王曙光，吁　燃

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司， 貴陽　550001)

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爆破對順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響

王曙光，吁燃

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司， 貴陽550001)

摘要：爆破作為邊坡開挖的一種快速有效手段，廣泛應(yīng)用于土建施工中；而其爆炸沖擊和爆轟氣體對巖體節(jié)理面的鍥入作用，對臨近爆破區(qū)的邊坡穩(wěn)定性有負(fù)面影響。建立考慮爆破作用對邊坡影響的計算模型，采用極限平衡法，從靜力狀態(tài)、爆破松動破壞、爆破振動3方面定量分析爆破作用對邊坡的影響，并通過實際算例，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析計算，以驗證爆破對邊坡穩(wěn)定性的影響。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定性分析；爆破作用；極限平衡法

順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性與巖體結(jié)構(gòu)特征、產(chǎn)狀，地下水位，巖體完整性及爆破振動等相關(guān)，其涉及到工程地質(zhì)學(xué)、巖土工程學(xué)、爆炸力學(xué)以及地震工程學(xué)等學(xué)科的相關(guān)內(nèi)容，其穩(wěn)定性分析一直困擾著工程設(shè)計人員。邊坡爆破開挖時，爆破振動會產(chǎn)生瞬時沖擊作用，致使巖體產(chǎn)生質(zhì)點振動加速度，質(zhì)點振動加速度的傳播會引起動荷載，造成局部巖體結(jié)構(gòu)受損和巖石破碎脫落，削弱滑動面處的阻滑能力。同時，爆破振動慣性力的作用使得坡體整體下滑力增大，可能引起邊坡動力失穩(wěn)[1]。另外，爆破還會引起巖石應(yīng)力重分布和地下水狀態(tài)改變，形成一定范圍的爆破松動區(qū)，從而進(jìn)一步降低邊坡的穩(wěn)定性[2]。

順層巖質(zhì)邊坡爆破開挖時，軟弱夾層的存在對邊坡穩(wěn)定性有不利影響，主要表現(xiàn)在以下幾方面：1) 軟弱夾層的存在阻礙了爆破產(chǎn)生的應(yīng)力波在巖體內(nèi)部的傳播，致使夾層帶變成弱面，而應(yīng)力波的拉伸易造成飛石危害[3]；2) 軟弱夾層使得鉆孔及裝藥較困難，易產(chǎn)生大塊和根底，難以控制飛石；3) 由于巖體為低抗拉材料，故爆破振動產(chǎn)生的動荷載易引起軟弱面松裂，使原有裂隙擴展延伸，造成巖體層裂，形成一定范圍的爆破松動區(qū)，從而大大降低邊坡的承載能力和穩(wěn)定性[4]。文獻(xiàn)[1]研究了高陡邊坡爆破開挖技術(shù)和開挖爆破對特高陡邊坡穩(wěn)定性的影響，并提出了爆破振動災(zāi)害的有關(guān)控制技術(shù)。文獻(xiàn)[4]通過含軟弱夾層的順層邊坡深孔臺階爆破模型試驗，推導(dǎo)了邊坡潛在滑體的穩(wěn)定系數(shù)與裝藥參數(shù)、巖體力學(xué)參數(shù)和邊坡幾何尺寸的定量關(guān)系，并通過實例研究，分析了爆破層裂效應(yīng)對順層巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[5]建立了爆破過程中軟弱夾層的運動力學(xué)模型，應(yīng)用爆轟流體動力學(xué)和氣液兩相流理論，導(dǎo)出了爆腔在爆轟氣體作用下的運動速度、最終半徑和擴腔時間與裝藥參數(shù)和軟弱夾層力學(xué)參數(shù)的定量關(guān)系。文獻(xiàn)[6]應(yīng)用Mohr-Column準(zhǔn)則，計算了在爆破振動作用下順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)，研究了安全系數(shù)隨爆破擬靜力系數(shù)變化的規(guī)律。目前，爆破動力作用下的邊坡穩(wěn)定性分析主要有擬靜力法、有限滑移法和數(shù)值計算法。后2種方法由于難以確定邊坡破壞時的變形、應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)而很少單獨使用，多采用擬靜力法或擬靜力法與數(shù)值計算相結(jié)合來分析動載荷作用下的邊坡穩(wěn)定性。本文考慮了爆破作用下巖體層間松動破壞和爆破振動影響，建立了爆破作用下順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)模型，采用極限平衡法定量分析了爆破作用對順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的影響，并通過算例分析，驗證了爆破對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1邊坡計算模型及穩(wěn)定性分析

