爆炸荷载下岩质边坡动力响应规律研究.pdf

第36卷 第4期 2019年12月 爆 破 BLASTING Vol. 36 No. 4  Dec. 2019 doi10. 3963／ j. issn. 1001 －487X. 2019. 04. 004 爆 炸 荷 载 下 岩 质 边 坡 动 力 响 应 规 律 研 究 * 叶 明 班 ， 高 文 学 ， 曹 晓 立 ， 宋 肖 龙 ， 季 金 铭 （ 北 京 工 业 大 学 建 筑 工 程 学 院 ， 北 京100124） 摘 要 为 研 究 爆 炸 荷 载 作 用 下 边 坡 岩 体 的 动 力 响 应 变 化 规 律 ， 基 于 背 景 工 程 结 合 岩 质 边 坡 下 部 台 阶 爆 破 开 挖 进 行 现 场 振 动 监 测 ， 建 立 了 岩 质 边 坡 动 力 响 应 数 值 计 算 模 型 ， 系 统 分 析 了 边 坡 岩 体 质 点 峰 值 振 速 、 应 力 场 及 位 移 场 的 变 化 和 分 布 规 律 。结 果 显 示 边 坡 坡 顶 处 ， 质 点 峰 值 振 速 均 随 爆 心 距 增 大 而 衰 减 ， 且 衰 减 速 率 随 爆 心 距 增 加 逐 渐 减 小 ； 边 坡 坡 面 上 ， 相 邻 台 阶 上 存 在 高 程 放 大 效 应 现 象 ， 局 部 放 大 系 数 达1. 50； 同 一 台 阶 外 缘 “鞭 梢 效 应 ”显 著 ， 靠 近 爆 源 处 台 阶 外 缘 质 点 峰 值 振 速 放 大 系 数 为1. 46， “鞭 梢 效 应 ”随 高 程 增 加 逐 渐 减 弱 ； 台 阶 边 坡 坡 脚 处 应 力 集 中 明 显 ， 坡 形 骤 变 对 应 力 波 动 影 响 较 大 ， 受 “鞭 梢 效 应 ”影 响 ， 边 坡 台 阶 上 质 点 峰 值 振 速 最 大 值 与 应 力 最 大 值 出 现 位 置 无 相 关 性 。 关 键 词 岩 质 边 坡 ；爆 破 开 挖 ；振 动 监 测 ；动 力 响 应 ；鞭 梢 效 应 中 图 分 类 号 TU457 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1001 －487X（2019）04 －0031 －06 Dynamic Response Law of Rock Slope under Explosive Loading YE Ming-ban，GAO Wen-xue，CAO Xiao-li，SONG Xiao-long，JI Jin-ming （College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China） Abstract In order to study the dynamic response of slope rock mass under explosion load change rule，based on the background engineering and the blasting excavation of the lower step of the rock slope，the field vibration monito- ring was carried out，and the dynamic response model of the rock slope was established，the variation and distribution of particle peak velocity stress field and displacement field of slope rock mass were systematically analyzed. The re- sults showed that at the top of the slope，the peak velocity of particle decreases with the increase of the detonation distance，and the attenuation rate decreases with the increase of the detonation distance. Elevation amplification effect exists on the slope and adjacent steps，with the local amplification factor reaching 1. 