爆破地震波傳播途徑的灰色關(guān)聯(lián)分析

爆破地震波傳播途徑的灰色關(guān)聯(lián)分析

0影響爆破地震效應(yīng)因素的主次順序爆炸聲振動對建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和人們的健康心理有一定的威脅。因此,在實施爆破作業(yè)時,要盡量控制和減小爆破地震效應(yīng)。要控制爆破地震效應(yīng)必須控制影響爆破地震效應(yīng)的因素。影響爆破地震效應(yīng)的因素有爆源因素和傳播途徑因素,爆源因素有總藥量、單段最大藥量、段數(shù)、段間隔時間、孔網(wǎng)參數(shù)等,傳播途徑因素有距離爆破點的距離、爆破方向、高程差、地質(zhì)條件等。這么多影響因素要不加區(qū)分地去控制每一個因素是不可能也是沒有必要的,應(yīng)根據(jù)影響因素的主次順序有選擇地進行控制。常用的相關(guān)分析、回歸分析和顯著性檢驗方法需要大量數(shù)據(jù),并且各種樣本值需要服從某個典型的概率分布。但是,在實際爆破工程中能收集到的關(guān)于爆破地震效應(yīng)和相關(guān)因素的樣本量有限,而且離散性較大,因此這些方法不適合?；疑P(guān)聯(lián)分析法目前是對各影響因素作用程度進行量化比較的有效工具,并且不需要較多的樣本量。目前,巖體爆破物理過程及應(yīng)力波在巖體中傳播的機理尚不十分明確,可將其視為灰色系統(tǒng)。本文運用灰色關(guān)聯(lián)分析法來求解影響爆破地震效應(yīng)因素的主次順序,根據(jù)計算結(jié)果制定降振措施。目前將爆破地震波傳播途徑的地質(zhì)條件作為相關(guān)因素變量還很少見,為了使分析結(jié)果更科學(xué)合理,本文將爆破地震波傳播途徑的地質(zhì)條件量化并納入相關(guān)因素變量。1確定影響因素的灰關(guān)聯(lián)度矩陣灰色關(guān)聯(lián)分析的基本原理是通過對統(tǒng)計序列幾何關(guān)系的比較來分清系統(tǒng)中多因素間的灰關(guān)聯(lián)程度,序列曲線的幾何形狀越接近,則它們之間的灰關(guān)聯(lián)度越大。通過計算系統(tǒng)特征變量數(shù)據(jù)序列與相關(guān)因素變量序列之間的灰關(guān)聯(lián)度矩陣,對該矩陣進行優(yōu)勢分析,得到各影響因素的重要度主次順序,從而確定主要的影響因素。常用的灰關(guān)聯(lián)度有灰色絕對關(guān)聯(lián)度、灰色相對關(guān)聯(lián)度和灰色綜合關(guān)聯(lián)度?；疑^對關(guān)聯(lián)度是從絕對量的關(guān)系來考慮,灰色相對關(guān)聯(lián)度是從各時刻觀測數(shù)據(jù)相對于始點的變化速率考慮,灰色綜合關(guān)聯(lián)度是綜合了絕對量和變化速率的關(guān)系之后進行考慮的。本文的目的是確定影響爆破地震效應(yīng)因素的主次順序,不需要考慮數(shù)據(jù)序列中各數(shù)據(jù)點相對于始點的變化速率。因此,本文采用灰色絕對關(guān)聯(lián)度進行分析。2灰色絕對關(guān)聯(lián)度計算設(shè)yi(k),xj(k)分別表示第i個系統(tǒng)特征量和第j個相關(guān)因素變量在第k試驗時的測量數(shù)據(jù)(樣本值)。若利用n次試驗結(jié)果來確定影響系統(tǒng)特征量的主要因素,那么每一個系統(tǒng)特征變量和相關(guān)因素變量在各次試驗中所測得的數(shù)據(jù),就形成相應(yīng)的系統(tǒng)特征變量數(shù)據(jù)序列和相關(guān)因素數(shù)據(jù)序列,即式中Yi為系統(tǒng)特征因素變量;Xj為相關(guān)因素變量;n為數(shù)據(jù)樣本數(shù)量;m為系統(tǒng)特征因素變量的個數(shù);l為相關(guān)因素變量的個數(shù)。