天然裂缝在危岩体清除爆破中的减振效果研究.pdf

第2 9 卷第4 期 爆破 V 。1 ．2 9N 。．4 2 0 1 2 年1 2 月B L A S T 矾GDe c ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 4 ．0 1 1 天然裂缝在危岩体清除爆破中的减振效果研究水 王胜波8 ，周传波“，袁红6 ，平雯“ 中国地质大学a ．岩土钻掘与防护教育部工程研究中心．b ．工程学院，武汉4 3 0 0 7 4 摘要分析巫山望霞危岩体削方瀑破振动监测结果，发现爆破振动速度与常规经验公式计算得到的结果 相差较大，利用A N s Y s A u T O D Y N 数值模拟软件进行分析得知，危岩体的裂缝对爆破振动速度的减振效果 达到3 3 ．9 ％，随着裂缝数目的增加，其减振效果也提高。该结果对同类危岩体治理工程的爆破参数设计提 供了优化依据。 关键词危岩体；天然裂缝；爆破清理；减振效果 中图分类号 T D 2 3 5 ．3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 l 一4 8 7 x 2 0 1 2 0 4 一0 0 4 6 0 4 S t u d yo nD a m p i n gE f f e c to fN a t u r a lC r a c k si n P o t e n t i a lU 璐t a b l eR 旬c kC l e 盯B l a s t i n g 黝ⅣG 鼽e 愕一6 D 8 ，z 日D U 傩№n - 6 0 6 ，y m J 7 、r 舶昭6 ，P ，ⅣG 肌矿 a ．E n 西n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e ro fR o c k S o i l ＆E x c a v a t i o na n dP m t e c t i o nM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ； b ．E n g i n e e r i n gC 0 l l e g e ，C h i n aU n i v e l l s i t yo fG e o s c i e n c e s ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a A 嘁豫c t D a t af m mb l a s t i n gv i b r a t i o nm o n i t o r i n go fu n s t a b l em c km a s sa tW u s h 蛐s h o w st h a tt h eb l a s t i n gv i b r a - t i o nV e l o c i t yi sg r e a t l yd i 圩e r e n tf m mt h ec a l c u l a t e dv i b r a t i o nv e l o c i t yw i t he m p i r i c a lf 0 瑚u l a ．T h es o f t w 盯eA N S Y S 』 A U 7 I D D Y Ni su s e dt os i m u l a t et I l eb l a s t i n gv i b r a t i o n ．T h es i m u l a t e dd a t as h o w st h a tt h eb l a s t i n gv i b r a t i o ni sr e d u c e 3 3 ．9 ％d u et 0t h ec r a c k se 任宅c ti nt h eu n s t a b kr o c km a s s ，W “h 山ei n c r e a 8 i n g0 fn u m b e r0 fc r a c k s ，t h ev i b r a t i o n d 咖p i n ge 矗套c ta l s oi n c r e 聃e s ．R e s u l t sf 南mt h i ss t u d yp r o V i d e s 叩t i m i z e db 踮i sf o rb l 鹊tp 跏l e t e r sd e s i 印i ns i m i l a r r o c km 蚰a g e m e n t ． K e yw O r d s 叫e n t i a lu I l s t a b l er o c km a s s ；n a m r a lc r a c k ；b l a s t i n gc l e a r ；v i b r a t i o nd a m p i n ge ＆c t 在爆破施工过程中，爆破地震效应经常对爆破 施工场地附近的建筑物、构筑物、边坡等产生严重危 害，如何有效控制爆破振动是爆破作业必须考虑的 问题⋯。