50. The “whipping effect“ on the outer edge of the same step is significant. The amplification factor of the peak vibration velocity of the particle on the outer edge of the step near the blasting source is 1. 46. The stress concentration is obvious at the foot of the slope step，and the sharp change of slope shape has a great influence on the stress fluctuation. Key words rock slope；blasting excavation；vibration monitoring；dynamic response；whipping effect 收 稿 日 期 2019 －09 －19 作 者 简 介 叶 明 班 （1994 －） ， 男 ， 硕 士 研 究 生 ， 主 要 从 事 爆 破 荷 载 作 用 下 岩 质 高 边 坡 动 力 响 应 研 究 ， （E-mail）1142877537＠ qq. com。 通 讯 作 者 高 文 学 （1962 －） ， 男 ， 博 士 、 现 任 教 授 、 博 士 生 导 师 ， 主 要 从 事 路 桥 基 础 工 程 、隧 道 工 程 方 面 的 教 学 与 研 究 工 作 ， （E-mail）wxgao＠ bjut. edu. cn。 基 金 项 目 国 家 重 点 研 发 计 划 “科 技 冬 奥 ”重 点 专 项 2018YFF 0300205 岩 质 边 坡 安 全 问 题 一 直 是 岩 土 工 程 领 域 十 分 关 注 的 课 题 。随 着 现 代 爆 破 技 术 的 快 速 发 展 和 广 泛 运 用 ， 爆 破 荷 载 的 作 用 已 成 为 影 响 岩 质 边 坡 稳 定 的 重 要 因 素 。爆 破 荷 载 对 边 坡 的 作 用 是 一 个 动 态 过 程 ， 主 要 表 现 为 爆 破 扰 动 使 边 坡 岩 体 结 构 面 抗 剪 强 度 参 数 降 低 、 使 坡 体 整 体 下 滑 力 增 大 ， 进 而 导 致 边 坡 动 力 失 稳 ［1］。 近 年 来 ， 学 者 们 已 经 利 用 现 场 实 验 、 数 值 模 拟 等 手 段 研 究 岩 质 边 坡 动 力 稳 定 问 题 ， 并 取 得 了 一 系 列 研 究 成 果 ［2，3］。任 永 强 采 用 爆 破 监 测 数 据 结 合 数 值 万方数据 模 拟 方 法 ［4］， 研 究 爆 破 振 动 作 用 下 ， 不 同 部 位 岩 体 质 点 振 动 速 度 、 位 移 、 应 力 的 响 应 特 点 ， 结 果 表 明 数 值 模 拟 手 段 能 比 较 真 实 地 反 映 爆 破 动 力 响 应 结 果 。 高 艳 华 在 研 究 节 理 对 爆 破 应 力 波 传 播 特 性 的 影 响 中 得 出 爆 破 应 力 波 振 速 、 频 率 及 其 衰 减 规 律 影 响 岩 质 边 坡 的 安 全 稳 定 ［5］。V Graizer认 为［6］， 低 速 率 带 和 地 质 地 貌 是 振 动 放 大 效 应 的 主 要 原 因 。唐 海 通 过 量 纲 分 析 得 出 的 反 映 凸 形 地 貌 高 程 变 化 的 爆 破 振 动 公 式 能 比 较 准 确 地 反 映 正 高 程 差 放 大 效 应 ［7］。陈 明 基 于 理 论 分 析 和 数 值 模 拟 研 究 了 边 坡 爆 破 振 动 速 度 的 高 程 放 大 效 应 和 “鞭 梢 效 应 ”现 象 ［8］， 结 果 表 明 高 程 放 大 效 应 只 在 一 定 的 条 件 下 产 生 ， 边 坡 台 阶 突 出 位 置 岩 体 会 产 生 “鞭 梢 效 应 ” 。