爆破开挖对岩质高边坡稳定性的影响分析.pdf

第34卷 第4期 2017年12月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 4 Dec. 2017 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2017. 04. 012 爆破开挖对岩质高边坡稳定性的影响分析* 吴燕开 a，b， 胡晓士b， 石玉斌b， 韩 天 b， 于佳丽b （ 山东科技大学a.山东省土木工程防灾减灾重点实验室；b.土木工程与建筑学院， 青岛266590） 摘 要 以某采石厂矿石爆破开挖形成高边坡为例， 采用ABAQUS有限元软件对爆炸荷载引起的岩石振 动效应进行模拟研究， 得到了岩质高边坡在爆破作用下的位移规律和质点振动衰减规律。分析了开挖扰动 下地应力释放和爆炸应力波耦合作用下的边坡应力状态与边坡稳定性。结果表明 爆破振动产生的应力为 静力开挖的9倍， 振动造成局部岩体裂隙发育， 是边坡出现塑性变形的主要原因； 最大位移出现在边坡的中 下部， 质点振动的最大速度为59. 2 cm／ s。最后通过对边坡应力状态、 塑性区的发展、 位移变化以及质点的运 动速度四个方面对边坡的稳定状态进行了综合评价， 并今后指导施工提供一定依据。 关键词 爆破开挖；边坡；有限元；振动；稳定性 中图分类号 TU751. 9 文献标识码 A 文章编号 1001 －487X（2017）04 －0066 －07 Influence of Blasting Excavation on High Rock Slope Stability WU Yan-kaia， b， HU Xiao-shib，SHI Yu-binb，HAN Tianb，YU Jia-lib （a. Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization ＆ Sedimentary Minerals； b. School of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China） Abstract Taking a high slope ed by the quarry blasting as an example，the ABAQUS finite element software was used to simulate the rock vibration effect caused by the explosion load. The displacement law and the vibration attenuation law of the rock slope under the blasting were obtained. The stress state and slope stability of the slope un- der the interaction of ground stress release and explosive stress wave were analyzed. The results show that the stress generated by blasting vibration was 9 times than that of static excavation，and the local rock mass fissure was devel- oped due to vibration as the main reason for the plastic deation of the slope. The maximum displacement appears in the middle and lower part of the slope，the maximum speed of particle vibration was 59. 2 cm／ s. Finally，the stabil- ity of the slope was uated comprehensively by four aspects，the stress state of the slope，the development of the plastic zone，the displacement change and the velocity of the particle. Key words blasting excavation；slope；finite element；dynamic；stability 收稿日期2017 －08 －06 作者简介吴燕开（1976 －）男， 博士、 副教授， 主要从事地下工程支 护、 软基处理等方面的研究， （E-mail）wuyankai2000＠ 163. com。 