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爆破震动对高速路边坡影响的数值模拟

发布时间:


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卷 第




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爆 破 震 动对 高速 路 边 坡 影 响 的数 值 模 拟
林士 炎
‘ ,

李长 洪
,

,







刘宝许”
,

? ? 河 北 省 政 府 办公 厅 建 设 环 保 处 石 家庄 ! ! ! ?

?北 京 科 技 大 学 土 木 与 环 境 工 程 学 院 北 京 # !

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以 京秦 高 速 公 路 某 段 路 堑 边坡 爆破 开 挖 为 例 采 用 数 值 模 拟 的 方 法 分 析 了 爆 破 震
,
、 、

动 波 在 边 坡 介质 中的应 力 场 位 移 场

速度 场 等 的 分 布 规 律
<

,

多方 面 研究 了 爆 破 震 动效应 对
<

山 区 高 等 级 公 路岩 质 边 坡稳 定 性 的 影 响 现 场振 动 测 试 结 果 验 证 了数 值 模 拟 计 算 的 可 靠 性

关 键词
分 类号

路 堑 开 挖 爆 破 震 动 岩 质 边 坡 数 值 模拟 稳 定 评 价
5, Χ

Β

Β

Β

Β

#Β 5 (

?

边 坡 稳 定 性 问题 是许 多 山 区高 速 公 路 工程 所 面 临 的 重 要 技 术 问 题 来 自路 堑 边 坡 开 挖 爆 破
Δ # 所 产 生的 震动 效 应 ‘ 作 为一 种 影响 边坡 稳 定 的
,



,

地 表 岩层 基本 全 部裸 露
, ,

,

开挖 前 旧 路 边坡 经
,

,

常有 松 动 的岩 块滑 落 坡 面 岩体 节 理裂 隙 发育 多为 垂 向节 理 边 坡 剖面 示 意 图见 图
#
<

外 在 因素

,

得 到 日益 广 泛 的 关 注 在 不 稳 定 或 临
,

<

界 稳 定 的 边 坡 上 进 行 边坡 施 工 爆 破震 动 效 应 显 得 尤 为重要 有 必要 对爆 破震 动 效应进 行综 合研 究 将 爆 破 震动 对边 坡 稳 定性 的影 响 降 到最低
, ,


图例

,

还到片 麻岩 至
最 终边坡
Φ

,

<

京 秦 高速 公 路 青 龙 连 接 线 所 经 区 域 地 处 燕
山 山 脉 东 段 属 山岭 重 丘 区 穿 越 的 地 形 地 貌 及

医 Η 号标 高 疆编 Β 黔
钻孔 及

地 质 条件 环 境 复 杂 沿 线 多 数 路 段 需 采 用 爆 破 的 方 法 进 行 开 挖 施 工 ‘, 工 程 完 工 后 将 出现 深 路 堑 边坡
,
<

,

匝*花 岗岩
图 # 边坡 剖面 示 意 图
/

台阶 为 具有 三个 自由面 的半路 堑 开挖 体
,

,

Γ ?8 ? 3
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上 部 预 留边 坡 高 度 最 高 可 达 Χ Ε
,

山顶 部 位 有 古
<



岩 体 力 学 参数 岩 体 力 学 参 数 根 据 边 坡 岩 样物 理 力 学性 质
, ,

长 城 遗址 需保 护 路 基 则 为高 台 阶 临河边 坡

#
??

边 坡 地 质环 境 特 征
地 层岩 性

实验 得 到 研 究 路 段 岩 性 较 为 均 一 主 要 是 混 合

,

多组 岩 样 力 学性 质 基 本 相 似 在 模拟 计 算过
#
<

,

程 中 采 用 的 物 理 力学 参 数 取 其 均 值 见 表

#

采 用 爆 破 工 程 施 工 路 段 出露 的地 层 多 以燕
山 期 侵 入 岩 为 主 代 表 岩 性 为 花 岗 岩 闪长 岩 Β 其
,


岩 体物理 力 学参 数
+ Ι 6 2 0? Π
)

次 为 太 古 界 变质 岩 代 表 岩 性 为 片 麻 岩 混 合 岩
及碎 裂状 大理 岩等
Β

,



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再次 为第 四系松 散 堆积 物
<

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花 岗岩 多为 强风 化似 斑状粗 粒 结构 全 路段 穿越 地 形和 地质 构造 条 件 复杂 有包 括 褶皱 大 断裂
和 各种节 理裂 隙 在 内的多种 地质 构造 边坡 岩性
<

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以碎 裂状 混 合 岩 和 闪 长 纷 岩 为 主 垂 直 节 理 较 为 发 育 岩 石 硬 度 较 大 该 路 段 主 要 沿 旧路 进 行 开
收稿 日 期
Λ
,
<

,

爆 破 震 动 数值 模 拟
< #

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林 士炎

男 Χ 岁 硕士 !
,
,

爆 破数 值 分 析 模 型 的 选 择 边 坡 开挖 数 值模 拟 分析 采 用 了 >
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年第


