爆破震動作用下邊坡穩(wěn)定性分析

爆破震動作用下邊坡穩(wěn)定性分析

振動是自然界中常見的動負(fù)荷來源。動負(fù)荷以電壓波的形式在巖體中傳播，對結(jié)構(gòu)面的傾斜穩(wěn)定性有顯著影響。除了額外的動能力外，振動還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和抗剪強度的削弱。震動荷載對于邊坡穩(wěn)定性影響的研究成果較為豐富,魏金祝從爆破地震波的產(chǎn)生、傳播規(guī)律與作用機理入手,分析爆破對邊坡的力學(xué)作用,闡明了爆破震動對露天礦邊坡的影響。何理和鐘冬望借助動力有限元軟件,分析了爆破載荷作用下的巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定系數(shù),得出邊坡動力穩(wěn)定系數(shù)時程曲線。陳明等人研究不同爆破振動頻率下質(zhì)點位移、振動加速度及邊坡應(yīng)力狀態(tài),提出邊坡極限平衡分析法的爆破振動等效加速度計算方法。高玉峰進行了多點、多向地震作用下非圓弧滑面邊坡穩(wěn)定分析通用條分法的研究,并借助算例驗證了方法的可行性。結(jié)構(gòu)面漸進破壞及其對邊坡穩(wěn)定性影響規(guī)律的理論研究充分,成果較為顯著,滑面的形成包含從完好到破裂的漸進損傷過程,已經(jīng)得到巖土工程界的普遍認(rèn)可。HoekE和Bray進行了多種形式平面滑動穩(wěn)定性分析方法的研究,并建立了結(jié)構(gòu)面定量統(tǒng)計方法,以及碎裂巖體強度的測試方法。陳祖煜及邵長明等人基于改進了的Morgenstern-Price方法,利用單純形法、負(fù)梯度法和DFP法優(yōu)化確定非圓臨界滑動面。馬衍泉對折線滑面滑體的穩(wěn)定分析方法進行改進,推導(dǎo)出了計算整體抗滑穩(wěn)定系數(shù)的方法和公式。劉剛等人對斷續(xù)節(jié)理巖體中圍巖破裂區(qū)進行了試驗研究,明確了圍巖破裂區(qū)是由于新生裂紋與原有節(jié)理相互貫通導(dǎo)致巖體中產(chǎn)生縱橫交錯的貫通裂隙所致。以上研究奠定了漸進破壞理論分析及工程實踐的基礎(chǔ)。露天礦是以采、排交替為主體的工程作業(yè)場地,具有顯著的時、空發(fā)展特性。開挖形成了高陡邊坡,揭露了巖體結(jié)構(gòu)面,巖體在地應(yīng)力、重力及外部荷載的綜合作用下,朝邊坡臨空面產(chǎn)生應(yīng)變,結(jié)構(gòu)面漸進破壞至自穩(wěn)狀態(tài)。受到爆破或設(shè)備產(chǎn)生的震動影響,結(jié)構(gòu)面因應(yīng)力集中繼續(xù)延展,最終失穩(wěn)破壞。既有研究成果充分揭示了震動產(chǎn)生的動載荷對于邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律,但沒有考慮震動對于結(jié)構(gòu)面漸進破裂及損傷積累的影響,也沒有充分體現(xiàn)損傷積累過程中結(jié)構(gòu)面抗剪強度的弱化規(guī)律,及整個過程的時效穩(wěn)定系數(shù)發(fā)展規(guī)律。本文將爆破產(chǎn)生的震動荷載納入邊坡穩(wěn)定性計算方法,同時根據(jù)結(jié)構(gòu)面損傷及抗剪強度退化規(guī)律,建立爆破震動過程的時效穩(wěn)定系數(shù)計算方法,為大型露天礦山時效邊坡理論體系的進一步完善及爆破作業(yè)方案提供技術(shù)支持。1結(jié)構(gòu)損傷積累1.1漸進破壞模式結(jié)構(gòu)面是控制邊坡穩(wěn)定及決定滑坡模式的關(guān)鍵因素,在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中,存在一組平直優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面,其走向和傾向與邊坡相近,傾角小于邊坡角,會形成以平面滑動為主的破壞模式。在采動卸荷、工程擾動及自然風(fēng)化的影響下,結(jié)構(gòu)面漸進破壞,直至滑面貫通,形成運動性破壞。在結(jié)構(gòu)面漸進破壞過程中,其抗剪強度隨破壞區(qū)長度的增長呈線性遞減,對于牽引式和推移式(圖1)2種基本的漸進破壞模式,在漸進破壞過程中,破裂區(qū)的黏聚力消失,摩擦力尚存,所能提供抗滑力Fk的表達式為:式中:C為結(jié)構(gòu)面鎖固段的黏聚力,kPa;Lf為鎖固段長度,m;W為滑體重力,kN;β為結(jié)構(gòu)面傾角,(°);uf06a為結(jié)構(gòu)面鎖固段的內(nèi)摩擦角,(°)。1.2爆破震動引起的應(yīng)力結(jié)構(gòu)面破裂的影響因素很多,其中爆破震動的致?lián)p速度較快,對于邊坡的損傷程度較大。