通讯作者胡晓士（1992 －） 男， 硕士研究生， 主要从事地下工程支护 的研究， （E-mail）xinsuishenwang＠163. com。 基金项目山东科技大学科研创新团队支持计划项目（2105KYDT104） 随着国家“ 十三五” 计划的实施， “一带一路”方 案正如火如荼的进行着， 交通、 矿山、 水利、 城建等工 程建设也随之被拉动。这些工程涉及大量的边坡问 题， 爆破是现代岩质边坡工程开挖最主要的施工方 法之一［ 1，2］。但爆破开挖必然会对边坡保留岩体产 生不利影响， 如造成岩体的松动变形并伴有碎裂化 和结构面的张开， 从而使边坡失稳［ 3］。国家现阶段 急需对边坡的稳定性进行科学分析， 为工程施工提 供一定的理论依据。这也对边坡加固和滑坡的预测 预报有指导作用。 国外不少学者对岩质边坡在爆破情况下的影响 万方数据 做了深入研究。Hamid Reza采用波形叠加和数值 耦合两种方法研究爆破振动对节理岩体边坡稳定性 的影响， 预测矿井壁中爆炸振动的颗粒速度时间历 史［ 4］。Fereidooni提出了改进的岩石质量分类系 统［ 5］， 即坡度质量等级（ SQR） ， 采用该分类系统及 其分量参数结合现场调查数据的分析和结论来估计 岩石边坡稳定性。我国对边坡的静力学稳定研究已 取得比较好的成果， 计算方法已趋于成熟并得到广 泛推广， 但在爆破动力学稳定性研究方面起步较晚， 用于工程建设难度较大。国内学者欧阳建华针对某 凸形岩质边坡爆破开挖工程， 分析了爆破扰动对边 坡岩体稳定的影响［ 6］， 讨论并确定了该岩质边坡的 质点振动速度安全阈值。张智宇结合昆明市尖山磷 矿实际开采情况， 采用ANSYS有限元软件， 输入实 测爆破振动波形， 研究爆破振动作用下高边坡的振 动速度和应力的分布特征［ 7］。高文学结合改建工 程， 探讨不同爆破方法和不同设计边坡角度下， 下台 阶爆破开挖对上台阶边坡稳定性的影响［ 8］。陈明 基于断裂动力学理论， 针对爆破开挖对边坡岩体裂 纹失稳扩展的扰动作用进行研究［ 3］。 结合具体工程项目进行爆破开挖边坡震动效应 的数值模拟分析， 将开挖卸荷的地应力释放与岩体 爆破损伤进行耦合， 并与只考虑静力开挖作用进行 对比。得出边坡光面质点在爆破瞬间的振幅与离炮 孔一定距离质点的振动速度， 以及爆破振动有效影 响范围。 1 岩质高边坡稳定性影响与评价 1. 1 爆破对岩质高边坡稳定性影响 对于矿区露天开采多是采用由上至下呈台阶状 进行。基于岩石爆破作用原理［ 9］， 爆破破岩过程主 要是应力波和爆轰气体压力共同作用的结果。爆炸 使气体发生瞬间膨胀对药包周围的岩石结构面进行 挤压， 使岩体内部产生剪切破坏； 当岩石内部产生裂 纹时， 裂纹在重力和开挖卸荷共同作用下不断发展。 造成边坡整体沿贯通面滑移而发生失稳， 严重影响 生产与安全。 1. 2 岩质高边坡动力稳定性评价 目前对岩质高边坡的动力稳定性评价主要有以 下两种方法 （1） 经验法。经验法中包含位移法、 速 度判断法、 应力阈值法［ 10］， 其中速度判断法应用最 广。一般认为， 爆破振动速度的大小和边坡破坏程 度密切相关， 因此可以设定振动安全临界值， 以此决 定爆破施工方法。但这种方法受岩体因素和施工因 素影响很大，只能根据相似工程进行类比分析。 （2） 安全系数评判法。平曈其、 刘汉龙等结合极限 平衡稳定分析方法［ 11-13］， 提出稳定安全系数时程算 法， 并对此方法进行调整， 将最小平均动力安全系数 作为评价指标， 但缺乏实际工程资料的验证。本文 选用应用较广的经验法， 对边坡的安全稳定性进行 评价。 2 矿区高边坡动力稳定性模拟分析 2. 1 工程概况 该矿区位于山东省东平县城西北方向的丘陵 区， 地势东高西低， 相对高差187 m。矿区范围内基 岩裸露良好， 局部地段有一层松散残坡积物覆盖层 （ 厚度0. 2 0. 5 m） ， 岩质整体为石灰岩无裂隙发 育。地表水系不发育， 大气降水顺地势径流。根据 本矿区岩石的物理力学参数（如表1所示） 、 地质构 造、 水文地质条件、 开采技术条件等确定开挖方式为 呈台阶放坡开挖。 2. 2 爆轰力的选择及确定 矿区设计采用中深孔电雷管延时爆破方案， 爆 破的各具体参数如表2所示。 表1 石灰岩参数 Table 1 Parameters of limestone 密度 ρ／ （kgm －3） 弹性模量 E／ GPa 泊松比μ 粘聚力 C／ kN 摩擦角 Φ／ 剪胀角 Ψ／ 抗拉强度 σb／ MPa 抗剪强度 σT／ MPa 抗压强度 σc／ MPa 2600700. 