爆炸荷載下路塹巖質(zhì)邊坡振動(dòng)效應(yīng)研究*

宿利平,王 寧,杜連杰,高玉龍,張小軍,高文學(xué)

(1.北京市政路橋股份有限公司,北京 100045; 2.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部,北京 100124)

0 引言

目前,已有眾多學(xué)者從理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等多個(gè)角度研究邊坡巖體爆破及其振動(dòng)效應(yīng)。張小軍[1]從彈性波在介質(zhì)中傳播的角度,研究爆破振動(dòng)在臺(tái)階地形中的傳播規(guī)律,推導(dǎo)出適合預(yù)測(cè)臺(tái)階地形的爆破振動(dòng)公式;范道林等[2]根據(jù)葉巴灘水電站巖石高邊坡爆破振速預(yù)測(cè)公式分析了邊坡爆破振動(dòng)傳播規(guī)律,得出不同方向振動(dòng)衰減規(guī)律;張?jiān)迄i等[3]通過(guò)數(shù)值模擬探究振動(dòng)頻率對(duì)邊坡巖體質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度傳播規(guī)律的影響,得出質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度受地形高程和振動(dòng)頻率共同影響的結(jié)論;孫鵬昌等[4]基于赤灣山單薄山體雙面巖質(zhì)邊坡爆破振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),從幅值、持續(xù)時(shí)間及頻率方面分析了迎爆側(cè)坡面和背爆側(cè)坡面的振動(dòng)規(guī)律,并提出了相應(yīng)的安全控制措施;厲美杰等[5]結(jié)合露天礦山爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)爆心距和單響藥量進(jìn)行敏感性分析,得出爆心距對(duì)爆破振動(dòng)速度的敏感性較高,并結(jié)合實(shí)際情況提出相應(yīng)的施工方法;馬晨陽(yáng)[6]采用LS-DYNA有限元軟件分析不同爆心距、不同坡度、不同水深條件下岸庫(kù)邊坡的振動(dòng)響應(yīng),揭示水下鉆孔爆破邊坡變形演化機(jī)制;歐陽(yáng)建華等[7]通過(guò)對(duì)邊坡巖體爆破振動(dòng)跟蹤監(jiān)測(cè)分析,得出凸性邊坡巖體存在高程放大效應(yīng)。

本文以國(guó)道109新線高速公路路塹邊坡巖體爆破工程為背景,基于爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)并結(jié)合數(shù)值模擬,分析邊坡巖體關(guān)鍵部位爆破振動(dòng)特征。

1 路基石方爆破與振動(dòng)監(jiān)測(cè)

1.1 工程概況

國(guó)道109新線高速路基工程(K60+254—K78+400段)以石灰?guī)r、安山玢巖、斑巖為主,其抗壓強(qiáng)度介于30～60MPa,為中硬巖體。K71+200—K71+240段路塹巖體開(kāi)挖設(shè)計(jì)為三級(jí)邊坡,其中第一、二級(jí)邊坡已開(kāi)挖完成,第三級(jí)邊坡已開(kāi)挖4m,該臺(tái)階剩余部分(高6m)擬采用爆破開(kāi)挖,如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置(單位:m)

1.2 爆破參數(shù)設(shè)計(jì)及振動(dòng)監(jiān)測(cè)

爆破設(shè)計(jì)參數(shù):臺(tái)階高度H=6m,炮孔直徑φ=90mm,超深Δh=1m,炮孔深度h=7m,采用傾斜鉆孔;孔距a=3m,排距b=2.5m,抵抗線W=2.8m;選用乳化炸藥,炸藥單耗q=0.3kg/m3。采用逐孔起爆方式,孔間與排間延時(shí)分別為10,100ms。

測(cè)點(diǎn)位置布置如圖1所示。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析,如表1所示。其中,4號(hào)測(cè)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)峰值振速及頻譜特征如圖2所示。

表1 爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖2 4號(hào)測(cè)點(diǎn)振速及頻譜特征

1.3 爆破振動(dòng)規(guī)律分析

峰值振動(dòng)速度是描述爆破振動(dòng)強(qiáng)度的重要指標(biāo),由于考慮地形條件及其隨高程的變化,因此對(duì)于高差較大邊坡,本文采用下式[8]對(duì)邊坡質(zhì)點(diǎn)峰值振速衰減規(guī)律進(jìn)行擬合:

(1)

式中:k為與地質(zhì)條件相關(guān)的系數(shù);v為質(zhì)點(diǎn)峰值振速(cm/s);Q為最大單響藥量(kg);R為水平距離(m);H為垂直距離(m);α為地震波衰減系數(shù);β為高程影響系數(shù)。