爆破作為巖質(zhì)邊坡的主要開挖手段，其對邊坡的有害影響主要為爆炸應(yīng)力波和爆破振動。順層巖質(zhì)邊坡爆破開挖時，爆破振動會引起一定范圍內(nèi)的巖體層裂，導(dǎo)致層理面內(nèi)摩擦角減小、內(nèi)聚力降低，其振動慣性力使坡體下滑力增大。設(shè)計時，如何根據(jù)巖體內(nèi)部條件和爆破施工外部參數(shù)正確確定層裂區(qū)的幾何尺寸及層理面強度參數(shù)，是進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析、確定邊坡設(shè)計方案的前提，也是邊坡工程亟需解決的主要問題。本文下面將分析計算爆破振動對邊坡穩(wěn)定性的影響。為了便于計算，本文作如下假定：1) 由于本文研究對象為順層邊坡，假設(shè)滑動面為單一滑面，且視滑體為剛體；2) 滑動面破壞時其上的應(yīng)力處于極限平衡狀態(tài)，整個滑動面上邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)相同；3) 不考慮地下水狀態(tài)改變對于滑動面的粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響。

1.1不考慮爆破作用邊坡穩(wěn)定性分析

當(dāng)不考慮爆破作用對邊坡的影響時，假設(shè)巖層傾向垂直于路線走向，參照文獻(xiàn)[7-8]的研究成果擬定路基邊坡橫斷面，如圖1所示。

圖1中，H為坡高，α為邊坡坡角，θ為巖層傾角，l為滑面長度，β為坡頂坡角，h為滑面上滑體高度，S為滑動分力，G為滑體重量，N為滑面上的支持力。按極限平衡法分析，邊坡穩(wěn)定性取決于由滑體重力產(chǎn)生的滑動分力S與滑面上的抗滑力R的比值大小。參考文獻(xiàn)[7]，邊坡穩(wěn)定系數(shù)按下式計算：

圖1　不考慮爆破影響的計算模型

(1)

式中：A為滑面面積，m2；V為滑體體積，m3； γ為巖體天然重度，kN/m3；c為滑面粘聚力，kPa；φ為滑面內(nèi)摩擦角，(°)。

滑體體積和滑面面積為：

V=0.5 h·l·1·cosθ=0.5 hlcosθ

(2)

A=l·1=l

(3)

將式(2)、(3)代入式(1)，簡化后得

(4)

由式(4)可知，如果不考慮爆破松動破壞影響，此時邊坡穩(wěn)定系數(shù)僅與滑體高度h、巖層傾角θ、粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ及巖體天然重度γ有關(guān)。

1.2考慮爆破作用邊坡穩(wěn)定性分析

1.2.1爆破松動破壞對順層邊坡穩(wěn)定性的影響

爆破開挖邊坡時，炸藥爆炸后會產(chǎn)生劇烈的沖擊波，而后沖擊波衰減為應(yīng)力波，而應(yīng)力波的傳播對于巖體的破碎具有非常重要的作用。由于巖體內(nèi)部存在大量軟弱結(jié)構(gòu)面，如巖層層面、軟弱夾層、節(jié)理裂隙等，因此，受爆破振動和爆破應(yīng)力波傳播的影響，邊坡巖體結(jié)構(gòu)面將出現(xiàn)松動。由于巖體結(jié)構(gòu)面間咬合作用全部或部分喪失，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)面抗剪強度降低。巖體結(jié)構(gòu)面松動范圍與巖體結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)、爆破工藝及方法有關(guān)。深孔臺階爆破開挖邊坡形成的松動帶厚約10～15 m，而淺孔臺階爆破開挖和淺孔光面爆破開挖形成的松動帶厚約1.5～2.5 m[7]。當(dāng)考慮爆破松動破壞作用對邊坡的影響時，對路基邊坡橫斷面作了一些假定，如圖2所示。

