馮忠居，孟瑩瑩,2，霍建維,3，趙瑞欣，王富春，江 冠

(1. 長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064； 2. 河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，河南鄭州 450046； 3. 中建國(guó)際投資(浙江)有限公司，浙江杭州 310000)

0 引 言

隨著中國(guó)車流量的日漸增多，既有高速公路車道已不能滿足實(shí)際需求，高速公路改擴(kuò)建工程日益增多[1-3]，改擴(kuò)建過程中既有邊坡再次開挖穩(wěn)定性問題成為研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]采用ANSYS研究了邊坡在一般地震和罕見地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性；文獻(xiàn)[5]、[6]分析了既有凝灰?guī)r高邊坡二次開挖的安全系數(shù)、變形特征和應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，進(jìn)而探討了邊坡的破壞機(jī)理、穩(wěn)定性及加固技術(shù)方案；文獻(xiàn)[7]采用熵權(quán)-灰關(guān)聯(lián)法研究了改擴(kuò)建工程沿線多處邊坡的穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)了邊坡的安全性；這些研究重點(diǎn)關(guān)注邊坡在爆破動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性。文獻(xiàn)[8]研究了露天邊坡爆破振動(dòng)信號(hào)在不同高程下各頻帶的能量分布特征；文獻(xiàn)[9]、[10]等通過采用MIDAS-GTS NX、LS-DYNA等軟件對(duì)采用緩沖爆破和深孔爆破法開挖的路塹邊坡爆破的穩(wěn)定性及損傷模型進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[11]采用有限元軟件ANSYS研究了爆破動(dòng)荷載作用下巖質(zhì)邊坡的振動(dòng)速度、位移和應(yīng)力的響應(yīng)特性；文獻(xiàn)[12]采用基因表達(dá)式建立了基于GEP的爆破峰值速度預(yù)測(cè)模型；文獻(xiàn)[13]采用地基InSAR連續(xù)觀測(cè)模式評(píng)估了爆破作業(yè)時(shí)露天采礦邊坡的穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[14]采用離散元法，模擬了微差爆破沖擊波相互作用，認(rèn)為炮孔間距對(duì)巖石爆破效果有很大影響；文獻(xiàn)[15]采用振速波形函數(shù)預(yù)測(cè)法分析了群孔微差爆破的地表振動(dòng)效應(yīng)；文獻(xiàn)[16]采用SPH-FEM耦合方法對(duì)同排不同段爆破的巖體破碎過程進(jìn)行模擬，為爆破方案的優(yōu)化及安全控制提供了技術(shù)支撐；文獻(xiàn)[17]研究了20、40 μs延時(shí)工況下微差爆破主裂紋擴(kuò)展特性，比較了2種工況下試件破壞形狀和破壞過程的差異。目前雖然有部分學(xué)者對(duì)邊坡的爆破開挖進(jìn)行了研究，但卻較少考慮爆破動(dòng)荷載的作用下不同炮孔之間微差爆破對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。

微差爆破是在深孔孔間、深孔排間或深孔孔內(nèi)以毫秒級(jí)的時(shí)間間隔按一定順序起爆的爆破方法[18]。本文依托京滬高速公路改擴(kuò)建工程K551+714～K552+116段左幅邊坡爆破工程，采用有限元軟件建立微差爆破下炮孔間的動(dòng)荷載時(shí)程曲線，分析不同爆破方式下不同測(cè)點(diǎn)的速度以及安全系數(shù)的變化規(guī)律，進(jìn)而研究微差爆破不同時(shí)間點(diǎn)最大剪應(yīng)力、位移的變化規(guī)律。