由于數(shù)據(jù)序列單位不統(tǒng)一,在數(shù)值上相差也比較大,因此為保證計算出的灰關(guān)聯(lián)度的準(zhǔn)確性,需要將這些數(shù)據(jù)序列無量綱化,并使它們在數(shù)值上彼此接近。為達到此目的,先通過區(qū)間值化算子得到各序列的區(qū)間值化象。以上各式中的上標(biāo)“3”代表進行區(qū)間值化計算。然后對式(3)和(4)分別經(jīng)過始點零象化算子D0作用得到其相應(yīng)的始點零化象。以上各式中的上標(biāo)“0”代表對數(shù)據(jù)序列進行始點零象化計算。根據(jù)灰色絕對關(guān)聯(lián)度的定義,Xj和Yi的灰色絕對關(guān)聯(lián)度計算式為根據(jù)式(11)計算出的灰色絕對關(guān)聯(lián)度εij,可以得到灰色絕對關(guān)聯(lián)矩陣。若存在h,j∈{1,2,…,l},滿足εih≥εij(i=1,2,3,…,m),則稱因素Xh優(yōu)于Xj;若滿足,則稱因素Xh準(zhǔn)優(yōu)于Xj。如果存在j∈{1,2,…,l}滿足對任意的j=1,2,…,l,j≠h,Xh均優(yōu)于Xj,則Xh為最優(yōu)因素;如果滿足對任意的j=1,2,…,l,j≠h,Xh均準(zhǔn)優(yōu)于Xi,則稱Xh為準(zhǔn)優(yōu)因素。3灰色相關(guān)爆炸試驗3.1特征變量選取在早期的爆破地震危害機理研究中,人們往往只注意爆破振動的峰值速度。隨著研究的深入,特別是對爆破振動頻譜特性的認識,描述爆破振動特性的另外兩個參數(shù),即振動頻率和振動持續(xù)時間,在振動分析中越來越受到重視。爆破地震效應(yīng)是爆破振動峰值速度、頻率成分、振動持續(xù)時間(爆破地震3要素)共同作用的結(jié)果。因此,本文將爆破振動速度、主振頻率、振動持續(xù)時間作為系統(tǒng)特征變量,即m=3,峰值振速為Y1,主振頻率為Y2,振動持續(xù)時間為Y3,數(shù)據(jù)樣本個數(shù)n=9。對峰值振速、頻率成分、振動持續(xù)時間有影響的因素分為爆源因素和傳播因素,爆源因素包括總藥量、最大單段齊爆藥量、段數(shù)、微差時間、孔網(wǎng)參數(shù)等,而傳播因素包括爆心距、高程差、爆破方向、地質(zhì)條件等。分析的因素越多,分析結(jié)果越合理。若孔網(wǎng)參數(shù)在合理范圍內(nèi)則對爆破振動影響較小,而對爆破塊度有決定影響,本文孔距與排距較小在合理范圍內(nèi),因此不予考慮;關(guān)于地質(zhì)條件目前考慮較少,本文嘗試性地將其進行考慮。因此,選取爆心距、總藥量、最大單段齊爆藥量、段數(shù)、微差時間、爆破方向、高程差、地質(zhì)條件這8個因素作為相關(guān)變量,即l=8。爆心距為X1,總藥量為X2,單段最大藥量為X3,段數(shù)為X4,微差延時X5,爆破方向為X6,高程差為X7,地質(zhì)條件為X8。3.2耦合藥劑m,m炮孔直徑為40mm,孔深為2m,排距為0.8m,孔距為0.9m,采用梅花形布孔,最小抵抗線為0.8m,炸藥單耗為0.45kg/m3,耦合裝藥單孔藥量為0.65kg,使用毫秒導(dǎo)爆管引爆。3.3均勻性及破碎程度以爆破區(qū)域的幾何中心為原點,以該原點的爆破前沖向(最小抵抗線方向)為基準(zhǔn)線,順時針轉(zhuǎn)動為正反之為負,大小以弧度計,從基準(zhǔn)線轉(zhuǎn)到監(jiān)測點的角度為爆破方向,如圖1所示,圖中的爆破方向θ為正值,以原點到監(jiān)測點的距離為爆源距。