台阶爆破是岩土爆破作业中应用最广的爆破作业方式,在矿山开采、公路铁路、水利水电、市政地铁、军事国防等工程领域广泛应用。我国每年爆破开挖的土石方量近80亿立方,其中70%以上采用台阶爆破,而爆破产生的有害效应不断影响着周围居民的正常生活,因爆破振动引发的事故和纠纷屡见不鲜。在人们环保意识不断增强和对生活环境要求不断提高的今天,控制爆破有害效应和保护周边环境安全是爆破作业的一项重要环节。为此,在爆破工程领域,预防和控制爆破有害效应已成为爆破工作者研究的热点。爆破有害效应包括爆破振动、飞石、有毒有害气体、爆破粉尘、爆破冲击波与爆破噪声等,其中爆破振动居爆破有害效应之首,其它有害效应可通过改善炸药配比、水雾降尘、安全防护、控制同段起爆最大药量等措施来进行有效控制,而爆破振动仅仅通过爆破设计优化等措施很难得到有效预防。因此,研发台阶爆破振动效应预测方法是爆破工程领域迫切需要解决的重要课题。本文在国内外研究的基础上,结合“裂隙岩体台阶爆破技术研究(黔科合人才团队[2014]4003号)”、“基于能量原理的中深孔台阶爆破降振技术研究(黔科合人字[2013]30号)”、“喀斯特地质条件下深孔爆破数值模拟技术研究及应用(黔科合GY字[2013]3054号)”等科研项目,以台阶爆破非线性振动特性的预测为目标,采用理论模型建立、程序开发、数值模拟与现场试验相结合的技术路线,开展了系统研究,主要内容如下:1台阶爆破振动效应的现场试验研究通过设计不同的爆破参数,在不同孔深、不同药量、不同装药结构和不同延期时间条件下距爆源不同距离的多个测点进行爆破振动监测,得到了不同条件下的振动波形及频谱,在此基础上研究了不同条件下爆破振动的衰减与耗散规律,并得出如下结论:最大振速和主频幅值随装药量的减少而减小,径向和垂向最大振速比切向最大振速大,说明爆破产生的应力波在径向和垂向占主导地位;连续装药的最大振速和主频幅值比间隔装药大,其中切向增大幅度最大,径向次之,垂向最小;连续装药主振频率比间隔装药小,连续装药峰值振动速度幅值比间隔装药大;间隔装药爆破振动频谱峰值多、幅值小,而连续装药频谱峰值少、幅值高;以萨道夫斯基振动预测公式为目标函数,对间隔装药和连续装药的振动峰值质点振速进行回归分析,得到K、a值,其中间隔装药的K、a值远大于连续装药的K,a值,说明间隔装药结构对减小爆破振动非常明显。延期时间越短峰值振动速度越大;爆破振动频谱主要集中在10Hz~200Hz区间,主频率出现在20~60Hz区间。连续装药爆破时,低频成分较多且幅值大,高频成分少;而间隔装药时,高频成分多,幅值小;爆破峰值质点振速在距离爆源较近的地方衰减速度快,距离爆源较远的地方衰减速度慢,呈典型的非线性关系,在试验中最大峰值质点振速出现在最后一个波峰或者波谷上。上述结果表明,爆破振动速度和频率受装药量、装药结构、距爆源距离、炮孔深度、延期时间等多方面因素影响,峰值质点振动速度的衰减随距离的增大而减小,呈典型的非线性特征。2非线性系统预测模型的建模研究1)提出了基于volterra泛函级数的台阶爆破振动效应非线性预测方法研究解决非线性问题的基础是建立描述非线性系统的数学模型,为此本研究基于爆源至测点间岩土介质的显著非线性特征,将volterra非线性级数方法引入台阶爆破振动效应预测预报,即用volterra泛函级数来描述爆源至监测点间的岩土介质的非线性特征。针对设计的爆破参数,构建脉冲序列函数,通过单孔爆破振动试验识别volterra泛函级数的核函数,预测给定爆破方案的振动效应。2)改进了基于叠加时域波形的anderson预测模型为了克服anderson不能反映岩土介质非线性特征和波形线性叠加的anderson模型的不足,将anderson模型中的地震比例系数进行了修正,以充分体现岩土介质的不连续性、不均匀性以及各向异性。