爆破振动测试技术

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。
（3）压电式加速度计 压电式加速度计的构造及工作原理
4.2 爆破振动测量仪器 4.2.1测振传感器（拾振器） 测振传感器种类繁多，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。 (1)惯性式传感器的力学原理 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。
n
2
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Q ＝ DF，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。
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、α系数不同。
K 、 α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，往往通过小药量现场爆破试验， 从而得到比较符合实际情况的K、α数值。
2 0
此二阶线性微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，通解代表系统的自由振动， 特解为强迫振动。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：
y (t ) y sin(t )
0
上式也就是传感器的响应方程。式中
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： （1）爆破地震波的特征及传播规律；
（2）爆破地震波对建筑物的影响。
为解决这一问题，一方面是加强对各种爆破条件下 爆破地震波的特性分析和对建构筑物危害的现象和破坏 特征的宏观调查；另一方面是加强对与爆破危害相应的 爆破地震波的特征参数、结构的动力响应及结构动力特
(2)磁电式速度传感器 65型拾振器 由 于 65 型 拾 常用的磁电式速度传感器属于惯性式测振仪，工作
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。
701型拾振器
4.1.2爆破地震动及爆破地震效应 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
地震波引起的破坏现象及后果称为爆破地震效应。
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。如爆源的位置、炸药量的大小、爆破方 式、传播介质和地形条件等。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，爆破地震效应 是一个包含建（构）筑物本身以及爆破地震波多种因 素的综合性的现象。
n
K

n
振器的固有频率 原理是相同的，都是基于电磁感应的原理，把振动体的 低、灵敏度高， 可用来测量低频、 振动速度转变为感应电动势。 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。
65型拾振器示意图 1-锁定装置，2-磁钠，3-线圈，4-摆锤，5-十字弹簧片， 6-调整惯性块位置手柄，7-垂直拉簧
惯性质量块放在压电晶体上， 并用硬弹簧施加一定的预应力，可 减少晶体受压力时引起的非线性误 差，提高测量精度。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 压电式加速度计示意图 全满足 ωn>>ω 的条件。质量块相 1-壳体，2-硬弹簧，3-质量块， 对于外壳的位移与振动体的振动加 4-输出端，5-压电晶体片，6-基座 速度成正比，即 Y 1 t 。 x
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，还应考虑爆破振动持续 时间对建构筑物的累积破坏作用，振动频率与建构筑物 固有频率之间的关系。
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相，后一段称为余震相。
(2)爆破地震波基本参数 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，关于振动持续时间的定义还 不统一，确定的方法也各异。
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；
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。
性参数的测试。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，爆破振动测试是研 究爆破地震效应的基本手段和方法。
4.1.3衡量爆破震动强度的物理量及破坏判据的确定 (1)衡量爆破震动强度的物理量 爆破震动强度可以用介质质点运动的各物理量来衡 量，如质点振动位移、速度和加速度。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。 一种观点认为以介质质点振动速度较好。其理由是， 通过大量观测表明，爆破地震破坏程度与振动速度大小 的相关性比较密切。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。 另一观点则认为用振动加速度作为衡量标准。因为 加速度可以反映作用在建筑物或构筑物基础上的荷载大 小，从而揭示结构的受力状态及破坏机理。 目前多采用振动速度作为衡量安全的主要物理量。
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： M (t ) (t ) Cy (t ) Ky (t ) 0 y x 假定振动体作简谐振动，即
x(t ) x sin t
由上两式可得
0
M(t ) Cy (t ) Ky (t ) Mx sin t y
压电式加速度计的主要性能及特性
(1)安装谐振频率。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“质量－弹簧”系统的固有频率就称为 安装谐振频率，它比加速度计自身的谐振频率低。加 速度计的工作颊率上限受到安装谐振频率的限制。 (2)灵敏度。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。
K、m、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； α--与地质条件有关的爆破地震波衰减系数。
体波可分为纵波和横波。 纵波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。其特点是周期短， 振幅小和传播速度快。 横波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）。 面波仅限沿地表面传播，它是体波在自由面多次 反射叠加而成，主要包含瑞利波和勒夫波。其特点是 周期长、振幅大，传播速度较体波慢，衰减也较慢， 但携带的能量较大。 爆破过程中造成岩石破裂的主要原因是体波的作 用，而造成爆破地震破坏的主要原因是面波的作用。
பைடு நூலகம்
测得质点振动最大速度或最大加速度，再进行回归分析， 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 、 α数值作 参考。
(2)爆破震动破坏判据 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，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。
4.爆破振动测试
4.1概述
4.2测量仪器 4.3地震效应测试
4.4地震反应谱及测试
4.5振动测试注意问题
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。 4.1爆破地震波及爆破地震效应 4.1.1爆破地震波 (1)爆破地震波的形成及特征 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（药包半径的10~15倍）传播的是冲击波。 在中区（药包半径的15~400倍）为应力波。因应力波 到达界面产生反射和折射叠加便形成地震波。地震波 是一种弹性波，它包含在介质内部传播的体波和沿地 面传播的面波。
(4.1)
式中ω为振动圆频率； 为传感器“质量-弹簧 M -阻尼”系统的固有圆频率；ζ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ζ有关，它可以是位移、速度和加速度。