欧 阳 建 华 通 过 研 究 实 测 爆 破 信 号 ， 发 现 凸 形 边 坡 体 的 质 点 振 速 存 在 高 程 放 大 效 应 ， 且 凸 形 边 坡 较 其 他 坡 体 的 高 程 放 大 效 应 更 为 显 著 ［9］。 在 上 述 研 究 成 果 的 基 础 上 ， 基 于2022年 冬 奥 会 高 山 滑 雪 赛 道 中 间 平 台 边 坡 岩 体 爆 破 开 挖 背 景 工 程 ， 对 赛 道 边 坡 下 部 台 阶 爆 破 进 行 振 动 监 测 、 振 动 信 号 采 集 ， 在 此 基 础 上 建 立 边 坡 岩 体 爆 破 动 力 响 应 数 值 计 算 模 型 ， 系 统 研 究 边 坡 岩 体 质 点 振 速 、 应 力 场 及 位 移 场 的 变 化 与 分 布 规 律 ， 为 边 坡 岩 体 爆 破 提 供 合 理 的 理 论 依 据 ， 并 为 后 续 优 化 爆 破 施 工 方 案 提 供 参 考 。 1 爆 破 振 动 信 号 监 测 与 分 析 1. 1 工 程 概 况 北 京2022年 冬 奥 会 延 庆 赛 区 位 于 北 京 市 延 庆 区 小 海 坨 山 区 域 。本 次 工 程 是 冬 奥 会 高 山 滑 雪 赛 道 中 间 平 台 边 坡 爆 破 开 挖 ， 设 计 为 三 级 边 坡 ， 第1级 边 坡 高4. 4 m， 第2、3级 边 坡 高9 m， 边 坡 坡 率 均 为 1∶0. 3， 第1、2级 边 坡 已 采 用 机 械 开 挖 完 成 ， 第3级 边 坡 拟 采 用 爆 破 开 挖 。根 据 现 场 施 工 环 境 的 分 析 ， 设 计 采 用 深 孔 松 动 控 制 爆 破 ， 一 次 爆 破 达 到 设 计 边 坡 高 程 。 设 计 钻 孔 直 径φ ＝ 100 mm， 抵 抗 线W ＝ 2. 5 ～ 3.0 m， 孔 距a ＝3.0 ～3.5 m， 排 距b ＝2.5 ～3. 0 m， 钻 孔 超 深0.3 ～0.7 m， 炸 药 单 耗q取0.3 ～0.45 kg／ m3， 堵 塞 长 度 取 最 小 抵 抗 线 的0. 7 ～0.8倍 ， 选 用2＃岩 石 乳 化 炸 药 。本 次 爆 破 总 药 量4704 kg， 最 大 单 响 药 量 792 kg。炮 孔 布 置 示 意 图 如 图1。 1. 2 爆 破 振 动 信 号 监 测 爆 破 信 号 监 测 采 用TC-4850N测 振 仪 和 速 度 传 感 器 进 行 ， 测 振 时 将 速 度 传 感 器 用 石 膏 固 定 在 测 点 位 置 ， 然 后 通 过 数 据 线 将 测 振 仪 和 传 感 器 连 接 ， 启 动 数 据 采 集 功 能 ， 即 可 进 入 待 触 发 采 集 爆 破 信 号 状 态 。 仪 器 上 可 以 现 场 预 览 采 集 到 的 测 点 振 速 波 形 图 ， 同 时 显 示 测 点 三 个 方 向 的 峰 值 振 速 及 发 生 时 刻 。 图1 现 场 边 坡 炮 孔 及 测 点 布 置 横 断 面 示 意 图 Fig. 1 Cross-sectional sketch of boreholes and survey points layout on site slope 监 测 共 布 置 了 四 个 测 点 ， 相 邻 测 点 间 距 为5 m， 各 测 点X方 向 指 向 爆 区 ， 为 径 向 ，Y方 向 为 切 向 ，Z 方 向 为 竖 向 ， 测 点 布 置 如 图1。监 测 结 果 见 表1。图 2距 爆 源10 m处 的 测 点1三 个 方 向 振 速 波 形 图 。 图2 测 点1振 速 波 形 图 Fig. 2 Vibration velocity wave of measuring point 1 1. 3 爆 破 振 动 信 号 分 析 本 次 监 测 的4个 测 点 均 位 于 边 坡 顶 同 一 高 程 平 面 处 ， 基 于 式 （1） 对 监 测 到 的 各 测 点 峰 值 振 速 进 行 拟 合 回 归 分 析 ， 得 到 该 场 地 条 件 下 的 爆 破 振 动 峰 值 振 速 衰 减 规 律 。