順層巖質(zhì)邊坡爆破開挖振動(dòng)傳播規(guī)律研究

順層巖質(zhì)邊坡爆破開挖振動(dòng)傳播規(guī)律研究

如果采用爆炸法挖掘巖石邊坡，不可避免地會(huì)造成邊坡?lián)p傷。其原因是爆破引起的沖擊波對(duì)巖體產(chǎn)生剪應(yīng)力和拉應(yīng)力,當(dāng)其值超過(guò)巖體剪切或抗拉強(qiáng)度時(shí),會(huì)導(dǎo)致巖體產(chǎn)生裂隙,同時(shí)也會(huì)對(duì)邊坡原有的節(jié)理裂隙產(chǎn)生擴(kuò)張作用1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試1.1單次炮孔耦合藥劑試驗(yàn)以K0+850~K0+930處的順層巖質(zhì)四級(jí)邊坡為爆破試驗(yàn)點(diǎn),開挖坡率為1∶0.5,每級(jí)開挖高度為10.0m,坡體以灰?guī)r為主,巖層厚度為20~40cm,巖層傾角為36°,巖層走向與坡面走向呈15°小夾角相交,邊坡節(jié)理裂隙發(fā)育,屬松散巖類。試驗(yàn)按4次進(jìn)行,采用2#巖石乳化炸藥,淺孔爆破方式。炮孔深2.5~2.8m,直徑為40cm;1~4次爆破的炮孔水平間距為1.5~2.5m;單次炮孔耦合藥量分別為3.2、4.8、4.8、7.2kg。聲波測(cè)試孔沿水平方向布置12組,沿坡面方向布置5組,鉆孔深度為5.0~8.0m,直徑為130mm;振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)1#~7#分別沿邊坡縱向及坡向布置,其中聲波測(cè)試孔、振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)與爆破孔的平面布置見圖1。1.2換能器移動(dòng)距離測(cè)試設(shè)備為RS-ST01D聲波儀,采用一發(fā)一收跨孔式方法。聲波換能器移動(dòng)距離為0.1m,每組不少于3次,取波速穩(wěn)定時(shí)的平均值。按聲波原理式中:v對(duì)多次爆破,由于損傷度隨爆破次數(shù)增加而增大,且存在不可逆的疊加,主要包括初始爆破和多次爆破的累積損傷式中:D1.3振動(dòng)速度傳播規(guī)律監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度采用四川拓普數(shù)字設(shè)備有限公司生產(chǎn)的UBOX-5016監(jiān)測(cè)儀測(cè)定,由于順層邊坡的巖體具有各向異性及非均質(zhì)性特點(diǎn),因此振動(dòng)波在傳播過(guò)程中具有方向性。其測(cè)試的目的是通過(guò)不同藥量下的爆破來(lái)獲取測(cè)點(diǎn)垂直和水平方向振動(dòng)速度的變化值,總結(jié)此類邊坡的振動(dòng)速度傳播規(guī)律。振動(dòng)速度衰減規(guī)律常用薩道夫斯基表達(dá)式式中:V為振動(dòng)速度;K、α為衰減系數(shù)和指數(shù);Q為單段裝藥質(zhì)量;R為測(cè)點(diǎn)到爆源的距離。2試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析2.1爆破前后聲速變化聲測(cè)孔與爆源距離較近時(shí),應(yīng)力波產(chǎn)生的能量較大,造成的損傷程度也較大。隨應(yīng)力波在巖體中傳播的衰減,聲測(cè)孔沿深度方向和水平徑向的聲速發(fā)生相應(yīng)變化,巖體損傷程度逐漸減弱,而多次爆破使損傷程度逐漸累加。以爆破試驗(yàn)中有代表性的聲測(cè)孔1-2、2-3、6-7、7-8、8-9、9-10、14-15、16-17進(jìn)行分析。利用爆破前后不同深度處聲速變化來(lái)表征巖體損傷,從而判斷損傷深度及其擾動(dòng)程度。以4次爆破為例,繪制測(cè)試孔深度與聲速變化的關(guān)系曲線,如圖2所示。通過(guò)沿深度方向聲速變化分析,以式(1)~(2)計(jì)算的聲速降低率10%、損傷程度0.19為損傷閾值,聲速降低率從坡體表面向坡內(nèi)逐漸遞減,4次爆破測(cè)試得到聲速最大降低率分布在孔深0~3.5m范圍內(nèi),損傷深度隨爆源到聲測(cè)孔距離的變化而變化。