邊坡爆破對既有高邊坡的振動影響分析

■王 華

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州 350004）

1 引言

隨著公路工程不斷建設(shè)發(fā)展，新建邊坡臨近既有邊坡的情況越來越普遍，因此分析新建邊坡建設(shè)的影響并提出合理的應(yīng)對措施，是此類邊坡工程建設(shè)過程中亟需解決的問題。已有文獻更多地集中在研究邊坡開挖后的長期穩(wěn)定性問題[1,2]。但是，新建邊坡爆破施工易造成既有邊坡巖體原有的節(jié)理、裂隙進一步擴展，嚴重時還可能造成巖體沿已有結(jié)構(gòu)面滑移，直接影響邊坡的整體穩(wěn)定性[3,4]。因此,分析爆破振動效應(yīng)對邊坡的影響顯得尤為重要。國內(nèi)有研究者利用有限元法對爆破荷載作用進行數(shù)值模擬分析，得到了較為準確的結(jié)果，這說明了利用數(shù)值模擬方法解決該類問題的可靠性[5,6]。

本文以福建省漳州市某公路工程新建邊坡作為研究對象，對臨近高速公路匝道高邊坡段落范圍內(nèi)爆破施工過程進行三維動力數(shù)值模擬分析，確定了爆破荷載在不同位置對既有高邊坡的振動影響，制定了安全合理的爆破方案，并對同類工程具有指導(dǎo)意義。

2 爆破振動效應(yīng)判據(jù)標準

我國《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2014）[9]中，提出了永久性匝道高邊坡各頻率范圍內(nèi)的安全允許爆破振速如表1所示。根據(jù)依托工程情況，采用淺孔爆破施工方案，因此取振動速度的控制值為10cm/s。

3 爆破振動影響數(shù)值模擬分析

3.1 工程概況

福建省漳州市某公路工程新建邊坡工程與既有高速公路匝道邊坡相鄰，其交叉位置相互關(guān)系具體如圖1所示。

表1 爆破振動安全允許標準

新建公路邊坡最大邊坡高度為29.6m，共4階，爆破開挖區(qū)域基巖主要以中風化花崗巖和散體狀強風化花崗巖為主。既有匝道高邊坡的最大邊坡高度為35.1m，共4階，以散體狀強風化花崗巖～碎塊狀強風化花崗巖為主，采用M7.5漿砌片石拱型骨架防護，典型橫斷面如圖2所示。

由于依托工程新建邊坡與既有邊坡的空間位置關(guān)系復(fù)雜，且爆破振動荷載作用過程對邊坡動力響應(yīng)有較大影響，因此本文采用基于時程分析的三維動力有限元法進行數(shù)值模擬。

3.2 爆破計算模型及參數(shù)

基于MIDASGTS NX有限元分析軟件，建立三維有限元模型，并施加爆破時程荷載，分析既有匝道高邊坡的振速和應(yīng)力響應(yīng)。通過調(diào)整爆破位置，從而確定滿足安全爆破振動速度的爆破距離。

圖1 交叉位置相互關(guān)系

圖2 既有匝道高邊坡橫斷面圖

計算模型縱向長313m，橫向長598m，高度方向長60m，采用三維有限元模型，共劃分23468個單元，31810個節(jié)點，巖土采用十結(jié)點四面體高階實體單元模擬，如圖3～4所示。

圖3 邊坡開挖前計算模型

圖4 邊坡開挖后計算模型

3.2.1 本構(gòu)模型與邊界條件

巖土具有復(fù)雜的變形特征，且隨加載條件的變化而發(fā)生變化，本構(gòu)模型雖然有很多種，但實際上并不存在一種本構(gòu)模型能模擬實際土體的所有復(fù)雜變形特征。一個合理的本構(gòu)模型應(yīng)該滿足參數(shù)易確定性，理論上的嚴格性和計算機實現(xiàn)的可能性。本文研究的邊坡巖體主要由全風化花崗巖和散體狀強風化花崗巖組成，可視為各向同性體，計算時采用Mohr-Coulomb強度準則。

由于巖體的動彈性模量Ed都普遍大于靜彈性模量Eme，可利用巖體完整性系數(shù)Kv得到動彈性模量和靜彈性模量的換算關(guān)系。按地質(zhì)縱斷圖中的描述，取Kv為0.35～0.15，取j為0.2。因此，選定爆破動力分析計算參數(shù)如表2所示。

表2 爆破動力分析計算參數(shù)

對于動力分析，建立一般的邊界條件會由于波的反射作用而產(chǎn)生很大的誤差。計算時采用粘彈性邊界既可以約束動力問題中的零頻分量，能夠模擬人工邊界外半無限介質(zhì)的彈性恢復(fù)性能，具有良好的穩(wěn)定性和較高的精度。因此邊界條件中除地表為自由邊界外，其余邊界面均施加了法向曲面彈簧。

