爆破震动作用下边坡稳定性分析

爆破震动作用下边坡稳定性分析

振动是自然界中常见的动负荷来源。动负荷以电压波的形式在岩体中传播，对结构面的倾斜稳定性有显著影响。除了额外的动能力外，振动还会导致结构破坏和抗剪强度的削弱。震动荷载对于边坡稳定性影响的研究成果较为丰富,魏金祝从爆破地震波的产生、传播规律与作用机理入手,分析爆破对边坡的力学作用,阐明了爆破震动对露天矿边坡的影响。何理和钟冬望借助动力有限元软件,分析了爆破载荷作用下的岩质边坡动力稳定系数,得出边坡动力稳定系数时程曲线。陈明等人研究不同爆破振动频率下质点位移、振动加速度及边坡应力状态,提出边坡极限平衡分析法的爆破振动等效加速度计算方法。高玉峰进行了多点、多向地震作用下非圆弧滑面边坡稳定分析通用条分法的研究,并借助算例验证了方法的可行性。结构面渐进破坏及其对边坡稳定性影响规律的理论研究充分,成果较为显著,滑面的形成包含从完好到破裂的渐进损伤过程,已经得到岩土工程界的普遍认可。HoekE和Bray进行了多种形式平面滑动稳定性分析方法的研究,并建立了结构面定量统计方法,以及碎裂岩体强度的测试方法。陈祖煜及邵长明等人基于改进了的Morgenstern-Price方法,利用单纯形法、负梯度法和DFP法优化确定非圆临界滑动面。马衍泉对折线滑面滑体的稳定分析方法进行改进,推导出了计算整体抗滑稳定系数的方法和公式。刘刚等人对断续节理岩体中围岩破裂区进行了试验研究,明确了围岩破裂区是由于新生裂纹与原有节理相互贯通导致岩体中产生纵横交错的贯通裂隙所致。以上研究奠定了渐进破坏理论分析及工程实践的基础。露天矿是以采、排交替为主体的工程作业场地,具有显著的时、空发展特性。开挖形成了高陡边坡,揭露了岩体结构面,岩体在地应力、重力及外部荷载的综合作用下,朝边坡临空面产生应变,结构面渐进破坏至自稳状态。受到爆破或设备产生的震动影响,结构面因应力集中继续延展,最终失稳破坏。既有研究成果充分揭示了震动产生的动载荷对于边坡稳定性的影响规律,但没有考虑震动对于结构面渐进破裂及损伤积累的影响,也没有充分体现损伤积累过程中结构面抗剪强度的弱化规律,及整个过程的时效稳定系数发展规律。本文将爆破产生的震动荷载纳入边坡稳定性计算方法,同时根据结构面损伤及抗剪强度退化规律,建立爆破震动过程的时效稳定系数计算方法,为大型露天矿山时效边坡理论体系的进一步完善及爆破作业方案提供技术支持。1结构损伤积累1.1渐进破坏模式结构面是控制边坡稳定及决定滑坡模式的关键因素,在地质结构中,存在一组平直优势结构面,其走向和倾向与边坡相近,倾角小于边坡角,会形成以平面滑动为主的破坏模式。在采动卸荷、工程扰动及自然风化的影响下,结构面渐进破坏,直至滑面贯通,形成运动性破坏。在结构面渐进破坏过程中,其抗剪强度随破坏区长度的增长呈线性递减,对于牵引式和推移式(图1)2种基本的渐进破坏模式,在渐进破坏过程中,破裂区的黏聚力消失,摩擦力尚存,所能提供抗滑力Fk的表达式为:式中:C为结构面锁固段的黏聚力,kPa;Lf为锁固段长度,m;W为滑体重力,kN;β为结构面倾角,(°);uf06a为结构面锁固段的内摩擦角,(°)。1.2爆破震动引起的应力结构面破裂的影响因素很多,其中爆破震动的致损速度较快,对于边坡的损伤程度较大。岩体在地应力、岩体自重等多因素的综合影响下达到自稳状态时,其锁固段提供的抗滑力足以平衡滑体产生的下滑力。爆破震动产生的动载荷传递到结构面,给岩体以突然的初始位移,由于岩性的差异,对应力波的响应程度不同,在岩性分界面便会出现错动面,在持续的高频震动作用下,锁固段的结构面逐渐被损伤,当残余锁固段提供的阻抗不足以平衡上部滑体的下滑力时,残余锁固段的结构面会迅速破裂,滑面贯通并形成运动性破坏。爆破震动产生水平方向和竖直方向的震动加速度对于岩体结构面和边坡稳定性的损伤较大,根据不同方向的震动加速度,可知爆破震动对于边坡中的滑体产生的附加应力F为:式中:g为重力加速度,m/s2;a为爆破引起的加速度,m/s2。将F换算为静力F0为:式中γ为瞬时震动力转化为静力的换算系数,取0.25。