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岩体结构面对边坡爆破影响浅析

岩体结构面对边坡爆破影响浅析

爆破工程在边坡开挖施工中的应用越来越普遍,边坡岩体由于结构面的存在导致爆破地震波的传播受到显著影响。本文依托仁遵9标高速公路建设中的含结构面边坡爆破开挖工程,探究边坡爆破开挖时岩体结构面对爆破地震波传播规律和爆破振动信号频谱特征的影响。爆破地震波在传播到不同介质的边界面时就会发生透射和反射,导致爆破地震波在结构面处的传播特性和频谱特征发生改变。根据爆破地震波在结构面处的传播特征,分析相关的振动控制标准。本文研究结果为仁遵9标工程建设提供相关理论依据,保障施工的安全性以及提高施工效率。爆破工程的应用范围十分广泛,在交通行业建设过程中,爆破工程的占比越来越重,特别是边坡开挖时采用爆破工程是十分常见的开挖方式。仁怀至遵义高速RZTJ-9标段(简称:仁遵9标)建设项目属于国家高速公路建设,连通成都和贵州遵义两个城市,仁遵9标高速公路建设过程中边坡开挖大多数采用爆破的方式进行,且边坡岩体含有大量结构面,结构面的存在对爆破地震波的传播规律存在显著影响。因此,探究岩体结构面对边坡爆破的影响对工程建设起到关键性的指导作用。边坡岩体中结构面的存在首先会导致岩体力学强度大幅降低,其次在爆破过程中结构面的存在会阻碍爆破地震波的传播,加剧爆破地震波在岩体中的传播衰减速率,同时还造成爆破地震波能量的大幅衰减。爆破地震波在岩体中的传播遇到结构面后会发生透射和反射,其中影响爆破地震波的透射和反射特性的主要因素是岩体和结构面的力学性能,结构面的几何尺寸以及爆破地震波的波长等因素也会影响地震波的透射和反射性能。爆破地震波在穿越岩体结构面时,岩体受到的冲击能量会被大幅衰减,岩体受到的爆破振动信号频谱特性也会随之改变。孙鹏昌等人结合实际边坡工程爆破开挖案例,对实际监测得到的爆破振动数据进行分析,并采用有限元软件进行模拟验证,从振动信号的幅值和频率两个方面对爆破开挖振动响应进行研究。王子明等人采用小波变换和希尔伯特-黄变换(HHT)的方法对洞室爆破振动信号中行业曲线可替代度影响力可实现度行业关联度真实度携带的能量分布及爆破段数对能量分布的影响进行研究。许红涛等人研究了爆破地震波和边坡岩体结构面之间的相互关系,主要采用Kelvin黏弹性计算模型,得到了爆破地震波在结构面处的透射和反射表达式,对结构面处爆破能量的衰减和耗散规律进行了分析。宋全杰等人研究爆破监测点的位置与岩层层理走向的相对位置关系对爆破地震波传播的影响规律,主要考虑爆破监测点连线与岩层层理走向的夹角大小,研究结果表明:垂直于岩层走向的爆破地震波传播衰减最块,斜交于岩层走向的衰减次之,平行于岩层走向的爆破地震波传播衰减最小。边坡岩体结构面的存在不仅会造成爆破地震波在结构面处传播规律的急剧变化,还会导致爆破振动信号频谱特性的改变。本文依托仁遵9标高速公路建设项目,探究边坡爆破开挖时岩体结构面对爆破地震波传播规律和爆破振动信号频谱特征的影响。

一、工程概况

仁怀至遵义高速RZTJ-9标段属于成都至遵义国家高速公路,对国家和地方的交通建设有较大的指导作用,土建起讫桩号为K37+800-YK45+020、K37+800-ZK45+017.741,路线长7.22km。土建施工属地位于贵州省遵义市红花岗区,起点为56m段路基接青杠山2号桥隶属黄钟村,沿印把山大桥、黄钟村大桥、松林互通、穿殷家寨设置殷家寨大桥,金鼎山服务区,终点隶属莲池村村设龙塘沟大桥接17m段路基与10标相连。仁遵9标建设项目区域属于侵蚀低中山,相对高差100~530m,地形起伏较大,边坡岩体较破碎,境内发育河谷溪沟,对项目区的切割作用十分强烈,导致两侧边坡坡度较陡,坡面岩体破碎,工程建设难度较大。

