爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響分析

郭文章

（南京市測繪勘察研究院股份有限公司，南京 210005）

1 引言

邊坡穩(wěn)定性評價是巖土工程經(jīng)常遇到的問題,特別是近年來,隨著我國大量基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),出現(xiàn)了許多由于不合理的工程爆破而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的例子。目前的地震波衰減公式是經(jīng)驗型、半經(jīng)驗型的，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，難以從理論上完全推導(dǎo)合適的衰減公式，爆破振動動力響應(yīng)機制研究極不成熟，目前只局限于數(shù)值分析[1]。本文先是通過理論計算預(yù)測在隧洞掘進(jìn)過程中的爆破振動對邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響，然后利用ABAQUS有限元分析軟件對邊坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯式分析計算，分析短暫的脈沖荷載作用下某邊坡的穩(wěn)定性，旨在為類似工程的設(shè)計和施工提供指導(dǎo)。

2 爆破施工對邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的理論計算分析

本文結(jié)合實際工程，采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的薩道夫斯基公式（見式（1））預(yù)測爆破掘進(jìn)過程中某水庫壩體邊坡的質(zhì)點振動峰值速度（PPV），并參照《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2003）的規(guī)定評價爆破施工對周邊環(huán)境的影響。

式中，V為地震動質(zhì)點的最大速度,cm/s；Q為炸藥量，kg；K與α為與介質(zhì)特性有關(guān)的參數(shù)，根據(jù)工程所在地區(qū)的地質(zhì)條件，K取200，α取1.5；為爆心距，m。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2003）的規(guī)定，爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2.1 隧洞的幾何與爆破參數(shù)

以其中一個隧洞的爆破施工為例，隧洞的洞長為2572m，截面形狀為城門洞形，截面尺寸為3m×3m，巖石堅固性系數(shù)為12，開挖方式為全斷面一次開挖，孔徑為42mm，單次掘進(jìn)循環(huán)進(jìn)尺為1.8m，炸藥單耗為1.9kg/m3，同段起爆最大藥量9kg，水庫壩體邊坡離爆源的距離為1050m。

2.2 計算結(jié)果分析

通過理論計算得出水庫壩體的峰值質(zhì)點振動速度（PPV）為0.03cm/s，小于《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2003）規(guī)范中的允許值，故隧洞在掘進(jìn)過程中的爆破振動對水庫壩體邊坡的影響較小。

表1 爆破振動安全允許范圍標(biāo)準(zhǔn)（GB6722-2014）

3 爆破施工對邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬分析

爆破施工產(chǎn)生的爆破振動，經(jīng)過遠(yuǎn)距離的地震波傳播，導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生短暫的脈沖荷載，根據(jù)脈沖荷載的時程曲線，對于正常工作的邊坡施加短暫的脈沖加速度，模擬遠(yuǎn)距離的爆破振動對邊坡的影響。

3.1 建立有限元計算模型

3.1.1 幾何模型

對于某水庫壩體邊坡進(jìn)行脈沖荷載下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析。首先建立有限元分析的幾何模型，根據(jù)邊坡結(jié)構(gòu)的工程剖面圖，建立1：1比例的平面應(yīng)變模型。

3.1.2 選取有限元模型的材料和截面屬性

在進(jìn)行平面應(yīng)變問題的分析時選取平面單元類型CPE4R。由于壩體材料為碾壓堆石材料，故依舊采用ABAQUS材料庫中適合巖石土體材料的Drucker-Prager本構(gòu)模型對壩體進(jìn)行模擬，如表2所示。

表2 壩體堆石料Drucker-Prager材料模型參數(shù)

3.1.3 劃分有限元網(wǎng)格

對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以四邊形單元為主，以防止出現(xiàn)網(wǎng)格畸變，計算不收斂等問題，減少分析過程中的異常報錯幾率。

3.1.4 荷載及邊界條件

水庫壩體邊坡的受力分為自重和水庫蓄水的靜水壓力。邊界條件有邊坡結(jié)構(gòu)固定在地面的固定約束。自重采用體力的形式施加在整個結(jié)構(gòu)物上，在ABAQUS中施加BODY FROCE，重力加速度為9.8m/s2；水庫的靜水壓力隨著水位高度成線性變化，分析中對邊坡進(jìn)行滿負(fù)荷工作條件下的模擬，即此時水位位于設(shè)計最高水位處。此外，由于遠(yuǎn)距離的爆破振動，傳導(dǎo)而來的加速度荷載，等效于結(jié)構(gòu)上施加一個脈沖荷載形式的慣性力。慣性力以體力的形式均勻的施加在結(jié)構(gòu)上，施加的加速度荷載脈沖曲線如圖2所示。結(jié)構(gòu)的受力示意圖如圖3所示。

3.1.5 施加分析步

通常，動力問題的分析須建立在靜力分析的基礎(chǔ)上，在靜力分析的基礎(chǔ)上，再施加動力時程。整個分析過程分為兩步，第一步首先施加結(jié)構(gòu)的自重，讓整體結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定的承受自重的受力狀態(tài)。待整體的應(yīng)力平衡之后，施加第二個分析步，在結(jié)構(gòu)上施加脈沖荷載，分析爆破振動對結(jié)構(gòu)的影響。

3.1.6 接觸方式和連接方式的定義

壩體是在原始巖層的上方采用堆石的方式筑壩，因而需要根據(jù)實際情況定義壩體和下部巖層之間的接觸關(guān)系。采用通用接觸的方式，定義邊界面與面之間的接觸。由于壩體和基底之間有黏聚力，通過鏈接的方式，施加TIE約束，模擬兩種材料之間的聚合關(guān)系。

3.2 計算結(jié)果及分析

對于水庫壩體邊坡，由于巖層地基剛度遠(yuǎn)大于堆石壩體，所以可以認(rèn)為慣性力施加在壩體邊坡上，忽略其在地基巖層上的影響。

脈沖荷載在1s時有加速度作用在壩體上，短時間內(nèi)產(chǎn)生壩體邊坡結(jié)構(gòu)的橫向速度，速度云圖如圖4所示。

圖4 爆破振動荷載施加開始階段速度云圖

脈沖荷載過后，速度分布趨于均勻，整體速度分布平均。如圖5所示，為振動過后的一段時間內(nèi)的速度云圖。

圖5 爆破振動荷載作用階段速度云圖

由此可見，由于振源距離較遠(yuǎn)，通過巖層的阻隔對應(yīng)力波產(chǎn)生衰減影響，從而爆破產(chǎn)生的實際振動很小，因此邊坡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的質(zhì)點振動速度可見一斑。根據(jù)爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)，模擬情況下的爆破振動荷載在安全范圍內(nèi)，產(chǎn)生的邊坡結(jié)構(gòu)質(zhì)點振速遠(yuǎn)小于安全標(biāo)準(zhǔn)，符合國家安全規(guī)定，施工過程不會對邊坡產(chǎn)生安全隱患。

4 結(jié)語

針對具體工程，建立爆破振動荷載作用下的邊坡模型，分析邊坡受爆破振動的影響及其穩(wěn)定性，得到以下幾點結(jié)論：①爆破振動速度是隨著爆心距的增加而衰減，由于振源距離較遠(yuǎn)，通過巖層的阻隔對應(yīng)力波產(chǎn)生衰減影響，因此邊坡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的質(zhì)點振動速度很小。②直面形邊坡在其坡面上不會出現(xiàn)振速的放大現(xiàn)象，但在邊坡頂部邊緣會出現(xiàn)高程放大現(xiàn)象。