25500035551245 表2 爆破参数 Table 2 Blasting parameters 炸药密度ρ0／ （kgm －3） 爆轰速度D／ （ms －1） 等熵 指数K 炮孔直径 dh／ m 装药直径 de／ m 相邻炮孔 间距a／ m 1650690030. 1000. 0803. 8 76第34卷 第4期 吴燕开， 胡晓士， 石玉斌， 等 爆破开挖对岩质高边坡稳定性的影响分析 万方数据 在数值模拟计算过程中对爆炸荷载进行如下 假设 （1） 采用等效荷载施加方法， 即在同排炮孔连 心线所在竖直平面， 施以等效时程荷载。 （2） 假设爆破荷载为三角形。爆炸压力主要由 爆炸产生的气体膨胀压力产生， 对于耦合装药条件， 孔壁压力可由以下公式确定［ 8］ Ph＝ ρ0D2 2（K ＋ 1） （1） 式中Ph为孔壁压力；ρ0为炸药密度；D为炸药 的爆轰速度；K为等熵指数。 对于不耦合装药情况， 由于炸药产生的气体将 在炮孔内自由膨胀， 孔壁压力可根据下式进行调整 计算 Ph＝ ρ0D2 2（K ＋ 1） de d J h 2k （2） 式中de、dh分别为装药直径和炮孔直径。 模型中将等效爆破荷载施加在炮孔中心的连接 线上， 故爆破荷载的计算压力可通过下式计算 Pe＝ dh J a Ph（3） 式中Pe为爆破荷载等效峰值压力；a为相邻炮 孔间距。 根据上述假设和式（1） （3）进行计算， 得到在 缓冲爆破条件下，爆破等效荷载峰值应力为 66. 7 MPa。有限元模拟计算中， 从加载到峰值应力 的升压时间设为0. 03 s，爆压总体作用时间设为 0. 10 s。 2. 3 截面选定 在分析中考虑边坡裂隙与地表水侵入岩石的状 况， 结合矿区开采形成的边坡状态进行综合分析， 根 据提供的资料以及今后开挖的边界条件， 选取最危 险截面作为整个矿区的典型剖面进行计算与分析。 其开挖剖面图如图1所示 确定设计边坡台阶高度 为9 10 m； 终了台阶坡面角为70； 采场最终整体 边坡角49. 6； 安全平台宽度3 m； 清扫平台宽度 5 m。 2. 4 有限元模拟工况的选择与模型创建 本次模拟分两种工况进行， 第一种为静力开挖 （ 即边坡的稳定性分析不考虑爆破荷载的影响） ， 第 二种为动力开挖（即边坡的稳定性分析考虑爆破荷 载的影响） ； 每种工况都选择分层开挖， 层数为14 层， 第一层开挖深度为20 m， 之后每层开挖深度为 10 m， 底层开挖深度为9 m， 总开挖深度为149 m。 其网格划分如图2所示， 由于该矿区开采为分层分 段开挖， 采用三维空间模型更能真实反映部分岩石 在空间中的变化状况， 故模型采用三维空间模型。 由于本工程只分析边坡开挖后的应力、 位移、 速度变 化， 自由度 ≤3 ， 对于分析问题的分析精度要求一般， 分析方式采用高斯完全积分方式，故单元类型为 C3D8（ 八节点线性三维实体单元） 。 图1 矿区开挖剖面图（ 单位m） Fig. 1 Section of the mining area of the mining area（unitm） 图2 单元模型的建立与网格划分图 Fig. 2 The establishment of model and mesh generation 2. 5 本构模型与边界条件 由于矿区整体为石灰岩， 台阶下部开挖岩体没 有结构软弱面， 可将岩体视为弹塑性体， 计算时采用 Mohr-Coulomb强度准则； 为了降低边界面上反射应 力波对数值模拟结果的影响［ 14］， 计算时采用 Lysme 和Wass提出的黏性边界条件进行处理。 3 有限元模拟计算结果分析 3. 1 应力分析 图3（a） 、 （b）分别为矿区在静力开采和爆破开 采时对边坡应力场影响的计算云图， 由图3可知在 爆破开挖情况下应力最大值为31 410 kN， 出现在离 开挖底面50 m高度处。若仅考虑静力开挖的卸荷 作用， 应力最大值出现在边坡的底部， 距底部水平位 移越近应力越大， 最大值为3491 kN。可见爆破产 生的影响约为静力开挖的9倍， 由于该应力值在石 灰岩的抗剪强度与抗压强度值之间， 爆破动荷载通 过岩体本身的不同层面与结构不连续面的界面起反 86爆 破 2017年12月 万方数据 射和折射作用， 导致超压增大［ 13］， 故部分岩体在剪 切力的作用下发生破坏而出现裂隙发育， 裂隙在动 荷载作用下逐渐贯通从而造成部分岩体破碎， 破碎 的岩石在振动作用下容易发生较大位移而脱离整个 岩体， 造成局部崩塌和呈台阶滑落等。若整个岩体 在爆破振动下岩块滑落较多， 则边坡就会发生失稳。 