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含软弱夹层岩质直立边坡爆破振动速度高程放大效应研究

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：韩希1 周明召2

[导读] 摘要：针对直立岩质高边坡对爆破振动的动力响应特征问题，利用Flac3D软件建立分三级开挖的岩质基坑直立边坡数值模型，分析了其爆破振动速度的高程分布规律。

        1.身份证号码：420983........2412；2.身份证号码：420922........1016
        摘要：针对直立岩质高边坡对爆破振动的动力响应特征问题，利用Flac3D软件建立分三级开挖的岩质基坑直立边坡数值模型，分析了其爆破振动速度的高程分布规律。计算结果显示，软弱夹层对基坑边坡质点振动速度的分布规律存在显著影响，边坡上质点的爆破振动速度随着与爆源距离的增大总体呈衰减趋势，但在软弱夹层及其邻近的上盘岩体处具有一定的放大效应；软弱夹层的厚度、倾角、埋深位置和弹性模量等因素对其振速放大效应具有一定的影响，放大系数随着软弱夹层埋深、弹模比和厚度的增加而增大，其中厚度的影响不显著；随着软弱夹层倾角的增大而呈现多次波动。
        关键词：基坑边坡；软弱夹层；爆破振动；数值模拟
        引言
        本文以重庆市沙坪坝地区铁路枢纽工程基坑开挖形成的三级岩质边坡为研究对象，利用Flac3D建立基坑边坡模型，分析了其在爆破地震波作用下的爆破振动放大效应。并研究了不同软弱夹层的厚度、倾角、埋深位置和力学参数等因素对振速放大效应的影响，基于计算结果得出了边坡振速局部放大效应随软弱夹层的变化规律。
        1 岩质边坡爆破振动的振速衰减规律
        1.1数值模型
        以沙坪坝地区铁路枢纽工程岩质基坑边坡开挖为工程背景，建立如图1所示的边坡数值计算模型，图中岩体性质为砂岩，在砂岩之间包含有一厚度约为2m的泥质软弱夹层带，软弱夹层倾角约为30°，在砂岩与软弱夹层之间设置接触面。根据工程资料显示，此次开挖共开挖四级边坡，每级边坡开挖高度为12m，台阶宽度为2m，模拟第四级边坡开挖中爆破振动对前三级边坡的振动响应。计算本构模型采用摩尔-库伦模型，岩体物理力学参数取室内试验结果见表1。

        （a）计算模型示意图               （b）三维数值模型
        图1 数值计算模型图
        表1 岩体计算参数

        1.2边界条件与动力荷载的输入
        在动力分析中，为防止爆破产生地震波的反射和失真，边界条件采用黏滞（不反射）边界来减少模型边界上波的反射，图2为边坡在地震波作用下分析模型的边界。模型中边坡除坡面坡顶为自由边界外，其余5个侧面均设为黏滞边界。

        图2 边坡动力模型黏滞边界
        在FLAC3D动力计算中，动载荷输入可以采用加速度时程、速度时程、位移时程和应力时程4种方式。若采用粘滞边界条件，则必须输入速度时程进行分析。本次采用由布置在距坡顶西侧10m现场测得的爆破竖直Z向和水平X向的振动速度时程曲线输入，如图3所示。模型计算中的阻尼采用瑞利阻尼，最小临界阻尼和中心频率两参数分别取5%和22.4Hz。考虑到实际爆破开挖时，第四级边坡一次爆破开挖的区域沿基坑轴向的长度约为10m，炮孔深度为5m，因此，爆破荷载施加在模型中部10m×5m的区域。由于本次爆破输入荷载为竖直Z向和水平X 向，故分析结果中未考虑水平Y向。

