傍山公路花崗巖微波弱化強度及可爆性研究

楊遂中

摘 要：為控制傍山公路巖石體邊坡開挖后山體路基的變形，減小傳統(tǒng)巖石體爆破開挖后對山體路基的影響，提高山體路基的強度和穩(wěn)定性，通過采集施工現(xiàn)場花崗巖試樣，分析花崗巖內(nèi)部物質(zhì)的介電常數(shù)，通過微波照射試驗對比試驗前后花崗巖破壞形態(tài)和強度弱化規(guī)律，然后運用數(shù)值模擬方法分析弱化后花崗巖的可爆性參數(shù)設(shè)計。結(jié)果表明：花崗巖內(nèi)部物質(zhì)的介電常數(shù)不同對微波的敏感程度不同，微波照射弱化巖石強度具有很好的控制性;微波照射后花崗巖剪切破壞強度降低，不同剪切角度破壞時的正應(yīng)力和剪應(yīng)力呈線性關(guān)系;微波照射后花崗巖拉伸強度降低，為達(dá)到巖石破碎并拋擲的目的，經(jīng)微波照射后花崗巖在爆破參數(shù)設(shè)計時可適當(dāng)減小炮孔裝藥量、增加炮孔間距、增大炮孔深度、采用不耦合間斷裝藥結(jié)構(gòu)等。

關(guān)鍵詞：傍山公路;微波照射;花崗巖;爆破參數(shù)

中圖分類號：TU45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）08-0183-04

Study on Microwave Weakening Strength and Blastability of Granite along Mountainside Highway

Yang Suizhong

（ZhengZhou Road & Bridge Construction Investment Group Co.， Ltd.， ZhengZhou 450000， China）

Abstract：In order to control the deformation of the mountain roadbed after the excavation of the rock slope of the mountain road， reduce the impact of the traditional rock mass blasting and excavation on the mountain roadbed， and improve the strength and stability of the mountain roadbed， through the collection construction site granite sample， analyzing the dielectric constant of the granite material， comparing the failure form and strength weakening law of the granite before and after the test by microwave irradiation test， then use numerical simulation methods to analyze weakening of granite after blasting parameters design. The results show that different dielectric constants of granite internal material have different sensitivity to microwave， and microwave irradiation has a good control to weaken the strength of rock. The shear strength of granite decreases after microwave irradiation， and the relationship between normal stress and shear stress at different shear angles is linear. The tensile strength of granite decreases after microwave irradiation. In order to achieve the purpose of rock breaking and throwing， the blasting parameters of granite after microwave irradiation can be designed by appropriately reducing the charging amount of the hole， increasing the spacing of the hole， increasing the depth of the hole， and adopting the decoupling discontinuous charging structure.

Key words：mountain road; microwave irradiation; granite; blasting parameters

0 引言

在高速公路規(guī)劃和建設(shè)過程中，山嶺地區(qū)經(jīng)常遇到公路傍山而行，這就需要開挖山體邊坡，針對山體邊坡的開挖方法有多種多樣，在面對堅硬巖石體時經(jīng)常采用爆破法，有些還結(jié)合爆破配合機械的開挖方法[1-3]。但是，在堅硬巖石體邊坡采用爆破法開挖時容易造成一定的弊端，如巖體崩塌、欠挖后二次爆破費時費力、超挖引起的圍巖體松動、爆破引起的石屑傷人傷物事故等[4-5]。為了尋求一種更好的堅硬巖石體邊坡開挖方法，本文采用微波照射弱化巖石強度再爆破的施工方法[6-7]。微波照射弱化巖石強度是目前比較流行的巖石破碎輔助技術(shù)，其優(yōu)點主要有：環(huán)保無污染、高效快速、適用范圍廣、控制性好等，在巖石體邊坡開挖中能夠充分發(fā)揮微波輔助技術(shù)的特點，達(dá)到邊坡開挖后巖石體完整、穩(wěn)定及保留自身原有強度的目的[8-9]。