,

序 其 状 态 方 程 为 非 线 性 结 构 材料 的 动 力 响 应 模

,

应 力在 炮 孔周 围产 生 巨大 的应 力 集 中
,
,

对 于 模 型 的 处 理 采用 有 限 元 的 方 法 结 合 本
, ,

<

并 出 现 了 一 定 范 围 的 拉 应 力 区 拉 应 力 值最 大 达 到 ? ! Τ Ι) 远 远 大 于 工 作 边 坡 岩 石 的 抗 拉 强 度
<

工 程 实 际 所 研 究 边 坡 为 岩 质 边坡 选 取 弹塑 性 模 型
<
<

其 材 料模 型

,

这 正 是 岩 石 爆破 所 要 达 到 的 效 果 而 在 边 坡 岩 体 内部
,

,

数值 模 型 的 建 立
数 值 模 拟 计 算 范 围 包 括 了 整 个 边 坡 通 过研


由 于 岩 体 内 节 理 裂 隙 的 存 牲 应 力 波 迅速
,

,

衰 减 压 应 力 和 拉 应 力 值 都 很 小 未对 边 坡 内 部 的 岩 体 造 成 实质 性 破 坏 向为
!
,
<

,

究 边 坡 中爆 破 地 震波 所产 生 的应 力场
,
<

速度场



加速 度场 以及位 移场 的 综合 分布 情 况 分 析爆 破

Μ ? 坡 脚位 置 质 点 震动 的 最 大速 度
Π

,

水 *方

地 震 波 对 整 个 边 坡稳 定 性 的 影 响 程度 除 了 分 析 在 整 个 * 面 上 的 计 算 结 果 外 还 对 一 些 典 型 的位
置进 行 了具 体分 析 这 些 位 置包 括
点 距 离 爆 破 点水 * 距 离
,
<



0

,

垂 直方 向为

ΧΧ

Π



0

,

大于 边 坡 的其

,

他 位 置 因 此 坡脚 是 边 坡 受 震 动 最容 易 破 坏 的 区 域之一
? Μ ? 通 过 分析 波 形 图 可 以发 现
,

Ζ

Μ? ?

坡底面

<
Β

Ε

Β

Μ?

爆 破 台阶 的
,

坡底的振幅
,

坡 脚 点 距 离 爆破 点 Χ <
,

Ε

Μ? ?

Β ? 坡 中 点 ΜΧ 坡 顶

最 大 值 出现 在 波 形 的 第 一 个 振 幅 上
,

然 后 衰减 Β
,

面上 与坡 面 走 向* 行 的方 向上 三个 点 边 坡单 元

而 坡 顶 的 最 大振 幅 出 现 在 第 二 个 振 幅 以 后 然 后

剖分 见 图

<

衰 减 说 明 由于 坡 顶 的 放 大 效 应 造 成 了 最 大 振 幅 的相 对 滞 后
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Χ Μ ? 坡 顶 由 于 夹 制 作 用 小 振 动 时 间 持续 长
,
,

,







丫州 产 一

Β 频 率 低 而 坡 底 由 于 围岩 的 夹 制 作 用 尽 管 振 幅



,

但 是频 率 高

<

因此

,

结 合 最 大振 幅 和 频 率 特
<

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一 一


,

Ψ

性 坡 顶 和 坡底 同 样 存 在 破 坏 危 险的 区 域
Μ? 各 点 的 位 移 值 均 比 较 小
,

,

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因此 不是 引起 破 坏 的 主要 因素

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模 拟 计 算 值 与 实 测 值 比较
数 值 模 拟 分 析 表 明 坡 底 和 坡 顶 处 的速 度 和
, ,


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边 坡 计 算模 型 单 元 划 分 示 意 图 Τ / 06 / 0
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加 速 度 是 爆 破敏 感 参 量 所 以 在 对 爆 破 现 场 的 实
际 监 测 中 对 其 进 行 了 重 点 分 析 爆 破 测试 所 用
,
<

为 了研 究 爆 破 震 动 对 已 形 成 边 坡 的 影 响及

爆 破 地 震 波 在 边 坡 岩 体 内 的 传 播 规 律 进 行 了水
* 和 垂 直 坡 面 两 个 方 向剖 面 的 边 坡 模 拟 计 算 计
,

,

仪 器 为 美 国 3Ξ , ? 3 公 司 的 = ? 3?


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型 测震 仪

,

测 试 参 量 为 测 点三 个 互 相 垂 直 方 向上 的最 大速

算 模 型 采 用 的 边 坡 尺 寸及 爆 破 参 数 见 表
参数
_
Ζ

<

炸药
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度 分 量及 最 大加 速 度 频 率和 位 移 计 算 结 果与
‘ Δ ? 现 场 及 经 验 数 值 相 比 较 模 拟 计 算 数 值偏 大 一
, ,

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般 认 为爆 破 产 生 的震 动速 度 小 于
,

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,

破 震动 对边 坡 不会 产 生影 响 而 计算 结果 值 却要
模 拟边 坡 尺 寸 及 爆 破 参 数
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可 以从 以下 两 个方 面 来解 释
, ,

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Μ? 量 级 的 差 别 模 拟 计 算 时 间 精 确 度 很 高 计 算 ?

