爆破振动作用下含软弱夹层边坡稳定性及安全判据

爆破对顺层岩质边坡稳定性的影响王曙光;吁燃【摘要】爆破作为边坡开挖的一种快速有效手段,广泛应用于土建施工中;而其爆炸冲击和爆轰气体对岩体节理面的锲入作用,对临近爆破区的边坡稳定性有负面影响.建立考虑爆破作用对边坡影响的计算模型,采用极限平衡法,从静力状态、爆破松动破坏、爆破振动3方面定量分析爆破作用对边坡的影响,并通过实际算例,对边坡稳定性进行分析计算,以验证爆破对边坡稳定性的影响.%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.【期刊名称】《公路交通技术》【年(卷),期】2016(032)001【总页数】5页(P17-21)【关键词】稳定性分析;爆破作用;极限平衡法【作者】王曙光;吁燃【作者单位】贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵阳 550001;贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司,贵阳 550001【正文语种】中文【中图分类】U416.1+4顺层岩质边坡稳定性与岩体结构特征、产状，地下水位，岩体完整性及爆破振动等相关，其涉及到工程地质学、岩土工程学、爆炸力学以及地震工程学等学科的相关内容，其稳定性分析一直困扰着工程设计人员。

1引言边坡稳定性评价是岩土工程经常遇到的问题,特别是近年来,随着我国大量基础设施的建设,出现了许多由于不合理的工程爆破而导致边坡失稳的例子。

目前的地震波衰减公式是经验型、半经验型的，由于地质条件的复杂性，难以从理论上完全推导合适的衰减公式，爆破振动动力响应机制研究极不成熟，目前只局限于数值分析[1]。

本文先是通过理论计算预测在隧洞掘进过程中的爆破振动对边坡结构稳定的影响，然后利用ABAQUS有限元分析软件对边坡结构进行显式分析计算，分析短暂的脉冲荷载作用下某边坡的稳定性，旨在为类似工程的设计和施工提供指导。

2爆破施工对边坡结构稳定性影响的理论计算分析本文结合实际工程，采用标准推荐的萨道夫斯基公式（见式（1））预测爆破掘进过程中某水库坝体边坡的质点振动峰值速度（PPV），并参照《爆破安全规程》（GB6722-2003）的规定评价爆破施工对周边环境的影响。

V=K（Q1/3R）α（1）式中，V为地震动质点的最大速度,cm/s；Q为炸药量，kg；K与α为与介质特性有关的参数，根据工程所在地区的地质条件，K取200，α取1.5；为爆心距，m。

根据《爆破安全规程》（GB6722-2003）的规定，爆破振动控制标准见表1。

2.1隧洞的几何与爆破参数以其中一个隧洞的爆破施工为例，隧洞的洞长为2572m，截面形状为城门洞形，截面尺寸为3m×3m，岩石坚固性系数为12，开挖方式为全断面一次开挖，孔径为42mm，单次掘进循环进尺为1.8m，炸药单耗为1.9kg/m3，同段起爆最大药量9kg，水库坝体边坡离爆源的距离为1050m。

2.2计算结果分析通过理论计算得出水库坝体的峰值质点振动速度（PPV）为0.03cm/s，小于《爆破安全规程》（GB6722-2003）规范中的允许值，故隧洞在掘进过程中的爆破振动对水库坝体边坡的影爆破振动对边坡稳定性的影响分析Analysis on the Influence of the Blasting Vibration on the Slope Stability郭文章（南京市测绘勘察研究院股份有限公司，南京210005）GUO Wen-zhang(NanjingInstituteofSurveyingMappingand GeologicalInvestigationCo.Ltd.,Nanjing210005,China)【摘要】爆破振动是影响边坡稳定性的一个重要因素之一。

