言旺軍 周余奎(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,四川成都 610031)

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重慶樞紐區(qū)域爆破震動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)確定方法討論

言旺軍 周余奎
(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司,四川成都 610031)

【摘 要】本文在重慶樞紐《城市區(qū)巖石路塹與淺埋隧道安全控爆技術(shù)》課題組的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)建(構(gòu))筑物的安全驗(yàn)證基礎(chǔ)上,總結(jié)了城區(qū)大規(guī)模土建施工中爆破開(kāi)挖對(duì)城區(qū)建筑物和建筑物基礎(chǔ)及邊坡穩(wěn)定的影響及評(píng)判方法,討論了幾種邊坡穩(wěn)定安全標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定方法的特點(diǎn)和適用范圍,提出了適用于城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下邊坡穩(wěn)定的判斷方法:邊坡巖石質(zhì)點(diǎn)臨界震動(dòng)速度判別法及其計(jì)算方法。

【關(guān)鍵詞】爆破震動(dòng) 評(píng)價(jià)方法 臨界震動(dòng)速度

【Abstract】In this paper, base on ChongQing hub 《the urban area of rock cuttings and shallow buried tunnel safety controlling blasting technology》research group has got a large number of monitoring data and the field experience, based on the blasting excavation in large-scale urban construction are summarized in the foundation of the buildings and structures in urban areas and the slope stability of the impact and evaluation method of slope stability are discussed several characteristics and applicable scope of safety standards evaluation methods, put forward the suitable for urban complex environment judgment method of slope stability, slope rock particle vibration velocity critical criterion and its calculation method.

【Key words】Blasting vibration Evaluation method The critical vibration velocity

為保證建(構(gòu))筑物的安全，需將爆破震動(dòng)強(qiáng)度控制在一臨界值內(nèi)。若超過(guò)此臨界值，就引起建(構(gòu))筑物的破壞，這個(gè)爆破震動(dòng)強(qiáng)度臨界值稱為爆破振動(dòng)判據(jù)。由于建筑物的多樣性和地震波波形的千變?nèi)f化，要定出一個(gè)統(tǒng)一的判據(jù)是不可能的。

在評(píng)價(jià)爆破震動(dòng)對(duì)建(構(gòu))筑物的危害時(shí)，不僅應(yīng)用位移、速度、加速度作為破壞判據(jù)，還應(yīng)考慮爆破震動(dòng)持續(xù)時(shí)間對(duì)建(構(gòu))筑物的累積破壞作用，振動(dòng)頻率與建(構(gòu))筑物固有頻率之間的關(guān)系等。

1 爆破震動(dòng)評(píng)價(jià)方法

1.1 速度判別法

點(diǎn)速度可將地震波所攜帶的能量與所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力相聯(lián)系起來(lái)，而且質(zhì)點(diǎn)震速測(cè)試較為簡(jiǎn)便，所以質(zhì)點(diǎn)震速作為爆破地震效應(yīng)的衡量指標(biāo)應(yīng)用最廣泛，生產(chǎn)實(shí)踐中一定程度上也表明爆破震動(dòng)速度大小對(duì)邊坡穩(wěn)定影響程度是顯著的[13]。應(yīng)用薩道夫斯基公式[14]：

式中：Q為爆破藥量，kg，齊發(fā)爆破時(shí)為總藥量，分段爆破時(shí)為最大一段藥量；R為測(cè)點(diǎn)至爆源中心的直線距離，且 R=（h2+l2）0.5，h為測(cè)點(diǎn)至爆源垂直距離，m； l為測(cè)點(diǎn)至爆源水平距離，m；K是與巖石性質(zhì)、爆破參數(shù)和爆破方法有關(guān)的參數(shù)； α是爆破震動(dòng)波隨距離的衰減指數(shù)。

不同Q、R值條件下，測(cè)出對(duì)應(yīng)的V值，如應(yīng)用薩道夫斯基公式進(jìn)行線性回歸分析，得出某一區(qū)域或建筑的震速預(yù)測(cè)公式?？紤]到建筑的高度對(duì)爆破影響有放大作用，因此對(duì)重慶樞紐區(qū)域的建筑以建筑頂部和基礎(chǔ)分別預(yù)測(cè)取較大的震速作為衡量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)驗(yàn)算安全性。