1 工程概況

1.1 工程背景

京滬高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)中的放射線，由北向南連接了北京、天津、濟(jì)南、上海等8個(gè)中心城市，路線全長(zhǎng)447 km。爆破工程為京滬高速公路萊蕪至臨沂段(魯蘇界)K551+714～K552+116段左幅，位于蒙陰縣城南臥牛山。此段高速公路北側(cè)單邊加寬，原來用機(jī)械破碎方法施工過半，剩余一級(jí)臺(tái)階及部分二級(jí)臺(tái)階未開挖，為加快工程進(jìn)度，采用爆破施工進(jìn)行松動(dòng)爆破，爆破區(qū)如圖1、2所示。圖1比例尺為1∶5 000，虛線框內(nèi)為爆破區(qū)，其東西長(zhǎng)300 m，路基南北寬15 m，爆破臺(tái)階頂部高度14 m，平均高度9 m，坡高39.7 m，坡腳距路肩距離為7 m，坡體主要巖性為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化石灰?guī)r，各地層巖性力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各地層巖性力學(xué)參數(shù)Table 1 Lithologic mechanical parameters of each stratum

1.2 現(xiàn)場(chǎng)爆破參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)爆破選用塑料導(dǎo)爆管毫秒雷管，直徑70 mm，乳化炸藥和銨油炸藥混合使用，具體爆破參數(shù)為：孔徑d=90 mm；炮孔臺(tái)階高度H=12 m；超深Δh=1 m；孔深L=H+Δh=13 m；底盤抵抗線W=(23～34)d=2.07～3.09 m，取W=4 m；炮孔密集系數(shù)m=1；孔距a=mW=4 m；排距b=0.866a=3.5 m，為防止爆堆大量滾落到既有運(yùn)營(yíng)高速公路，取b=4 m；單位炸藥消耗量q=0.20 kg·m-3；單孔藥量Qd=qabH=38 kg；填塞長(zhǎng)度l=4.5 m；最大一段起爆藥量Qmax=38 kg。炮孔裝藥布置和炮孔深度布置如圖3、4所示。

2 數(shù)值建模

2.1 爆破等效動(dòng)荷載

確定合理的爆破動(dòng)荷載參數(shù)是數(shù)值模擬能否計(jì)算準(zhǔn)確的關(guān)鍵，目前尚無系統(tǒng)完善的理論方法來確定爆破動(dòng)荷載。本文采用應(yīng)力時(shí)程分析，將爆破動(dòng)荷載等效為作用在炮孔壁中心法線方向上的均布集中力。由于炮孔直徑大于裝藥直徑，為不耦合裝藥，根據(jù)凝聚炸藥爆轟波的Chapman-Jouguet理論[19]，孔壁壓力Pb的計(jì)算公式采用式(1)進(jìn)行修正計(jì)算。

(1)

式中：ρ0為炸藥密度，ρ0=1 300 kg·m-3；D為爆炸速度，D=3 600 m·s-1；k為等熵指數(shù)，k=3；de為裝藥直徑，de=70 mm；dh為炮孔直徑，dh=90 mm。

爆破時(shí)程曲線按美國(guó)National Highway Institute[20]提出的公式(2)確定，其他參數(shù)參照文獻(xiàn)[21]計(jì)算。

(2)

(3)

Tr=L1/D

(4)

式中：P(t)為等效爆破動(dòng)荷載；B為荷載常量；t為爆破時(shí)間；Tr為爆破荷載上升時(shí)間；L1為裝藥長(zhǎng)度，L1=7.5 m。

經(jīng)計(jì)算，Pb=466.2 MPa，B=470，Tr=2.083 ms。

在數(shù)值模擬建模過程中，將施加的爆破動(dòng)荷載轉(zhuǎn)換成作用在單元上的節(jié)點(diǎn)力，采用式(5)確定爆破動(dòng)荷載。

F=P(t)dhr

(5)

式中：r為建模中炮孔豎向2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，r=1 m；F為實(shí)際建模施加的爆破動(dòng)荷載。

取爆破時(shí)間為50 ms，受炮孔間距影響，建模時(shí)將比例系數(shù)設(shè)置為1/a，得到實(shí)際的等效爆破荷載F隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。