圖2中，G1為未受爆破影響滑體重量，G2為受爆破影響層裂范圍內(nèi)滑體重量，S1為未受爆破影響下滑力，S2為受爆破影響層裂范圍內(nèi)下滑力，l1為爆破影響導(dǎo)致層間松動范圍，l2為未受爆破影響長度。文獻(xiàn)[7]提出，爆破后，巖層松動范圍內(nèi)的粘聚力降低了40%～60%，內(nèi)摩擦角降低了10%～15%。

圖2　考慮爆破松動破壞影響的計算模型

因此，當(dāng)考慮爆破松動影響，抗滑力R1、R2由2部分組成，本文采用極限平衡法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。此時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)按下式計算：

(5)

式中：R1為未受爆破影響抗滑力，kN；R2為受爆破影響層裂范圍內(nèi)抗滑力，kN；c1為爆破層裂影響滑面的粘聚力，kPa；c2為未受爆破影響滑面的粘聚力，kPa；φ1為爆破層裂影響滑面的內(nèi)摩擦角，(°)；φ2為未受爆破影響的內(nèi)摩擦角，(°)。

受爆破層裂影響范圍內(nèi)的滑體重量為：

G1=0.5γl1h1cosθ·1=0.5γl1h1cosθ

(6)

未受爆破層裂影響范圍內(nèi)的滑體重量為：

G=0.5γlhcosθ·1=0.5γlhcosθ

(7)

G=G1+G2

(8)

l=l1+l2

(9)

將式(6)～(9)代入式(5)并化簡，得

Ks=

(10)

比較式(4)和式(10)可知，如果不考慮爆破松動破壞影響，即c1=c2,l1=l2，此時式(10)即可簡化成式(4)。但由于爆破應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)面上產(chǎn)生透射和反射，當(dāng)應(yīng)力波到達(dá)層面反射時，使巖體受到拉伸作用，層面易松動破壞，此時安全系數(shù)受松動破壞長度和松動層面上的抗剪強度影響。

1.2.2爆破動力對順層邊坡穩(wěn)定性的影響

順層巖質(zhì)路塹邊坡爆破開挖過程中，爆破振動一方面使巖體的原有裂隙、層理等擴張、錯動，致使巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪性能降低，摩擦阻力減??；另一方面，振動慣性力使得下滑力增加，對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。本文采用擬靜力法來分析邊坡穩(wěn)定性。計算時，先將爆破振動荷載折算為等效靜荷載，再對邊坡進(jìn)行靜力分析。對路基邊坡橫斷面作了假定，如圖3所示。

圖3　考慮爆破動力影響的計算模型

1.2.2.1水平振動加速度作用下的邊坡安全系數(shù)

第i滑塊所受的作用力如圖4所示。圖4中，F(xiàn)i為爆破產(chǎn)生的水平動力，Ei與Ei+1為第i滑塊左右相鄰塊作用于第i滑塊的作用力，Gi為第i滑塊滑體重量；Ni為第i滑塊滑面上的支持力。

圖4　受水平振動影響的第i滑塊的作用力

由于第i滑塊在垂直滑動面的法線方向無運動，故法向上受力平衡，即

Fisinθ+Ni=Gicosθ

(11)

則有

Ni=Gicosθ-Fisinθ

(12)

由于第i滑塊的抗滑力為：

Ri=Nitanφi+cili=(Gicosθ-Fisinθ)tanφi+cili

(13)

第i滑塊的下滑力為：

Si=Gisinθ+Ficosθ+Ei-Ei+1

(14)

故第i滑塊的安全系數(shù)為：

(15)

則邊坡安全系數(shù)為：

(16)

式(16)適合于復(fù)雜滑動面的邊坡穩(wěn)定性分析。由于本文研究對象為順層邊坡，前面假設(shè)邊坡為單一滑面，不考慮地下水狀態(tài)改變對于滑面粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響，故可對式(16)進(jìn)行簡化，即