1.2 加速度判別法

震動(dòng)破壞常取決于加速度的大小，為了量化地確定爆破對(duì)爆區(qū)建筑物和建筑基礎(chǔ)邊坡的影響，可采用美國(guó)陸軍工程團(tuán)計(jì)算爆破引起的巖石振動(dòng)加速度的方法[3]，計(jì)算公式如下：

式中：a為地面爆破在巖體中引起的加速度，m/s2；Q為炸藥量，kg；R為計(jì)算點(diǎn)距爆破中心的距離，m； Vp為縱波速度，m/s。

求得震動(dòng)加速度a后，查表1，便得出對(duì)應(yīng)的地震烈度，據(jù)此判別爆破震動(dòng)對(duì)建筑物基礎(chǔ)邊坡穩(wěn)定性的影響。有了振動(dòng)加速度a后，可以以加速度反應(yīng)時(shí)程形式代入式(= -Miai(t))中計(jì)算爆破對(duì)建筑物基礎(chǔ)邊坡巖石的附加動(dòng)力影響，再用極限平衡方程來(lái)檢驗(yàn)安全性。

1.3 動(dòng)應(yīng)力分析法

爆破震動(dòng)所引起的應(yīng)力屬動(dòng)應(yīng)力，在爆破震動(dòng)作用下，地震波的傳播引起巖體內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)，巖體內(nèi)的動(dòng)應(yīng)力與質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度和巖體的阻抗特性有關(guān)，根據(jù)動(dòng)量定律可推導(dǎo)出巖體內(nèi)動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系式為：

縱波 δ=cp·ρ·vp(3)

橫波 τ=cs·ρ·vs(4)

根據(jù)重慶樞紐爆破施工區(qū)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算選用巖體強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)： ρ巖體密度=2.14 t/m3，動(dòng)彈性模量E=0.07～0.09×105kg/ cm2，泊松比 u=0.34。再根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)，可計(jì)算出研究點(diǎn)因爆破震動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力的大小。因?yàn)閹r體的抗拉強(qiáng)度最低，當(dāng)不考慮邊坡巖體原有應(yīng)力作用時(shí)，可直接采用求得的應(yīng)力與巖體的抗拉強(qiáng)度Rt進(jìn)行比較，如果 δ≥Rt，則巖石會(huì)因爆破震動(dòng)而破裂；如果 δ≤Rt，則爆破震動(dòng)不會(huì)引起邊坡巖石破裂。

1.4 等效靜荷載法

等效靜荷載法是將爆破震動(dòng)力折算為等效靜荷載，進(jìn)行擬靜力計(jì)算?？刹捎孟铝徐o力折算公式[14]：

式中：β0為爆破動(dòng)力系數(shù)，β0=0.1～0.3；K0為地震系數(shù)；K0= a/ g，其中 a為質(zhì)點(diǎn)最大振動(dòng)加速度(cm/s2)， fv a=2π· ( f 為爆破波的震動(dòng)頻率， v為質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度)；g為重力加速度，980cm/s2； wi為i節(jié)點(diǎn)處巖體重量，N。

采用這種方法簡(jiǎn)化后，再將等效靜荷載轉(zhuǎn)化為慣性力施加在邊坡上，進(jìn)行邊坡的靜力穩(wěn)定分析，從而研究爆破對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

表1 爆破震動(dòng)加速度與地震烈度

1.5 震動(dòng)頻率判別法

由于大地系統(tǒng)的濾高頻作用，因此會(huì)出現(xiàn)高頻頻率快速下降部分；由于爆破地震波的低頻頻率接近巖石介質(zhì)的固有頻率。用二元回歸法研究R.L.Yanq，P.Rocque等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出以下結(jié)論[15]：頻率f與(R/Q0.33)有較簡(jiǎn)單指數(shù)關(guān)系：