        图3 爆破荷载时程曲线
        1.3计算结果及分析
        在动力计算完成后，我们定义各级边坡振速放大效应范围内的最大峰值振速与最小峰值振速的比值作为这一级边坡的放大系数：
        U=Vmax/Vmin          （1）
        式中：Vmax为各级边坡振速放大效应范围内的最大峰值振速；Vmin为各级边坡振速放大效应范围内的最小峰值振速。
        统计各级边坡测点沿高程的水平X向与竖直Z向爆破振动峰值（水平Y向振速相比与X、Z向过小故未列出），得到各测点爆破峰值振速随边坡如图4所示，以下各图中“坡面高差”为每一级边坡从坡脚到测点的高程差。
        由图4可知，随着距爆源高差的增加，爆破的水平峰值振速大体上呈现出衰减趋势，但是三级边坡坡面的振动响应却各不相同。在一级边坡，爆破振动速度在2~12米范围内均出现放大现象，最大放大系数为1.20。在二级边坡，爆破振动在0~8米范围内振速随高程的增加逐渐减少，而在8~12米振速较前一测点出现放大现象，最大放大系数为1.04。在三级边坡，爆破振动在0~10米范围内振速随高程的增加逐渐减少，而在10~12米振速较前一测点出现放大现象，最大放大系数为1.19。爆破的垂直峰值振速与水平向基本一致但是其放大系数相对较小。一、二、三级边坡的最大放大系数分别为1.15、1.03和1.12。计算结果表明爆破振动放大效应只在边坡一定高程范围存在并且在一级边坡上的放大现象相对二、三级边坡更加剧烈。

        图4 各级测点振速随边坡高度分布图
        为得到通过对比软弱夹层对岩质边坡在爆破振动下的影响作用，通过数值模拟计算出边坡在无夹层作用下的各级边坡振速随高度分布如图5。
        由图5可知，随着距爆源高差的增加，爆破的水平峰值振速大体上呈现出衰减趋势，但是三级边坡坡面的振动响应却各不相同。在一级边坡，爆破振动速度在4~12米范围内均出现放大现象，最大放大系数为1.17；在二级边坡，爆破振动在0~10米范围内振速随高程的增加逐渐减少，而在10~12米振速较前一测点出现放大现象，最大放大系数为1.04；在三级边坡，爆破振动全高程范围内振速随高程的增加逐渐减少，未出现振速放大现象。爆破的垂直峰值振速与水平向基本一致但是其放大系数相对较小。一、二边坡的最大放大系数分别为1.12、1.03。计算结果表明爆破振动放大效应在不考虑软弱夹层与考虑含软弱夹层的情况下略有不同，不考虑夹层之后各级边坡的放大效应均有所减弱乃至不再出现，由此可见夹层对于爆破振动响应有着不可忽视的影响。
        比较两种工况下，各级边坡的振速峰值可以看出，在不考虑夹层情况时分布图与考虑夹层的岩体类似，第一级边坡大部分均有振速放大效应，边坡在第二、三级边坡上部均出现了振速局部放大现象，提取各级边坡的水平和垂直振速最大放大系数绘制图6，对比结果表明，在含有夹层的第一级边坡区域，爆破振动放大系数出现跳跃增长，在三级边坡坡顶处，含夹层的爆破振动放大系数相比无夹层条件下X方向和Z方向分别增加了11%和13%。由此可见在边坡中分布有夹层时，爆破振动在坡面的爆破振动放大更加明显。

        图5 各级测点振速竖向分布图

        （a）水平X向                 （b）竖直Z向
        图6 有无夹层工况下各级边坡放大系数对比

        图7 各级测点第一主应力随边坡高度分布图
        根据以上分析，边坡振速在一定范围内会产生一定的放大效应，但这种放大是否能够真正表征边坡内的应力状态，采用放大部位的速度是否能够用来评价当次爆破对边坡稳定性的影响需要进一步验证。为了解边坡内各测点的应力状态，图7给出了有无软弱夹层工况下边坡不同测点处的第一主应力分布。
        由图7可知，各级边坡会在其坡脚处出现应力集中现象，在该处的第一主应力最大，应力沿着坡面向上逐渐减少，在各级边坡坡顶处应力最小。比较图4、5和图7可以发现，在各级边坡上，质点振速峰值与第一主应力峰值出现的部位并不一致，质点振动速度峰值处的应力反而较小。可见边坡坡面的振动速度与其第一主应力分布状态相关性不强，不能表征边坡的安全状态，因此如果在爆破振动监测中将测点布置在存在放大效应的部位，则并不能真实评价当次爆破对整个边坡的影响。而未考虑夹层工况下第一主应力的分布与考虑夹层的工况类似。
        2振动速度高程放大效应影响因素
        计算结果表明含有夹层边坡的区域其爆破振动放大效应较无夹层更加突出。为了模拟软弱夹层的特性对岩质边坡动力响应的影响，分析了软弱夹层的埋深位置、弹性模量、厚度和倾角等因素对爆破地震波放大现象的影响，得出边坡水平X向放大系数的变化规律。
        2.1埋深位置
        选取厚度为2米的软弱夹层分别埋深在第1、2、3级边坡上（如图9所示），各级边坡的放大系数和发生高程范围如表2所示。