爆破振动对边坡稳定性影响的研究
由于我国经济进入高速发展阶段,伴随着的是基础工程建设项目数量的剧增。

爆破技术因其简便,快捷,成本低等特点而被广泛应用于基础工程建设当中。

我国是一个多山地的国家,存在着大量的天然高陡边坡,在矿山开采,隧道开挖过程中也会形成一定量的高陡边坡。

随着爆破技术在工程中的应用,爆破产生的此生灾害也越来越严重。

边坡的稳定性和人民的生命财产安全相关息息相关。

研究爆破振动波的特性、衰减规律,探讨爆破振动对边坡稳定性的作用效应,控制爆破振动强度,减小爆破振动造成的次生灾害具有较强的社会和经济效益。

爆破振动波具有复杂性、随机性、衰减快,振动频率范围广,振动持续时间短等特点。

边坡动力破坏的类型集中体现为崩落、倾覆坍塌、滑坡与座落等形式,爆破地震波的特性较多,每种参量造成的失稳机理也不相同。

本文着眼与爆破振动对边坡的稳定性影响,通过对爆破施工现场爆破地震波的现场监测,对监测数据进行处理,作出爆破振速随时间变化的曲线,结合《爆破振动安全规程》判断边坡的稳定性。

同时选取矿山村边坡的最危险10-10′剖面运用slide软件进行静力和动力分析。

在计算过程中分别模拟自然工况,降雨工况、地震工况和各种工况的随机组合,对坡体滑面和深部的最小稳定系数进行分析,各种工况的计算结果均能满足工程稳定性要求,结合监测数据综合分析评定
边坡的稳定性,为同类型的边坡施工提供参考依据。

摘要本文以某航运枢纽的鱼道边坡开挖工程为研究背景，采用离心模型试验与数值模拟相结合的研究方法，首先对不同软弱夹层边坡失稳破坏模式及边坡失稳破坏机制、边坡软弱夹层参数变化对边坡稳定性的进行分析；然后对边坡开挖后的稳定性进行分析，并对开挖边坡采用抗滑桩加固，分析抗滑桩加固后的效果及抗滑桩加固边坡稳定性的影响因素展开研究，主要研究成果及结论如下：（1）无软弱夹层边坡为张裂-滑移破坏模式；含有一条水平软弱夹层的边坡变形破坏模式为平推式滑移破坏；倾斜软弱夹层边坡破坏模式为倾斜夹层上方表现为沿软弱夹层块体滑移模式，倾斜夹层后方坡体表现为弧形滑坡；有倾斜与水平两条软弱夹层边坡破坏模式为倾斜夹层上方坡体呈块体滑移，倾斜软弱夹层与水平夹层之间的土体则呈平推式滑移模式。

（2）边坡开挖后稳定性明显降低，开挖后整个边坡应力状态重新调整分布，边坡如若发生破坏，即以“拉一剪”破坏模式为主。

（3）抗滑桩的上部产生了向开挖临空面的弯曲变形，而桩的下部则基本不出现变形，呈现较好的锚固状，桩前被动土压力呈“D”形状的分布特点，桩后的主动土压力呈现“R”形状的分布特点，桩前被动土压力主要在锚固端以下部位分布，且被动土压力值要远大于桩后的主动土压力值；抗滑桩的存在，在一定程度上起到阻止了坡体向下的滑动变形，对于边坡的稳定性有所提高。

（4）嵌岩深度适当增加能够提高坡体对桩的嵌固作用，能有效提高边坡的稳定性，并且能有效限制抗滑桩的水平位移，当抗滑桩嵌固深度的增加到一定深度后，抗滑桩位移及安全系数的变化不再明显，针对此工程实例，10m 为最经济合理的嵌固深度；随着抗滑桩刚度的增大，抗滑桩对于抵抗剪力和弯矩的能力增加，抗滑桩桩顶的水平方向位移逐步减小，边坡安全系数逐渐增大，但随着抗弯刚度增大到一定程度后，边坡上部坡体达到屈服破坏，抗滑桩对边坡安全系数影响不再明显。