高程差是監(jiān)測點與爆心的相對高度,比爆心高用正數(shù)表示,反之用負數(shù)表示。地質(zhì)體的破碎程度對爆破地震效應(yīng)有明顯的影響,因為爆破地震波通過均勻性差和破碎性嚴(yán)重的地質(zhì)體時將發(fā)生反射與透射,這會損耗爆破地震波的大量能量,反之通過均勻性好和破碎性小的地質(zhì)體時爆破地震波的能量損耗較小。根據(jù)地質(zhì)體的均勻性及破碎程度將地質(zhì)條件粗略地分為5類,分別為1.0、0.8、0.6、0.4、0.2,數(shù)值越大則地質(zhì)體越均勻破碎程度越小,具體用巖體完整性系數(shù)kv進行分類。巖體完整性系數(shù)kv為式中Cml為巖體中的縱波波速,m/s;Ccl為巖塊中的縱波波速,m/s。在爆破地震波傳播的路徑上通過聲波試驗測出Cml和Ccl,然后計算kv,根據(jù)表1確定地質(zhì)條件類別。3.4爆區(qū)周圍監(jiān)測點布置在南寧市某地基爆破開挖現(xiàn)場進行試驗。地基巖體為砂巖,中等堅硬,鈣質(zhì)膠結(jié),中厚層,中細粒結(jié)構(gòu),裂隙不甚發(fā)育。在爆區(qū)周圍布置了3個監(jiān)測點,見圖1。試驗進行了若干次,從結(jié)果中選出9組數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)見表2。以這9組數(shù)據(jù)為分析樣本,運用灰關(guān)聯(lián)分析方法計算影響爆破地震效應(yīng)因素的主次順序。3.5灰色關(guān)聯(lián)矩陣的計算將表2中相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入編寫的程序中進行計算,得出灰色絕對關(guān)聯(lián)矩陣,見表3。3.6爆破地震效應(yīng)的影響因素由灰色絕對關(guān)聯(lián)矩陣(表3)可以得到表4。在距離、總藥量、單段最大藥量、段數(shù)、微差延時、爆破方向、高程差、地質(zhì)條件8個相關(guān)因素變量中,距離為最優(yōu)因素,可見其對爆破效應(yīng)影響最大,其次為單段最大藥量,這與薩道夫斯基公式是一致的。各因素對爆破地震效應(yīng)3要素(峰值振速、主振頻率和振動持續(xù)時間)的影響順序均相同,順序為:距離、單段最大藥量、總藥量、微差延時、爆破方向、高程差、段數(shù)、地質(zhì)條件。距離和單段最大藥量對爆破地震效應(yīng)起決定性作用,這點是眾所周知的,采用灰關(guān)聯(lián)分析法也得出了這個結(jié)論,說明此法在求解影響爆破地震效應(yīng)因素的重要度方面是可行的。分析結(jié)果還指出,距離對爆破地震效應(yīng)的影響度要稍大于單段最大藥量。距離屬于傳播因素而單段最大藥量屬于爆源因素,兩者共同決定了爆破地震效應(yīng)的強弱,說明爆破地震效應(yīng)是受傳播因素和爆源因素共同作用的。在這8個影響因素中,距離和高程差是人為不易改變的,其他因素是可以由人為控制的。因此,控制爆破地震效應(yīng)就要從這6個因素入手。上述分析結(jié)果是針對采取數(shù)據(jù)的爆破地點而言的,如果爆破地點發(fā)生變化應(yīng)重新進行灰色關(guān)聯(lián)分析。這說明在不同地質(zhì)類型和力學(xué)性質(zhì)的巖石中爆破時,就已確定的各相關(guān)因素而言,存在不同的影響爆破地震效應(yīng)的優(yōu)勢因素。4降低振動速度,降低主振頻率和持續(xù)時間依據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2003),頻率為10～50Hz鋼混建筑物的安全振速為4.2～5cm/s。從表2可以看出,主振頻率全部大于50Hz,頻率高些安全振速可以相應(yīng)高些。