式中：R為距離，m；Q為炸藥量，Kg

當(dāng)6式中的頻率f為距離R遠(yuǎn)處的被保護(hù)建(構(gòu))筑物的固有頻率f固時(shí)，由6式有：

將7式兩邊取對(duì)數(shù)得ln f固=ln5000－0.4R/Qf0.33，可得：

用Qf與由安全震動(dòng)臨界速度計(jì)算出的最大單段藥量Q比較驗(yàn)算，當(dāng)兩者接近時(shí)，需要減小最大單段藥量Q，避免使被保護(hù)建(構(gòu))筑物因與爆破地震波發(fā)生共振而破壞。對(duì)于巖石，其自振頻率為10～15Hz[4]，對(duì)于邊坡易破壞的薄弱部位距爆源的距離和自振頻率代入8式可求出不可取的單發(fā)炸藥用量范圍值，因此對(duì)于邊坡的開(kāi)挖爆破就需要避開(kāi)這一段爆破振動(dòng)頻率。

邊坡在施工期間的開(kāi)挖破壞主要來(lái)自于邊坡開(kāi)挖爆破和邊坡開(kāi)挖后圍巖的卸載，后者影響程度和范圍較??；前者又分為了爆源近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)或直接破碎區(qū)和爆破震動(dòng)影響區(qū)，對(duì)于邊坡穩(wěn)定性主要討論爆破遠(yuǎn)區(qū)或爆破震動(dòng)的影響。

在爆區(qū)一定范圍內(nèi)，爆破震動(dòng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引起鄰近邊坡區(qū)不同程度的破壞。其不破壞判據(jù)[16]：邊坡巖石質(zhì)點(diǎn)的爆破震動(dòng)速度≤臨界震動(dòng)速度[V] ，即：

V≤[V] (9)

式中： V為距爆源 R處質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)速度， cm /s； k為系數(shù)，軟巖k=250～350； Q為單響最大藥量，kg； R為計(jì)算點(diǎn)到爆源的距離，m；α為衰減系數(shù)，軟巖 α=1.8～2.0。

安全判據(jù)應(yīng)考慮大連續(xù)爆破開(kāi)挖和與動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的有關(guān)問(wèn)題，材料疲勞，人體反應(yīng)以及用概率來(lái)測(cè)定某些不確定因素等，因此基于質(zhì)點(diǎn)速度大小制訂的安全標(biāo)準(zhǔn)也需考慮震動(dòng)頻率。

2 邊坡巖石質(zhì)點(diǎn)臨界振動(dòng)速度的理論計(jì)算式

通過(guò)理論研究和振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反演分析，可確定出巖質(zhì)邊坡的爆破振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)影響邊坡失穩(wěn)的影響因素知：要使邊坡失穩(wěn)，外力(爆破)的合力大于或等于邊坡巖石失穩(wěn)的合力F（f,c,ρ）。對(duì)于單位巖石來(lái)說(shuō)，爆破動(dòng)力加速度可由力學(xué)知識(shí)知：a=ωf·v ，從而可以建立平衡方程 F（f,c,ρ）=ρ·ωf·v，對(duì)于這個(gè)方程中的f，c， ρ，可以通過(guò)地質(zhì)資料或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)獲取。 ωf是通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉頻譜分析，選出貢獻(xiàn)最大的值(求法見(jiàn)周余奎碩士論文的2.4.3節(jié))。根據(jù)理論計(jì)算可求得巖石出現(xiàn)破壞時(shí)的臨界振動(dòng)速度：

式中：V0為巖石出現(xiàn)破壞時(shí)的臨界振動(dòng)速度；f為滑動(dòng)面的摩擦系數(shù)；C為粘結(jié)力(Kg/cm2)； ρ為巖石的容重(t/m3)； ωf為通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉頻譜分析出的最大值。

根據(jù)重慶樞紐爆破施工區(qū)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算選用巖體強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)：f=10～12，容重 ρ=2.14 t/m3，粘結(jié)力C=0.1Kg/cm2，內(nèi)摩擦角 φ=20°以及爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傅立葉頻譜分析值，可以求出其巖石出現(xiàn)破壞時(shí)的臨界振動(dòng)速度V0。

3 結(jié)語(yǔ)

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