爆炸荷載下路塹巖質邊坡振動效應研究*

宿利平,王 寧,杜連杰,高玉龍,張小軍,高文學

(1.北京市政路橋股份有限公司,北京 100045; 2.北京工業大學城市建設學部,北京 100124)

0 引言

目前,已有眾多學者從理論分析、數值模擬和現場試驗等多個角度研究邊坡巖體爆破及其振動效應。張小軍[1]從彈性波在介質中傳播的角度,研究爆破振動在臺階地形中的傳播規律,推導出適合預測臺階地形的爆破振動公式;范道林等[2]根據葉巴灘水電站巖石高邊坡爆破振速預測公式分析了邊坡爆破振動傳播規律,得出不同方向振動衰減規律;張云鵬等[3]通過數值模擬探究振動頻率對邊坡巖體質點振動速度傳播規律的影響,得出質點峰值振動速度受地形高程和振動頻率共同影響的結論;孫鵬昌等[4]基于赤灣山單薄山體雙面巖質邊坡爆破振動實測數據,從幅值、持續時間及頻率方面分析了迎爆側坡面和背爆側坡面的振動規律,并提出了相應的安全控制措施;厲美杰等[5]結合露天礦山爆破振動監測數據,對爆心距和單響藥量進行敏感性分析,得出爆心距對爆破振動速度的敏感性較高,并結合實際情況提出相應的施工方法;馬晨陽[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邊坡的振動響應,揭示水下鉆孔爆破邊坡變形演化機制;歐陽建華等[7]通過對邊坡巖體爆破振動跟蹤監測分析,得出凸性邊坡巖體存在高程放大效應。

本文以國道109新線高速公路路塹邊坡巖體爆破工程為背景,基于爆破振動監測并結合數值模擬,分析邊坡巖體關鍵部位爆破振動特征。

1 路基石方爆破與振動監測

1.1 工程概況

國道109新線高速路基工程(K60+254—K78+400段)以石灰巖、安山玢巖、斑巖為主,其抗壓強度介于30～60MPa,為中硬巖體。K71+200—K71+240段路塹巖體開挖設計為三級邊坡,其中第一、二級邊坡已開挖完成,第三級邊坡已開挖4m,該臺階剩余部分(高6m)擬采用爆破開挖,如圖1所示。

圖1 測點布置(單位:m)

1.2 爆破參數設計及振動監測

爆破設計參數:臺階高度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,孔間與排間延時分別為10,100ms。

測點位置布置如圖1所示。對現場爆破振動監測數據進行整理分析,如表1所示。其中,4號測點質點峰值振速及頻譜特征如圖2所示。

表1 爆破振動監測結果

圖2 4號測點振速及頻譜特征

1.3 爆破振動規律分析

峰值振動速度是描述爆破振動強度的重要指標,由于考慮地形條件及其隨高程的變化,因此對于高差較大邊坡,本文采用下式[8]對邊坡質點峰值振速衰減規律進行擬合:

(1)

式中:k為與地質條件相關的系數;v為質點峰值振速(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;β為高程影響系數。

基于式(1)擬合結果為:

其中,各方向擬合復相關系數R2分別為0.997,0.987,0.994,表明擬合結果有較高可靠度。

將表1中的各測點峰值振速數據整理得到測點峰值振速與水平距離、垂直距離關系,如圖3所示。

圖3 測點峰值振速衰減曲線

由圖3可知,質點峰值振速隨爆源距離增加而衰減,但各向分量的動力響應不同,垂直峰值振速大于水平徑向和切向。

除1號測點距爆源太近,質點峰值振速較大外,其余測點質點峰值振速均<8cm/s,各方向主振頻率在10～50Hz,其峰值振速滿足GB 6722—2014《爆破安全規程》規定的8～12cm/s的振速安全閾值,因此可認為邊坡巖體處于安全狀態。

2 邊坡爆破振動數值模擬

2.1 數值模型

數值模型的巖體類型為中風化正長斑巖,坡面巖體為理想的彈塑性體。巖體物理力學參數為:彈性模量29.13GPa,重度26.2kN/m3,泊松比0.26,內摩擦角55°。

現場爆破試驗邊坡巖體為中風化正長斑巖,第三級臺階部分巖體已開挖完成。炮孔及其周圍的巖體網格單元尺寸為0.05m,坡面網格單元大小為0.3m,在模型邊界處為1.5～3m,巖體內部采用線性梯度的網格單元大小平滑過渡,數值計算模型尺寸如圖4所示。