基于式(1)擬合結(jié)果為:

其中,各方向擬合復(fù)相關(guān)系數(shù)R2分別為0.997,0.987,0.994,表明擬合結(jié)果有較高可靠度。

將表1中的各測(cè)點(diǎn)峰值振速數(shù)據(jù)整理得到測(cè)點(diǎn)峰值振速與水平距離、垂直距離關(guān)系,如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)峰值振速衰減曲線

由圖3可知,質(zhì)點(diǎn)峰值振速隨爆源距離增加而衰減,但各向分量的動(dòng)力響應(yīng)不同,垂直峰值振速大于水平徑向和切向。

除1號(hào)測(cè)點(diǎn)距爆源太近,質(zhì)點(diǎn)峰值振速較大外,其余測(cè)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)峰值振速均<8cm/s,各方向主振頻率在10～50Hz,其峰值振速滿足GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的8～12cm/s的振速安全閾值,因此可認(rèn)為邊坡巖體處于安全狀態(tài)。

2 邊坡爆破振動(dòng)數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

數(shù)值模型的巖體類型為中風(fēng)化正長(zhǎng)斑巖,坡面巖體為理想的彈塑性體。巖體物理力學(xué)參數(shù)為:彈性模量29.13GPa,重度26.2kN/m3,泊松比0.26,內(nèi)摩擦角55°。

現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)邊坡巖體為中風(fēng)化正長(zhǎng)斑巖,第三級(jí)臺(tái)階部分巖體已開(kāi)挖完成。炮孔及其周圍的巖體網(wǎng)格單元尺寸為0.05m,坡面網(wǎng)格單元大小為0.3m,在模型邊界處為1.5～3m,巖體內(nèi)部采用線性梯度的網(wǎng)格單元大小平滑過(guò)渡,數(shù)值計(jì)算模型尺寸如圖4所示。

圖4 邊坡數(shù)值計(jì)算模型(單位:m)

2.2 等效爆破荷載

根據(jù)圣維南荷載等效原理[9],將炮孔壁的峰值壓力等效為在同一排炮孔中心線上均勻分布。等效爆破荷載的峰值壓力pm計(jì)算公式為:

(2)

(3)

式中:ρ0為裝藥密度;D為炸藥爆轟速度;φ為藥包直徑;a為炮孔間距;d為炮孔直徑;γ為等熵指數(shù);p0為爆轟波產(chǎn)生的平均初始?jí)毫Α?/p>

等效爆破荷載簡(jiǎn)化為三角形荷載曲線[10]。計(jì)算爆破荷載壓力的升壓時(shí)間為:

(4)

計(jì)算爆破荷載壓力的正壓時(shí)間為:

(5)

由式(5)得到峰值壓力大小為pm=7MPa,爆破荷載升壓時(shí)間為2ms,正壓作用時(shí)間為7ms。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1數(shù)值模擬可靠性分析

在數(shù)值模型中提取與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的質(zhì)點(diǎn)峰值振速模擬值,并計(jì)算與實(shí)測(cè)值間的相對(duì)誤差,相對(duì)誤差結(jié)果如表2所示。由表2可看出,相對(duì)誤差大部分在10%以內(nèi),表明模擬結(jié)果具有一定的可靠性。因此,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件有限的情況下,利用數(shù)值模擬可對(duì)工程中的許多問(wèn)題進(jìn)行分析,優(yōu)化爆破設(shè)計(jì),指導(dǎo)工程施工。

表2 PPV模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

2.3.2質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度分析

爆炸荷載作用下不同時(shí)刻邊坡水平徑向振動(dòng)速度云圖如圖5所示。

圖5 爆破振速云圖

提取坡面各質(zhì)點(diǎn)3個(gè)方向的峰值振速,坡面峰值振速變化曲線如圖6所示。由圖6可看出邊坡坡面各質(zhì)點(diǎn)在爆破荷載作用下,質(zhì)點(diǎn)峰值振速隨水平距離的增加總體呈衰減趨勢(shì)。在同一級(jí)邊坡臺(tái)階平面處,受“鞭梢效應(yīng)”[11]影響,臺(tái)階外緣質(zhì)點(diǎn)峰值振速明顯大于臺(tái)階內(nèi)側(cè)2m范圍內(nèi)質(zhì)點(diǎn)峰值振速,將峰值振速放大倍數(shù)定義為臺(tái)階外緣與坡腳處峰值振速之比,峰值振速放大倍數(shù)如圖7所示。

圖6 峰值振速沿坡面變化曲線

圖7 峰值振速放大倍數(shù)

