循环爆破下花岗岩振动信号处理及其演化规律研究

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岩土爆破技术常用于隧道开挖、矿山开采、水利设施建设等相关工程领域,可显著提高工程建设速度、优化作业效率,带来的社会和经济效益十分明显。由于针对岩体的爆破施工是一种破坏性质的施工行为,其产生的爆破振动波、空气冲击波和飞石等严重威胁作业人员的人身安全以及附近建构筑物的结构安全。尤其是爆破产生的振动效应,它不可避免地对岩体造成一定损伤,一直是专家学者研究的重点方向。因此,开展岩体的爆破振动效应与控制方面的研究具有实际意义。本文所研究内容及得出的主要结论如下:首先,对花岗岩循环爆破实验中出现的两个典型加速度零漂信号开展时频分析,使用三种主要的零漂修正方法对其进行零漂修正处理。分析结果表明:处理信号的时段选取对于多项式函数和幂指数函数下的最小二乘法零漂修正结果均有明显影响,而对于小波函数法和滑动平均法的零漂修正结果没有影响;随着分解层次的增加,小波分解的单层信号中的零漂成分在增加,各层信号的幅值范围随之减小;不同的滑动阶次下,滑动平均法零漂修正后的速度信号后段基线随着滑动点数的增加呈现出下降的趋势;通过比较修正后速度信号基线偏离零点基线的程度,可以找出每个滑动阶次下使得零漂修正结果最优的滑动点数。接着,针对前三种零漂修正方法的缺点,找到可以自适应分解的集合经验模态分解(EEMD)算法,主要研究EEMD法的白噪声系数对于其零漂修正结果的影响。研究结果表明:利用EEMD方法并结合高低频处理能够较好地去除爆破加速度信号的零漂趋势;随着白噪声系数增大,不同频段上修正指数均不同程度上升,二者呈现相关性较高的幂指数函数关系;通过修正指数并结合传感器的频响范围分析,确定出零漂信号对应的白噪声系数的最优取值范围,优化的噪声系数使得EEMD法在最大程度削弱信号零漂趋势的同时尽量保留信号的频谱信息。最后,利用零漂修正结果对振动信号的峰值进行线性回归分析,对不同测点加速度信号的主频演化规律进行研究。分析结果发现:相较于质点峰值加速度,萨道夫斯基公式更加适用于描述同条件下的质点峰值速度衰减规律;循环爆破时加速度信号的主频并非随着爆心距增加而稳定衰减,会出现局部的波动。同时,基于Holmquist-Johnson-Cook本构模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件实现了花岗岩循环爆破数值模拟,通过分析数值模拟信号与零漂修正信号的异同,从侧面印证了修正结果的合理性。
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