本文通過采集湖北省某傍山高速公路花崗巖樣品，經(jīng)巖石成分分析計算花崗巖組成物質(zhì)對微波的敏感程度，通過微波照射試驗前后力學(xué)試驗對比，得出花崗巖微波照射后力學(xué)試驗弱化破壞規(guī)律，為后續(xù)花崗巖可爆性分析奠定基礎(chǔ)，并通過ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬分析弱化后花崗巖的可爆性參數(shù)設(shè)計，可為相關(guān)工程提供一定的研究價值和參考意義。

1 工程概況及基本理論

根據(jù)我國高速公路交通發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，我國高速公路交通網(wǎng)不斷完善，其中湖北省某高速公路是我國東西橫向大通道，該高速公路某段依靠金峰山嶺，為公路傍山設(shè)計需要對山體一部分邊坡進(jìn)行開挖施工，其公路斷面設(shè)計如圖1所示。該地段巖體較為完整，圍巖穩(wěn)定性好，主要為花崗巖層。

目前，關(guān)于微波照射巖石強度弱化試驗方面的研究很多，巖石在微波照射后強度降低的主要原因是巖石內(nèi)部吸波物質(zhì)的吸波作用，在吸波物質(zhì)吸收微波后溫度升高，形成局部流變區(qū)，不吸波物質(zhì)經(jīng)微波照射后變化不大，從而在吸波物質(zhì)和不吸波物質(zhì)之間形成溫度應(yīng)力梯度[10]。另一方面由于微波照射巖石溫度升高，巖石內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生變化，體積膨脹，并伴有大量的蒸汽壓力，促使巖石裂紋的擴(kuò)展形成裂縫[11]。而物質(zhì)的吸波特性主要由物質(zhì)的介電常數(shù)決定，影響巖石介電特性的主要因素有巖石中水分和礦物成分，對該地區(qū)不考慮水對微波照射的影響。經(jīng)檢測分析該地區(qū)花崗巖主要由石英和兩種長石組成的變晶結(jié)構(gòu)，粒徑0.5～4mm，斜長石30%～ 40%，微斜長石20%～ 30%，石英30%～ 40%，并包含5%的黑云母暗色礦物。

在微波場中物質(zhì)極性電介質(zhì)介電常數(shù)與頻率有關(guān)，關(guān)系式為：

式中，為復(fù)介電常數(shù)實部;為復(fù)介電常數(shù)虛部;為無限大頻率的介電常數(shù);為靜態(tài)介電常數(shù);t為介質(zhì)的弛豫時間。

物質(zhì)的介電常數(shù)中實部和虛部變化與物質(zhì)內(nèi)部陰陽離子類型有關(guān)，其中常見物質(zhì)的介電常數(shù)見下表1所示。另外，物質(zhì)的原子排列、原子配位數(shù)、化學(xué)鍵差異和物質(zhì)變質(zhì)及地質(zhì)產(chǎn)狀都對介電常數(shù)有一定的影響。

2 花崗巖微波弱化強度分析

2.1 試驗準(zhǔn)備

通過對現(xiàn)場花崗巖巖體進(jìn)行采集、加工成Ф50mm?50mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，放置在干燥的室內(nèi)48h，使試樣內(nèi)水分充分蒸發(fā)，對干燥后的試樣進(jìn)行微波照射試驗，微波照射功率選定為10kW，照射時間為6min，微波照射前后花崗巖如圖2所示。

對照射后的花崗巖浸水冷卻，然后進(jìn)行剪切力學(xué)試驗，剪切角度設(shè)計為55°、65°和75°。根據(jù)剪切面正應(yīng)力和剪應(yīng)力關(guān)系，可知正應(yīng)力和剪應(yīng)力計算公式為：

式中，σ剪切面上的作用正應(yīng)力;τ為剪切面上的作用剪應(yīng)力;θ為剪切角度;F為試件破壞荷載;A為剪切面面積。

2.2 試驗結(jié)果和分析

根據(jù)剪切試驗結(jié)果整理典型的花崗巖剪切破壞形態(tài)，如圖3所示?；◢弾r經(jīng)微波照射后剪切試驗剪切面具有一定規(guī)律性，從圖3中可以看出，微波照射后剪切試驗剪切角度為55°時剪切面呈毛槎狀，剪切試驗后試件破壞嚴(yán)重，局部發(fā)生了剝落。微波照射后剪切試驗剪切角度為65°時剪切面相對整齊，有粒狀顆粒。微波照射后剪切試驗剪切角度為75°時剪切面整齊，附近有粒狀顆粒。微波照射后引起花崗巖內(nèi)部不同程度的損傷，形成不同數(shù)量的微裂紋，在剪切試驗過程中這些裂紋發(fā)生貫通、交叉等，最終導(dǎo)致巖石剪切破壞后不同程度的破碎。