关键词：软弱夹层边坡；离心模型试验；破坏模式；失稳机制；边坡开挖；抗滑桩加固ABSTRACTThis paper regards the slope of a fishway shipping hub of excavation engineering as the research background. Firstly, the failure modes and failure mechanism of slope failure modes and the slope stability are analyzed with the research method of combining centrifugal model test and numerical calculation; and then, the stability of the slope after excavation is analyzed with the same method. After that, the slope of the excavation is reinforced by anti slide pile and the author analyzes the effect of anti slide pile and carries on a research on the influence factors of the stability of slope reinforced by anti slide pile.The main research results and conclusions are as follows:(1)The slope with no weak interlayer is a fracture and slip failure mode. The deformation and failure mode of the slope with a horizontal weak layer is the sliding mode. The failure mode of inclined weak interlayer slope is the performance of the sliding mode along the weak interlayer in the upper part of the inclined interlayer. The failure mode of the two soft interlayer slope is inclined to the horizontal slope. The failure mode of the slope is a block sliding, and the soil between the inclined soft layer and the horizontal layer is in the sliding mode.(2)After excavation,the stability of slope is obviously reduced and the stress state of the whole slope is readjusted. If the slope failures, the "pull and cut" mode should be main failure mode.(3)The upper part of the slide pile excavation had to free face bending deformation, while the lower part of the pile is basically no deformation showed good anchor-shaped, passive earth pressure before the pile was a "D" shaped distribution, after the pile active earth pressure presents "R" shape distribution, passive earth pressure in front of the pile, mainly in the following parts of the anchor end of the distribution, and the passive earth pressure value is much larger than the value of active earth pressure after the pile; the presence of anti-slide pile, to a certain extent on play to prevent the slide down the slope deformation, for slope stability has improved.(4) An appropriate increase in the depth of rock - socketed is possible to improve the role of fixed slope on the pile, and can also effectively improve the stability of the slope, and can effectively limit the horizontal displacement of the slide pile. When the embedded depth of anti slide pile is increased to a certain depth, the change of the displacement and safety factor of anti slide pile is no longer obvious,For this engineering example, 10m is the most economical and reasonable embedded depth . With anti slide pile stiffness increases, anti slide pile to resist shear force and bending moment increase, the horizontal displacement of the top of the anti slide pile is gradually reduced and safety factor of slope increases gradually. But with the increase of bending stiffness to a certain degree, the upper slope of the slope reaches the yield failure, and the influence of the anti slide pile on the safety factor of the slope is no longer obvious.Key words: Soft interlayer slope; Centrifugal model test; Failure mode; Instability mechanism; Slope excavation; Anti slide pile reinforcement目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第一章绪论1.1研究目的及意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.2.1边坡稳定性分析方法研究现状 (2)1.2.2软弱夹层边坡研究现状 (6)1.2.3开挖边坡研究现状 (7)1.2.4边坡加固措施研究 (8)1.3本文研究的主要内容 (10)第二章软弱夹层边坡离心模型试验2.1离心模型试验原理 (11)2.1.1土工离心模型试验的意义 (11)2.1.2土工离心模拟的相似性 (11)2.1.3土工离心模型试验误差分析 (14)2.2离心模型试验设计 (15)2.2.1试验目的 (15)2.2.2试验设备及参数 (15)2.2.3模型设计及传感器布设 (16)2.2.4模型材料相似及力学性质 (17)2.2.5模型的制作及设备安装 (21)2.2.6加载方式 (22)2.3离心模型试验结果分析 (23)2.3.1位移变化分析 (23)2.3.2模型变形过程分析 (24)2.4本章小结 (25)第三章软弱夹层边坡稳定性分析模型3.1 ABAQUS软件简介 (27)3.2有限元强度折减法基本理论 (28)3.2.1有限元强度折减法基本原理 (28)3.2.2有限元强度折减屈服准则 (29)3.2.3强度折减法在ABAQUS中的实现 (29)3.2.4强度折减法中边坡失稳判据 (30)3.3数学模型的建立 (31)3.3.1模型计算域的选取及边界条件 (31)3.3.2材料参数的确定 (32)3.3.3模型单元选择及网格划分 (32)3.3.4边坡开挖模拟方法 (32)3.4数学模型验证 (33)3.4.1地应力平衡 (33)3.4.2数学模型与离心模型试验结果验证 (34)3.5本章小结 (34)第四章软弱夹层对边坡稳定性影响研究4.1概述 (36)4.2软弱夹层边坡失稳模式及机制分析 (36)4.2.1数值计算模型 (36)4.2.2计算结果分析 (37)4.3夹层参数对边坡的影响研究 (42)4.3.1夹层黏聚力对边坡的影响 (42)4.3.2夹层内摩擦角对边坡的影响 (45)4.4本章小结 (49)第五章边坡开挖稳定性分析及加固效果研究5.1软弱夹层边坡开挖稳定性影响分析 (51)5.1.1位移场分析 (51)5.1.2应力场及塑性区分布 (52)5.1.3边坡稳定性分析 (53)5.2抗滑桩支护开挖边坡稳定性分析 (54)5.2.1安全系数分析 (54)5.2.2滑动面分析 (54)5.2.3抗滑桩性状分析 (55)5.3抗滑桩支护开挖边坡稳定性影响因素分析 (56)5.3.1抗滑桩嵌固深度对边坡稳定性的影响 (56)5.3.2抗滑桩抗弯刚度对边坡稳定性的影响 (58)5.4本章小结 (59)结论与展望 (61)参考文献 (64)致谢 (69)附录A（攻读学位期间所发表的学术论文） (70)附录B（攻读学位期间所经历的科研项目） (70)第一章绪论1.1研究目的及意义近年来，随着我国国民经济的持续、快速发展，我国的水利工程建设事业取得了相当不错的成就，为经济社会发展提供了坚实的基础。