建筑物的固有頻率一般為2～5Hz,很明顯主振頻率比建構(gòu)筑物的固有頻率要高得多,不會發(fā)生共振現(xiàn)象。從表2還可以看出,振動持續(xù)時間短,因此無需針對主振頻率和持續(xù)時間制定措施。只需降低振動速度就會達到安全要求,因此應(yīng)針對如何降低振動速度制定降振措施。根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)的分析結(jié)果制定如下降振措施。降低單段最大齊爆藥量是最有效最直接的降振措施。在降低單段最大齊爆藥量的情況下減少段數(shù)或保持不變,總藥量也會相應(yīng)降低,對減弱振動強度有積極作用。取間隔時間為爆破地震波周期一半的奇數(shù)倍(一般是1或3倍),就會使先后爆破產(chǎn)生的爆破地震波的波峰與波谷相遇,相互抵消,起到減弱振動強度的效果。由于爆破前沖向的地震波衰減較快,且強度較低。因此,在靠近建構(gòu)筑物爆破時,應(yīng)調(diào)整爆破方向使建構(gòu)筑物位于爆破的前沖向。在爆破點和建構(gòu)筑物之間開挖減振溝,減振溝的深度應(yīng)超過炮孔的深度,減振溝相當(dāng)于地質(zhì)斷層,這樣就可以使爆破地震波途徑的地質(zhì)條件變得極差,從而達到降振的目的。按實際工程的需要可對上述措施予以調(diào)整。采取上述降振措施,主要是降低爆破振動速度,主振頻率和振動持續(xù)時間變化比較小。這也在后來的爆破試驗中得到了驗證。5振動速度時程為了驗證上述降振措施是否有效,又進行了爆破驗證試驗。在爆區(qū)附近一建筑物第1層地面上選取A、B兩點作為監(jiān)測點,建筑物與爆源的相對位置及監(jiān)測點布置見圖2。采取措施前的爆破條件為單段最大藥量3.9kg,分兩段起爆,微差延時為25ms,爆破方向為3.14,即爆破前沖向背向建筑物,爆破參數(shù)同灰關(guān)聯(lián)爆破試驗。采取降低單段最大藥量,改變爆破前沖向和開挖減振溝措施。于是采取措施后的爆破條件變?yōu)閱味巫畲笏幜?.25kg,爆破方向為0,即爆破前沖向指向建筑物,其他不變。監(jiān)測結(jié)果見圖3～10。圖3和4為A點采取措施前后的振動速度時程變化曲線,通過對比可知,波形較為相似,波速有明顯降低。采取措施前的峰值振速為3.7cm/s,采取措施后為3.25cm/s,降低幅度為12.16%;振動持續(xù)時間略微變小,采取措施前為660ms,采取措施后為645ms。圖5和6為A點采取措施前后的頻譜。從圖中可以看出,采取措施前的主振頻率為55Hz,采取措施后為52.5Hz,并且高頻部分減少。圖7和8為B點采取措施前后的振動速度時程變化曲線。從圖中可以看出,波形基本相同,波速有明顯降低。采取措施前的峰值振速為3.96cm/s,采取措施后為3.36cm/s,降低幅度為15.15%;振動持續(xù)時間略微變小,采取措施前為700ms,采取措施后為690ms。圖9和10為B點采取措施前后的頻譜。從圖中可以看出,采取措施前的主振頻率為45Hz,采取措施后為42.5Hz,高頻部分有所減少。根據(jù)爆破安全規(guī)程可知A、B兩點在采取措施后更加處于安全狀態(tài)。振動速度明顯降低和爆破地震波信號的高頻部分有所減少,這是因為所采取的措施使爆破地震波傳播途徑的地質(zhì)體的局部變得破碎不連續(xù),大大增加了爆破地震波的能量消耗,并且減少了信號的高頻部分。6數(shù)據(jù)處理與分析1)用灰色關(guān)聯(lián)分析法分析影響爆破地震效應(yīng)的各個因素的重要度是可行的,此法可以在較少數(shù)據(jù)下進行,并且可以得到理想的效果。2)在南寧市某巖體地基爆破開挖現(xiàn)場進行爆破試驗,選取了9組數(shù)據(jù)為分析樣本,運用灰關(guān)聯(lián)分析方法得出了影響爆破振動因素的主次順序