圖4 邊坡數值計算模型(單位:m)

2.2 等效爆破荷載

根據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;p0為爆轟波產生的平均初始壓力。

等效爆破荷載簡化為三角形荷載曲線[10]。計算爆破荷載壓力的升壓時間為:

(4)

計算爆破荷載壓力的正壓時間為:

(5)

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

2.3 數值模擬結果分析

2.3.1數值模擬可靠性分析

在數值模型中提取與現場監測測點對應位置的質點峰值振速模擬值,并計算與實測值間的相對誤差,相對誤差結果如表2所示。由表2可看出,相對誤差大部分在10%以內,表明模擬結果具有一定的可靠性。因此,現場試驗條件有限的情況下,利用數值模擬可對工程中的許多問題進行分析,優化爆破設計,指導工程施工。

表2 PPV模擬結果與實測結果對比

2.3.2質點振動速度分析

爆炸荷載作用下不同時刻邊坡水平徑向振動速度云圖如圖5所示。

圖5 爆破振速云圖

提取坡面各質點3個方向的峰值振速,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點在爆破荷載作用下,質點峰值振速隨水平距離的增加總體呈衰減趨勢。在同一級邊坡臺階平面處,受“鞭梢效應”[11]影響,臺階外緣質點峰值振速明顯大于臺階內側2m范圍內質點峰值振速,將峰值振速放大倍數定義為臺階外緣與坡腳處峰值振速之比,峰值振速放大倍數如圖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

由圖7可得到在高程為776.000m臺階平臺處,即第二級臺階的徑向、切向、垂向峰值振速放大倍數分別為1.951,1.595,1.862,在高程為786.000m臺階平臺處,即第一級臺階的徑向、切向、垂向峰值振速放大倍數分別為1.297,1.134,1.223,徑向和垂向質點峰值振速放大倍數大于切向的峰值振速放大倍數。第二級臺階靠近爆源,峰值振速放大倍數更大。因此,可認為邊坡臺階距離爆源越近,峰值振速放大倍數越大。

3 不同坡度爆破振動效應分析

為進一步研究路塹邊坡爆破振動效應,分別建立邊坡臺階高度均為10m,邊坡坡度為1∶0.3,1∶0.5,1∶0.75及1∶1的邊坡巖體爆破數值模型,并由三級邊坡推廣至五級邊坡,邊坡巖體力學參數與爆破荷載施加方法同2.1節和2.2節。其中,邊坡各模擬測點均設置于臺階外緣,邊坡坡度為1∶0.5的數值模型和各模擬測點布置如圖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點峰值振速,結果如圖9所示。

圖9 不同坡度下各測點峰值振速模擬值

根據圖9可知,在邊坡坡度為1∶0.3,1∶0.5,1∶0.75,1∶1時,坡面頂端4號測點質點峰值振速相較于第一級臺階平面外緣3號測點有明顯的高程放大效應,放大倍數分別為1.05,1.13,1.12,1.06。各模擬測點峰值振速隨邊坡坡度的增大而增大,在坡度為1∶0.3時峰值振速達到最大,坡面頂端4號模擬測點的質點峰值振速達到5.55cm/s,是邊坡坡度為1∶0.5時質點峰值振速的1.61倍,邊坡坡度為1∶0.75時質點峰值振速的2.44倍,邊坡坡度為1∶1時質點峰值振速的3.43倍。結合邊坡爆破施工,邊坡表層巖體風化程度較嚴重,巖體類型多為強風化巖石,巖層穩定性較差,若上級邊坡坡度設計較大,下級邊坡巖體爆破施工產生的爆破振動會對路塹邊坡的穩定性造成一定程度的破壞。因此,在邊坡坡度設計時,上級邊坡坡度可設計較緩,以減小爆破振動對上級邊坡產生的不利影響。

4 結語

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

2)同一級臺階平臺處,受“鞭梢效應”影響,臺階外緣質點峰值振速大于臺階內側2m范圍內質點峰值振速;臺階外緣質點峰值振速相較于坡腳處峰值振速放大倍數,隨臺階與爆心距離增加而減小。

3)隨著邊坡坡度增大,各級邊坡臺階外緣質點峰值振速呈增大趨勢,坡面頂端質點峰值振速在坡度為1∶0.3時達5.55cm/s,為邊坡坡度1∶1時的3.43倍,結合邊坡表層巖體風化程度較嚴重,故路塹邊坡設計(特別是上級邊坡)應綜合考慮巖體地質條件的變化及爆破振動對邊坡穩定性的影響。