实 际 监 测 结 果 与 拟 合 值 统 计 如 表1。 V ＝ K 3 √ Q R α （1） 式 中 V为 质 点 振 速 ；Q为 最 大 单 段 用 药 量 ；R 为 爆 心 距 ；K、α为 与 地 质 条 件 相 关 的 系 数 。 拟 合 结 果 如 式 （2）～式 （4） ， 质 点 峰 值 振 速 拟 合 曲 线 如 图3。 VX＝ 8. 98 3 √ Q R 0. 44 （r ＝ 0. 988） （2） VY＝ 7. 92 3 √ Q R 0. 42 （r ＝ 0. 944） （3） 23爆 破 2019年12月 万方数据 VZ＝ 14. 29 3 √ Q R 0. 89 （r ＝ 0. 979） （4） 式 中 r为 复 相 关 系 数 。 表1 测 点 各 向 峰 值 振 速 表 Table 1 Point-to-peak vibration velocity table 峰 值 振 速／（cms －1） 测 点 编 号 爆 心 距／ m 实 测 值 水 平 径 向X 拟 合 值相 对 误 差％实 测 值 水 平 切 向Y 拟 合 值相 对 误 差％实 测 值 竖 向Z 拟 合 值相 对 误 差％ 1＃108. 5718. 6731. 197. 8897. 6592. 9113. 84513. 3343. 69 2＃157. 3597. 2541. 436. 1986. 4494. 058. 6069. 2937. 98 3＃206. 4956. 3901. 615. 5365. 7083. 117. 3507. 1932. 14 4＃255. 9865. 7923. 255. 4095. 1933. 996. 0025. 8971. 75 图3 质 点 峰 值 振 速 拟 合 曲 线 图 Fig. 3 Fitting Curve of Peak Vibration Velocity of Particles 质 点 峰 值 振 速 实 测 值 与 基 于 式 （1）拟 合 值 的 相 对 误 差 统 计 结 果 如 表1， 两 者 相 对 误 差 较 小 ， 拟 合 结 果 具 有 较 高 的 可 靠 度 。 图3及 式 （2）～式 （4） 显 示 ， 质 点 竖 向Z峰 值 振 速 大 于 水 平 径 向X和 水 平 切 向Y， 质 点Z向 振 速 影 响 边 坡 的 安 全 和 稳 定 ； 测 点 三 个 方 向 峰 值 振 速 变 化 趋 势 一 致 ， 均 随 爆 心 距 增 大 而 衰 减 ， 衰 减 速 率Z向＞ X向＞ Y向 ； 距 爆 源25 m处 质 点 峰 值 振 速 已 经 减 小 到5 m处 的50％以 下 ，Z向 更 是 减 小 到 距 爆 源 5 m处 的23％， 在 爆 心 距 超 过50 m时 ， 质 点 峰 值 振 速 衰 减 基 本 趋 于 平 缓 ，X、Y向 维 持 在5 cm／ s左 右 ，Z 向 维 持 在3 cm／ s附 近 ， 说 明 质 点 峰 值 振 速 衰 减 速 率 随 爆 心 距 的 增 加 逐 渐 减 小 。 本 次 监 测 速 度 最 大 值 为 测 点1处 的 竖 向 峰 值 振 速13. 845 cm／ s， 依 据 表2边 坡 安 全 判 据 ， 认 为 爆 炸 荷 载 作 用 下 边 坡 坡 顶 平 面 处 岩 体 没 有 明 显 损 伤 ， 处 于 安 全 状 态 。 表2 岩 石 爆 破 损 伤 的 质 点 峰 值 振 动 速 度 临 界 值 ［10］ Table 2 Threshold of peak vibration velocity of rock blasting damage ［10］ 质 点 峰 值 振 速／（cms －1） 岩 体 损 伤 效 果 26边 坡 有 较 小 的 张 开 裂 隙 56地 表 有 小 裂 缝 76花 岗 岩 露 头 上 裂 缝 宽 约3 cm 110 花 岗 岩 露 头 上 裂 缝 宽 约3 cm、 地 表 有 裂 缝 超 过10 cm 2 岩 质 边 坡 爆 破 振 动 数 值 模 拟 2. 1 岩 体 力 学 参 数 根 据 现 场 高 密 度 电 法 勘 探 报 告 成 果 显 示 ， 边 坡 所 处 岩 层 为 花 岗 岩 碎 石 土 、 中 风 化 花 岗 岩 。