爆破振动测试技术解析课件.ppt
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1、 爆破地震效应被公认为爆破的“公害”之首。对建构筑物的危害尤为严重,一直是爆破工作者关注的热点。本章着重讲述爆破地震波的形成、特征;爆破震动强度及破坏判据;爆破地震测试技术和反应谱理论。炸药在岩土中爆炸时,一部分能量对炸药周围的介质引起扰动,并以波动形式向外传播。通常认为:在爆炸近区()传播的是冲击波。在中区()为应力波。因。可分为。是由震源向外传播的压缩波,在传播过程中能引起介质产生压缩和拉伸变形。是由震源向外传播的剪切波,在传播过程中能引起介质质点产生剪切变形。其特点是周期较长,振幅较纵波大,传播速度次于纵波。通常也把纵波叫P波(即初至波),把横波叫S波(即次波)。仅限沿地表面传播,它是体
2、波在自由面多次反射叠加而成,主要包含和。爆破过程中,而。在短距离内,三种波(P波、S波、R波)几乎一起到达,因而辩认地震波的类型是非常复杂的。而在远距离处,传播速度较慢的S波、R波开始与P波分离,就能辩认出来。在一幅完整的爆破地震波的记录图形中,一开始是一系列振幅较小、频率较高的波形,主要是纵波(P波)和横波(S波),紧接着一段是振幅较大、频率较低的R波波形,持续一段时间后,波形逐渐衰减。由于多采用毫秒微差起爆,导致波群相互干扰和重叠,增加了爆破地震波形的复杂性,因此,在实测爆破地震波波形图中,纵波和横波很难分辨,往往也不加以区分。有时就将波形图的初始阶段称为初震相,中间振幅较大的一段称为主震
3、相,后一段称为余震相。描述爆破地震波的特征一般用振幅A、频率f0(或周期T0和持续时间TE三个基本参数表示。振幅:振幅随时间而变化。由于主震相的振幅大,作用时间长。因此,主震相中的最大振幅是表征地震波的重要参数,是振动强度的标志。频率f0(或周期T0):一般用最大振幅所对应的一个波的周期作为地震波的参数,频率为其倒数f0=1/T0。由于地震波具有明显的瞬态振动特征,属频域较宽的随机信号,用频谱分析法得出的频谱可描述其频率特征。振动持续时间TE:是指测点振动从开始到全部停止的时间。反映振动衰减的快慢。由于记录到的持续时间和仪器灵敏度有关,仪器灵敏度高,测得的振动持续时间就长,反之则短。因此,关于
4、振动持续时间的定义还不统一,确定的方法也各异。爆破地震动,有时称为爆破地面运动。是由爆源释放出来的地震波引起的地表附近土层的振动。爆破地震效应是一个比较复杂的问题,受到各种因素的影响。如等。同时,对建筑物的灾害而言,爆破地震波仅是外部条件,而建筑物的结构特性和材料特性是其内部条件。它又与地基特性和约束条件以及施工质量等因素有关。因此,国内外对爆破地震效应进行了大量的研究。主要研究的问题可以归纳为两个方面:为解决这一问题,是加强对各种爆破条件下爆破是加强对与爆破危害相应的爆破。以宏观调查资料以及爆破振动测试数据为依据,确定爆破地震波的特性、传播规律以及爆破地震波与建筑物动力响应关系。因此,爆破振
5、动测试是研究爆破地震效应的基本手段和方法。但以哪种物理量作为衡量标准最合适,目前在国内外有不同观点。一种观点认为以较好。其理由是,通过大量观测表明,。较其它物理量而言,振动速度与岩土性质有较稳定的相关关系,规律性较好。另一观点则认为用作为衡量标准。因为。目前多采用振动速度作为衡量安全的主要物理量。通过国内外大量实测结果分析表明:反映爆破震动强度的诸多物理量与炸药量、爆心距、岩土性质及场地条件等因素密切相关。虽然各个国家试验条件各不相同,但大致上都可总结得出以下形式的经验公式:A=KQmRn 式中 A-反映爆破震动强度的物理量(振动速度或加 速度);Q-炸药量;R-测点至爆源中心的距离;K、m、
6、n-反映不同爆破方式、地质、场地条件 等因素的系数。以质点振动速度作为衡量爆破震动强度的物理量时,根据爆破方式的不同,有下列经验公式:对于集中药包爆破:对于延长药包爆破:式中 v-质点振动最大速度,cm/s,Q-炸药量,kg(齐发爆破时为总装药量,延迟 爆破时,为最大一段的装药量);R-测点距爆源中心的距离,m;K-与爆破场地条件有关的系数;-与地质条件有关的爆破地震波衰减系数。质点振动最大加速度计算经验公式与振动最大速度经验公式的形式相同,只是K、系数不同。K、数值是根据现场试验所测得数据经数理统计分析得到的,数值变化范围较大。因此,选取应十分慎重,一般通过现场爆破试验求得。对于一些重要工程