        （a）位置1       （b）位置2       （c）位置3
                  图9 软弱夹层埋深位置图
            表2 各级边坡振速放大系数级出现范围

        2.2夹层物理力学参数
        在夹层厚度为2m，埋深位置在第三级边坡的情况下，选取夹层与两侧岩体弹性模量比分别为1：1.2、1：1.5、1：2、1：3、1：4、1：5时，各台阶上测点振速放大系数随弹模比值的变化关系如图10。由图X可以看出，在其他因素不变时，随着夹层与两侧岩体弹模比的增加，各级边坡振动放大系数均有不同程度地增长，其中第3级边坡的增长率明显大于1、2级边坡，并且在弹模比大于4之后，第3级边坡的放大系数达到最大。

        图10 各级边坡测点放大系数随弹模比值分布图
        2.3夹层厚度
        图11为不同厚度的夹层与放大系数的关系曲线。由图11可见，各级边坡的放大系数随着软弱夹层厚度的增大而增大，并且第1、3级边坡的放大系数均大于第2级边坡。在夹层厚度1~6米时放大系数增大较快，在厚度6~9米时放大系数增长较为缓慢。这说明在爆破地震波作用下，边坡的振动速度放大效应对于夹层有一定的厚度敏感区间；由图10也可以看出，第三级边坡的放大系数增长速度大于第一级和第二级，这是因为随着夹层厚度的增加，振动放大效应程度增强，而由于软弱夹层位于第三级边坡而使此级边坡的放大效应有所加强。
        2.4夹层倾角
        使软弱夹层倾角在0o~160o之间改变并进行计算，得到图12关于不同倾角夹层工况与第一级放大系数的关系曲线。由图11可见，随着软弱夹层倾角的增大，第一级边坡的放大系数并不是呈单一的增大或减小，而是呈现出先增大后减小，再增大，再减小的规律，并且在75 o ~90o之间，放大系数小于1，说明垂直于爆破传播方向的软弱夹层的存在可以更有效地减弱地震波的传播，有利于基坑边坡的稳定性。

        图11 各级边坡测点放大系数随夹层厚度变化      图12 第一级边坡放大系数随夹层倾角变化
        3结论
        本文以实际边坡工程为例进行了在爆破地震波作用下的爆破振动放大效应研究。
        （1）通过对各级边坡在爆破振动作用下的振速高程放大效应的研究，发现各级边坡的放大效应并不一致，其中二、三级边坡的高程放大效应只在小范围内存在，而第一级边坡几乎在全高程范围内均出现放大效应，这说明边坡高程大小对振速放大效应有很大影响。
        （2）分别研究了考虑有无夹层条件下的爆破振动放大效应，计算结果表明有无夹层时在含夹层位置的振速放大效应明显不同，含夹层位置的放大效应往往出现突变。
        （3）多种因素都会对爆破振动放大效应产生一定的影响，放大系数随着软弱夹层埋深、弹模比和厚度的增加而增大，其中厚度的影响较不显著；并随着软弱夹层倾角的增大而呈现多次波动。
        参考文献：
        [1]黄润秋，余嘉顺.2003.软弱夹层特性对地震波强度影响的模拟研究[J].工程地质学报，03：312-371.
        [2]杜晓丽，宋宏伟，魏京胜.2010.地震对软弱夹层边坡稳定性影响数值模拟研究[J].三峡大学学报（自然科学版），01：39-42.