岩 层 力 学 参 数 如 表3所 示 。 表3 岩 层 力 学 参 数 表 Table 3 Rock layer mechanical parameters table 岩 层 弹 性 模 量／ GPa 压 缩 模 量／ GPa 泊 松 比 密 度／ （kgm －3） 黏 聚 力／ MPa 内 摩 擦 角／ 抗 拉 强 度／ MPa 花 岗 岩 碎 石 土18. 524. 90. 3021509. 2452. 1 中 风 化 花 岗 岩27. 544. 40. 25250014. 7602. 7 2. 2 计 算 模 型 及 参 数 选 取 2. 2. 1 计 算 模 型 构 建 数 值 计 算 模 型 ， 将 最 终 开 挖 边 坡 面 作 为 爆 破 荷 载 作 用 的 对 象 。通 过 数 值 模 拟 时 程 分 析 ， 研 究 爆 破 开 挖 边 坡 岩 体 质 点 振 动 速 度 、 主 应 力 和 位 移 的 变 化 和 分 布 规 律 。将 边 坡 岩 体 视 为 理 想 的 弹 塑 性 体 ， 计 算 时 采 用Mohr-Coulomb强 度 屈 服 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 ， 采 用Lysmer和Wass提 出 的 黏 性 边 界 条 件 进 行 处 理 。 33第36卷 第4期 叶 明 班 ， 高 文 学 ， 曹 晓 立 ， 等 爆 炸 荷 载 下 岩 质 边 坡 动 力 响 应 规 律 研 究 万方数据 计 算 模 型 包 括 中 间 平 台 边 坡 和 雪 道 路 基 ， 边 坡 坡 率 为1∶0. 3， 第1级 边 坡 高 度 为4. 4 m，2、3级 边 坡 高 度 均 为9 m。根 据 郑 颖 人 对 有 限 元 模 型 边 界 计 算 精 度 最 理 想 的 尺 寸 取 值 建 议 ， 模 型 范 围X方 向 为 100 m，Z方 向 为45 m， 共 划 分 二 维 网 格 单 元19091 个 ， 如 图4。 图4 数 值 计 算 模 型 Fig. 4 Numerical calculation model 2. 2. 2 爆 破 等 效 荷 载 爆 破 等 效 荷 载 形 式 采 用 应 用 广 泛 的 半 经 验 半 理 论 的 三 角 型 脉 冲 荷 载 ［12］。根 据 凝 聚 炸 药 爆 轰 波 的 CJ理 论 ， 炸 药 初 始 平 均 爆 轰 压 力 为 P0＝ ρ0D2 2（γ ＋ 1） （5） 式 中 P0为 炸 药 初 始 平 均 爆 轰 压 力 ；ρ0为 炸 药 密 度 ；D为 炸 药 爆 轰 速 度 ；γ为 等 熵 指 数 。 对 于 不 耦 合 装 药 情 况 ， 作 用 在 炮 孔 壁 上 的 压 力 按 式 （6） 计 算 Ph＝ P0 d φ 2γ （6） 式 中 Ph为 不 耦 合 装 药 下 的 炮 孔 压 力 ；d为 装 药 直 径 ；φ为 炮 孔 直 径 ；γ为 等 熵 指 数 ， 取γ ＝3。 模 型 忽 略 炮 孔 形 状 的 影 响 ， 将 爆 破 荷 载 等 效 为 均 布 压 力 施 加 在 同 排 炮 孔 连 心 线 上 ， 等 效 爆 破 荷 载 峰 值 压 力 大 小 按 式 （7） 计 算 Pe＝ Ph φ a （7） 式 中 Pe为 作 用 在 炮 孔 连 心 线 上 的 峰 值 压 力 ；φ为 炮 孔 直 径 ；a为 孔 间 距 。 本 次 爆 破 为 深 孔 松 动 控 制 爆 破 ， 采 用2＃岩 石 乳 化 炸 药 ， 取 炸 药 密 度 为1. 1 g／ cm3， 爆 速 为4200 m／ s。 根 据 式 （5）～（7） 计 算 得 到 等 效 作 用 在 同 排 炮 孔 中 心 连 线 上 的 爆 破 荷 载 压 力 峰 值 大 小 为Pe＝4.76 MPa。 2. 2. 3 爆 炸 荷 载 作 用 时 间 爆 破 荷 载 升 压 时 间tr和 正 压 作 用 时 间td分 别 由 式 （8） 、 （9）计 算 ［13］。计 算 得 出 爆 破 荷 载 升 压 时 间 为2 ms， 正 压 作 用 时 间 为8 ms， 数 值 模 拟 取 总 计 算 时 间500 ms。 tr＝ 12r 2 － √ μQ 0. 