通過剪切試驗對試樣進(jìn)行剪切強度分析，每種剪切角度設(shè)計2個測試試塊，對試塊尺寸進(jìn)行測量并計算正應(yīng)力和剪應(yīng)力，其統(tǒng)計結(jié)果如表2所示，從而可以計算花崗巖內(nèi)摩擦系數(shù)為1.22，內(nèi)聚力為8.79。微波照射后花崗巖拉伸強度得到弱化約為5MPa。

根據(jù)試驗結(jié)果分析剪應(yīng)力和正應(yīng)力之間的關(guān)系，繪制關(guān)系曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著剪切角度的增加破壞荷載逐漸減小，正應(yīng)力和剪應(yīng)力也逐漸減小，剪切角度為65°和75°時的切應(yīng)力數(shù)值基數(shù)較小，與前后對比其降低幅值較大，剪切面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力隨著剪切角度的增大大致呈線性比例關(guān)系。巖石中水分對巖石內(nèi)部物質(zhì)的介電常數(shù)影響較大，在20℃、λ=3.23cm時，ε'=61.5、ε''=0.1。當(dāng)?shù)V物質(zhì)表面的自由水吸附力達(dá)到15bar時，能較大影響巖石礦物的節(jié)點性質(zhì)。

通過微波照射后分析花崗巖的強度弱化規(guī)律，可為傍山公路山體開挖提供一定的參考依據(jù)，為后續(xù)小節(jié)花崗巖可爆性研究奠定基礎(chǔ)。

3 巖體可爆性數(shù)值模擬

為了研究花崗巖經(jīng)微波照射后的爆破開挖參數(shù)，分析不同炮孔間距對兩相鄰炮孔間裂紋擴(kuò)展的影響，運用ANSYS/LS-DYNA建立數(shù)值計算平面模型如圖5所示。模型尺寸為400cm?300cm，炮孔直徑為5cm，不耦合系數(shù)為1.8，采用非反射邊界，兩炮孔同時瞬時起爆。根據(jù)不耦合裝藥經(jīng)驗公式算得炮孔間距為0.58m，參照該計算結(jié)果建立4個模型，炮孔間距分別為0.4m、0.5m、0.6m、0.7m。

在起爆后為觀察炮孔間的巖石應(yīng)力狀態(tài)，在炮孔間布置4個觀測點A、B、C、D，且A點距左側(cè)炮孔壁的距離為5cm，D點位于兩相鄰炮孔中間位置，B和C點處于A和D點連線等分位置。根據(jù)上一節(jié)試驗結(jié)果可計算微波照射后花崗巖拉伸強度約為5MPa，在進(jìn)行數(shù)值計算時當(dāng)垂直于炮孔連線方向應(yīng)力大于巖石最大拉伸強度，即認(rèn)為巖石發(fā)生了拉裂破壞，如果相鄰炮孔之間垂直于炮孔連線方向應(yīng)力都大于巖石最大拉伸強度，則認(rèn)為炮孔間裂縫貫通。根據(jù)設(shè)計模型4個觀測點的應(yīng)力時程曲線如圖6所示。

通過圖6應(yīng)力時程曲線可知裂縫產(chǎn)生于孔壁，并隨著爆生氣體的推動兩炮孔連線方向裂縫不斷擴(kuò)展直至貫通，觀測點應(yīng)力由炮孔壁向炮孔連線中點逐漸遞減。在炮孔連線中點位置應(yīng)力有顯著提高主要是由于兩炮孔爆炸應(yīng)力波在中點處相互疊加。炮孔間距為60cm時兩炮孔藥包起爆后應(yīng)力波向外擴(kuò)散，到達(dá)A、B、C、D觀測點時分別為13.3?s、24.5?s、50.2?s、71.5?s，并在34.5?s、71.1?s、89.2?s、123.7?s達(dá)到了垂直方向上的應(yīng)力峰值。兩炮孔應(yīng)力波傳播在71.5?s時于D點相遇，隨后分別向兩邊傳播，從而使觀測點C、B、A產(chǎn)生了第二次應(yīng)力峰值，應(yīng)力波繼續(xù)傳播達(dá)到穩(wěn)定值為-2～2MPa。