對(duì)式(2)進(jìn)行求導(dǎo)，得到爆破荷載峰值處對(duì)應(yīng)的時(shí)間t=2.086 ms，該值與式(4)的計(jì)算結(jié)果相吻合，將t代入式(5)得到圖中對(duì)應(yīng)的最大動(dòng)荷載F=10.33 MPa。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，爆破炮孔間連接方式是Ms-4逐孔連接，查閱文獻(xiàn)[22]，Ms-4連接的時(shí)間間隔為65～90 ms，本文取兩炮孔起爆時(shí)間間隔為75 ms。由于各炮孔荷載是轉(zhuǎn)化成節(jié)點(diǎn)動(dòng)荷載作用在炮孔壁上，在進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，認(rèn)為孔內(nèi)同時(shí)起爆，孔間施加荷載的時(shí)間間隔設(shè)定為75 ms。

2.2 力學(xué)參數(shù)和邊界條件

本次圍巖計(jì)算采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則[23]，它能同時(shí)反映體積應(yīng)力、剪應(yīng)力和中間主應(yīng)力對(duì)巖石強(qiáng)度的影響，較其他強(qiáng)度理論更能反映實(shí)際。該模型假定對(duì)一般的巖土非線性分析來說其結(jié)果是充分可靠的，因此被廣泛用于模擬巖土材料。根據(jù)京滬高速K551+714～K552+116段左幅邊坡的地勘資料，爆破開挖區(qū)域巖體分為四部分，計(jì)算模型的材料力學(xué)參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)巖性參數(shù)一致，如表1所示。

進(jìn)行爆破荷載動(dòng)力分析時(shí)，必須考慮邊界面上反射應(yīng)力波的影響，本文在計(jì)算時(shí)采用Lysmer和Wass提出的黏性邊界條件來吸收邊界上的入射波，進(jìn)而減小其對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響[24]。

2.3 模型建立

本文以K551+714～K552+116段左幅邊坡為原型，選取一列炮孔進(jìn)行研究，采用MIDAS-GTS NX建立2D模型，邊坡坡率為1∶0.75，坡高39.7 m，臺(tái)階高10 m，平臺(tái)寬2 m，模型總長(zhǎng)為176 m，高為82.7 m，坡腳到右邊界距離為60.6 m，坡頂?shù)阶筮吔缇嚯x為80.2 m。模型網(wǎng)格劃分為4 197個(gè)單元，對(duì)應(yīng)地層分布如圖6所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

采用MIDAS-GTS NX非線性時(shí)程+SRM模塊進(jìn)行非線性動(dòng)力分析，在非線性時(shí)程分析中輸入時(shí)間，即可得到這一時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的巖土體的應(yīng)力狀態(tài)。邊坡的安全系數(shù)是體現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性最直觀的指標(biāo)，質(zhì)點(diǎn)振速變化也是反映邊坡穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，因此，選取微差爆破和同時(shí)起爆2種爆破方式下爆破區(qū)的安全系數(shù)與速度變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 不同起爆方式下邊坡安全系數(shù)分析

采用靜力SRM法對(duì)邊坡爆破前的安全系數(shù)進(jìn)行分析，采用非線性時(shí)程+SRM法對(duì)邊坡爆破開挖各時(shí)間點(diǎn)的安全系數(shù)進(jìn)行分析。

3.1.1 同時(shí)起爆安全系數(shù)分析

同時(shí)起爆不同時(shí)間點(diǎn)安全系數(shù)變化規(guī)律如圖7所示。

邊坡采用機(jī)械破碎方法施工過半后，采用靜力SRM法計(jì)算得到的安全系數(shù)為2.206。采用同時(shí)起爆的爆破方式，邊坡的安全系數(shù)降低較為明顯，80 ms對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)最低為1.008，100 ms時(shí)安全系數(shù)略有上升，為1.011。邊坡趨于欠穩(wěn)定狀態(tài)，安全性較低。