按初始與爆破后的聲速對(duì)比,得到每次爆破后最大聲速降低率,見表1。表1中H2.1.1最大損傷深度及損傷半徑若在表1中,統(tǒng)計(jì)3.2、4.8和7.2kg藥量下第1次出現(xiàn)聲速降低率10%時(shí)的損傷深度,并完成數(shù)據(jù)回歸分析,得到最大的損傷深度分別為3.3、4.55和6.08m,損傷半徑分別為6.2、7.2和8.5m,如圖3所示。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合,得到單次爆破藥量(3kg≤Q爆破藥量與損傷范圍對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。2.1.2累積損傷范圍統(tǒng)計(jì)累積損傷深度時(shí),按式(2)原理考慮計(jì)入首次損傷的多次爆破損傷深度,剔除表1中第2~4次不產(chǎn)生累積損傷的測(cè)點(diǎn),得到如圖5所示的累積損傷范圍。在爆區(qū)內(nèi)考慮藥量與累積損傷范圍的關(guān)系,如圖6所示。通過(guò)擬合得到多次爆破藥量(3kg≤Q2.1.3爆破損傷范圍巖體在多次爆破下經(jīng)過(guò)損傷累積,以測(cè)試孔6-7為例,由圖2(c)得到測(cè)試孔6-7的影響深度為3.2m,統(tǒng)計(jì)多次爆破后聲速降低率與損傷度沿?fù)p傷深度的變化,如表2所示。將測(cè)試孔6-7沿深度0~3.2m在4次爆破作用下的損傷度與損傷閾值進(jìn)行對(duì)比,超過(guò)閾值線高度的區(qū)域表示為損傷破壞,如圖7所示。4次爆破的損傷深度分別為1.7、2.8、3.2和3.2m。在多次爆破中,損傷程度隨測(cè)試孔與爆破距離的增大逐漸減少,損傷深度隨藥量增大逐漸擴(kuò)大;隨爆破次數(shù)的增多,聲速降低率并不是每一次聲速降低率的線性疊加,而是呈非線性累積的規(guī)律。2.2爆破點(diǎn)速度與爆源距離關(guān)系測(cè)點(diǎn)與爆源距離和一次起爆藥量是影響測(cè)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度的主要因素。為了獲取爆區(qū)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度的規(guī)律,沿邊坡縱向及坡向布設(shè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)按垂直和水平向布置速度傳感器,表3為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其中1#、2#、3#和4#為沿邊坡縱向的測(cè)點(diǎn),5#、6#和7#為沿坡向的測(cè)點(diǎn),通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)速度與震源距離的關(guān)系得知,振動(dòng)速度隨震源距離增加而減少。測(cè)點(diǎn)距爆源越近對(duì)應(yīng)的速度越大。在4次爆破下獲取的數(shù)據(jù)并結(jié)合式(3),繪制速度與爆源距離的關(guān)系見圖8。通過(guò)圖8結(jié)合表2的數(shù)據(jù)回歸分析,得到首次爆破振動(dòng)速度衰減規(guī)律表達(dá)式,垂直向?yàn)?從表4的回歸數(shù)據(jù)分析,隨爆破次數(shù)的增多,衰減系數(shù)和指數(shù)逐漸減少,原因是每次爆破對(duì)巖體都會(huì)有一定的破碎,形成損傷區(qū)域。振動(dòng)波在破碎巖體中產(chǎn)生散射和繞射,導(dǎo)致波速降低,使衰減參數(shù)出現(xiàn)相應(yīng)變化。對(duì)不同起爆藥量,同一方向距離相同的測(cè)點(diǎn)隨藥量增加振動(dòng)速度增大,沿坡向垂直速度隨比例藥量多次爆破時(shí),不同藥量下衰減系數(shù)的數(shù)據(jù)回歸有一定差異,隨次數(shù)的增多,衰減參數(shù)出現(xiàn)微降,如圖10所示。原因是衰減參數(shù)取決于坡體自身的性質(zhì),多次爆破使坡體裂隙增多,損傷區(qū)域增大,振動(dòng)波在坡體內(nèi)衰減增快,若不進(jìn)行適當(dāng)考慮會(huì)產(chǎn)生誤差。