3.2.2 爆破等效荷載

淺孔爆破施工方案根據(jù)開挖深度分一個或兩個臺階進行爆破，邊坡采用光面爆破。本次計算擬定炮孔直徑45mm，深度H=4m，底板抵抗線Wp=1.45m，超鉆深度h=0.2m，孔距 a=2m，排距 b=2m；炸藥單耗 q=0.45kg/m3，炮孔方向：中間主炮孔取垂直孔，邊坡光面孔與邊坡坡率相同?？紤]到爆破振速跟炸藥量密切相關(guān)，為控制振速，單次爆破按縱向小臺階爆破，單次縱向爆破4m，共3個爆孔，單孔裝藥量5kg，共15kg。

爆破荷載采用美國National Highway Institute里提及的公式，每1kg炸藥的爆破壓力如下：

式中：Pdet為爆破壓力，ρ為炸藥比重 （取為1g/cm3），Ve為爆破速度（取為300000cm/s），PB為作用在孔壁面上最大爆破壓力，dc為火藥直徑，dh為孔眼直徑。

根據(jù)公式（2）求得每1kg炸藥的最大爆破壓力PB為20.9MPa。為控制振速，考慮施工時按縱向小臺階爆破，單次縱向爆破4m，共3個爆孔，單孔裝藥量5kg，共15kg。本次計算取單孔爆破壓力為104.5MPa，考慮三個孔同時起爆。

由于爆破壓力是隨時間變化的，計算中采用以下動壓力時程公式：

式中：B=16338，為荷載常量。

3.2.3 計算工況

為了分析在邊坡不同位置起爆對既有高邊坡的影響，本文設(shè)計了6種工況，各工況的起爆位置如圖5所示。表3列出各工況爆破點距新建邊坡與既有邊坡交點的距離。

圖5 爆破荷載施加位置

表3 爆破荷載施加位置

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.3.1 爆破振動速度結(jié)果

計算得到的工況1（爆破點距離既有匝道高邊坡最近）既有邊坡的最大爆破振動合速度為155.7cm/s，位于爆破點附近新建邊坡和既有匝道高邊坡的交點處，發(fā)生于0.043s時刻。

繪制出不同工況下既有匝道高邊坡最大振動速度隨距離變化曲線分別如圖6、表4所示。經(jīng)內(nèi)插可知起爆點距新建邊坡與既有邊坡交點23m以外時，既有邊坡的最大振動速度小于10cm/s，滿足《爆破安全規(guī)程》允許振動速度要求。

圖6 各工況既有匝道高邊坡最大振動速度變化曲線

表4 各工況既有匝道高邊坡最大振動速度統(tǒng)計表

3.3.2 應(yīng)力結(jié)果

圖7～8為計算工況1爆破后，既有匝道高邊坡表面監(jiān)測點的第一主應(yīng)力（最大拉應(yīng)力）和最大剪應(yīng)力結(jié)果。當爆破時刻為0.043s時，邊坡表面最大拉應(yīng)力達到最大值，為0.64MPa，最大剪應(yīng)力為 0.32MPa，已接近或超過M7.5砂漿的抗拉和抗剪強度0.54MPa，說明在工況1爆破作業(yè)下，存在漿砌片石開裂脫落、掉塊的危險。

圖7 既有匝道高邊坡第一主應(yīng)力橫斷面圖

圖8 既有匝道高邊坡最大剪應(yīng)力橫斷面圖

計算得到各爆破工況，既有匝道高邊坡的最大主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力結(jié)果。繪制出既有匝道高邊坡第一主應(yīng)力及最大剪應(yīng)力隨距離變化曲線分別如圖9、10所示。從圖中可以看出，最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力隨距離衰減較快，起爆點距既有匝道邊坡（樁號K0+880）18m以外時，既有匝道邊坡的漿砌片石砌體破壞風險較小。

4 結(jié)論

基于福建省漳州市某公路工程，建立了爆炸荷載作用下臨近匝道高邊坡的動力響應(yīng)模型，采取露天爆破開挖，分析不同的爆破位置下邊坡的速度場和應(yīng)力場的分布規(guī)律。得到如下結(jié)論：

圖9 既有匝道高邊坡第一主應(yīng)力隨距離變化曲

圖10 既有匝道高邊坡最大剪應(yīng)力隨距離變化曲線

（1）爆源附近區(qū)域最大振動速度衰減速率大于較遠區(qū)域，顯指數(shù)衰減規(guī)律。

（2）新建邊坡進行爆破施工對既有匝道高邊坡存在巖體開裂、漿砌片石脫落的風險。當起爆點距既有匝道邊坡（樁號K0+880）23m以外時，最大振動速度滿足要求，匝道邊坡的漿砌片石砌體破壞風險也較小。對于類似情況的近接工程，可參考本文的方案進行振動影響分析。

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