爆破开挖施工对近接运营边坡的影响分析

戴显荣1姜正晖1刘钱2马越峰1

2.温州市交通投资集团有限公司浙江温州325000

摘要：边坡开挖施工中的爆破除了对围岩产生破坏形成开挖面外，不可避免对预开挖面之外的岩土体产生影响，尤其是滑坡体，因此有必要对爆破开挖的影响进行计算评估。采用ABAQUS有限元软件分析爆破开挖时的脉冲荷载对近接边坡稳定性影响，计算结果表明边坡表面竖向位移影响在-0.25~0.15mm之间，滑坡体影响在-0.15~0.075mm之间；采用单孔微差爆破可减少爆破荷载叠加造成的不利影响。

关键词：边坡；爆破荷载；霍克布朗；阻尼矩阵；稳定性

前言

爆破施工对保留岩体的损伤破坏程度直接影响边坡的稳定性，是许多重要公路、矿山和水利工程都急于解决的重大技术问题。爆破损伤的研究需要确定爆破损伤区域，从而分析爆破后保留岩体的稳定性。在以往的研究中显示，爆破的影响范围与炸药量有关，例如我国通常采用的苏联萨道夫斯基经验公式，但由于越远离炮孔，爆破损伤影响越小，汪旭光等[1]通过实测得出炮孔直径与爆破损伤破坏程度的关系，可以用来作为损伤区域确定的依据。而对于岩体边坡稳定性分析，随着计算机与有限元理论的发展，采用数值模拟分析计算边坡安全系数正逐渐成为新的趋势，该方法无需事先假定滑移面的形状和位置，能够直接得出岩土材料应力、应变等的信息。目前在边坡数值模拟分析中，岩石材料通常采用摩尔库伦模型或霍克布朗模型模拟，摩尔库伦准则对岩体强度的描述呈线性破坏特征，可以很好的描述破坏时的有效应力状态。但岩石材料的强度包线并非呈线性，采用非线性的霍克布朗经验准则更符合实际，其准则综合考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多方面的影响。较好地解决了摩尔库伦强度准则在受拉破坏处理上的困难[2~5]。综上，本文采用能够很好地描述破坏时有效应力状态的摩尔库伦模型来模拟层间软弱结构面，用霍克布朗模型模拟保留岩体，综合考虑岩体结构、岩块强度以及应力状态等在爆破损伤后的变化。

1工程概况

杭金衢高速公路K102+950～K103+400公路路线走向正南方向，线路北向横切丘陵往杭州方向延伸，自然山坡相对高程约255m，属丘陵地貌。滑坡区域自然坡率约20°~45°，山坡上覆盖残坡积含砾亚砂土和角砾，厚度不一，局部基岩裸露，坡表植被发育，多为灌木。根据勘察结果，滑坡区岩体破碎，边坡分布地层主要为白垩系下统方岩组（K1f）凝灰岩、粉砂岩、凝灰质粉砂岩、砾岩和凝灰质砾岩。钻孔揭示，该边坡曾受多次断层活动影响，坡体构造破碎带较发育，坡表不同部位岩层产状各异，破碎带在空间分布上连续性较强。滑坡区地下水主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，主要受大气降水补给。残坡积与基岩风化带接触部位、弱风化基岩裂隙发育部位及构造破碎带接触部位，因岩土渗透性差异，地下水活动活跃，是边坡滑动带位置所在。滑坡体滑动带主要沿破碎带发展，破碎带次生夹泥，强度低。滑床岩性主要为砾岩，完整性较好，灰紫色、砾状结构、钙泥质胶结。根据地质勘查分析，杭金衢高速公路K103滑坡属于公路开挖诱发的大型岩质路堑滑坡，滑坡体积约160万m3。