3.1.2 微差爆破安全系數(shù)分析

微差爆破不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)變化規(guī)律如圖8、9所示。

由圖8、9可以看出，微差爆破4次起爆的安全系數(shù)變化規(guī)律基本一致。在爆破動(dòng)荷載作用下，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)降低→升高→降低→升高→穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。在爆破動(dòng)荷載施加的0～2 ms內(nèi)，瞬間施加爆破動(dòng)荷載破壞了邊坡原有的應(yīng)力平衡，坡體出現(xiàn)擾動(dòng)，安全系數(shù)驟降，22.086 ms時(shí)爆破荷載達(dá)到最大為Fmax，此時(shí)對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)降為最低，約為1.076。在2～5 ms內(nèi)，由于爆破動(dòng)荷載減小且施加的時(shí)間較短，此時(shí)荷載的累積效應(yīng)不明顯，安全系數(shù)略有上升，5 ms時(shí)爆破荷載減小為0.6Fmax，此時(shí)安全系數(shù)增大到1.098。在5～10 ms內(nèi)，雖然爆破荷載減小，但由于爆破荷載累計(jì)的施加時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)出現(xiàn)了明顯的累積效應(yīng)，導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)下降，10 ms爆破荷載減小為0.1Fmax，安全系數(shù)降低為1.082，但仍大于Fmax對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)。在10～20 ms的時(shí)間段內(nèi)，由于荷載降低較為明顯，此時(shí)荷載的累積效應(yīng)變?nèi)酰瑢?dǎo)致邊坡的安全系數(shù)逐漸增大，20 ms時(shí)，爆破荷載趨于0，安全系數(shù)為1.100。在20～75 ms內(nèi)，由于第一炮孔爆破完成而第二炮孔尚未爆破，此時(shí)的荷載累計(jì)效應(yīng)逐漸消散，邊坡的安全系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，75 ms時(shí)的安全系數(shù)為1.117。此后2～4次爆破的安全系數(shù)變化規(guī)律和第一炮類似，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)定下降的趨勢(shì)，但降幅較小，第四炮孔爆破后，安全系數(shù)達(dá)到最小為1.063，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 不同起爆方式下邊坡質(zhì)點(diǎn)速度分析

3.2.1 同時(shí)起爆各測(cè)點(diǎn)振速時(shí)程曲線分析

圖10為同時(shí)起爆不同時(shí)間、不同位置各測(cè)點(diǎn)振速時(shí)程曲線，測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。由圖10(a)～(c)可以看出，坡腳、坡頂、坡面處最大振速分別為6.31、5.35、5.844 cm·s-1，采用同時(shí)起爆不同測(cè)點(diǎn)的振速峰值依次出現(xiàn)了遞減和滯后的現(xiàn)象，這與文獻(xiàn)[25]所研究的爆破動(dòng)載作用下不同測(cè)點(diǎn)的振速變化有類似的變化規(guī)律。邊坡各測(cè)點(diǎn)振速較大，邊坡穩(wěn)定性較低。

3.2.2 微差爆破各測(cè)點(diǎn)振速時(shí)程曲線分析

圖11為微差爆破不同時(shí)間不同位置各測(cè)點(diǎn)振速時(shí)程曲線。

圖11(a)為爆破區(qū)坡腳處0、7.5、17.5、31 m處的振速時(shí)程曲線，由于距離坡體較近，觀測(cè)點(diǎn)的振速變化與荷載時(shí)程曲線有明顯的同步效應(yīng)，在0～20 ms、75～95 ms、150～175 ms、225～245 ms這些時(shí)間段內(nèi)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振速出現(xiàn)明顯峰值波動(dòng)的共振現(xiàn)象，峰值點(diǎn)后局部下降，各點(diǎn)振速最大值分別為5.94、5.32、4.85、4.34 cm·s-1。受距離影響，從點(diǎn)1到點(diǎn)4的峰值波動(dòng)范圍逐漸變小。

圖11(b)為距離坡頂0、4、9、15 m處的振速變化曲線。受爆破荷載滯后效應(yīng)的影響，坡頂4個(gè)測(cè)點(diǎn)的振速在130 ms時(shí)開始出現(xiàn)陡增趨勢(shì)，在225～245 ms內(nèi)，曲線在峰值處出現(xiàn)了波動(dòng)現(xiàn)象，在229 ms時(shí)，各測(cè)點(diǎn)都出現(xiàn)了最大振速，分別為4.94、4.87、4.52、4.17 cm·s-1，此后各測(cè)點(diǎn)的振速逐漸減小，邊坡趨于穩(wěn)定。