岩体并非均匀连续介质，岩体中存在着大 量的各种类型的不连续面，包括岩层交界面和软弱 结构面，如断层、节理等，而危岩体存在更为明显的 收稿日期2 0 1 2 一0 7 一1 2 作者简介王胜波 1 9 8 7 一 ，男，湖北黄冈人，地质工程专业在读硕 士研究生，主要从事工程地质及爆破研究， E ．m a i l 2 7 5 3 3 1 7 3 1 q q ．c o m 。 通讯作者周传波 1 9 6 3 一 ，男，中国地质大学教授、博士生导师，主 要从事地下建筑工程、岩土工程、采矿工程、工程爆破方面 研究， E m a i l c b 出o u c 雌．e d u ．c n 。 基金项目国家自然科学基金 4 1 0 7 2 2 1 9 天然剥蚀或人类工程活动所造成的裂缝，他们阻碍 着爆破应力波的传播，加剧了应力波能量的衰减，从 而影响了爆破效果旧』。因此，岩体中各种结构面、 软弱夹层和裂缝对应力波传播和爆破效果的影响早 已引起了国内外研究者的重视。 1 9 5 7 1 9 6 2 年间，美国在尼亚加拉 N i a g a r a 水 电站引水渠和竖井开挖工程中，经过多种比较实验， 证实预裂缝有着良好的隔振减振作用效果旧J 。国 内的卢文波 1 9 9 6 等通过应力波与节理刚度描述 的介质界面模型来研究了预裂缝的隔振机制与减振 效应H 1 ；张志呈、肖正学等人结合爆破地震波的传 播特性，从波动理论方面对预裂缝减振机制与效果 万方数据 第2 9 卷第4 期 王胜波，周传波，袁红，等天然裂缝在危岩体清除爆破中的减振效果研究 4 7 进行了研究∞o 。 望霞危岩体位于巫山县长江主航道左岸，以望 霞危岩治理工程爆破振动监测结果为依据，分析爆 破振动的一般规律，并运用A N S Y S A U T O D Y N 数 值模拟进行危岩体天然裂缝在削方爆破中的减振效 果研究。 1 工程概况 望霞危岩位于巫山县两坪乡同心村，平面呈扇 形，变形区域平面长1 1 9m ，前缘宽2 0 0m ，变形面积 1 ．3 9 1 0 4m 2 ，厚度为7 0 一1 0 3m ，危岩下方公路位 置变形土体厚度8 一l om ，变形总体积6 8 1 0 4m 3 ， 目前已有3 1 0 4m 3 崩塌后落于二级陡崖下方斜坡 上。据地面调查及勘探工作揭露，勘查区地层由第 四系人工填土 Q d 、残坡积层 Q 出 、崩积层 Q ；0 1 、二叠系吴家坪组、孤峰组、茅口组、栖霞组、 梁山组、石炭系、泥盆系及志留系组成。其中分布于 陡崖体上的二叠系吴家坪组，可分上下2 段上段 P 训 由灰、深灰色薄至中厚层状晶质灰岩、燧石 灰岩夹少量泥岩组成；下段 P 2 埘。 由灰色炭质页 岩、粉砂岩、深灰色泥岩夹灰岩及煤层组成，大致呈 东西向展布，该组厚8 0 一1 0 0m 。现场全貌如图1 所示。 图1 危岩体全貌 F i g ． 1T h ep a n o r 啪ao fd 锄g e m u sr o c km 鹬s 依据勘查报告，并结合物探、煤矿采空区调查单 位及监测单位提供的数据，复杂地形地貌、地质构 造、地层岩性、降雨等天然剥蚀作用、人类工程活动 构成了对滑坡变形的主要原因。现场的裂缝分布剖 面如图2 所示。 根据设计，治理方案采用清除、削顶减载、面层 裂隙封闭、主动防护网、排水沟和被动防护网的综合 治理方案，其中清除危岩采用爆破法。 根据地质报告，危岩属于中硬岩石，K 取1 8 0 ，a 取1 ．6 5 ，最大段药量Q 6 5k 。按照边坡安全允许 质点振速表中规定对边坡稳定性差的地段 边坡 岩体节理裂隙发育，风化较严重，有较大的构造弱 面、稳定性系数在1 ．0 8 以下 边坡安全允许质点振 速为移≤2 2c m ／s 。 危 岩 体 I - Q - I 一墨- I 图2 裂缝分布图 单位m F i g ．2 C r a c kd i 8 t r i b u t i o n u n i t m 2 爆破振动监测及结果分析 根据现场爆破条件，一共布置6 个测点。测点 分布于望霞危岩体四周，能充分反映爆破振动在各 方向的强度，一定程度上反映传播规律。测点布置 如图3 所示。 图3 测点布置不意图 F i g ．3 I n s 咖m e n t1 a y o u td i a g r a m 通过G P S 测量得到经纬度及高程并转换成大地 坐标计算测点与爆源之间的距离，监测结果见表1 。 从表中可以看出，最大振速为0 ．6 9c m ／s ，这与 设计允许的最大振速2 2c ∥s 相差甚远，说明设计 提供的最大单段药量等爆破参数还有很大改进的空 间。现场实际发现，危岩体位于横石溪背斜轴部，岩 体应力集中，层面裂隙不发育，区内主要发育的一组 陡倾的节理将岩体切割成块，间距大，倾角陡，形成 万方数据 4 8 爆破2 0 1 2 年1 2 月 了变形体的两侧边界，并将岩体切割形成较大的板 状体和柱状体。