05 ／ EV（8） td＝ 84 3 r 2 － √ μQ 0. 2 ／ EV（9） 式 中 EV为 岩 体 体 积 压 缩 模 量 ；μ为 岩 体 泊 松 比 ；r为 比 例 半 径 ，r ＝ R／ Rw，R为 离 药 包 轴 线 的 距 离 ，Rw为 装 药 半 径 （32 mm） ；Q为 装 药 量 。 2. 3 数 值 模 拟 计 算 结 果 分 析 基 于 上 述 等 效 计 算 模 型 ， 系 统 研 究 爆 破 荷 载 作 用 下 ， 岩 质 边 坡 质 点 振 动 速 度 、 边 坡 坡 面 岩 体 应 力 场 和 位 移 场 变 化 与 分 布 规 律 。 图5为 测 点1处 质 点 竖 向 振 动 速 度 数 值 模 拟 时 程 曲 线 图 ， 表4为 质 点 竖 向 峰 值 振 速 现 场 实 测 值 与 数 值 模 拟 计 算 值 的 对 比 统 计 。 图5 测 点1竖 向 振 动 速 度 数 值 模 拟 时 程 曲 线 Fig. 5 Numerical simulation time-course curve of vertical vibration velocity of measuring point 1 表4 测 点 竖 向 峰 值 振 速 模 拟 值 与 实 测 值 对 比 表 Table 4 Comparison of simulated and measured values of vertical peak vibration velocity of measuring points 测 点 编 号 峰 值 振 速／（cms －1） 实 测 值模 拟 值 相 对 误 差／ ％ 1＃13. 84514. 7636. 6 2＃8. 6069. 46310. 0 3＃7. 3508. 0679. 8 4＃6. 0026. 3595. 9 由 表4可 知 ， 数 值 模 拟 结 果 与 实 测 数 据 较 为 接 近 ， 相 对 误 差 不 大 于10％， 数 值 模 拟 结 果 具 有 较 高 的 可 靠 度 。但 是 从 表 中 数 据 可 知 ， 数 值 模 拟 结 果 大 于 现 场 实 测 值 ， 这 是 由 于 将 数 值 计 算 模 型 假 定 为 理 想 的 弹 塑 性 材 料 ， 没 有 充 分 考 虑 岩 体 内 部 节 理 裂 隙 的 影 响 ， 但 总 体 变 化 规 律 与 实 测 结 果 一 致 ， 误 差 较 小 。 2. 3. 1 质 点 振 动 速 度 边 坡 坡 面 上 质 点 峰 值 振 速 变 化 曲 线 如 图6。可 以 看 出 ， 边 坡 坡 面 水 平 径 向 （X）质 点 峰 值 振 速 和 合 43爆 破 2019年12月 万方数据 速 度 （V合＝V2 X＋ V 2 √ Z）方 向 上 总 体 呈 现 随 水 平 爆 心 距 增 加 而 衰 减 的 趋 势 ， 竖 向 （Z）质 点 峰 值 振 速 衰 减 规 律 不 明 显 。 图6 边 坡 坡 面 质 点 峰 值 振 速 变 化 曲 线 Fig. 6 Peak vibration velocity curve of slope slope 各 台 阶 面 上 ， 高 程 为1585. 4 m处 质 点 峰 值 振 速 大 于1581 m高 程 处 ， 且 竖 向1585. 4 m台 阶 处 质 点 峰 值 振 速 大 于1581 m和1572 m处 ， 表 现 为 高 程 放 大 效 应 ；1585. 4 m高 程 台 阶 相 对 于15 81m处 ， 质 点 峰 值 振 速 放 大 系 数 最 大 值 分 别 为1. 49（X） 、1. 50 （Z） 、1. 41（ 合 速 度 ） 。 同 一 台 阶 平 面 处 （1572 m、1581 m） ， 台 阶 外 缘 质 点 峰 值 振 速 明 显 大 于 其 他 位 置 ， “鞭 梢 效 应 ”显 著 ， 合 速 度 方 向 上 台 阶 外 缘 点 相 对 于 坡 脚 点 放 大 系 数 分 别 为1. 46（1572 m） 、1. 30（1581 m） ， “鞭 梢 效 应 ” 沿 着 台 阶 高 程 向 上 逐 渐 减 弱 。