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《武汉大学》 2013年
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爆破地震波的产生及衰减机制

金旭浩  
【摘要】:爆破作为一种重要的技术手段,在生产建设中发挥着越来越重要的作用。但由于爆破过程涉及爆炸力学、气体动力学、岩石力学和应力波理论等诸多学科,对爆破过程和效应的定量研究仍不完善。爆破振动作为爆破四公害之首,由于其普遍性和对保留岩体、邻近建(构)筑物或设施设备的破坏作用,爆破地震波的产生和衰减机制一直是岩石爆破领域的重要研究课题。 本文通过理论分析和数值模拟,研究爆破地震波特别是剪切波的产生机理,分析爆破地震波的振动幅值、能量和频率的衰减规律和影响因素,建立了球状药包激发地震波的频谱表达式和爆破振动质心频率的衰减公式。 首先通过研究爆破地震波的类型及产生过程,分析了P、S和R波的波动方程和产生机制,并针对S波的产生机理进行了重点研究。发现岩石爆破破岩过程炮孔周围岩体的破碎与开裂、岩体中的应力波与岩石界面的相互作用、短柱状药包的瞬时爆轰、爆源偏离球形空腔中心和非球对称的空腔条件下均会激发S波。介质的不均匀性、岩石界面的存在、荷载和结构的不对称性、爆轰过程的影响等都可能导致S波的产生,并且诱发S波的幅值可超过P波。 研究了爆破地震波振动速度衰减机制和衰减规律。爆破地震波衰减机制包括几何扩散、介质阻尼作用和与岩石介质界面的相互作用等。基于爆破振动速度的衰减规律,建立了爆破振动衰减系数与频率和地质品质因子的关系,表明频率越高,爆破振动的衰减越快;地质品质因子越大,岩性越好,爆破振动的衰减越小。 研究了爆破地震的能量衰减规律。爆破地震波能量能够综合反映振幅、频率和持续时间爆破三要素的影响。通过理论分析,建立了爆破地震波传播过程中的能量衰减关系式,表明峰值能量随距离的衰减系数两倍于爆破振动速度的衰减系数;高频地震波更容易衰减,地震波振动主频有向低频偏移的趋势,且在爆源远区,爆破振动能量主要由面波携带。 研究了爆破地震波的频率衰减机制和衰减规律。针对粘弹性介质中球状药包激发的地震波,推导了其频谱表达式,并分析了爆破振动频谱特性的影响因素。表明,爆破振动频谱特性取决于爆源参数及岩体介质参数,包括爆炸荷载的大小、弹性空腔半径(或岩石爆破中的破裂区边界)、荷载上升时间、荷载持续时间、岩石的纵波速度和品质因子等参数。 由于爆破地震波幅频分布曲线的多峰结构和高频爆破地震波衰减快的双重因素影响,爆破振动主频随爆心距的增大并非遵循严格的衰减,而在传播过程会发生局部突变或跳跃现象,导致频率衰减经验公式拟合过程的离散性大。因而,在爆破地震波频率衰减规律研究方面,引入爆破振动质心频率代替传统的振动主频,发现爆破振动质心频率在爆破地震波传播过程有明显的衰减规律,其与岩体纵波速度和爆腔半径的比值成线性关系,与爆腔半径和爆心距比值成幂函数关系。在此基础上,建立了爆破振动质心频率的衰减半经验半理论公式。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:O382

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