根据式(2),(3)可推导出爆破震动对滑体产生的水平、竖直荷载为:式中:Fh,Fv分别为爆破震动产生的水平和竖直方向荷载,kN;ah,av分别为水平和竖直方向的震动加速度,m/s2。水平方向的震动荷载Fh对滑体施加水平方向的推力,当推力方向指向边坡临空面时,会增大滑体的下滑力。竖直方向的震动荷载Fv促使岩体结构面渐进破裂,2种荷载共同作用下,边坡稳定性不断下降,当锁固段弱化至极限平衡状态时,结构面便会在外力的影响下迅速贯通,形成滑坡灾害。水平震动荷载施加到滑体上,其下滑力和抗滑力的表达方式为:式中:Fx为滑体下滑力,kN;Fk为结构面抗滑力,kN。竖直方向的震动荷载Fv对结构面施加竖直方向的张力,当Fv竖直向上时,会对结构面产生竖直方向是拉力,在结构面破裂端会出现应力集中现象。根据爆破震动及结构面的受力情况,结构面破裂段的应力集中情况如图2所示。根据应力集中系数手册,该类型的应力集中,其应力集中系数n可表示为:式中:ρ为结构面端部曲率半径,m;b为结构面锁固段长度,m。根据式(7)计算出应力集中系数,乘以爆破震动产生的沿结构面法线方向的应力,便得到作用在结构面破裂端的集中应力。当集中应力超过结构面的起裂应力时,便会造成结构面渐进破裂及锁固段长度Lf的减小。根据式(1)可知,爆破震动影响下,锁固段所能提供的抗滑力呈线性下降。2爆炸振动过程边坡稳定分析2.1滑动影响下的稳定系数平面滑坡受控于结构面的展布形式,是主要的滑坡形式之一,平面滑坡的稳定性分析理论较为完善,其主要的原理为极限平衡法,不考虑震动因素的影响,充分考虑滑体重力、水压力、结构面抗剪强度等因素的影响,图1中平面滑坡稳定系数计算公式为:式中:L为滑面长度,m;U为裂面中的水压力,kN。在爆破震动的影响下,考虑震动产生的动态荷载,平面滑坡的稳定系数计算公式为:但是上述分析方法并不能充分反应震动影响下的边坡稳定系数变化规律,震动除了增加动态荷载之外,还促进了结构面的渐进破裂,其有效的黏聚力仅由完好区域提供,因此,其稳定系数的修正计算公式为:式中:Ub=γw(L-Lf)2sinb/4,为结构面破裂区的水压力,kN;γw为水的容重,kN/m3。2.2不平衡推力法计算大量的滑坡调查统计发现,很多边坡失稳形式并非标准平面或圆弧滑坡,而是呈现折面滑坡形式。该滑面形态由边坡中的多个优势结构相互贯通,形成不规则的结构包络面,并圈定滑体结构,这是自然界中最为常见的滑坡形式。广义上讲,所有的滑坡均属于曲折滑坡。将滑体条分化,见图3,采用不平衡推力法进行稳定性计算,具体的计算原理为:式中:Pi为i条块受到的不平衡推力,kN;Fs为稳定系数;wi为i条块的重力,kN;αi为i条块底部滑面倾角,(°);Pi-1为上一条块(即i-1条块)受到的不平衡推力,kN;uf06ai为i条块底部滑面的内摩擦角,(°);Ci为i条块底部滑面的黏聚力,kPa;li为i条块底部滑面长度,m;Δαi=αi-1-αi,为第i-1条块与i条块底部滑面的角度差,(°)。式(11)可以简写为:式中:ψuf03dcosuf044uf061iuf02bsinuf044uf061itanuf06ai,ψ为推力系数。安全系数Fs通过迭代得出,最后满足Pn+1=0的Fs即为边坡稳定系数。在爆破震动影响下,上部条块的不平衡推力增加,依次传递给下一条块,每个条块本身都受到爆破震动产生的水平荷载,则第i条块的所受的不平衡推力为:对第i条块的力学分析中,将水平荷载Fx在滑面法向和沿滑面方向上的分力纳入推力传递方法,基于不平衡推力法完善了爆破震动荷载条件下的边坡稳定性分析方法。在式(13)中的Pi-1也包含震动产生的水平荷载,依次传递到下去,直到某一个稳定条块,则该条块要承受上部所有条块的震动荷载分力。按照不平衡推力的基本计算原理,不断的迭代Fs,找到满足Pn+1=0的稳定系数即可。由于震动造成结构面的渐进破坏,条块底部滑面所能提供的有效黏聚力Ci,存在较大差异,对于破裂区域的黏聚力基本为零,完好区则可以提供原始黏聚力C,因此,对于式(13)中的Ci应该结合结构面所处的状态进行参数的合理选取。本方法充分考虑了爆破震动的动态荷载,同时考虑了震动造成结构面的渐进损伤,将两种因素同时纳入岩质边坡稳定性分析中去,提高了分析结果的准确性和可靠度,并能更加真实的体现爆破震动过程中边坡稳定系数的变化规律。