7、,往往通过小药量现场爆破试验,测得质点振动最大速度或最大加速度,再进行回归分析,从而得到比较符合实际情况的K、数值。若按工程类比法选取时,只能以与工程建设场地的地质条件和爆破方式相似的经验公式中的K、数值作参考。引起建筑构筑物或岩体破坏的爆破震动强度临界值称为爆破震动破坏判据。对于不同的物理量,如位移、速度、加速度等,都有相应的破坏判据。由于建构筑物或岩体本身的多样性,虽然经过了大量的实测工作,但要确定出一个统一的判据仍是不可能的。因此,目前各国尚无统一的规定。多数国家在安全规程或实际应用中,将建(构)筑物的破坏程度大致分为无破坏、轻微破坏和严重破坏三类。并给定每一类破坏的临界值。根据测试资料
8、,规定一般建(构)筑物开始破坏的临界速度为5cm/s,也有规定为10-5cm/s的,临界加速度定为5cm/s2。86年颁布的国家标准爆破安全规程(GB6722一86)规定主要类型建构筑物地面质点的安全震动速度为:(1)土窑洞、土坯层,毛石房屋1.Ocm/s;(2)一般砖房、非抗震大型砌块建筑物2-3cm/s;(3)钢筋混凝土框架房屋5cm/s;(4)水工隧洞1Ocm/s;(5)交通隧洞15cm/s;(6)矿山巷道:围岩不稳定有良好支护1Ocm/s;中等稳定有良好支护2Ocm/s;围岩稳定无支护80cm/s。在评价爆破震动对建构筑物的危害时,除用位移、速度、加速度作为破坏判据外,还应考虑 测振传
9、感器种类繁多,使用最为广泛的是磁电式速度传感器和压电式加速度计。都属于惯性式(绝对式)测振仪,用来测量地面或振动体与大地之间的绝对振动。惯性质量块M用一弹簧和阻尼器挂在传感器的外壳上,组成一个“质量-弹簧-阻尼”单自由度弹性系统。仪器外壳固定在振动体上,当振动体振动时,传感器外壳随着振动,从而激励“质量-弹簧-阻尼”系统振动。惯性式传感器构造示意图 根据结构动力学理论,单白由度弹性系统由于基础位移引起强迫振动时,质量M的运动微分方程为:假定振动体作简谐振动,即 由上两式可得0)()()()(tKytyCtxtyM txtxsin)(0tMxtKytyCtyMsin)()()(20 此二阶线性微
10、分方程的解包括齐次方程的通解和非齐次方程的特解两部分,由于系统具有阻尼,自由振动项在阻尼的作用下很快消失,可忽略不计,故只考虑代表稳态振动的强迫振动。其解为:)sin()(0tyty 上式也就是传感器的响应方程。式中式中为振动圆频率;为传感器“质量-弹簧-阻尼”系统的固有圆频率;为临界阻尼比。由上式可知,惯性式传感器输出与输人的运动规律是相同的,均为简谐运动,只相差一个相位角。所以,采用惯性式传感器能够如实地反映振动体的振动信号。但是,传感器输出y所表示的振动物理量与频率比 和阻尼比有关,它可以是位移、速度和加速度。MKnn(4.1)65型拾振器示意图1-锁定装置,2-磁钠,3-线圈,4-摆锤
11、,5-十字弹簧片,6-调整惯性块位置手柄,7-垂直拉簧 当拾振器置于振动体上并随着一起振动时,摆锤由于惯性处于静止状态,线圈和磁钢产生相对运动,线圈切割磁力线,于是在线圈两端产生与振动速度成正比的感应电势,通过输出端即可测得振动速度。由于65型拾振器的固有频率低、灵敏度高,可用来测量低频、微幅的振动。用一台拾振器可分别测量垂直和水平方向振动。(2)磁电式速度传感器 常用的磁电式速度传感器属于惯性式测振仪,工作原理是相同的,都是基于电磁感应的原理,把振动体的振动速度转变为感应电动势。701型拾振器也是惯性摆式速度传感器,它的结构、工作原理与65型拾振器基本一样。在仪器内部装有积分电路,因此,它不