结 合 表2边 坡 安 全 判 据 ， 除 处 于 爆 区 位 置 的 第3级 边 坡 岩 体 ， 由 于 质 点 峰 值 振 速 大 于 振 速 安 全 阈 值 产 生 一 些 小 裂 隙 ， 不 利 于 边 坡 安 全 外 ， 其 余 边 坡 面 位 置 岩 体 质 点 峰 值 振 速 均 在 安 全 阈 值 内 ， 故 认 为 保 留 边 坡 安 全 。 2. 3. 2 应 力 分 布 规 律 边 坡 岩 体 在 爆 炸 荷 载 作 用 下 的 最 大 主 应 力 时 程 分 布 如 图7。爆 炸 荷 载 作 用 开 始 时 ， 应 力 波 由 爆 区 产 生 ， 沿 着 边 坡 面 和 边 坡 岩 体 内 部 传 播 ， 范 围 逐 渐 扩 大 ， 最 终 扩 散 到 整 个 边 坡 岩 体 。 边 坡 坡 面 上 岩 体 最 大 主 应 力 变 化 规 律 如 图8。 可 看 出 坡 面 上 岩 体 最 大 主 应 力 沿 着 边 坡 面 向 上 呈 现 总 体 衰 减 的 趋 势 ； 在 各 级 台 阶 边 坡 坡 脚 处 有 明 显 的 应 力 集 中 现 象 ， 边 坡 坡 形 骤 变 对 应 力 波 动 的 影 响 较 大 ； 在 边 坡 台 阶 同 一 高 程 处 ， 坡 脚 处 应 力 明 显 比 外 缘 应 力 大 ， 在 同 一 边 坡 坡 面 上 ， 应 力 表 现 为 从 坡 脚 处 的 最 大 值 先 逐 渐 减 小 ， 然 后 有 一 段 上 升 趋 势 ， 最 后 减 少 到 坡 顶 处 的 最 小 值 ； 结 合 图7对 比 分 析 ， 在 台 阶 平 面 上 ， 质 点 峰 值 振 速 最 大 值 与 应 力 最 大 值 出 现 的 位 置 不 一 致 ， 且 在 质 点 峰 值 振 速 最 大 值 处 （台 阶 外 缘 ）的 应 力 值 反 而 最 小 ， 说 明 台 阶 上 的 质 点 峰 值 振 速 与 应 力 值 出 现 位 置 没 有 相 关 性 。因 此 ， 由 于 “鞭 梢 效 应 ” 的 影 响 ， 不 应 将 台 阶 边 缘 处 质 点 峰 值 振 速 作 为 评 价 岩 质 边 坡 稳 定 与 安 全 的 唯 一 指 标 。 图7 边 坡 岩 体 不 同 时 刻 应 力 分 布 云 图 Fig. 7 Stress distribution cloud map of slope rock mass at different times 图8 坡 面 岩 体 最 大 主 应 力 变 化 曲 线 Fig. 8 Stresses variation curve of slope rock mass 图9为 各 台 阶 平 面 处 最 大 主 应 力 时 程 变 化 曲 线 。可 知 第1、2级 边 坡 台 阶 坡 脚 处 最 大 拉 应 力 值 分 别 为0. 68 MPa、1. 26 MPa。参 照 表3知 ， 拉 应 力 值 均 小 于 岩 体 抗 拉 强 度 。认 为 保 留 边 坡 岩 体 在 下 部 台 阶 爆 破 开 挖 时 ， 不 会 因 为 应 力 集 中 而 造 成 岩 体 受 拉 破 坏 。第3级 边 坡 处 于 爆 区 位 置 ， 应 力 云 图 显 示 在 坡 脚 位 置 也 会 出 现 较 大 的 应 力 集 中 现 象 ， 可 能 会 造 成 坡 脚 处 岩 体 破 坏 ， 故 后 期 应 根 据 实 际 爆 破 效 果 对 该 区 域 边 坡 采 取 适 当 的 支 护 措 施 进 行 加 固 。 2. 3. 3 位 移 场 变 化 规 律 图10为 不 同 时 刻 岩 质 边 坡 位 移 云 图 。随 着 应 力 波 的 传 播 ， 不 同 时 刻 边 坡 岩 体 位 移 沿 着 边 坡 面 向 上 传 播 ， 同 时 向 内 部 扩 散 ，15 ms时 ， 应 力 波 已 经 传 到 边 坡 上 部 边 界 ； 在 数 值 上 ， 位 移 呈 现 先 增 加 后 减 小 的 趋 势 ， 爆 源 附 近 处 岩 体 位 移 在 炸 药 起 爆 时 迅 速 达 到 最 大 值 ， 之 后 逐 渐 减 小 ； 各 级 台 阶 突 出 位 置 处 出 现 53第36卷 第4期 叶 明 班 ， 高 文 学 ， 曹 晓 立 ， 等 爆 炸 荷 载 下 岩 质 边 坡 动 力 响 应 规 律 研 究 万方数据 一 定 范 围 的 位 移 峰 值 ； 但 从 图 中 数 据 看 出 ， 位 移 量 纲 级 别 较 小 ， 边 坡 岩 体 较 完 整 ， 因 此 爆 破 开 挖 扰 动 不 会 对 岩 质 边 坡 的 安 全 产 生 影 响 。 