爆破振动对边坡稳定性的影响分析

郭文章

【摘 要】 爆破振动是影响边坡稳定性的一个重要因素之一。论文结合实际工程通过计算及利用ABAQUS有限元分析软件详细分析了边坡在爆破振动作用下振动速度场的变化规律以及爆破振动特征。这对于研究边坡在爆破荷载作用下的稳定性具有重要意义，所获得的结果也对类似工程具有重要的指导价值。

【Abstract】Blasting vibration is one of the important factors that affect the stability of slopes. Combined with the practical engineering， through calculating and using the ABAQUS finite element analysis software， the paper makes a detailed analysis of the change regulation of vibration velocity field and the blasting vibration characteristics of the slopes under the function of blasting vibration. It is of great significance for studying the stability of slope under the impact of blasting load. The results obtained also have important guiding value for similar projects.

【关键词】爆破振动；边坡稳定；脉冲荷载；ABAQUS

【Keywords】blasting vibration；slope stability；impulsive load；ABAQUS

【中图分类号】TU452 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）08-0130-03

1 引言

边坡稳定性评价是岩土工程经常遇到的问题，特别是近年来，随着我国大量基础设施的建设，出现了许多由于不合理的工程爆破而导致边坡失稳的例子。目前的地震波衰减公式是经验型、半经验型的，由于地质条件的复杂性，难以从理论上完全推导合适的衰减公式，爆破振动动力响应机制研究极不成熟，目前只局限于数值分析[1]。本文先是通过理论计算预测在隧洞掘进过程中的爆破振动对边坡结构稳定的影响，然后利用ABAQUS有限元分析软件对边坡结构进行显式分析计算，分析短暂的脉冲荷载作用下某边坡的稳定性，旨在为类似工程的设计和施工提供指导。

2 爆破施工對边坡结构稳定性影响的理论计算分析

本文结合实际工程，采用标准推荐的萨道夫斯基公式（见式（1））预测爆破掘进过程中某水库坝体边坡的质点振动峰值速度（PPV），并参照《爆破安全规程》（GB6722-2003）的规定评价爆破施工对周边环境的影响。

根据《爆破安全规程》（GB6722-2003）的规定，爆破振动控制标准见表1。

2.1 隧洞的几何与爆破参数

以其中一个隧洞的爆破施工为例，隧洞的洞长为2572m，截面形状为城门洞形，截面尺寸为3m×3m，岩石坚固性系数为12，开挖方式为全断面一次开挖，孔径为42mm，单次掘进循环进尺为1.8m，炸药单耗为1.9kg/m3，同段起爆最大药量9kg，水库坝体边坡离爆源的距离为1050m。

2.2 计算结果分析

通过理论计算得出水库坝体的峰值质点振动速度（PPV）为0.03cm/s，小于《爆破安全规程》（GB6722-2003）规范中的允许值，故隧洞在掘进过程中的爆破振动对水库坝体边坡的影响较小。

3 爆破施工对边坡结构稳定性影响的数值模拟分析

爆破施工产生的爆破振动，经过远距离的地震波传播，导致边坡产生短暂的脉冲荷载，根据脉冲荷载的时程曲线，对于正常工作的边坡施加短暂的脉冲加速度，模拟远距离的爆破振动对边坡的影响。

3.1 建立有限元计算模型

3.1.1 几何模型

对于某水库坝体边坡进行脉冲荷载下的结构稳定分析。首先建立有限元分析的几何模型，根据边坡结构的工程剖面图，建立1：1比例的平面应变模型。

3.1.2 选取有限元模型的材料和截面属性

在进行平面应变问题的分析时选取平面单元类型CPE4R。由于坝体材料为碾压堆石材料，故依旧采用ABAQUS材料库中适合岩石土体材料的Drucker-Prager本构模型对坝体进行模拟，如表2所示。

3.1.3 划分有限元网格

对有限元模型进行网格划分，以四边形单元为主，以防止出现网格畸变，计算不收敛等问题，减少分析过程中的异常报错几率。

3.1.4 荷载及边界条件

水库坝体边坡的受力分为自重和水库蓄水的静水压力。边界条件有边坡结构固定在地面的固定约束。自重采用体力的形式施加在整个结构物上，在ABAQUS中施加BODY FROCE，重力加速度为9.8m/s2；水库的静水压力随着水位高度成线性变化，分析中对边坡进行满负荷工作条件下的模拟，即此时水位位于设计最高水位处。此外，由于远距离的爆破振动，传导而来的加速度荷载，等效于结构上施加一个脉冲荷载形式的惯性力。惯性力以体力的形式均匀的施加在结构上，施加的加速度荷载脉冲曲线如图2所示。结构的受力示意图如图3所示。

3.1.5 施加分析步

通常，动力问题的分析须建立在静力分析的基础上，在静力分析的基础上，再施加动力时程。整个分析过程分为两步，第一步首先施加结构的自重，让整体结构处于稳定的

承受自重的受力状态。待整体的应力平衡之后，施加第二个分析步，在结构上施加脉冲荷载，分析爆破振动对结构的影响。

3.1.6 接触方式和连接方式的定义

坝体是在原始岩层的上方采用堆石的方式筑坝，因而需要根据实际情况定义坝体和下部岩层之间的接触关系。采用通用接触的方式，定义边界面与面之间的接触。由于坝体和基底之间有黏聚力，通过链接的方式，施加TIE约束，模拟两种材料之间的聚合关系。

3.2 计算结果及分析

对于水库坝体边坡，由于岩层地基刚度远大于堆石坝体，所以可以认为惯性力施加在坝体边坡上，忽略其在地基岩层上的影响。

脉冲荷载在1s时有加速度作用在坝体上，短时间内产生坝体边坡结构的横向速度，速度云图如图4所示。

脉冲荷载过后，速度分布趋于均匀，整体速度分布平均。如图5所示，为振动过后的一段时间内的速度云图。

由此可见，由于振源距离较远，通过岩层的阻隔对应力波产生衰减影响，从而爆破产生的实际振动很小，因此边坡结构产生的质点振动速度可见一斑。根据爆破振动安全允许标准，模拟情况下的爆破振动荷载在安全范围内，产生的边坡结构质点振速远小于安全标准，符合国家安全规定，施工过程不会对边坡产生安全隐患。

4 结语

针对具体工程，建立爆破振动荷载作用下的边坡模型，分析边坡受爆破振动的影响及其稳定性，得到以下几点结论：①爆破振动速度是随着爆心距的增加而衰减，由于振源距离较远，通过岩层的阻隔对应力波产生衰减影响，因此边坡结构产生的质点振动速度很小。②直面形边坡在其坡面上不会出现振速的放大现象，但在边坡顶部边缘会出现高程放大现象。

【参考文献】

【1】刘博. 爆破地震波传播规律及对边坡稳定性影响研究[J]. 四川水泥， 2017（12）：333.