3端帮岩性地质特征哈尔乌素露天煤矿隶属于中国神华集团,矿区位于准格尔煤田中部,与黑岱沟露天煤矿毗邻,地理坐标为东经111°10′~111°22′30″,北纬39°39′45″~39°44′15″。整个煤田东西宽21km,南北长65km,面积1022km2。该矿端帮岩层呈近水平分布,厚度均匀,岩体中结构面较为发育,且在外力影响下表现出明显的扩展性,北端帮的岩性分布如图4所示,每种岩性的实测物理力学参数见表1。地质调查发现,哈尔乌素露天的剥离岩体除了上部黄土以外,基本都属于钙质胶结岩体,硬度较大,需要预先进行松动爆破才能进行剥离。爆破震动、开挖卸荷、设备震动以及自然风化造成结构面的损伤积累,不断削弱端帮岩体结构的整体强度。地质详查揭示了岩质边坡优势结构面的位置、产状等信息,采用第3节的分析方法便可实现对岩质边坡震动过程的时效稳定性进行计算。3.1基于参数变化的边坡稳定性结构面从上向下不断贯通的过程中,随着破裂区长度的不断增长,完好区结构面的抗剪强度按表1选取,破裂区的黏聚力丧失,只存在层间摩擦力,且内摩擦角与完好区的基本一致。基于这些参数计算得到边坡稳定性的变化规律如图5所示。从图5中可以看出,在结构面渐进损伤、锁固段长度不断减小的过程中,边坡稳定系数呈线性递减,在不同岩性结构面的损伤破裂阶段,线性斜率不同,该斜率与岩体的黏聚力表现出正相关性,即峰值黏聚力C越大,该阶段结构面破裂时稳定系数折减的速率越大。结构面完好时,稳定系数为1.348;损伤贯通后,稳定系数为1.173,下降了12.98%,对于边坡稳定性的弱化程度较为明显。3.2爆破震动影响分析爆破震动产生地震波作用于边坡上,对岩体产生横、纵向震动加速度。不同爆破方式及爆破参数产生的震动加速度曲线不同,而边坡稳定系数是响应震动加速度的波动曲线,根据表1的基本参数及图4中边坡结构,并结合哈尔乌素露天矿松动爆破过程实测的加速度-时程曲线,见图6a,将震动产生的水平荷载加入边坡稳定性分析中,计算得到爆破震动影响下的边坡稳定系数见图6b。从图6可以看出,在爆破产生的震动作用下,边坡岩体产生与波动方向相同的加速度,动载荷作用在滑体上便会对抗滑力、下滑力等元素产生重要影响,因此,在震动影响下,边坡稳定系数表现出与加速度一致的波动规律,且最大振幅由加速度的峰值决定。如果整个震动过程中,岩体结构面未出现任何损伤发展,则在残余地震波完全消失之后,边坡稳定系数会回归至初始稳定系数水平。3.3多因素耦合下的岩质边坡稳定性分析爆破震动诱发滑坡的机理明确显示,除了产生动态荷载以外,还促使结构面渐进损伤,因此,在进行爆破震动的稳定性分析时,单独抽离震动或结构面损伤等因素,探索单一因素对于边坡稳定性的影响规律,不能全面体现爆破震动对于岩质边坡稳定性的真实影响,因此,将两个因素同时纳入稳定性分析,得到震动过程的时效稳定系数如图7所示。对比图7和图6b知,在爆破震动影响下,边坡的时效稳定系数均呈现明显的波动规律,但震动促使结构面损伤积累、渐进破坏,会造成整体稳定系数呈下降趋势,图7中边坡最终状态的稳定系数要低于图6b,这充分体现了结构面渐进破坏对于边坡稳定性的不良影响,在多因素耦合条件下,极易形成运动性破坏。在结构面完全贯通后,当震动加速度达到3.0m/s2时,滑体的稳定系数降低到1.00,随时会出现滑坡事故,因此,对于爆破震动作用下的时效稳定系数进行准确计算,是掌握震动诱发滑坡深层机理及进行治理对策研究的关键环节。4爆破震动和结构面两1)基于结构面破裂前后力学特性的差异,建立了结构面有效抗剪强度的表达式,明确了渐进破坏过程中抗剪强度变化规律。根据爆破震动的动载荷形态,分析了震动过程中的横、纵方向主应力,并给出了动载荷条件下抗滑力、下滑力的计算公式,明确了爆破震动对于结构面的致损机理。2)根据平面滑坡及折面滑坡2种方式的稳定系数计算公式,将爆破震动产生的水平荷载及结构面的破裂情况纳入稳定性计算之中,推导出爆破震动及结构面损伤条件下2种滑坡模式的边坡时效稳定系数计算方法。3)对哈尔乌素露天矿北端帮边坡进行研究,由于受到1组优势结构面控