圖11(c)為二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)坡面處的振速時(shí)程曲線。由于距離炮孔較近，二級(jí)坡面處的振速時(shí)程曲線與一級(jí)坡面處的變化規(guī)律一致。與二級(jí)坡面相比較，由于距離增大，受荷載沖擊波的影響，三級(jí)坡面處的振速時(shí)程曲線峰值波動(dòng)范圍有所減小，僅在150 ms后和225 ms后出現(xiàn)峰值波動(dòng)。四級(jí)坡面處的振速時(shí)程曲線與坡頂處4個(gè)測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律一致，僅在225 ms后出現(xiàn)峰值波動(dòng)。3個(gè)點(diǎn)的峰值速度分別為5.44、4.99、4.97 m·s-1。由圖11可知，各測(cè)點(diǎn)的峰值振速隨著距爆心距離的增加而減小，且出現(xiàn)共振現(xiàn)象，坡腳的峰值速度最大，坡面次之，坡頂最小，與實(shí)際情況相符。

根據(jù)上述對(duì)比分析，采用微差爆破可以提高邊坡的穩(wěn)定性，邊坡的安全系數(shù)較高。與同時(shí)起爆相比，微差爆破一方面可以降低邊坡巖體內(nèi)的振速，減少邊坡內(nèi)巖體的擾動(dòng)，起到一定的降振作用；另一方面，由于微差爆破各測(cè)點(diǎn)之間出現(xiàn)了明顯的共振現(xiàn)象，當(dāng)爆破區(qū)巖體出現(xiàn)弱松動(dòng)后，各塊體之間通過相互碰撞可以降低塊體之間的能量，起到很好的弱松動(dòng)效果。此外，巖體之間的相互碰撞也可以降低邊坡巖體位移，進(jìn)而避免了同時(shí)起爆不同測(cè)點(diǎn)因爆破荷載的同時(shí)施加，巖體內(nèi)振速滯后而導(dǎo)致邊坡出現(xiàn)較大位移變化。為更好地研究微差爆破對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，對(duì)不同時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3.3 微差爆破不同時(shí)間應(yīng)力場(chǎng)分布特征

圖12為不同起爆邊坡應(yīng)力場(chǎng)分布特征。

由圖12可知：在第一炮孔爆破后，75 ms時(shí)一級(jí)坡頂出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時(shí)最大剪應(yīng)力為1.54 MPa；第二炮孔爆破后，150 ms時(shí)應(yīng)力沿坡內(nèi)和坡下開始出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象，剪應(yīng)力達(dá)到最大值3.11 MPa，應(yīng)力區(qū)主要集中在未開挖的坡體內(nèi)部，在二級(jí)坡腳處，剪應(yīng)力為0.82 MPa；第三炮孔爆破后，225 ms時(shí)坡體的最大剪應(yīng)力為3.25 MPa，整個(gè)坡體的剪應(yīng)力擴(kuò)散范圍逐漸變大，此時(shí)在二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)坡腳處剪應(yīng)力分別為1.67、 0.81、0.17 MPa；第四炮孔爆破后，300 ms時(shí)坡體的最大剪應(yīng)力仍在減小，最大值為2.05 MPa，剪應(yīng)力的擴(kuò)散范圍逐漸穩(wěn)定，在二級(jí)坡腳處，剪應(yīng)力為1.24 MPa。整個(gè)爆破過程中，受爆破荷載的影響，剪應(yīng)力的集中區(qū)出現(xiàn)在一級(jí)坡面，符合實(shí)際情況；在二級(jí)、三級(jí)坡面處，也有剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，分別為1.24、0.58 MPa，雖不會(huì)引起邊坡失穩(wěn)，但實(shí)際施工中要加以注意。