爆破振动对边坡稳定性的影响分析作者：郭文章来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2018年第08期【摘要】爆破振动是影响边坡稳定性的一个重要因素之一。

论文结合实际工程通过计算及利用ABAQUS有限元分析软件详细分析了边坡在爆破振动作用下振动速度场的变化规律以及爆破振动特征。

这对于研究边坡在爆破荷载作用下的稳定性具有重要意义，所获得的结果也对类似工程具有重要的指导价值。

【Abstract】Blasting vibration is one of the important factors that affect the stability of slopes. Combined with the practical engineering， through calculating and using the ABAQUS finite element analysis software， the paper makes a detailed analysis of the change regulation of vibration velocity field and the blasting vibration characteristics of the slopes under the function of blasting vibration. It is of great significance for studying the stability of slope under the impact of blasting load. The results obtained also have important guiding value for similar projects.【关键词】爆破振动；边坡稳定；脉冲荷载；ABAQUS【Keywords】blasting vibration；slope stability；impulsive load；ABAQUS【中图分类号】TU452 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）08-0130-031 引言边坡稳定性评价是岩土工程经常遇到的问题，特别是近年来，随着我国大量基础设施的建设，出现了许多由于不合理的工程爆破而导致边坡失稳的例子。

露天矿深孔爆破振动作用下边坡的稳定性分析随着矿山企业的发展,露天采矿生产机械化成为大规模生产的主要发展趋势。

为了满足机械化生产的需求,露天矿深孔爆破技术被广泛应用到矿山的生产当中。

在满足了生产需求的同时,爆破振动对周围建(构)筑产生的危害也日益凸显,矿
区内边坡的稳定性不仅影响着矿山企业日常生产中运输的通畅、采掘的进度和生产设备的安全,甚至会对企业工作人员的生命财产产生威胁因此有必要对爆破振动作用下边坡的稳定性进行分析。