根据台阶爆破的特点,提出了基于台阶爆破的地震比例系数改进的anderson模型。3)开发了volterra非线性系统模型、改进的anderson模型及结构响应预测的计算程序基于c++平台结合高效的stl与opengl库资源,编制了volterra非线性模型与改进anderson模型的计算程序。并根据改进的anderson模型和非线性volterra泛函级数模型预测的振动波形,采用c++语言开发振型分解反应谱法、时程分析法和传递函数法计算程序用于预测建筑结构的内力、剪力、位移等振动效应随时间变化规律等。4)用三种方法分析结构对地基振动的动态响应用三种方法(振型分解反应谱法、传递函数法和时程分析方法)分析结构对地基振动的动态响应,建立了一个集现场振动测试与理论模型相结合的综合预测模型。首先预测地基的振动波形,然后采用振型分解反应谱法、时程分析法和传递函数法来预测结构的振动响应,据此来评判建筑结构台阶爆破振动是否对建筑结构产生危害,并通过预测结果修改爆破设计,以使爆破振动效应对结构产生的危害降至最低。3台阶爆破振动效应的数值模拟为了验证改进的anderson模型与volterra非线性预测模型的可靠性和有效性,除将两个模型的预报结果与实测结果对比外,同时进行了同步数值模拟分析。应用ANYSYS/LS-DYNA分别对双孔、三孔和四孔在不同装药结构和延期时间条件下进行了同步数值模拟,模拟数据与实测数据误差在同一测点处个别数据达60%,但大部分模拟结果接近实测值,径向数据比垂向数据更接近实测值,垂向数据偏离稍大;从波形图上来看,其模拟波形图比较接近实测波形。但因把整个岩体看成是均质连续的介质,而且现场岩土介质是有节理裂隙等地质缺陷的地质体,因此模拟数据与实测数据总存在一定偏差。数值模拟过程中没有考虑岩土传播介质具有高频滤波特性,所以数值模拟过程中呈现出高频振荡波形。可见数值模拟对于爆破方案设计的理论参考具有重要现实意义。其缺点主要是数值模拟参数难确定,模拟时间长,且要求技术人员必须具备熟练的数值模拟经验。通过对不同参数条件下岩体爆破数值模拟研究,证实了爆炸应力波在岩体介质中传播的非线性特性,为非线性预测提供了充分的理论依据。4预测方法的实验验证和工程应用为了评价基于非线性泛函级数预测模型在爆破工程实践中的有效性,将提出的非线性系统模型进行了试验验证并应用于露天石灰石矿生产爆破工程,通过预测与实测结果的对比分析表明:基于Volterra泛函级数的非线性系统预测方法预测结果精度较高。非线性系统预测的PPV值误差小于16%,主频误差小于31%,主频对应谱值误差小于10%;改进的Anderson模型预测的PPV值误差小于24%,主频误差小于50%,主频对应谱值误差小于17%。同时,通过数值模拟结果与非线性模型预测结果的对比,预测模型预测结果比数值模拟结果更接近实际振动测试数据,充分证实非线性预测模型预测结果能反映岩土介质非线性特性,预测结果可以为岩土爆破振动效应的评估提供理论依据。针对建筑结构对爆破振动响应试验验证应用,首先采用改进的Anderson模型预测结构地基处的振动波形,然后将结构地基的预测振动波形数据作为输入,预测结构对地基振动的响应。用振型分解反应谱法预测了建筑结构在拆除块体冲击振动下的内力和弯矩;采用时程分析法预测结构爆破振动响应,真实地体现振动持续时间对建筑结构振动响应的影响;用传递函数法预测振动的完整时间历程,振动预测与实测波形基本接近,频谱也基本一致,说明修正Anderson模型预测方法是正确的,可为预测爆破作用下荷载对结构的振动响应。