2爆破荷载及参数的确定

采用ABAQUS有限元对爆破荷载产生的振动作用进行模拟分析时，需要将计算所得的荷载以等效的方式施加于有限元网格结点上。一般爆破荷载的计算公式为：

P（t）=Pbf（t）（1）

式中，Pb为脉冲峰值，f（t）通常取为指数型时间滞后函数。采用相应计算公式确定出P（t）时程曲线后，将爆破荷载作用于预爆破区的边界上施加振动荷载。根据相关分析[7]，Ⅲ级围岩爆破作用在隧道壁上的围岩峰值压力Pmax=10MPa，岩石介质横波波速取为3000m/s，岩石质量密度取为2600kg/m3。

在对岩土进行非线性动力学计算时，涉及到阻尼问题，一般都采用Rayleigh阻尼矩阵[6]，阻尼矩阵采用质量矩阵和刚度矩阵的线性组合，即：

[C]=α[M]+β[K]（2）

式中α、β是与结构固有频率和阻尼比有关的常系数，可以由任意两个振型的固有频率和相应的阻尼比来确定，较常见的取值形式为：

α=ζ1ω1β=ζ1/ω1（3）

式中，ω1和ζ1分别为基本圆频率和相应的阻尼比。

取滑坡体中间最不利位置切为计算剖面。模型中边坡体各分层以、抗滑桩和工程桩均采用C3D8R实体单元。模型基础底面、侧边分别施加法向位移约束。在数值模拟过程中，先通过模态求解得到一阶自振圆频率为2.5rad/s，岩石阻尼比取为6%，根据式（3）得出α=0.15、β=0.024，计算阻尼为7.8×107Pa/s。计算总时间取为5s，在开挖桩孔侧壁上施加Ⅲ级围岩爆破脉冲荷载，分析爆破脉冲荷载对K103边坡的影响。

3结果分析

选取该边坡表面不同位置点的竖向位移时程曲线分析爆破荷载对K103边坡的影响，图1和图2分别给出了不同点的竖向动态位移时程，由图1可以看出，随着距离爆破点距离的增加，竖向动态位移逐步减小，而且由于阻尼的影响，不同点竖向位移随时间逐步减小，最大竖向位移在-0.25~0.15mm之间变化。从图2可以看出，点4~6最大竖向位移出现的时间由于波传播时间的延时导致最大竖向位移距离最远点的竖向位移出现的时间滞后，但随后逐步衰减，这三点最大竖向动态位移在-0.1~0.1mm之间变化。

4结论

本文基于隐式动力学有限元方法，将爆破开挖区域简化为应力脉冲荷载，分析了爆破荷载对K103边坡表面和滑动带的竖向动位移时程分布的影响，结果表明：

（1）边坡表面竖向位移影响在-0.25~0.15mm之间，滑坡体影响在-0.15~0.075mm之间。

（2）若采用爆破开挖施工，应离开K103区域范围内路堑中心线垂直距离在60m以上，且为了避免对K103边坡的影响，应采用单孔微差爆破，减小爆破荷载叠加造成的不利影响。

（3）文中提出的确定爆破损伤区范围及损伤区岩体参数的方法，能够精确得出爆破损伤对边坡稳定性的影响。

参考文献

[1]汪旭光.爆破手册.北京：冶金工业出版社，2010：242-268.

[2]林杭，曹平，赵延林等．强度折减法在Hoek-Brown准则中的应用[J].中南大学学报（自然科学版），2007，38（6）：1219-1224.

[3]宋琨，晏鄂川，毛伟等．广义Hoek－Brown准则中强度折减系数的确定[J]．岩石力学与工程学报，2012，31（1）：106-112.

[4]HoekE，BrownET，Empiricalstrengthcriterionforrockmasses[J].JournalofGeotechnicalEngineeringpision，AmericanSocietyofCivilEngineering，1980，106（GT9）：1013-1035.

[5]HoekE，BrownET.Practicalestimatesofrockmassstrength[J].Int.J.RockMech.andMin.Sci.，1997，34（8）：1165-1187.

[6]李廷春，沙小虎，邹强.爆破作用下高边坡的地震效应及控爆减振方法研究[J].爆破2005，22（1）：1-6

[7]李志林，王星华，谢李钊等.基于滑动面深度的地震作用下边坡强度参数反分析[J].公路交通技，2013，30（5）：8-12.