本文以扶绥某露天石灰岩矿的生产爆破为研究背景,首先分析了影响边坡稳定性的内在因素和外在因素,详细论述了爆破振动
产生的机理和传播的特征。

通过现场爆破监测获得了相关的记录数据,利用萨道夫斯基的经验公式对实测数据进行回归分析,进一步探讨爆破振动的传播规律。

然后利用拟静力方法计算爆破振动荷载作用下边坡的安全系数,综合分析了不同条分法的计算结果。

最后以静力弹塑性理论为基础,利用有限元软件COMSOL对边坡在爆破荷载作用下
的安全系数进行强度折减计算,并对边坡在爆破振动作用下的应力应变进行了模拟。

根据不同的分析方法,总结归纳得出了边坡在爆破振动作用下处在稳定安全状态。

岩土开挖爆破震动效应安全判据的探讨摘要：岩土开挖爆破作业引起的振动，影响邻近结构的地基，影响结构的安全。

所以，爆破振动效果必须控制在安全范围内，合理确定爆破振动效果的安全判据十分重要。

关键词：爆破；振动速度；频谱；作用时间；安全判据通过理论分析和爆破振动监测数据的影响，最后讨论了爆破地震波的频谱，作用时间的影响建立爆破振动安全判据的影响，提出了基于粒子振动速度峰值和辅助，地震波频谱和时间尺度的安全标准和确定合理的爆破参数、爆破参数来减少地震强度、频谱，行动时间危害建议。

一、普遍采用的爆破震动效应安全判据目前，爆破振动效果的安全判据通常用单一的爆破振动强度因子(颗粒振动位移、速度和加速度)来描述。

大多数学者认为，颗粒振动速度与建筑物(结构)的破坏和结构失稳关系最为密切，颗粒振动速度在建筑物(结构)的破坏中起着重要作用。

因此，采用颗粒的峰值振动速度来评价爆破振动效果。

它的优点是爆破地震波所携带的能量与产生的地应力有关，与结构中产生的动能和应变(应变)力有关。

有学者建议用颗粒的振动加速度来评价爆破振动的效果。

其原因是颗粒的振动加速度与爆破振动产生的惯性力密切相关，便于爆破振动荷载的转换和结构应力的分析。

规定的代码中地面粒子的振动速度峰值的建筑(结构)的建筑应该作为标准评价爆破振动效应是否安全，和主要的标准价值类型的建筑(结构)建筑物(称为安全振动速度的代码)应该被指定。

根据波动理论，爆破地震波可以合理地假定为由不同振幅和不同圆频率的简谐波组成。

爆破地震的各强度描述因子(位移、速度和加速度)是频率和时间的函数，各物理参数相互关联。

对于特定结构，其振动响应由结构本身的峰值、谱组成、振动持续时间和振动特性参数决定。

广泛应用于当前工程峰值质点振动速度控制爆破振动安全判据的影响，使得过去的爆破地震波传播规律的研究，往往只注意峰值质点振动速度的衰减，爆破地震波的分布频率和时间，爆破地震波衰减规律研究的作用。

虽然简单地将颗粒的振动峰值速度作为爆破振动效果的安全判据简单易行，但经过大量的爆破振动效果监测，仍存在一些不足。

爆破振动作用下顺层岩质边坡稳定性研究随着社会的进步、国民经济的发展，在公路、铁路、水利水电、露天矿山等建设中经常遇到顺层边坡，同时顺层边坡也是危害性最大、治理最难的边坡。

采用拟静力法时，如何合理选择拟静力系数，以评价和研究爆破震动效应对顺层边坡的影响已成为当前岩土工程界、爆破工程界亟待解决的一项重要课题。

结合峨嵋水泥厂石灰石露天矿山的工程实际，以及爆破的特点，设计小型爆破振动试验台，采用理论推导、实验室模拟试验、现场实际爆破设计相结合的手段，较为系统地研究了爆破荷载作用下顺层边坡的稳定性问题。