(17)

爆破動力的等效水平靜力：

F=kma

(18)

式中：m為邊坡滑體質(zhì)量，kg；a為振動加速度，cm/s2；k為靜力系數(shù)，一般為0.1～0.3。

振動加速度a與邊坡有一定分布規(guī)律，根據(jù)實測值與距離的關(guān)系可得出線性回歸方程，從而得出幾何中心點處的加速度。

1.2.2.2豎直振動加速度作用下的邊坡安全系數(shù)

圖5　受豎向振動影響的第i滑塊的作用力

(19)

邊坡安全系數(shù)為：

(20)

2算例分析

2.1工程概況

某1級公路橫穿一斜坡，斜坡在自然條件下穩(wěn)定性好。該公路路線走向為220°，巖層單斜產(chǎn)出，綜合產(chǎn)狀為316°∠31°，節(jié)理產(chǎn)狀主要有265°∠85°、147°∠87°兩組。強風(fēng)化巖體節(jié)理很發(fā)育，巖體較破碎，膠結(jié)物為泥質(zhì)，結(jié)合很差。下伏基巖為砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖，表層粉質(zhì)粘土厚0～5 m，強風(fēng)化層厚約5～7 m，巖層面結(jié)合很差。巖體類型為IV類，中風(fēng)化巖體較破碎-較完整，結(jié)構(gòu)面結(jié)合差，巖體類型為III類。工程地質(zhì)橫斷面如圖6所示。

赤平投影圖如圖7所示。圖7中，節(jié)理J1為265°∠85°，節(jié)理J2為147°∠87°。分析圖7可知，控制邊坡穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)面為巖層層面(316°∠31°)，巖體易沿巖層面產(chǎn)生順層滑塌失穩(wěn)。

圖7　赤平投影圖

2.2計算采用的物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探及取樣試驗，結(jié)合工程類比及文獻(xiàn)[7]進(jìn)行分析，確定各巖(土)層采用如下物理力學(xué)指標(biāo)。

含碎石粉質(zhì)粘土：γ=18 kN/m3，c=15 kPa，φ=10°，地基承載力基本容許值[fa0]=160 kPa。

強風(fēng)化砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖：γ=21 kN/m3，[fa0]=500 kPa。

中風(fēng)化砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖：γ=25 kN/m3，[fa0]=1 000 kPa。

強風(fēng)化巖體層間軟弱結(jié)構(gòu)面：c=30 kPa，φ=15°。

中風(fēng)化巖體層間軟弱結(jié)構(gòu)面：c=40 kPa，φ=21°。

2.3穩(wěn)定性分析計算

邊坡坡率采用1∶1～1∶1.25，計算不考慮爆破作用、考慮爆破松動破壞、考慮爆破振動作用3種情況對邊坡的影響，并得到如下結(jié)果。

1) 不考慮爆破作用對邊坡穩(wěn)定性的影響時，巖層面的抗剪強度指標(biāo)為：c=30 kPa、φ=15°，θ=29°，A=271.3 m2，l=65.8 m。代入式(1)計算得Ks=1.2。因此，當(dāng)不考慮爆破作用對邊坡層面影響時，邊坡按1∶1～1∶1.25放坡開挖，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2) 考慮爆破松動作用對邊坡的影響時，由文獻(xiàn)[7]的研究成果可知，層間抗剪強度受爆破作用影響，爆破松動后，考慮巖層層面上的粘聚力降低50%，內(nèi)摩擦角降低10%。此時巖層面的抗剪強度指標(biāo)變?yōu)椋篶2=15 kPa，φ2=13.5°，c1=30 kPa，φ1=15°，A1=158.5 m2，A2=112.8 m2，l1=36.3 m，l2=29.5 m。將上述參數(shù)代入式(5)計算，得Ks=1.02，表明邊坡處于臨界狀態(tài)。