由上述分析，根據(jù)應(yīng)力變化趨勢(shì)，提取第三炮孔爆破后75 ms內(nèi)邊坡各時(shí)間點(diǎn)的剪應(yīng)力云圖，如圖13所示。

由圖13可知，在第三炮孔爆破時(shí)間段內(nèi)，邊坡的應(yīng)力范圍逐漸擴(kuò)大，最大剪應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。170 ms時(shí)，在爆破區(qū)附近，邊坡的剪應(yīng)力達(dá)到峰值4.21 MPa，略大于巖體的抗剪強(qiáng)度，表明在邊坡爆破過程中，爆破區(qū)巖體出現(xiàn)了局部的剪切破壞，取得了良好的松動(dòng)效果。隨著應(yīng)力場(chǎng)的逐漸擴(kuò)散，二級(jí)、三級(jí)坡的坡腳處剪應(yīng)力略有增大，200 ms時(shí)達(dá)到最大，分別為2.11、1.90 MPa，而四級(jí)坡的剪應(yīng)力變化幾乎很小，約為0.17 MPa。

整個(gè)爆破過程中，4個(gè)炮孔依次起爆，受距離影響，剪應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，先爆的炮孔使得巖體局部產(chǎn)生裂隙，為后起爆炮孔創(chuàng)造了松動(dòng)條件，局部裂隙的產(chǎn)生減緩了巖體內(nèi)應(yīng)力的擴(kuò)散，為應(yīng)力的累計(jì)疊加起到了促進(jìn)作用。局部裂隙的存在也會(huì)使得應(yīng)力波在裂隙處發(fā)生折射和反射，從而減小荷載的擾動(dòng)，起到了很好的減震作用，進(jìn)而取得很好的爆破效果，有利于邊坡后期開挖。

3.4 微差爆破不同時(shí)間位移場(chǎng)分布特征

圖14為不同起爆邊坡位移場(chǎng)分布特征。

由圖14可知：第一炮孔爆破后，75 ms時(shí)一級(jí)坡頂最大位移為3.59 mm，其他位置無明顯位移變化；第二炮孔爆破后，150 ms時(shí)一級(jí)坡頂位移為7.02 mm，此時(shí)邊坡位移場(chǎng)范圍不斷擴(kuò)大，二級(jí)坡頂位移為0.83 mm，三級(jí)、四級(jí)坡的位移無變化；第三炮孔爆破后，225 ms時(shí)一級(jí)坡頂位移繼續(xù)變大，其值為12.55 mm，二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)邊坡開始出現(xiàn)明顯的位移變化，其值分別為2.92、2.77、2.52 mm；第四炮孔爆破后，由于其長(zhǎng)度較小，裝藥量較前三孔有所降低，導(dǎo)致位移場(chǎng)向外擴(kuò)展變緩。300 ms時(shí)未開挖部分的巖石由于爆破變得松動(dòng)，位移變化較大，在一級(jí)坡頂處位移為16.25 mm，二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)坡頂處的位移分別為4.13、3.89、3.85 mm。從圖14還可以看出：巖體位移場(chǎng)不斷擴(kuò)展，其增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在炮孔附近，由于爆破荷載的施加，巖體產(chǎn)生較大變形；二、三、四級(jí)坡面巖體內(nèi)的位移量相對(duì)較小，說明微差爆破條件下爆破對(duì)路塹邊坡的穩(wěn)定性不構(gòu)成危害，產(chǎn)生了很好的弱松動(dòng)效果。