（1）分析了影响顺层岩质边坡变形破坏的主要因素。

鉴于滑坡体系统的静力稳定性分析方法已经成熟，而滑坡体系统在爆破荷载作用下的稳定性问题尚处于探讨之中。

所以，拟静力法常被采用来分析研究边坡的稳定性安全系数。

（2）采用极限平衡法，按照摩尔一库仑准则，建立了顺层岩质边坡在作用于条块质心爆破荷载、边坡表面卸荷载作用下稳定性安全系数的数学表达式。

①从爆破荷载作用方向看，水平向外爆破荷载、垂直向下爆破荷载以及水平方向夹角较大的水平向外爆破荷载和垂直向下爆破荷载的联合爆破荷载不利于顺层边坡稳定。

②天然状态的潜在滑坡体受水平向外爆破荷载作用时，顺层岩质边坡体的稳定性安全系数与水平向外爆破荷载拟静力系数间呈负指数关系：水平向外爆破荷载拟静力系数每从0起增加0．05，存在层裂长度的顺层边坡稳定性安全系数减少7．786％-10．665％，不存在层裂长度的顺层边坡稳定性安全系数减少7．61％-10．546％。

③当潜在滑坡体处于天然状态时，顺层岩质边坡体的稳定性安全系数与垂直向下爆破荷载拟静力系数间呈S曲线关系：垂直向上爆破荷载拟静力系数从0起每增加0．05，顺层边坡稳定性安全系数将增加2％-3．5％。

所以，垂直向上爆破荷载对顺层边坡稳定的影响很小。

④潜在滑坡体受到垂直向下或水平向外联合爆破荷载作用时，当潜在滑坡体处于饱水状态时，随着联合爆破荷载拟静力系数不断增加，处于失稳状态边坡的稳定性系数不断减少；当垂直向下爆破荷载一定时，顺层边坡稳定性安全系数与水平向外爆破荷载拟静力系数间呈负指数关系，顺层边坡稳定性安全系数与垂直向下爆破荷载拟静力系数间呈S曲线关系。

爆破地震作用下边坡破坏安全判据研究
我国露天矿山边坡工程日益增多,边坡稳定性问题一直存在,其中长期反复的爆破地震作用对边坡安全危害严重。

根据相似定律制作边坡模型放置采场,监测爆破地震波记录爆破地震作用下摩擦块质点速度时程曲线,确定了相关块体振动物理量的表达关系式。

通过摩擦块滑动情况确立了摩擦块在爆破地震作用下极限平衡状态,据此计算出爆破地震拟静力系数k值为2.2625,并计算每组摩擦块的爆破惯性力;计算了静力下摩擦块的安全系数;计算了爆破地震作用下不同角度的摩擦块安全系数,并与天然状态下安全系数做比较,安全系数分别降低
50.47%、50.112%、44.7%、43.32%;在给定安全系数范围内,分别计算了爆破地震作用下不同边坡角度加速度、速度允许范围。

分别计算了不同内摩擦角的边坡在爆破地震作用下的安全稳定系数,表明随着内摩擦角的增大,安全系数降低并呈线性关系。

运用小波理论对收集到的振动波进行分解,对振动信号进行去噪处理,处理后信号较原始信号平滑,在最低限度上不减少原有振动信号所携带的信息内容;运用小波包理论对振动信号分解并提取不同频率波段所携带能量情况,经过对比发现整体能量分布特点。

运用GDEM BLOCK Dyna软件模拟实际边坡在自重下受爆破地震作用,显示边坡破坏呈条块状滑动;运用LS-DYNA和Workbench软件,对所做模型分别模拟了自重下滑块的稳定性情况和一定角度不同速度下、一定速度不同角度下滑块的稳定性和滑动情况,与现场试验基本相吻合。