某高速公路岩质边坡控制爆破及其稳定性分析
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摘要：控制爆破技术应用于某高速公路边坡开挖过程中，针对复杂而多样的现场环境，采用不同的连线方法、起爆方式及合理的药量控制是处理该路段边坡开挖爆破的关键。将现场爆破振动的监测数据比照规范要求进行对比分析，评价爆破方法的可行性。另外，通过现场监测得到的数据，将爆破产生的地震波简化为三角形荷载施加于边坡，然后根据岩层具体物理参数，采用ABAQUS数值分析软件进行建模，应用强度折减系数法来进行边坡稳定性分析，对照爆破振动前后的数值计算结果可以直观的得出爆破振动对边坡稳定性的影响。
关键词：边坡开挖，爆破，数值分析，强度折减，边坡稳定性
Abstract
The application of controlled blasting technology in the process of highway slope excavating, in view of complex and diverse scene environment, different segment method, detonation way and the reasonable dose of explosive are all the keys to this road section slope excavating. Carry on the data according to demolition vibration's monitor comparing with the requirement of standard, we can get the feasibility appraisal of those demolition methods, simultaneously.Moreover, the data which obtain through the scene monitor demolish the earthquake wave which will be simplified for the triangular load and exert in the side slope, then use the ABAQUS numerical analysis software with the basis rock layer concrete physics parameter to carry on the modelling, apply intensity discount method and then to carry on the side slope stability analyses, around the comparison demolition vibration numerical calculus result, may direct-viewing obtain the demolition vibration to the side slope stable influence.
Key words：Slope excavation, Blasting ,Numerical analysis ,Strength reduction ,Slope stability
中图分类号：U213.1+3 文献标识码：A
1 控制爆破技术的研究及发展简介
采取合理、有效的措施以降低爆破产生的地震效应对边坡的影响是当前边坡稳定性所主要面临的课题。目前主要有：光面爆破、预裂爆破、岩石定向断裂爆破及露天台阶微差爆破等控制爆破技术。
光面爆破起源较早，最早是在上世纪六七十年代由瑞典引入国内，也是瑞典人最早研究适用于岩土体开挖的小型药包的光面爆破技术。U．Langefors [1]等人率先进行了室内模型试验，分别研究了爆破时间差、装药的密度、最小抵抗线等不同的爆破参数，最后成功的在隧道中进行了实验，得到了光滑而平整的岩壁。
预裂爆破则需要先爆出一条具有一定宽度的裂缝，当爆区炸药引爆时，应力波在裂缝处传播终端进行反射，这样就可以有效的减少爆破对需要保护区域的破坏作用，同时也可以达到近于光面爆破的整齐而规则的断裂面，尤其是对于边坡，还有减少了用于支护的混凝土消耗，从而提高经济效益，节省了开支。