而在静力开挖下边坡仅受重力影响， 本矿区的岩石 开采为放坡开挖，边坡因重力造成的最大应力 3491 kN， 小于岩石的抗拉强度， 岩石不会破坏。故 爆破振动是造成边坡失稳的主要原因。 图3 矿区开挖后对边坡的应力变化 Fig. 3 Stress changes of slope after excavation 爆破产生震动波， 震动波以一定的衰减值向四 周传播， 引起开挖后所产生的边坡发生震动而导致 应力发生变化， 造成局部应力集中。可以从以下两 方面进行分析［ 3］ （1） 爆炸应力波的影响。工程在爆破开挖过程 会产生弹性P波和SV波。当这两种波入射到裂纹 面时， 理想裂纹对弹性波的散射作用将在裂纹尖端 同时产生Ⅰ和Ⅱ型动态应力强度因子。岩体在地应 力与爆炸应力共同作用下可能出现沿结构面的剪切 破坏、 拉裂破坏、 岩石的压剪破坏三种破坏形式， 且 以沿着结构面的压剪破坏和拉剪破坏两种模式为 主。而结构面的拉裂破坏一般是由爆炸应力波经自 由面反射而形成的拉应力波所造成的。 （2） 开挖卸荷的影响。开挖过程中， 邻近裂纹 区部位的应力边界条件被改变， 从而引起裂纹近区 的应力重分布， 进而造成裂纹扩展模式的改变。 3. 2 塑性应变 边坡在外力作用下会出现弹塑性变形， 对于工 程施工主要考虑塑性区的位置与发展变化。由图4 可知 仅在静力开挖作用下， 边坡不会出现塑性变 形， 而考虑爆破荷载作用后， 边坡塑性应变最大值为 3. 281％， 出现在距离开挖底面50 m高度附近。爆 破荷载导致边坡出现的塑性区仅在局部区域， 并没 有产生一个完整滑动面， 所以对边坡的影响不大。 其等效塑性应变最大值点随时间的变化如图5所 示。可知在9. 9 s之前该点的塑性应变一直是0， 在 10 11 s之间已出现一个较小的塑性应变，而在 11. 1 s时应变突然增大， 此时正在爆破第11层， 塑 性应变出现的位置是第10层。由此可见边坡在爆 破荷载作用下， 对爆破开挖点下部的岩石基本不会 造成影响， 但会对本层岩体以及上层岩体造成一定 影响， 在该爆破荷载的影响不会导致边坡失稳。 图4 矿区开挖边坡产生的塑性应变 Fig. 4 Plastic strain of the excavation slope in the mining area 96第34卷 第4期 吴燕开， 胡晓士， 石玉斌， 等 爆破开挖对岩质高边坡稳定性的影响分析 万方数据 图5 塑性应变最大值点随时间的变化 Fig. 5 The change of plastic strain maximum point with time 3. 3 边坡的位移 位移变化也是评价边坡稳定性的一个重要指 标。图6分别为静力开挖与爆破开挖两种工况条件 下边坡的位移云图。 由图6可知， 不考虑爆破荷载时， 随着开挖深度 的增加， 边坡的位移先增大后减小， 位移最大值为 1. 049 mm出现在边坡的中下部， 这说明静力开挖 下， 整个150 m的岩质边坡不会出现任何失稳的可 能。当矿区在爆破条件下进行开采， 由于爆破荷载 的作用， 边坡位移出现两个峰值， 第一个峰值出现在 爆破第一层时， 水平位移为6. 023 mm， 竖向位移为 2. 555 mm。第二个峰值出现在开挖10层时， 出现 在离开挖底面50 m高度附近。此时的水平位移为 1. 997 mm， 竖向位移为26. 49 mm。在坡顶出现第 一个峰值的原因是整个矿区开挖的是一个小山丘， 爆破开挖的第一层在山丘的顶部， 横向约束较小故 位移较大。出现第二个峰值的位置与静力开挖出现 峰值的位置很接近， 但位移值是静力开挖的26倍。 可见， 动力爆破是造成边坡失稳的主要原因， 但在该 工况下施工， 不会对边坡稳定性造成过大影响。 图6 不同工况开挖下边坡的位移云图与位移 Fig. 6 Displacement contour and displacement of slope under different working conditions 图7为考虑爆破荷载作用下边坡不同位置处位 移变形随时间的变化曲线图， 图中坡顶竖向位移随 时间变化的最大峰值为19. 90 mm， 坡顶水平位移峰 值为3. 412 mm。可以看出， 对于坡顶， 开挖爆破第 一层时对其影响较大， 随着开挖深度的增加， 爆破点 离坡顶的距离也在不断增大， 爆破振动波随着距离 的增加在不断衰减， 故对坡顶造成的影响越来越小。 坡中水平位移峰值为16. 78 mm， 竖向位移峰值为 41. 83 mm。可知对于坡中在爆破开挖上部区域时 基本不会对下部区域造成影响， 当爆破本层时才会 造成较大影响。坡底水平位移峰值为0. 238 mm， 竖 向位移峰值为4. 