12、仅可测量振动速度,也可测量振动位移。它可测量微振,也可测量低频大位移。701型拾振器有701-S型和701-Z型,分别测量水平和垂直方向振动。还具有体积小、重量轻、携带方便的优点。压电式加速度计示意图 1-壳体,2-硬弹簧,3-质量块,4-输出端,5-压电晶体片,6-基座 (3)压电式加速度计 惯性质量块放在压电晶体上,并。压电晶体片为一弹性体,其有一定刚度,可视为弹簧,它与硬弹簧串联,构成一个弹簧常数为瓦的弹K簧,系统阻尼用C表示,这就构成了单自由度系统。由于系统的弹簧常数K很 大,而质量块M很小,所以系统的固有频率 也就很大。完全满足n的条件。质量块相对于外壳的位移与振动体的振动加速度成正
13、比,即 。txYn 21 当被测物体振动时,加速度计“质量弹簧系统”的质量块由于受到惯性力作用,作用在压电晶体片上的振动压力为 根据压电晶体的“压电效应”,当压电晶体片承受压力作用时,压晶体表面上产生电荷QDF,将上式代入,则得 若用输出电压表示则为 由上式可知:压电式加速度计的输出电荷或输出电压与被测物体的振动加速度成正比。加速度计安装在被测物体上,加速度基座与被测物体连成一个整体。在这种情况下加速度计中的。加速度计的工作颊率上限受到安装谐振频率的限制。压电式加速度计的灵敏度有两种表示方法:电荷灵敏度和电压灵敏度,其物理意义是加速度计在单位加速度下的电荷输出量或电压输出量。所谓横向灵敏度是指
14、加速度计横向运动响应的灵敏度。横向灵敏度的存在除与压电材料的不均匀性、切片加工时的精度等因素有关外,还与使用时的安装质量有关。如安装方向与主轴方向倾斜、安装底座不平整、安装扭矩过大等,可能会使横向灵敏度由34增加到1520%。上限取决于传感器的安装谐振频率,可低于谐振频率的5%10%,压电式加速度计的谐振频率一般都在1OkHz以上。下限主要受测量仪器低频响应的限制,采用电荷放大器,频率下限可达0.3Hz,甚至达到0.003Hz。是指加速度计可测的加速度范围。因此,每种型号加速度计的动态范围上限是不同的,如国产的YDl型加速度计最大可测加速度为2OOm/s2,YD15型压电式加速度计为8OOOO
15、m/s2,YD-13型却只为1Om/s2.除以上主要特性外,还有加速度底座应变效应,温度灵敏度,磁场灵敏度和声场灵敏度等特性,对测试结果都有一定的影响。由测振传感器输出的电信号一般很微弱,需要放大后才能供显示和记录。测振放大器就是将微弱的电信号进行放大的装置。一般测振放大器中还装置有微积分电路、滤波电路等。所以,它不仅对信号有放大作用,还有对信号进行微分、积分和滤波的功能。测振放大器也与常用的磁电式速度传感器和电压式加速度计相配。一般有几个通道,可同时放大多路信号,内设置有微积分网络,包括一个微分电路和两个积分电路,它可直接与磁电式速度传感器配套使用,频率响应:21OOOOHz(5%);电压测
16、量范围:O1OmV31.6V分八挡;精度:测量误差不大于各量程满刻度的土4.0%;电流输出:最大4mA(交流);电压输出:最大4V(有效值);振动测量范围:取决于连接的传感器;系统误差:不大于士10;使用温度:-100土40 0C;重量:不大于1Okg。压电式加速度计具有高输出阻抗的特性。相连放大器输入阻抗的大小将对测试系统的性能产生重大影响。一般的测振放大器的输入阻抗低。因此,在测试系统中必须设置高输入阻抗的前置放大器。目前,前置放大器有两种:前置电压放大器和电荷放大器。4.2.3测振记录设备 记录仪的基本作用是记录和显示被测振动物理量随时间变化的曲线,以便进行分析、处理。因此,要求记录设备
17、能完全真实地记录、存贮所测量的振动信号,以确保分析结果的可靠和精确度。4.2.4测振系统的标定 爆破振动测试系统中各种仪器、设备的性能参数对测试结果的可靠性及精度都具有很重要的意义。在仪器出厂前,生产厂家对各种仪器的性能指标参数都进行了校准测试。但用户在使用中为确保振动测试的质量,往往需要对测振仪器的主要性能参数进行定期标定和检验。测振仪器的标定可分为分部标定和系统标定。分别对测振传感器、放大器、记录仪进行各种壮能参数的标定。将传感器、放大器和记录仪组成的测试系统进行全系统的连机标定,以得到输入量与记录量之间的定量关系。在爆破振动测试中,常采用的是测试系统的标定。常用的标定方法是在标准振动台上
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