由圖7可得到在高程為776.000m臺(tái)階平臺(tái)處,即第二級(jí)臺(tái)階的徑向、切向、垂向峰值振速放大倍數(shù)分別為1.951,1.595,1.862,在高程為786.000m臺(tái)階平臺(tái)處,即第一級(jí)臺(tái)階的徑向、切向、垂向峰值振速放大倍數(shù)分別為1.297,1.134,1.223,徑向和垂向質(zhì)點(diǎn)峰值振速放大倍數(shù)大于切向的峰值振速放大倍數(shù)。第二級(jí)臺(tái)階靠近爆源,峰值振速放大倍數(shù)更大。因此,可認(rèn)為邊坡臺(tái)階距離爆源越近,峰值振速放大倍數(shù)越大。

3 不同坡度爆破振動(dòng)效應(yīng)分析

為進(jìn)一步研究路塹邊坡爆破振動(dòng)效應(yīng),分別建立邊坡臺(tái)階高度均為10m,邊坡坡度為1∶0.3,1∶0.5,1∶0.75及1∶1的邊坡巖體爆破數(shù)值模型,并由三級(jí)邊坡推廣至五級(jí)邊坡,邊坡巖體力學(xué)參數(shù)與爆破荷載施加方法同2.1節(jié)和2.2節(jié)。其中,邊坡各模擬測(cè)點(diǎn)均設(shè)置于臺(tái)階外緣,邊坡坡度為1∶0.5的數(shù)值模型和各模擬測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 坡度1∶0.5模型

提取不同邊坡坡度條件下各模擬測(cè)點(diǎn)峰值振速,結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同坡度下各測(cè)點(diǎn)峰值振速模擬值

根據(jù)圖9可知,在邊坡坡度為1∶0.3,1∶0.5,1∶0.75,1∶1時(shí),坡面頂端4號(hào)測(cè)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)峰值振速相較于第一級(jí)臺(tái)階平面外緣3號(hào)測(cè)點(diǎn)有明顯的高程放大效應(yīng),放大倍數(shù)分別為1.05,1.13,1.12,1.06。各模擬測(cè)點(diǎn)峰值振速隨邊坡坡度的增大而增大,在坡度為1∶0.3時(shí)峰值振速達(dá)到最大,坡面頂端4號(hào)模擬測(cè)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)峰值振速達(dá)到5.55cm/s,是邊坡坡度為1∶0.5時(shí)質(zhì)點(diǎn)峰值振速的1.61倍,邊坡坡度為1∶0.75時(shí)質(zhì)點(diǎn)峰值振速的2.44倍,邊坡坡度為1∶1時(shí)質(zhì)點(diǎn)峰值振速的3.43倍。結(jié)合邊坡爆破施工,邊坡表層巖體風(fēng)化程度較嚴(yán)重,巖體類型多為強(qiáng)風(fēng)化巖石,巖層穩(wěn)定性較差,若上級(jí)邊坡坡度設(shè)計(jì)較大,下級(jí)邊坡巖體爆破施工產(chǎn)生的爆破振動(dòng)會(huì)對(duì)路塹邊坡的穩(wěn)定性造成一定程度的破壞。因此,在邊坡坡度設(shè)計(jì)時(shí),上級(jí)邊坡坡度可設(shè)計(jì)較緩,以減小爆破振動(dòng)對(duì)上級(jí)邊坡產(chǎn)生的不利影響。

4 結(jié)語(yǔ)

1)邊坡質(zhì)點(diǎn)峰值振速隨爆源距離的增加而衰減,但各向分量的動(dòng)力響應(yīng)不同,垂向峰值振速大于水平徑向和水平切向。

2)同一級(jí)臺(tái)階平臺(tái)處,受“鞭梢效應(yīng)”影響,臺(tái)階外緣質(zhì)點(diǎn)峰值振速大于臺(tái)階內(nèi)側(cè)2m范圍內(nèi)質(zhì)點(diǎn)峰值振速;臺(tái)階外緣質(zhì)點(diǎn)峰值振速相較于坡腳處峰值振速放大倍數(shù),隨臺(tái)階與爆心距離增加而減小。

3)隨著邊坡坡度增大,各級(jí)邊坡臺(tái)階外緣質(zhì)點(diǎn)峰值振速呈增大趨勢(shì),坡面頂端質(zhì)點(diǎn)峰值振速在坡度為1∶0.3時(shí)達(dá)5.55cm/s,為邊坡坡度1∶1時(shí)的3.43倍,結(jié)合邊坡表層巖體風(fēng)化程度較嚴(yán)重,故路塹邊坡設(shè)計(jì)(特別是上級(jí)邊坡)應(yīng)綜合考慮巖體地質(zhì)條件的變化及爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。