二、爆破地震波在结构面处的传播分析

1爆破地震波的传播特性

边坡爆破开挖过程中炸药的作用主要是产生爆炸力并导致岩体周围的介质产生扰动,这种扰动作用在介质中的传播就形成了波。爆破作用产生的波称为爆破地震波,其性质属于弹性波。爆破地震波在边坡岩体中的传播会产生爆破能量,主要是爆炸后质点发生运动的动能以及质点产生的弹性应变能。边坡爆破产生的爆炸能少部分破碎岩体,大部分能量以爆破地震波的形式对边坡岩体产生影响,爆破地震波携带能量的传播方式主要依靠爆炸后质点的运动进行的。岩体介质都具有阻尼作用,由于阻尼作用的存在导致随着爆源距离的增大,岩体介质的阻尼作用更加明显,爆破地震波的能量被衰减得越多。爆破地震波的产生和传播本身就是一个极其复杂的过程,当边坡岩体存在结构面时,这个过程变得更加复杂。首先,边坡岩体是各向异性的,由于岩体的这个性质便导致爆破地震波的传播具有很大的差异性,不是一个完整、均匀的过程。其次,岩体结构面的存在导致岩体介质变得不均匀,有其他的填充物质,爆破地震波在传播到不同介质的边界面时就会发生透射和反射。边坡爆破开挖时,主要考虑爆破振动速度来衡量边坡的稳定状态,针对含结构面的边坡具体监测点处的振动速度主要还是受到爆心距的影响。由于边坡岩体结构面的存在,爆破地震波在结构面处会出现反射叠加作用,导致结构面处的爆破振动速度出现独特的变化,会产生突然上升然后减小的独特现象。结构面的厚度也会影响边坡的爆破振动速度,岩体结构面的厚度越厚,边坡在爆破作用下产生的振动速度也越大。结构面的倾角和产状也会影响爆破振动速度,这是由于结构面的产状不同,会形成很多的不同介质边界面,导致爆破地震波在这几个边界面处不断地被反射和折射,使得爆破地震波不断被叠加,最终造成边坡的爆破振动速度变大。结构面的填充介质不同也会造成边坡振动速度有差异,结构面填充介质的材料参数性能越差,爆破地震波在传播时受到的反射作用就越强烈,导致边坡的振动速度峰值就越大,通过相关实测数据和数值模拟验证,得到岩体结构面填充介质对边坡爆破振动速度的影响规律,泥质结构面的振动峰值速度最大,其次的碎屑结构面,胶结结构面的振动峰值速度最小。

2数值模拟分析

罗聪依托白鹤滩边坡爆破开挖工程案例,利用LS-DYNA有限元软件建立了含结构面边坡数值模型,主要研究了不同结构面倾角对边坡爆破开挖的影响。边坡岩体结构面的力学参数和完整岩体的力学参数差异很大,当爆破地震波传播到岩体结构面处时,爆破地震波会产生多次的折射和反射拉伸效应,最终在岩体结构面处产生层裂效应,层裂效应的存在就导致了岩体结构面的损伤发生。根据软件得到的损伤云图,在相同的监测点位置处即离爆源位置的距离相同处,结构面已经产生了损伤,其余完整岩体位置还没有产生损伤,这就印证了结构面的存在会在该位置产生累积的拉伸作用,从而形成层裂效应。由损伤云图可以看出在相同部位,在距离爆源相同距离的位置处,结构面发生了损伤,而非结构面处没有发生损伤,说明结构面处由于反复拉伸作用,发生了层裂效应。根据LS-DYNA软件得到的岩体结构面损伤云图可以知道,爆破地震波在边坡岩体中传播时遇到岩体结构面会发生衰减,其衰减和损伤程度的影响因素较多,主要受到爆源距离和结构面本身性质的显著影响。结构面的倾角大小对结构面的损伤程度也有影响,当结构面倾角越来越缓时,明显看出结构面的损伤程度逐渐增大。同时,结构面倾角还会影响结构面发生损伤的位置,结构面倾角越缓时结构面产生损伤的位置一般处于离爆源较近的位置,结构面倾角越陡产生损伤的位置于爆源距离相关性不明显。这是由于结构面倾角越缓,结构面发生损伤时损伤部位的最大拉应力越大,导致其损伤程度越来越大。