256 mm。对于边坡底部区域从爆 破第10层时就会有影响， 以后每爆破一层都会有一 个较大峰值出现， 但各峰值总体变化趋势是逐渐减 小。所以这是由于爆破振动波向下传播比横向传播 的能量大造成的。 爆破振动波在向四周传播过程中能量不断损 耗，对边坡的影响也会随着距离的增加而减小。 图8为随离坡壁距离的增加质点的位移变化曲线 图， 由图可以看出随着离边坡侧壁距离的增加， 质点 的位移变化速率为先缓后快再缓， 最后趋于0。在 在距坡壁3 m和15 m时出现两个拐点， 说明在该工 况下爆破震动的保持区为3m， 振动的有效影响范围 为15 m。 图7 边坡不同位置处位移变形随时间变化图 Fig. 7 Displacement and deation at different position of slope at different time 07爆 破 2017年12月 万方数据 图8 随离坡壁距离的增加质点的位移变化 Fig. 8 The displacement of the particles increases of slope at different time with the distance from the slope wall 3. 4 边坡振动速度的变化 由于位移最大值点出现在第10层， 故选该层的 最大值点导出其速度随时间的变化可知速度最大值 为59. 2 cm／ s， 出现在11. 0 11. 1 s时。对比表3 可知岩石在爆破荷载作用下只发生轻微的损伤， 并 未能对整个边坡的稳定性造成过大的影响， 这正好 与边坡的应力变化相对应， 验证了模拟的准确性。 在这种情况下边坡还是处于稳定安全状态。对于随 离坡壁距离的增加质点的振动速度变化如图9所 示， 可知离坡壁越远质点的振动速度越小且这种变 化成非线性降低。根据曲线可求出回归公式 Y ＝ A 1 ＋ Bx （4） 式中Y为质点震动速度；x为质点离坡壁距离， 在该工况下回归公式的系数A ＝61. 2，B ＝0. 07。 图9 随离坡壁距离的增加质点的振动速度变化 Fig. 9 Vibration velocity variation of particle 根据该回归公式并结合表3可近似推断出岩石 危险截面处任意一点的振动速度， 并对该处的岩体 受爆破振动影响后裂隙的发育情况做出初步的判 断， 在进行工程施工时可有目的的对危险截面进行 监测， 做好工程安全防范准备。 3. 5 边坡稳定性综合分析评价 由于该矿区处于山脉的边沿处， 山坡孤立且地 势起伏平缓， 故可消除爆破开挖后山与山之间的相 互影响。矿区范围内基岩裸露良好， 矿区内地表水 系不发育， 因此地表水渗流对边坡失稳造成的影响 可以忽略， 不会对边坡稳定性造成影响。整个矿区 裂隙较少且不发育， 故岩体完整度好， 结合前面的数 值模拟分析， 从应力和质点的振动速度方面分析岩 质高边坡岩石只是发生轻微损伤， 不会造成整个岩 体的破损。当爆破产生的应力小于岩石的抗剪强度 时岩石不会产生破裂， 若该部分有裂隙也不会造成 裂隙扩展， 则该矿区岩石还是一个整体， 不会对边坡 稳定性造成影响。而从塑性应变与位移变形方面分 析整个边坡的稳定性没有受到影响， 只是在局部区 域变形较大。故在施工时应对其进行及时监测， 做 好防范工作。 表3 不同PPV下岩石损伤效果［ 15］ Table 3 Effect of rock damage under different PPV VPP／（cms －1） 岩石损伤效果 （0，25）完整岩石不会致裂 （25，63. 5）发生轻微的拉伸层裂 （63. 5，254）严重的拉伸裂缝及一些径向裂缝 （254， ＋ ∞ ）岩体完全破碎 4 结论 针对具体工程， 建立开挖扰动下地应力释放与 爆炸应力波耦合作用下的边坡模型， 从多方面分析 边坡的稳定性， 得到以下几点结论 （1） 爆破振动产生的应力波是边坡出现塑性应 变的主要原因； 爆炸应力波与开挖卸荷相互作用造 成结构面的拉裂破坏， 进而导致裂纹尖端的静态应 力强度因子发生变化， 甚至会造成裂纹扩展模式的 改变和岩体的裂隙发育。 （2） 边坡在爆破荷载的作用下， 对爆破开挖点 下部的岩石基本不会造成影响， 但会对本层的岩体 以及上层岩体造成一定的影响。塑性区出现在边坡 的中下部。 （3） 在该工况下爆破岩质边坡只是发生了轻微 的损伤， 不会影响到边坡的稳定性。如若增加边坡 稳定性可考虑采用缓冲爆破。 参考文献（References） ［1］ 任月龙， 才庆祥， 张永华， 等.岩体蠕变对露天矿边坡 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