爆破震動作用下土質邊坡穩定性分析

申連平 張振 王龍

摘要：根據工程實踐，土質邊坡在失穩破壞時往往頂端有垂直裂隙，中間為直線，底部為圓弧。文章采用爆破震動作用下土質邊坡的這種典型的破壞模式，考慮了爆破震動時水平荷載和垂直荷載的共同作用，將爆破震動荷載由一個瞬時的慣性力來代替，在確定慣性力的大小時用等效加速度的方法。

關鍵詞：爆破震動 土質邊坡 等效加速度 安全系數

邊坡作為一種特殊的人類工程活動的產物，其穩定性研究一直是巖土工程研究領域的重要組成部分，國內外學者圍繞邊坡穩定性問題進行了大量的研究，取得了豐富的研究成果。邊坡穩定性分析方法按荷載性質可劃分為靜力分析方法和動力分析方法兩種。目前，關于靜力作用下的邊坡穩定性研究較多，已趨于成熟，國內外均已制定了相應的技術規范，為工程應用提供了技術指導[1]。由于動力作用下（如爆破荷載、地震荷載、風荷載等）邊坡的穩定性研究比較復雜，現階段的研究還不成熟，爆破震動作用下土質邊坡的穩定性研究進展緩慢。

爆破震動作用下邊坡穩定性分析及評價具有十分重要的現實意義。在水利、采礦、公路、鐵路等工程中因爆破震動而導致的邊坡失穩現象時有發生，往往會造成重大的經濟損失，并嚴重威脅設備及施工人員的安全[2-3]。爆破震動作用下土質邊坡動力穩定性及評價的問題一直備受國內外學者的關注，目前對這方面的研究雖然取得了一些成就，但很不完善。由于爆破震動的大小、震動偏角、頻率、振幅以及持時等對邊坡穩定性的影響非常復雜，本文對爆破震動荷載做了適當的簡化，以極限平衡理論理論為基礎，用積分法對土質邊坡進行穩定性分析。

1.爆破震動慣性力的計算

本文中爆破震動慣性力采用等效加速度的方法來確定。用擬靜力法分析邊坡爆破動力穩定性時，通常用折減系數法來確定爆破震動荷載，即將爆破震動慣性力等效為一個靜力荷載，轉化公式如下所示。

在計算t時刻爆心距為L的爆破震動慣性力時取等效加速度αeq（L，t），計算公式如下：

（1）

式中：αeq（L，t）為等效加速度；ω為爆破振動波主頻；α（L，t）為爆破震動加速度；θ為等效加速度的頻率影響系數，一般取1.05。于是，可以得到時刻滑動坡體在某一方向上的慣性力為

（2）

式中：Q（L，t）為t時刻爆心距為L的滑動坡體的慣性力；β0為爆破動力折減系數；αeq（L，t）為滑動土體的等效加速度。

2.土質在爆破震動作用下安全系數的計算公式

力學分析模型如圖1所示，給出了相應的計算公式，并編制了相應的計算軟件。根據工程的實際需求，通過適當的簡化，可以將本文的思路推廣到一、二階平臺型的土質高邊坡計。

圖 1 邊坡受力示意圖

如圖1所示，由一組待定參數u、v及α可確定圓弧滑動面的圓心坐標（ζ，η）及半徑R。設線性邊坡為均勻土質，力學參數及幾何參數如圖1所示。

設邊坡失穩時對圓心O的滑動力矩為Ms，抗滑力矩為Mr。其中，Ms及Mr分別為待定參數u、v 、α及β的函數。于是，邊坡穩定性的安全系數可定義為：

（3）

對式（5），只要推導出滑動力矩Ms（u、v、v、β）及抗滑力矩Mr（u、v、α、β）的計算公式，則可通過在計算機上迭代試算求出最小的安全系數Kmin。

3.結語

本文在確定震動慣性力時采用等效加速度法。因此，可以有效避免常規折減系數對邊坡穩定性評價的放大作用。通過對土質邊坡在爆破震動作用下破壞的調查研究分析，其典型的破壞模式為坡頂有裂隙，中間呈直線段，下部為圓弧型，慣性力采用最不利入射角度下的最大合力，利用積分法導出土質邊坡在爆破震動作用下安全系數的理論計算公式。這種方法可以推廣到滑動面已經確定的巖質邊坡的穩定性分析中，具有普遍實用性。

參考文獻：

[1]劉紅帥，薄景山，劉德東.巖土邊坡地震穩定性分析研究評述[J].地震工程與工程振動，2005，25（1）：164-171.

[2]張林，林從謀.爆破震動對土質邊坡動力穩定性影響研究[J].巖土力學，2005，26（9）：1499-1501.

[3]李祥龍，廟延鋼，等.王國華爆破震動對邊坡穩定性影響分析[J].爆破，2006，23（4）：15-19.