岩石定向断裂爆破技术便是近年来新发展起来的爆破技术，它能弥补普通光面、预裂爆破的不足，不仅进一步提高爆破效果，还能更有效的保护岩体。我国八十年代后期, 也逐步开展了岩石定向断裂研究,但是由于理论和技术上的复杂性, 直到九十年代立项研究才有所进展 [2]。
目前，国内外对岩质边坡稳定性的分析方法归结起来可以分为以下几种方式：
(1) 极限平衡理论
极限平衡理论是最经典的确定性分析方法，具体方法是将有滑动趋势范围内的边坡岩体按某种规则划分为一个个小块体，通过块体的平衡条件建立整个边坡平衡方程，以此为基础进行边坡分析。
(2) 块体理论
块体理论是上世纪五十年展起来的研究方法。该理论认为坚硬和半坚硬岩体被岩体结构面切割成大小不一的各种镶嵌块体，在天然状态下，这些块体处于静态平衡状态。人类的工程开挖扰动了这些空间块体，并使开挖面附近的岩体产生应力重分布。
(3) 数值分析方法
数值方法是上世纪六十年代边坡稳定性分析中引入的计算方法，包括有限元法、边界元法等。目前用于边坡稳定性计算的数值方法有边界元、有限元和快速拉格朗日法[3]等方法。
(4)不确定性方法
基于对岩体的复杂性和工程的复杂性的认识，对边坡工程的不确定性和非线性研究已成为当今边坡工程稳定性分析研究的趋势，讨论各种不确定性理论和方法在边坡稳定性分析中的应用是有益的。不确定性方法主要有可靠性方法、模糊数学法[4]等。
3 爆破影响下的边坡稳定性分析
爆破对边坡稳定性造成的影响主要体现在以下三个方面：
一是爆破振动将产生附加于边坡的等效应力从而增大了坡体的下滑力。
二是因为爆破波是种频率较低的波，当边坡受到周围频繁爆破作用,处于爆破影响区的岩体将因这种低频反复性爆破动荷载作用,发生强度特性和其他物理性质上的改变。
三就是因爆破振动过大，对边坡产生的直接性破坏。
目前, 国内对爆破影响下的边坡稳定性研究主要集中在两个方面。一是以实测的爆破振动物理量(主要是质点振动速度)作为衡量指标, 并根据实测数据总结出一套相应的安全标准。二是将爆破振动力折算为等效静荷载, 用极限平衡法计算边坡动态稳定系数[5]。
4 微差控制爆破应用及监测数据分析
4.1 控制爆破设计参数
根据该高速公路岩石的物理性质，以K6~K7段为实例进行控制爆破研究。
(1)单位炸药消耗量q，由岩石坚固性系数f决定，选择炸药单耗q=0.40 kg/m3。
(2)炮孔直径，采用潜孔钻机钻孔时，炮孔直径大小由潜孔钻机的钻头直径确定。
(3)底盘抵抗线W底
(4.1)
式中：h为岩层爆破厚度，单位m；为钻头直径，单位mm；
(4)钻孔深度L
钻孔超深一般按照确定，钻孔深度为削坡高度与超深之和。
(5)炮孔间距a和炮孔排距b
(4.2)
(4.3)
(6)布孔方式
开挖爆破炮孔布置多为正三角形或梅花形。
(7)堵塞长度
堵塞长度一般按照或选取。
(8)单孔装药量Q
Q=Kqabh (4.4)
式中：K为考虑受前排的岩石阻力作用的增加系数，单排孔爆破时取1.0。
(9)起爆顺序
为了保证爆破效果和减小爆破震动，实行孔内、孔外微差爆破技术。
4.2 启爆后监测数据分析
(一)4月6号爆破
该次爆破区域位于该高速公路一标段k7+000处。爆源基本情况见表4.1：
表4.1 爆破参数表
爆源方位 孔径(mm) 排距(m) 孔距 (m) 孔深(m) 最大齐爆药量(kg) 总装药量(kg)
K7+000 120 3.5 3 10 116 8600
监测点布置于距离爆破点最近的建筑物旁，监测波形图如下：
图4.1典型波形图
表4.2 爆破振动测试数据记录表
测点 高差(m) 爆心距(m) 质点振动速度峰值(cm/s) 振动主频(Hz) 持续时间(s)
1# -5.0 150.08 垂直 1．86 23．18 1．26
水平 1．94 24．22 1．26
切向 1．78 22．54 1．25
该高速公路k6-k7段部分边坡开挖采用控制爆破技术，爆破结果良好，岩体松动，基本做到振动小、无飞石的爆破效果，同时无大块度的岩体产生，不仅便于挖掘和运输，部分岩石碎块可用于直接填方。
监测点分别布在民房、涵洞及需要保护的边坡部位，根据设计规范和相关要求,监测点的质点振动速度在2~2.5cm/s以下将不会对该处的建筑物造成较大扰动。根据监测数据显示，设计路段边坡爆破开挖时，测点的振动速度满足设计及规范要求。