巖體在地應(yīng)力、巖體自重等多因素的綜合影響下達到自穩(wěn)狀態(tài)時,其鎖固段提供的抗滑力足以平衡滑體產(chǎn)生的下滑力。爆破震動產(chǎn)生的動載荷傳遞到結(jié)構(gòu)面,給巖體以突然的初始位移,由于巖性的差異,對應(yīng)力波的響應(yīng)程度不同,在巖性分界面便會出現(xiàn)錯動面,在持續(xù)的高頻震動作用下,鎖固段的結(jié)構(gòu)面逐漸被損傷,當(dāng)殘余鎖固段提供的阻抗不足以平衡上部滑體的下滑力時,殘余鎖固段的結(jié)構(gòu)面會迅速破裂,滑面貫通并形成運動性破壞。爆破震動產(chǎn)生水平方向和豎直方向的震動加速度對于巖體結(jié)構(gòu)面和邊坡穩(wěn)定性的損傷較大,根據(jù)不同方向的震動加速度,可知爆破震動對于邊坡中的滑體產(chǎn)生的附加應(yīng)力F為:式中:g為重力加速度,m/s2;a為爆破引起的加速度,m/s2。將F換算為靜力F0為:式中γ為瞬時震動力轉(zhuǎn)化為靜力的換算系數(shù),取0.25。根據(jù)式(2),(3)可推導(dǎo)出爆破震動對滑體產(chǎn)生的水平、豎直荷載為:式中:Fh,Fv分別為爆破震動產(chǎn)生的水平和豎直方向荷載,kN;ah,av分別為水平和豎直方向的震動加速度,m/s2。水平方向的震動荷載Fh對滑體施加水平方向的推力,當(dāng)推力方向指向邊坡臨空面時,會增大滑體的下滑力。豎直方向的震動荷載Fv促使巖體結(jié)構(gòu)面漸進破裂,2種荷載共同作用下,邊坡穩(wěn)定性不斷下降,當(dāng)鎖固段弱化至極限平衡狀態(tài)時,結(jié)構(gòu)面便會在外力的影響下迅速貫通,形成滑坡災(zāi)害。水平震動荷載施加到滑體上,其下滑力和抗滑力的表達方式為:式中:Fx為滑體下滑力,kN;Fk為結(jié)構(gòu)面抗滑力,kN。豎直方向的震動荷載Fv對結(jié)構(gòu)面施加豎直方向的張力,當(dāng)Fv豎直向上時,會對結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生豎直方向是拉力,在結(jié)構(gòu)面破裂端會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。根據(jù)爆破震動及結(jié)構(gòu)面的受力情況,結(jié)構(gòu)面破裂段的應(yīng)力集中情況如圖2所示。根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)手冊,該類型的應(yīng)力集中,其應(yīng)力集中系數(shù)n可表示為:式中:ρ為結(jié)構(gòu)面端部曲率半徑,m;b為結(jié)構(gòu)面鎖固段長度,m。根據(jù)式(7)計算出應(yīng)力集中系數(shù),乘以爆破震動產(chǎn)生的沿結(jié)構(gòu)面法線方向的應(yīng)力,便得到作用在結(jié)構(gòu)面破裂端的集中應(yīng)力。當(dāng)集中應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)面的起裂應(yīng)力時,便會造成結(jié)構(gòu)面漸進破裂及鎖固段長度Lf的減小。根據(jù)式(1)可知,爆破震動影響下,鎖固段所能提供的抗滑力呈線性下降。2爆炸振動過程邊坡穩(wěn)定分析2.1滑動影響下的穩(wěn)定系數(shù)平面滑坡受控于結(jié)構(gòu)面的展布形式,是主要的滑坡形式之一,平面滑坡的穩(wěn)定性分析理論較為完善,其主要的原理為極限平衡法,不考慮震動因素的影響,充分考慮滑體重力、水壓力、結(jié)構(gòu)面抗剪強度等因素的影響,圖1中平面滑坡穩(wěn)定系數(shù)計算公式為:式中:L為滑面長度,m;U為裂面中的水壓力,kN。在爆破震動的影響下,考慮震動產(chǎn)生的動態(tài)荷載,平面滑坡的穩(wěn)定系數(shù)計算公式為:但是上述分析方法并不能充分反應(yīng)震動影響下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)變化規(guī)律,震動除了增加動態(tài)荷載之外,還促進了結(jié)構(gòu)面的漸進破裂,其有效的黏聚力僅由完好區(qū)域提供,因此,其穩(wěn)定系數(shù)的修正計算公式為:式中:Ub=γw(L-Lf)2sinb/4,為結(jié)構(gòu)面破裂區(qū)的水壓力,kN;γw為水的容重,kN/m3。2.2不平衡推力法計算大量的滑坡調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),很多邊坡失穩(wěn)形式并非標(biāo)準(zhǔn)平面或圓弧滑坡,而是呈現(xiàn)折面滑坡形式。