图9 各 台 阶 平 面 处 最 大 主 应 力 时 程 曲 线 Fig. 9 The time history curve of the maximum principal stress at the plane of each slope step 图10 边 坡 岩 体 不 同 时 刻 位 移 云 图 Fig. 10 Displacement cloud map of slope rock mass at different moments 3 结 论 基 于 冬 奥 会 高 山 滑 雪 赛 道 中 间 平 台 边 坡 爆 破 工 程 ， 研 究 爆 炸 荷 载 下 边 坡 岩 体 动 力 响 应 变 化 规 律 ， 分 析 爆 破 振 动 对 边 坡 动 力 安 全 的 影 响 ， 得 出 如 下 结 论 （1） 边 坡 坡 顶 处 ， 质 点 峰 值 振 速Z向 最 大 ， 测 点 三 向 峰 值 振 速 均 随 爆 心 距 增 大 而 衰 减 ，衰 减 系 数 Z ＞ X ＞ Y， 衰 减 速 率 也 均 随 爆 心 距 的 增 加 逐 渐 减 小 ； 采 用 深 孔 松 动 爆 破 ， 控 制 最 大 单 响 药 量 ， 可 以 有 效 控 制 振 动 对 边 坡 岩 体 稳 定 的 影 响 。 （2） 边 坡 坡 面 上 ， 质 点 峰 值 振 速 均 随 爆 心 距 增 加 总 体 呈 现 衰 减 趋 势 ； 相 邻 边 坡 台 阶 平 面 ， 质 点 峰 值 振 速 存 在 高 程 放 大 效 应 现 象 ； 同 一 边 坡 台 阶 范 围 内 “ 鞭 梢 效 应 ” 显 著 ， 且 “ 鞭 梢 效 应 ” 随 高 程 增 加 逐 渐 减 弱 。 （3） 边 坡 坡 面 上 岩 体 最 大 主 应 力 沿 坡 面 向 上 呈 逐 渐 衰 减 趋 势 ， 坡 形 骤 变 对 应 力 波 动 的 影 响 较 大 ， 在 各 级 边 坡 坡 脚 处 存 在 明 显 的 应 力 集 中 现 象 ； 相 同 坡 形 边 坡 面 上 应 力 由 坡 脚 处 最 大 值 先 逐 渐 减 小 后 上 升 一 段 距 离 ， 最 后 再 减 小 到 坡 顶 外 缘 处 最 小 值 ； 边 坡 坡 面 上 岩 体 位 移 随 应 力 波 传 播 向 岩 质 边 坡 边 界 扩 散 ， 位 移 量 纲 级 别 较 小 ， 不 会 造 成 边 坡 岩 体 破 坏 。 （4） 受 “ 鞭 梢 效 应 ”影 响 ， 边 坡 台 阶 上 质 点 峰 值 振 速 最 大 值 与 应 力 最 大 值 出 现 的 位 置 无 相 关 性 ， 故 爆 破 振 动 对 边 坡 岩 体 安 全 稳 定 的 影 响 应 结 合 质 点 振 速 安 全 阈 值 和 岩 体 的 应 力 强 度 来 综 合 评 价 。 参 考 文 献 （References） ［1］ 费 鸿 禄 ， 苑 俊 华.基 于 爆 破 累 积 损 伤 的 边 坡 稳 定 性 变 化 研 究 ［J］.岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ，2016，35（A02） 3868-3877. ［1］ FEI Hong-lu，YUAN 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Journal of Rock Mechanics and Engineering，2016，35（A02） 3868-3877.（in Chinese） ［2］ MANOJ Khandelwal. Prediction of blast-induced ground vibration using artificial neural network［J］. International Journal of Rock Mechanics ＆ Mining Sciences，2009， 46（7） 1214-1222. ［3］ HU Yi