5 数值模拟及分析
边坡稳定性主要采用强度折减有限元法，指出边坡的稳定安全系数可以定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时对土的剪切强度进行折减的程度，即定义稳定安全系数是土的实际抗剪强度与临界破坏时折减后的剪切强度的比值，这种强度折减技术特别适合于用有限元方法来实现，本文使用有限元软件为ABAQUS，选用的计算模型为莫尔-库伦模型，计算时根据强度折减公式：
（5.1）
（5.2）
不同的边坡稳定性系数F（强度折减系数）对应不同的c、φ值，将换算之后的c、φ值输入到ABAQUS中进行计算，并不断改变F值，直到计算不收敛就可得到我们需要的结果[6]~[8]。
图5.1 数值模拟计算模型
核对模拟参数后进行数值模拟。首先建立整体模型，分层并每层赋予相应的岩层物理参数，然后根据模型的大小和实际尺寸进行网格的划分，接着进行边坡在自重情况下的不平衡力计算，直至稳定，作用在边坡结构上的爆破荷载可简化为具有线性上升和下降段的三角形荷载，
上升段时间: (5.3)
总作用时间:(5.4)
其中K为岩体的体积弹性模量(105 Pa)，V为岩体的泊松比，Q为炮眼装药量(kg)，r为对比距离。爆破荷载的应力峰值max 用如下公式计算：
(5.5)
式中： Z =R/Q1/3 为比例距离；R 为炮眼至荷载作用面的距离(m)。取现场某次爆破情况进行分析：炮眼装药量Q=3700kg，R=80m，K=3104，v=0.236，r=100，如图5.2。
max=49kpatu=0.024205ste=0.217169s
图5.2爆破荷载历程图
经过简略计算，未受爆破影响的边坡稳定性系数在1.6以上，为简化后续的折减计算步骤，尝试从1.5左右的折减系数进行计算，当计算收敛则可进行进一步折减计算，当不收敛时，岩体破坏，边坡即为不稳定状态。
图5.3F=1.4时 边坡等效塑性应变 图5.4F=1.5时 边坡等效塑性应变
当F=1.4时出现应力集中区域，当F=1.5时出现贯通区，当F=1.6时计算不收敛，说明折减系数1.4、1.5时在爆破作用的影响下边坡稳定，则该边坡在爆破影响下的稳定性系数介于1.5与1.6之间，处于稳定状态[9]~[11]。
6 结论
本文从现场设计与爆破施工的角度出发，对边坡进行了稳定性计算及其在爆破振动下的影响分析，结果表明，合理的控制爆破可有效的控制爆破振动对边坡的扰动：
（1）在边坡进行开挖前期，充分考虑爆破对周边建筑物的影响，以“安全设计”为前提，采用了微差控制爆破设计，合理高效的完成了某高速公路K6-K7段的边坡爆破开挖。
（2）采用了最新的UBOX5016振动数据采集设备及配套软件进行了爆破数据的采集。通过对不同地点、不同安全距离的爆破振动监测，得出了爆破振动数据，结果均表明，微差控制爆破产生的振动速度在规范的允许之内，充分证明了爆破的可控性。
（3）本文运用了较有优势的Abaqus分别对边坡一般状态下及爆破振动影响下的稳定性进行了分析，结果和理论计算的结果相符合，边坡处于稳定、安全的状态中。
参考文献
[1]U. Langefors,岩石爆破现代技术（译）,冶金工业出版社，1983
[2]戴俊.爆破工程.机械工业出版社,2005.1
[3]刘立平等.边坡稳定性分析方法的最新进展[J].重庆大学学报,2000,23(3).
[4]王万良.人工智能及其应用.高等教育出版社，2008.6
[5]李启发.爆破地震波对岩质边坡稳定性的影响[J].爆破,1995,12(3).
[6]张顺朝,张志呈等.浅谈露天深孔爆破参数的选取[J]. 四川冶金,2007,8(15).
[7]张鲁渝，郑颖人，赵尚毅.有限元强度折减系数法计算土坡稳定安全系数的精度研究[J].水利学报，2003，(1)：21~27.
[8]连镇营，韩国城，孔宪京.强度折减有限元法研究开挖边破的稳定性[J].岩土工程学报，2001，23(4)：406~411.
[9]郑宏，李春光，李悼芬等.求解安全系数的有限元法[J].岩土工程学报，2002,24(5)
[10]周翠英，刘柞秋，董立国等.边坡变形破坏过程的大变形有限元分析[J].岩土力学，2003，24(4)：644~652.
[11]连镇营，韩国城，孔宪京.强度折减有限元法开挖边坡的稳定性[J].岩土工程学报，2001，23(4)：407~411.