通過以上結(jié)果分析可以知道，微波照射后花崗巖強度得到一定弱化，花崗巖拉伸強度比微波照射前低，在爆破開挖設(shè)計參數(shù)時可減小炮孔裝藥量、適當(dāng)增加炮孔間距、增大炮孔深度、采用不耦合間斷裝藥結(jié)構(gòu)等，即可達(dá)到爆破破碎并拋擲巖石的目的。

4 結(jié)論

通過采集花崗巖試樣經(jīng)物質(zhì)成分分析、微波照射后剪切試驗及可爆性數(shù)值模擬分析，得到的主要結(jié)論有：

（1）花崗巖內(nèi)部不同物質(zhì)的介電常數(shù)不同，體現(xiàn)在微波照射時物質(zhì)對微波的敏感程度上的差異，從而引起花崗巖內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。經(jīng)微波照射后花崗巖剪切強度降低，不同剪切角度呈現(xiàn)出不同的破壞形式，不同剪切角度破壞時的正應(yīng)力和剪應(yīng)力呈線性關(guān)系。

（2）微波照射后花崗巖強度得到弱化，其弱化過程和范圍便于控制，根據(jù)微波照射后花崗巖拉伸強度弱化情況，在爆破參數(shù)設(shè)計時可適當(dāng)減小炮孔裝藥量、增加炮孔間距、增大炮孔深度、采用不耦合間斷裝藥結(jié)構(gòu)等來達(dá)到巖石破碎并拋擲的目的。

（3）通過對花崗巖微波照射后強度的弱化分析及爆破參數(shù)設(shè)計，能夠為巖石體邊坡開挖提供一定指導(dǎo)意義，并可為相關(guān)工程提供一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1]支彥鋒，斯紀(jì)平，王玉富，等.靜態(tài)爆破在高速公路邊坡開挖中的應(yīng)用研究[J].工程技術(shù)研究，2020，5（15）：60-61.

[2]柳雁玲，佴磊，劉永平.和龍沿江公路傍山隧道偏壓特征分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版），2006（02）：240-244.

[3]謝達(dá)文.懸臂式掘進(jìn)機與控制爆破組合式隧道開挖技術(shù)試驗研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52（03）：216-220.

[4]戚樂方.公路巖質(zhì)高陡邊坡爆破開挖穩(wěn)定性研究[J].路基工程，2020（06）：178-182.

[5]鄒玉君，嚴(yán)鵬，劉琳，等.白鶴灘水電站壩肩邊坡爆破振動對周邊民房影響評價及控制[J].振動與沖擊，2018，37（01）：248-258.

[6]魏東旭，朱琦，李廣景，等.宜畢高速公路K3段震后邊坡滑坡應(yīng)急處置研究[J].河北工業(yè)科技，2020，37（06）：428-434.

[7]李婷婷，費愛萍，牛雪峰，等.不同炸藥對花崗巖不同位置爆破的數(shù)值模擬[J].工程爆破，2019，25（04）：8-15.

[8]鐘靖濤，王志亮，田諾成.花崗巖循環(huán)爆破振動衰減規(guī)律與損傷演化機理試驗[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2019，46（03）：101-107.

[9]戴俊，王羽亮，李濤.微波照射后花崗巖裂紋擴(kuò)展規(guī)律試驗研究[J].煤炭工程，2020，52（06）：130-133.

[10]曾俊森.微波高溫輻照下花崗巖結(jié)構(gòu)損傷演化試驗研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2019.

[11]戴俊，贠菲菲，王苑樸，等.微波照射后花崗巖損傷機理試驗[J].河南科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2021，42（03）：64-71+6.