為研究邊坡微差爆破整體穩(wěn)定性，提取了第四炮孔爆破后75 ms內(nèi)邊坡各時(shí)間點(diǎn)位移云圖，如圖15所示。

由圖15可知，在第四炮孔爆破時(shí)間段內(nèi)，邊坡的整體位移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，255 ms時(shí)未開挖坡頂處邊坡的位移達(dá)到了最大值19.27 mm，二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)邊坡坡頂處的位移分別為5.88、5.44、4.91 mm。此后受巖體自身擾動(dòng)以及爆破荷載減小的影響，邊坡的位移逐漸降低。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)，在施工前后坡頂處、三級(jí)、二級(jí)平臺(tái)上各布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖16所示。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)爆破前后位移變化如表2所示，表中爆破前累計(jì)位移為開挖位移。由于爆破完成后，爆破動(dòng)荷載消失，巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，邊坡逐漸趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致邊坡爆破前后的實(shí)測(cè)位移變化要小于數(shù)值模擬過程中邊坡各測(cè)點(diǎn)的位移變化。各級(jí)平臺(tái)測(cè)點(diǎn)的位移變化從大到小依次為二級(jí)平臺(tái)、三級(jí)平臺(tái)、坡頂，這與數(shù)值模擬結(jié)果類似。

表2 爆破前后位移變化Table 2 Displacement changes before and after blasting

4 工程應(yīng)用效果與評(píng)價(jià)

提取距坡頂80 m的質(zhì)點(diǎn)峰值速度，其最大振速為1.8 cm·s-1，小于《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)規(guī)定的安全峰值2.5 cm·s-1， 說明采用微差爆破對(duì)爆區(qū)外的影響較小，滿足安全要求。距邊坡7 m處的路基最大振速為5.94 cm·s-1，會(huì)出現(xiàn)輕微擾動(dòng)，但不會(huì)構(gòu)成危害?，F(xiàn)場(chǎng)各測(cè)點(diǎn)的速度均小于26 cm·s-1，根據(jù)文獻(xiàn)[26]，邊坡巖體局部可能會(huì)出現(xiàn)輕微的拉伸裂隙。

根據(jù)對(duì)比分析研究，京滬高速公路改擴(kuò)建工程K551+714～K552+116段左幅邊坡爆破工程采用了微差爆破，根據(jù)爆破后的現(xiàn)場(chǎng)宏觀觀測(cè)結(jié)果，一級(jí)坡面存在局部裂隙，如圖17所示，但未出現(xiàn)較為明顯的位移變化，與數(shù)值模擬結(jié)果吻合，邊坡較穩(wěn)定。

5 結(jié)語

(1)將爆破荷載常量B與美國(guó)National Highway Institute提出的等效爆破動(dòng)載相結(jié)合，可以有效地模擬爆破荷載時(shí)程曲線。

(2)與共同起爆相比，采用微差爆破計(jì)算得到的邊坡穩(wěn)定性更高，邊坡的安全系數(shù)隨著微差爆破荷載的施加呈現(xiàn)周期性變化，其變化范圍為1.06～1.11。當(dāng)?shù)刃П苿?dòng)荷載F達(dá)到最大值Fmax時(shí)，對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)降為最低；當(dāng)F=0.6Fmax時(shí)，邊坡開始受到明顯的荷載累積效應(yīng)的影響，安全系數(shù)降低；當(dāng)F=0.1Fmax時(shí)，荷載的累積效應(yīng)變緩，對(duì)邊坡的影響較小，安全系數(shù)開始增大并逐漸趨于穩(wěn)定。在爆破工程施工過程中，應(yīng)著重考慮這3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的變化。

(3)與共同起爆相比，微差爆破的峰值振速較低，其共振效應(yīng)使邊坡內(nèi)相鄰碎裂巖體相互碰撞，使得巖體破裂均勻，降低其位移和速度，提高爆破效率，減小邊坡擾動(dòng)，起到很好的降震作用。

(4)在爆破荷載的作用下，爆破荷載施加區(qū)域采用微差爆破位移和最大剪應(yīng)力均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，最大位移為19.27 mm，表明爆破對(duì)路塹邊坡的穩(wěn)定性不構(gòu)成危害；最大剪應(yīng)力為4.21 MPa，爆破區(qū)局部巖體產(chǎn)生剪切破壞，起到了很好的弱松動(dòng)作用。在各級(jí)坡面處，局部位移較小，受爆破動(dòng)荷載作用時(shí)間的影響，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，位移值偏大，但不至引起破壞。