該滑面形態(tài)由邊坡中的多個優(yōu)勢結(jié)構(gòu)相互貫通,形成不規(guī)則的結(jié)構(gòu)包絡(luò)面,并圈定滑體結(jié)構(gòu),這是自然界中最為常見的滑坡形式。廣義上講,所有的滑坡均屬于曲折滑坡。將滑體條分化,見圖3,采用不平衡推力法進行穩(wěn)定性計算,具體的計算原理為:式中:Pi為i條塊受到的不平衡推力,kN;Fs為穩(wěn)定系數(shù);wi為i條塊的重力,kN;αi為i條塊底部滑面傾角,(°);Pi-1為上一條塊(即i-1條塊)受到的不平衡推力,kN;uf06ai為i條塊底部滑面的內(nèi)摩擦角,(°);Ci為i條塊底部滑面的黏聚力,kPa;li為i條塊底部滑面長度,m;Δαi=αi-1-αi,為第i-1條塊與i條塊底部滑面的角度差,(°)。式(11)可以簡寫為:式中:ψuf03dcosuf044uf061iuf02bsinuf044uf061itanuf06ai,ψ為推力系數(shù)。安全系數(shù)Fs通過迭代得出,最后滿足Pn+1=0的Fs即為邊坡穩(wěn)定系數(shù)。在爆破震動影響下,上部條塊的不平衡推力增加,依次傳遞給下一條塊,每個條塊本身都受到爆破震動產(chǎn)生的水平荷載,則第i條塊的所受的不平衡推力為:對第i條塊的力學(xué)分析中,將水平荷載Fx在滑面法向和沿滑面方向上的分力納入推力傳遞方法,基于不平衡推力法完善了爆破震動荷載條件下的邊坡穩(wěn)定性分析方法。在式(13)中的Pi-1也包含震動產(chǎn)生的水平荷載,依次傳遞到下去,直到某一個穩(wěn)定條塊,則該條塊要承受上部所有條塊的震動荷載分力。按照不平衡推力的基本計算原理,不斷的迭代Fs,找到滿足Pn+1=0的穩(wěn)定系數(shù)即可。由于震動造成結(jié)構(gòu)面的漸進破壞,條塊底部滑面所能提供的有效黏聚力Ci,存在較大差異,對于破裂區(qū)域的黏聚力基本為零,完好區(qū)則可以提供原始黏聚力C,因此,對于式(13)中的Ci應(yīng)該結(jié)合結(jié)構(gòu)面所處的狀態(tài)進行參數(shù)的合理選取。本方法充分考慮了爆破震動的動態(tài)荷載,同時考慮了震動造成結(jié)構(gòu)面的漸進損傷,將兩種因素同時納入巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中去,提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠度,并能更加真實的體現(xiàn)爆破震動過程中邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律。3端幫巖性地質(zhì)特征哈爾烏素露天煤礦隸屬于中國神華集團,礦區(qū)位于準(zhǔn)格爾煤田中部,與黑岱溝露天煤礦毗鄰,地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°10′~111°22′30″,北緯39°39′45″~39°44′15″。整個煤田東西寬21km,南北長65km,面積1022km2。該礦端幫巖層呈近水平分布,厚度均勻,巖體中結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育,且在外力影響下表現(xiàn)出明顯的擴展性,北端幫的巖性分布如圖4所示,每種巖性的實測物理力學(xué)參數(shù)見表1。地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn),哈爾烏素露天的剝離巖體除了上部黃土以外,基本都屬于鈣質(zhì)膠結(jié)巖體,硬度較大,需要預(yù)先進行松動爆破才能進行剝離。爆破震動、開挖卸荷、設(shè)備震動以及自然風(fēng)化造成結(jié)構(gòu)面的損傷積累,不斷削弱端幫巖體結(jié)構(gòu)的整體強度。地質(zhì)詳查揭示了巖質(zhì)邊坡優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的位置、產(chǎn)狀等信息,采用第3節(jié)的分析方法便可實現(xiàn)對巖質(zhì)邊坡震動過程的時效穩(wěn)定性進行計算。3.1基于參數(shù)變化的邊坡穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)面從上向下不斷貫通的過程中,隨著破裂區(qū)長度的不斷增長,完好區(qū)結(jié)構(gòu)面的抗剪強度按表1選取,破裂區(qū)的黏聚力喪失,只存在層間摩擦力,且內(nèi)摩擦角與完好區(qū)的基本一致?；谶@些參數(shù)計算得到邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律如圖5所示。