當(dāng)3kg≤Q2.3建立三種關(guān)系,提出安全控制的基通過(guò)不同藥量爆破下坡體的累積損傷范圍及測(cè)點(diǎn)振動(dòng)峰值速度變化的分析,建立三者的關(guān)系并提出安全控制指標(biāo)。選取垂直振動(dòng)速度為例,建立爆破區(qū)域損傷范圍和測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度的對(duì)應(yīng)式。按實(shí)測(cè)振動(dòng)速度的拐點(diǎn)結(jié)合損傷深度,并以此作為爆破安全控制指標(biāo)。2.3.1振動(dòng)速度對(duì)距爆源的影響對(duì)于單次爆破,利用振動(dòng)速度衡量巖體損傷范圍,通過(guò)圖3、圖4和圖8(a)得到振動(dòng)速度與距爆源任意處的損傷范圍,如圖11所示。以距爆源5.0m布置測(cè)點(diǎn),通過(guò)振動(dòng)速度即可反應(yīng)出損傷程度,兩者呈線性變化,當(dāng)3kg≤Q式中:V為距離爆源5.0m時(shí)的峰值速度。將式(5)代入式(3)中即可得到一次最大起爆量。2.3.2爆破損傷范圍對(duì)于多次爆破,同樣以振動(dòng)速度衡量巖體損傷程度,通過(guò)圖5、圖6和圖8(b)得到振動(dòng)速度與距任意處的損傷范圍,通過(guò)擬合建立曲線,得到任意點(diǎn)振速對(duì)應(yīng)的爆破損傷深度與半徑。兩者呈非線性變化,測(cè)點(diǎn)振速越大,相應(yīng)的損傷深度也越大,以距爆源5.0m設(shè)置測(cè)點(diǎn),當(dāng)3kg≤Q多次爆破過(guò)程中損傷深度和損傷半徑增加量呈非線性增加,傳播速度下降比單次爆破要快,原因是多次爆破在爆區(qū)形成的破碎區(qū)產(chǎn)生較多裂隙,這對(duì)工程爆破中常用小藥量延時(shí)方式起到很好詮釋。2.3.3次起爆最大控制劑量的確定以單次爆破為例,爆破開挖如圖13(a)所示。取表4中第1次爆破擬合得到的數(shù)據(jù)作為邊坡衰減參數(shù),按聲速降低率10%作為損傷標(biāo)準(zhǔn),以巖體不出現(xiàn)損傷作為安全控制指標(biāo),代入式(5)中得到開挖面處的振速為11.54cm/s,爆源至開挖面損傷半徑為L(zhǎng)=5.57m。將參數(shù)代入式(3),得到一次起爆最大控制藥量為4.62kg,即一次起爆最大藥量在4.62kg時(shí),對(duì)應(yīng)的振速若大于11.54cm/s,在距爆源5.57m范圍內(nèi)會(huì)使坡體產(chǎn)生新裂隙或擴(kuò)展巖體內(nèi)原有節(jié)理裂隙,導(dǎo)致坡體損傷,應(yīng)采取有效的減震措施;當(dāng)測(cè)點(diǎn)距爆源在5.57m范圍外,振速小于11.54cm/s時(shí),爆破振動(dòng)波在坡體節(jié)理裂隙下沿深度方向聲速發(fā)生一定變化,但不會(huì)對(duì)坡體產(chǎn)生損傷。采用多次爆破時(shí),如圖13(b)所示,以不出現(xiàn)損傷作為安全控制指標(biāo)時(shí),將參數(shù)代入式(6)中得到基于首次爆破的多次爆破臨界速度為24.2cm/s,損傷半徑為7.56m,將臨界速度代入式(3),結(jié)合振動(dòng)衰減參數(shù)式(4)即可得到多次爆破時(shí)的最大控制藥量。通過(guò)分析,以聲速降低率10%作為巖體損傷標(biāo)準(zhǔn),質(zhì)點(diǎn)速度對(duì)應(yīng)的損傷界線作為安全控制指標(biāo),結(jié)合邊坡衰減參數(shù),按薩道夫斯基公式便可完成爆破開挖單段最大起爆藥量的控制,并以此作為爆破損傷和爆破開挖的安全控制方法是可行的。3爆破范圍和強(qiáng)度(1)通過(guò)爆破前后聲速測(cè)試,近坡面的聲速降低率比深層的要快,以速度降低率為10%作為臨界線定義損傷區(qū),得到測(cè)區(qū)爆破前后邊坡?lián)p傷深度主要在0~3.5m;(2)爆破振速衰減率隨爆源距離的增加呈遞減趨勢(shì),振速隨比例藥量的增大呈非線性增加;損傷范圍隨振速增大而增加。對(duì)于單次爆破,振速與損傷范圍呈線性變化;而多次爆破的振速與損傷增量呈非線性變化;(3)在不