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中所 用 的爆 破 响 应 时 间 仅 为 微 秒 级 而 现 场 实 测
Ε
一,

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的 数 据 如 爆 破 震 动 速 度 爆破 震 动 的 响 应 时 间 最 小 为毫 秒级 大 多 是在 秒级 上 时 间量 级不 一致
Μ ? 测 震 距 离 的影 响
<

,

,

,

! ?

Β

由于采 用 有 限元 划 分 网格

< ?

模 拟计 算 结 果分 析

的局 限 所 建 模 型 的 大 小 一 般 取 为 一 到 几 个 抵 抗



,

通 过对 边 坡 体 内应 力 速 度
,

加速 度 和位 移

线的大小 即
,

,

# 一Κ Ε

Β

进 行实 测 时 测 震 仪距 起 爆
<

,

场 数 值 模 拟 结 果 的 综 合 分 析 可 以得 到 以 下 主 要 计 算 结果
Ζ

点相 对 较远 所 测数 据 衰减 量更 大 另 外 计算 采 用 的 响 应 时 间 很 短 计 算得 出 的 应 该 是 冲 击 波 的
,

,

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<

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<

林 士 炎等 爆 破 震 动 对 高速 路 边 坡 影 响 的 数值 模 拟
#<

Π

Ζ




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,

<



0

,

而 实 际监 测 的震 速 则为 Ν # Φ
<

Π



∴ # !

可 以 说 数 值 模 拟 计 算 的 结 果 与 实 测 结 果 很 接* 从 而 印证 了 数 值 模 拟 计 算 的 可 行 性
<

,

Χ

结论
Μ? ?

爆 炸 开 始 后 极 短 的 时 间 内 在 炮 孔 内壁
,

,

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及邻 * 范 围内产 生 了 较大 的应 力集 中 其值 远大
于 岩石 强度
,

造 成 岩石 破碎
,

<

爆破 产 生 的应 力波
<

在 岩 体 内部 的 传 播 过 程 中 应 力 极 值 逐 步 衰 减
∴ # !
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Μ ?坡脚 位 置质 点震动 的最大 速 度 大于边 坡

“, 八(

的其 他位 置

,

是 边 坡 最 易 破坏 的 区 域 之 一 坡 顶
,

位 置 的震 动 持续 时 间长 产 生 破坏 的区域
<
<

频 率低
,

,

也 是边坡 容 易

距 离 边坡 越 * 破 坏 的 可能 性
,

,

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越 大 在 实 际爆 破 施工 过程 中 应重 点对坡 脚 处
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和 坡顶位 置 进行 爆破 现场 监测 保 证 其质 点震速 在 允许 的 范 围 内
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图 ? 坡脚 及 一 定距 离 处 质 点 艇速 与 时间 关 系
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周 晓 杰 黄海 王 振 中 等
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爆炸 震动 效应 对 公路边
,

效 应 而 实 测时 得 到 的则是 应 力波 的 效应 甚至
是 应 力波 经 过 衰 减 以 后 的 效 应 由 于 波 的 传 播 在 时 间 和 空 间 上 的 衰 减 很 明 显 经 过 衰 减 以后 的 波 的 效 应 会 有 很 大 的 改 变 因 此 导 致 了 模拟 计 算 的
< <

,

坡 的 影 响 ε 西 部 探矿 工 程 Δ ?
, ,
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王 德 志 谭 文 辉 乔 兰 高速 路连 接线 路 堑 开 挖 中爆

,

破 震动 监测 与评 价 ε Δ ?
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工 程 爆破
,

,

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王在 泉 陆文星
,
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高 边坡 爆破 开 挖 振 动 传播 规 律 及
,

质 量 控 制 ε ?Δ 爆 破
Χ
<

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# #Μ ?Ζ ?

数值 偏 大 基 于 以 上 考 虑 为 了 使 计 算 更 符 合 实
际 对 计 算 结 果 进 行 了折 减 通 过 对 大 量 计 算 结 果 的 分 析 与 比 较 以及 参 考 相 关 资 料 〔
,
,

<

,

徐 顺 香 临 长 高速 公 路路 堑 开 挖 中 的 控 制 爆 破 技术
ε ?Δ 爆 破
<

,

,

,

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,

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<

,

,

确 定折 减

陈寿 如 宋 光 明
,
<

确 定 露 天 边 坡爆 破 震 动 临 界 振 速
,

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较 为合 适
,

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的 一 种 方 法 【 矿业 研 究 与 开 发 Δ ?
,

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在 己形 成 的边 坡上 速度 最大 为
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时 的质 点震 动
,

中 国 力学 学会 工 程 爆 破 专 业 委 员 会 爆 破 工 程 ε Τ ?
北 京Ζ 冶 金工业 出版社
,



经 折 减后

速度 值 为

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