因此认为，实际振动峰值速度较小 的原因归结于危岩体的陡倾裂缝对岩体爆破有隔振 减振的效应。 表1 爆破监测原始数据 T a b l el B l a s t i n g 协r a t i 蛐t e s tr a wd a t a 3 天然裂缝减振效果数值模拟研究 采用数值模拟分析研究裂缝对危岩体爆破应力 波的隔振减振效果。 3 ．1 数值模型 A N S Y S A u T O D Y N 是一种显式非线性动力分 析软件，可以对固体、流体、气体的动态特性及他们 之间的相互作用进行分析。其优势是研究瞬态动力 学波的传播。因此采用该软件进行相关研究。为了 方便计算，模型做如下简化 1 裂缝定义为楔形裂缝，缝间为空气夹层，爆 孔按垂直孔考虑。 2 岩石材料按弹塑性体考虑。 建模采用的单位制为c m ．g ．s 。为了对比研究， 分别设计一个无裂缝的和多个有裂缝的二维计算模 型 裂缝数n O 、1 、2 、3 、4 ，裂缝间距为5m 。其 中，有2 条裂缝的符合望霞危岩体的现场工况。简 易模型如图4 所示。 图4 数值模拟计算模型 单位m F 远．4 N u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l u I l i t m 3 ．2 岩体与炸药参数的选取 假设危岩体主要的灰岩为均质、连续、均匀、无 初应力和各向同性的双线性随动强化弹一塑性材 料，炸药采用2 号岩石乳化炸药，具体参数分别见 表2 、表3 。 表2 灰岩弹塑性动力学模型材料参数 T a b I e2T h el i l m 镪t o I 地e h s t o - p l a s n cd ”姗i cm o d e Im 硼t a lp 剐麓m e ￡e 螨 p ／ k m 一3 玩／ m s 。 A ／G P a∥G P a 冠，R ∞ E 0 ／G P a 1 3 1 05 5 0 02 1 4 ．4O ．1 8 24 ．20 ．90 ．1 5 4 ．1 9 2 3 ．3 边界条件及炸药状态方程 由于模型属半无限岩体，为消除人为边界处的 反射波对结构动力响应的影响，将模型外围人为边 界面设定为非反射边界，上部界面与裂缝间界面为 自由界面。爆轰产物的状态方程反映压力与体积应 变 或密度变化 之间的关系，是材料的重要特性之 一，计算中采用J w L 状态方程，其表达式为 雎A 一蒜 e 吨y B ，一荆e 啦v 等 式中y 是体积变化；A 、B 、甜、尺。、R 、瓯是材料常数。 3 ．4 数值模拟结果及分析 依次试算无裂缝的模型和有2 条裂缝 符合危 岩体现场工况 的模型，比较同时达到1 4 叭c Y c L E 时计算结果的区别。图5 给出了无裂缝模型的压应 力云图，图6 给出了有2 条裂缝模型的压应力云图。 从图中可以看出有裂缝的模型的应力波传播距离明 显小于无裂缝的模型。在裂缝的右侧，其应力的大 小也明显低于无裂缝模型。 分析数值计算结果，图7 显示的是无裂缝模型 比较典型的振动波动图，为了对比分析，图8 给出了 有2 条裂缝模型的振动波动图。从软件计算结果的 图中可以自动读出，无裂缝模型振动峰值速度为 1 ．2 1c Ⅱ∥s ，有裂缝模型最大振动速度为O ．8 0c r n ／s 。 因此，该危岩体爆破清理过程中，在2 条天然裂缝的 万方数据 第2 9 卷第4 期 王胜波，周传波，袁红，等天然裂缝在危岩体清除爆破中的减振效果研究 4 9 作用下，对爆破振动速度的减振效果达到3 3 ．9 ％。 为了研究其减振效果与裂缝数目之间的关系， 图9 表示的是在爆心距为1 0 5m 处数值模拟计算出 的在裂缝数n 0 、1 、2 、3 、4 时振动峰值速度曲线。 该曲线反应了天然裂缝的减振效果随着裂缝数目的 增加而增加。 图5 无裂缝模型压应力云图 F i g ．5 N oc m c km o d e lc l o u dc o m p r e s s i v es t r e s s g 嚣。．。。⋯0 ，． ，二慧 图6 有2 条裂缝模型压应力云图 F i g ．6 “i c l e2c m c km o d e lc 伽p 燃s i v es t r e 鹪c 1 0 u d 产 。∞ ● 昌 3 釜 ’8 0 ～ ▲ 生 f ，l O ～s G a u g eH i s t o r y I d e n t0 一a 图7 无裂缝模型振动波形图 F i g ．7N oc r a c km o d e lv i b r a t i o nw a v e f o r m 同时，为了验证该模拟方法的可行性，最后还计 算了符合案例工况的裂缝数几 2 时爆破振动速度 峰值随着距离的变化情况，并将其与实测数据对比， 结果见图1 0 。从图中可以看出，尽管模拟值与实测 值之间存在误差，最大误差为1 3 ％，在这可以接受 的误差范围内，振动速度峰值随爆心距变化的总体 趋势是一致的，因此，这在一定程度上反应了该数值 模拟方法的可行性。 ， ，田 ● 吕 3 釜 ‘S S ～ 吐 f ／1 0 ～s G a u g eH i s t o 。y I d e n t0 一c 图8 有2 条裂缝模型振动波形图 F i g ．8 胁i c l e2c r a c km o d e lv i b r a t i o nw a v e f o n n 产1 ． ． 1 ． 毫1 ． 越O ． 馨o ． 蜷0 ． 蓑o ． 图9 在爆心距1 0 5m 处振速与裂缝数的关系 F i g ．9T h e 尬l a t i 咖l I i po fn u m b e r0 fc m c k 蛐dt h e b l 酗d n gc e n t e rd i 8 觚e1 0 5mp l a c e 爆心距，m 图1 0 实测结果与数值模拟结果对比 F i g ．1 0 1 1 1 em e a s u r e dr e s I l l t s 蚰dn u 眦d c a l s i n H d g t i o n1 1 e s u l t s 4 结论 1 望霞危岩体爆破清理过程中现场测试结果 显示其峰值振动速度与常规经验公式计算结果差距 较大，说明爆破设计参数还有优化的空间。 2 根据数值模拟的结果，危岩体的2 组裂缝 对爆破振动峰值速度有良好的减振效果，其效果达 到3 3 ．9 ％。 下转第1 0 9 页 万方数据 第2 9 卷第4 期 胡军然，陈先锋，郑德明，等2 ．5t 危险物品销毁的组织与实施 1 0 9 上接第4 9 页 3 在裂缝间距为5m 时，危岩体天然裂缝的 减振效果随裂缝数的增加而增加。 致谢课题组罗钢、孙维昌、张志华、苗高建等 同学在现场参与测试，在此一并表示感谢。 参考文献 R e f e r e 眦姻 [ 1 ] 梁开水，陈天珠，易长平．减震沟减震效果的数值模拟 研究[ J ] ．爆破，2 0 0 6 ，2 3 3 1 8 - 2 1 ． [ 1 ] u A N GK a i s h u i ，c } ⅢNT i a n z h u ，Ⅵc h 肌g p i n g ．N 1 l m 商c a l s i 删d a t i o nf o rv i b r a t i o n i 鲫1 娟n g 如c to fv i b 帕t i o ni s o l a t i I l g s l o t [ J ] ．B 1 枷n g ，2 0 0 6 ，2 3 3 1 8 - 2 1 ． i nc I I i n e s e [ 2 ] 张志呈，肖正学．工程爆破中构造断层的隔振效应 [ J ] ．西部探矿工程，2 0 0 5 ，1 0 8 6 1 2 1 一1 2 3 ． [ 2 ] z H A N Gz h i c h e n ，x I A 0z h e n g - x u e ．E n g i n e e r i n gb l a s t i n g o ft l l es t m c t u r eo ft 1 1 ef a u l ti s o l a t i o ne f r e c t 『J1 ．W e s t ．C h i n aE 。p l o r a t i o nE n 百n e 蕊n g ，2 0 0 5 ，1 0 8 6 1 2 l 1 2 3 ． i n C h i n e s e 冯叔瑜。马乃耀．爆破工程[ M ] ．北京中国铁道出版 社，1 9 8 0 ． 卢文波，赖世骧．岩石钻爆开挖中预裂缝的隔振效果 分析[ J ] ．爆炸与冲击，1 9 9 7 ，7 3 1 9 3 1 9 8 ． L uw e n b o ，I A IS h i r a n g ．A n a l y s i s0 fv i b r a t i o ni s o l a t i n g e f f e c to fp r e s p l i t t i n gc r a c ki nr o c ke x c a v a t i o nb yb l a s t i n g [ J ] ．E x p l o s i o na n ds h o c kw a v e s ，1 9 9 7 ，7 3 1 9 3 1 9 8 ． i nC h i n e s e 张志呈，肖正学．工程瀑破地震波的裂隙效应 J ] ．西 南科技大学学报，2 0 0 4 ，9 3 5 7 6 2 ． Z H A N GZ h i - c h e n ，X I A 0Z h e n g x u e ．‘r h ec r a c ke f f b c to f t h ee a r t h q Ⅱa k ew a v e { 如m 娃l ee n 舀n e e r i n g 珏a s t i n g [ j ] ． J o u l l l a l0 fS w U S T ，2 0 0 4 ，9 3 5 7 6 2 ． i nC h i n e s e j ] ] ∞ H H b 瞪 万方数据