三、爆破地震波在结构面处的振动分析

1振动速度和振动频谱分析

爆破地震波在传播至岩体结构面处时,其携带的能量衰减规律主要和结构面填充介质的阻尼和爆破地震波本身的频谱成分相关。爆破地震波频率主要分为高频成分和低频成分两部分,其中高频成分的爆破地震波受到结构面填充介质的阻尼效应较明显,导致高频成分的爆破地震波的能量被结构面填充介质大幅吸收,最后使得高频成分的爆破地震波衰减速率变慢。爆破地震波在结构面处的振动主要分析振动速度和振动频谱两个方面。边坡岩体是否含有结构面其爆破振动速度主要受到爆心距的影响,并且都会随着测点高程的变化,各个方向的爆破振动速度都呈现衰减的趋势。但是,在含有岩体结构面的边坡中,爆破地震波的传播在结构面处会出现特殊现象,这是由于结构面处爆破地震波被多次反复反射,导致在结构面位置处爆破振动速度出现突然上升然后减小的现象。多条岩体结构面的倾角不同,导致爆破地震波在结构面处的反射和折射现象被加强,使得边坡爆破振动速度更加显著。结构面的充填介质材料的性能越差,也会导致爆破地震波的反射和吸收作用变得越剧烈,导致边坡爆破振动越明显。根据实测数据分析和相关数值模拟验证得到不同的结构面填充介质材料类型对边坡振动速度的影响效果有一定规律,含泥质结构面的边坡其爆破振动速度最大,含碎屑结构面边坡次之,含胶结结构面边坡的爆破振动速度最小。爆破振动信号的频谱特征主要分析爆破信号的视主频,视主频是指爆破振动过程中振动幅值的峰值对应的半波频率。在含结构面边坡爆破过程中,视主频随水平爆心距和高程的变化而变化,总体呈现衰减的趋势。视主频主要反映了爆破信号的频率特征,与爆破时间没有太大联系,导致不能反映出爆破信号的时频特征,仅考虑视主频来反映爆破信号的频谱特征较不合理。因此,采用希尔伯特-黄变换(HHT)的方法对爆破信号进行时频分析,能够弥补只考虑视主频单一因素的不足。HHT方法主要分为两个部分:一是进行经验模态分解(EMD),二是进行希尔伯特变换。EMD是将输入的爆破信号进行提取固有模态函数(IMF),先求解每个IMF分量的频谱特征,再将每一个IMF分量进行希尔伯特变换,得到每一段IMF最终的信号特征,最后综合各个IMF的频谱特征就得到了整段爆破信号的频谱特性,从而获得输入爆破信号的时频特征,这样就可以弥补视主频不能得到时频信息的缺陷。

2爆破振动控制

爆破振动控制主要从以下两个方面进行控制:控制爆破振动速度和控制爆破振动主振频率。首先分析各个因素包括爆破本身因素和岩体性质因素和爆破振动的联系,得到各自的影响方式,然后再进行爆破控制标准。当控制爆破振动速度时,主要考虑控制爆心距和最大段装药量两个因素;在考虑控制爆破振动主振频率时,主要从爆心距和岩石完整性系数两个方面着手来控制。总体来说,爆破控制主要从产生爆破振动能量的源头和爆破地震波的传播两个方面进行控制,才能有效降低爆破振动对边坡稳定性产生的不利影响。

四、结语

本文依托仁怀至遵义高速第RZTJ-9合同段(贵州段)含结构面边坡爆破开挖工程,主要探究边坡爆破开挖时岩体结构面对爆破地震波传播规律和爆破振动信号频谱特征的影响。由于岩体结构面的存在爆破地震波的传播受到显著影响,导致爆破振动速度和振动频谱发生显著改变。爆破地震波在结构面处的透射和发射是导致其产生层裂效应的主要原因,结构面的几何形态和物质组成导致了爆破地震波的频谱特征存在显著差异。本文的研究对仁遵9标含结构面边坡爆破施工具有实际指导意义,能够为实际工程施工提供参考。

作者:毕鹏飞 申宝稳 单位:中交路桥建设有限公司

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