從圖5中可以看出,在結(jié)構(gòu)面漸進損傷、鎖固段長度不斷減小的過程中,邊坡穩(wěn)定系數(shù)呈線性遞減,在不同巖性結(jié)構(gòu)面的損傷破裂階段,線性斜率不同,該斜率與巖體的黏聚力表現(xiàn)出正相關(guān)性,即峰值黏聚力C越大,該階段結(jié)構(gòu)面破裂時穩(wěn)定系數(shù)折減的速率越大。結(jié)構(gòu)面完好時,穩(wěn)定系數(shù)為1.348;損傷貫通后,穩(wěn)定系數(shù)為1.173,下降了12.98%,對于邊坡穩(wěn)定性的弱化程度較為明顯。3.2爆破震動影響分析爆破震動產(chǎn)生地震波作用于邊坡上,對巖體產(chǎn)生橫、縱向震動加速度。不同爆破方式及爆破參數(shù)產(chǎn)生的震動加速度曲線不同,而邊坡穩(wěn)定系數(shù)是響應(yīng)震動加速度的波動曲線,根據(jù)表1的基本參數(shù)及圖4中邊坡結(jié)構(gòu),并結(jié)合哈爾烏素露天礦松動爆破過程實測的加速度-時程曲線,見圖6a,將震動產(chǎn)生的水平荷載加入邊坡穩(wěn)定性分析中,計算得到爆破震動影響下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)見圖6b。從圖6可以看出,在爆破產(chǎn)生的震動作用下,邊坡巖體產(chǎn)生與波動方向相同的加速度,動載荷作用在滑體上便會對抗滑力、下滑力等元素產(chǎn)生重要影響,因此,在震動影響下,邊坡穩(wěn)定系數(shù)表現(xiàn)出與加速度一致的波動規(guī)律,且最大振幅由加速度的峰值決定。如果整個震動過程中,巖體結(jié)構(gòu)面未出現(xiàn)任何損傷發(fā)展,則在殘余地震波完全消失之后,邊坡穩(wěn)定系數(shù)會回歸至初始穩(wěn)定系數(shù)水平。3.3多因素耦合下的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析爆破震動誘發(fā)滑坡的機理明確顯示,除了產(chǎn)生動態(tài)荷載以外,還促使結(jié)構(gòu)面漸進損傷,因此,在進行爆破震動的穩(wěn)定性分析時,單獨抽離震動或結(jié)構(gòu)面損傷等因素,探索單一因素對于邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律,不能全面體現(xiàn)爆破震動對于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的真實影響,因此,將兩個因素同時納入穩(wěn)定性分析,得到震動過程的時效穩(wěn)定系數(shù)如圖7所示。對比圖7和圖6b知,在爆破震動影響下,邊坡的時效穩(wěn)定系數(shù)均呈現(xiàn)明顯的波動規(guī)律,但震動促使結(jié)構(gòu)面損傷積累、漸進破壞,會造成整體穩(wěn)定系數(shù)呈下降趨勢,圖7中邊坡最終狀態(tài)的穩(wěn)定系數(shù)要低于圖6b,這充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)面漸進破壞對于邊坡穩(wěn)定性的不良影響,在多因素耦合條件下,極易形成運動性破壞。在結(jié)構(gòu)面完全貫通后,當(dāng)震動加速度達到3.0m/s2時,滑體的穩(wěn)定系數(shù)降低到1.00,隨時會出現(xiàn)滑坡事故,因此,對于爆破震動作用下的時效穩(wěn)定系數(shù)進行準(zhǔn)確計算,是掌握震動誘發(fā)滑坡深層機理及進行治理對策研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。4爆破震動和結(jié)構(gòu)面兩1)基于結(jié)構(gòu)面破裂前后力學(xué)特性的差異,建立了結(jié)構(gòu)面有效抗剪強度的表達式,明確了漸進破壞過程中抗剪強度變化規(guī)律。根據(jù)爆破震動的動載荷形態(tài),分析了震動過程中的橫、縱方向主應(yīng)力,并給出了動載荷條件下抗滑力、下滑力的計算公式,明確了爆破震動對于結(jié)構(gòu)面的致?lián)p機理。2)根據(jù)平面滑坡及折面滑坡2種方式的穩(wěn)定系數(shù)計算公式,將爆破震動產(chǎn)生的水平荷載及結(jié)構(gòu)面的破裂情況納入穩(wěn)定性計算之中,推導(dǎo)出爆破震動及結(jié)構(gòu)面損傷條件下2種滑坡模式的邊坡時效穩(wěn)定系數(shù)計算方法。3)對哈爾烏素露天礦北端幫邊坡進行研究,由于受到1組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面控