波波速、弹性空腔半径之比P/Ca增大，爆破振动主频也随之线性增大，球形爆源爆破振动主频与球形激励荷载下岩体阻尼系统自振频率具有相似的递变规律。装药量对爆破振动主频的影响是有限的，弹性空腔半径对爆破振动主频的影响更稳定。　　采用结构动力学和量纲分析结合的方法，建立了隧洞爆破振动主频衰减公式，通过对数值计算和现场实验的主频值拟合，验证了该公式的有效性。在此基础上，对比了弹性空腔半径a和段药量Q两种参数，结果表明，在对隧洞钻爆开挖振动主频进行衰减规律拟合时，采用弹性空腔半径a作为拟合参数无论对于拟合相关度或是适用范围，都要优于采用段药量Q。　　基于弹性球面波传播理论解，采用量纲分析的方法，将柱状爆源爆破形成的弹性空腔等效为爆源，并参考质点峰值振动速度衰减公式中对柱面波理论进行的修正，推导出了柱状药包爆破振动主频衰减公式，通过对数值计算和现场实验的主频值拟合，验证了该公式的有效性。通过对比分析实测径向振动与竖直向振动在主频公式的拟合结果，发现不同类型的地震波成分会影响爆破振动主频的衰减，尽管衰减公式是依据径向振动推导出，对于实测爆破振动的拟合仍然可以获得很高的相关系数。通过将其他已有的主频衰减公式与本文给出的衰减公式进行拟合对比分析，结果表明，本文给出的主频衰减公式总体要优于其他已有公式，不仅能获得良好的拟合相关性，而且形式更简洁易用。
作者：	刘达
专业：	水工结构工程
导师：	卢文波
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉大学
学位年度：	2019