3) 考慮爆破振動作用對邊坡的影響時，本文對水平爆破動力作用進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。此時巖層面的抗剪強度指標(biāo)變?yōu)椋篶=30 kPa，φ=15°，A=271.3 m2，l=65.8 m。爆破動力等效水平靜力按式(18)計算，其中靜力系數(shù)k取0.15，并根據(jù)爆破加速度實測值線性回歸出振動加速度a沿邊坡的分布規(guī)律，且估算出幾何中心點的加速度為3.1g。將上述參數(shù)代入式(17)計算，得Ks=0.58，表明邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

由算例分析可知，當(dāng)不考慮爆破作用對于邊坡穩(wěn)定性的影響時，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)考慮爆破松動破壞對于邊坡穩(wěn)定性影響時，邊坡處于臨界狀態(tài)；當(dāng)考慮爆破振動作用對邊坡穩(wěn)定性影響時，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行計算時，必須考慮爆破作用對于邊坡穩(wěn)定性的影響，選擇合適的爆破方法，且不合適的爆破方法可能導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)牽引式滑坡。由于巖體結(jié)構(gòu)特征是影響邊坡穩(wěn)定的主要內(nèi)部因素，而爆破開挖是誘發(fā)邊坡穩(wěn)定失穩(wěn)的外在因素，因此，選擇合適的爆破方法，控制爆炸應(yīng)力波的破壞范圍，盡量消除爆破振動的影響，是保證邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵[9]。

3結(jié)論與建議

本文建立了順層邊坡失穩(wěn)模型，推導(dǎo)了考慮爆破振動對邊坡穩(wěn)定性影響的安全系數(shù)，得到以下結(jié)論及建議。

1) 爆破開挖是引發(fā)邊坡產(chǎn)生滑坡的重大誘因，對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，需考慮其對邊坡穩(wěn)定性的影響。不同的爆破方法和工藝將產(chǎn)生不同的后果，因此，對于高陡的硬質(zhì)巖邊坡，建議采用光面預(yù)裂爆破技術(shù)。

2) 爆破振動對順層邊坡穩(wěn)定性的影響主要為松動破壞和爆破動力影響。爆破動力對含有軟弱夾層的順層邊坡尤為顯著，在邊坡設(shè)計和邊坡穩(wěn)定性分析時不能忽視。

3) 由于擬靜力法未包括爆破地震波的頻譜結(jié)構(gòu)差異、相位差等，因此，采用擬靜力法計算邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)時，僅考慮了某一條塊的峰值加速度，加之測試儀器誤差及環(huán)境因素影響，安全穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果很難反映爆破振動的實際情況。此外，由于計算時并未考慮巖體結(jié)構(gòu)特征、幾何尺寸和外來作用的隨機性，因此采用單一的安全系數(shù)來評價邊坡穩(wěn)定性和可靠性不易達(dá)成共識，建議采用可靠性理論來評價工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠度[9]。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉美山.特高邊坡開挖爆破技術(shù)及其對邊坡穩(wěn)定性的影響[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2005.

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[3]葛克水，陳慶壽.地質(zhì)條件在爆破工程實踐中的重要影響[J].西部探礦工程，2001(1)：90-91.

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Influences of Blasting on Stability of Bedding Rock Slopes

WANG Shuguang, XU Ran

Abstract:As a rapid and effective way for excavation of side slopes, blasting is extensively applied in civil construction; while the mounting effect of its explosive impact and detonation gases to joint surface of rocks raises negative influences on stability of side slopes adjacent to blasting area. This paper establishes a computing model in consideration of influences of blasting effect on side slopes, and quantitatively analyzes influences of blasting effect on side slopes from 3 aspects including static states, blasting loosening damage and blasting vibration by means of the limit equilibrium method; and analyzes and calculates stability of side slopes via actual calculation examples to verify influences of blasting on stability of side slopes.

Keywords:stability analysis; blasting effect, limit equilibrium method

文章編號：1009-6477(2016)01-0017-05

中圖分類號：U416.1+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：王曙光(1983-)，男，湖南省婁底市人，碩士，工程師。

收稿日期：2015-10-21

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51208522)；貴州省交通運輸廳科技項目(2012122033)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.005