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爆破振动作用下顺层岩质边坡稳定性研究

李维光  
【摘要】: 随着社会的进步、国民经济的发展,在公路、铁路、水利水电、露天矿山等建设中经常遇到顺层边坡,同时顺层边坡也是危害性最大、治理最难的边坡。采用拟静力法时,如何合理选择拟静力系数,以评价和研究爆破震动效应对顺层边坡的影响已成为当前岩土工程界、爆破工程界亟待解决的一项重要课题。结合峨嵋水泥厂石灰石露天矿山的工程实际,以及爆破的特点,设计小型爆破振动试验台,采用理论推导、实验室模拟试验、现场实际爆破设计相结合的手段,较为系统地研究了爆破荷载作用下顺层边坡的稳定性问题。 (1)分析了影响顺层岩质边坡变形破坏的主要因素。鉴于滑坡体系统的静力稳定性分析方法已经成熟,而滑坡体系统在爆破荷载作用下的稳定性问题尚处于探讨之中。所以,拟静力法常被采用来分析研究边坡的稳定性安全系数。 (2)采用极限平衡法,按照摩尔一库仑准则,建立了顺层岩质边坡在作用于条块质心爆破荷载、边坡表面卸荷载作用下稳定性安全系数的数学表达式。 ①从爆破荷载作用方向看,水平向外爆破荷载、垂直向下爆破荷载以及水平方向夹角较大的水平向外爆破荷载和垂直向下爆破荷载的联合爆破荷载不利于顺层边坡稳定。 ②天然状态的潜在滑坡体受水平向外爆破荷载作用时,顺层岩质边坡体的稳定性安全系数与水平向外爆破荷载拟静力系数间呈负指数关系:水平向外爆破荷载拟静力系数每从0起增加0.05,存在层裂长度的顺层边坡稳定性安全系数减少7.786%-10.665%,不存在层裂长度的顺层边坡稳定性安全系数减少7.61%-10.546%。 ③当潜在滑坡体处于天然状态时,顺层岩质边坡体的稳定性安全系数与垂直向下爆破荷载拟静力系数间呈S曲线关系:垂直向上爆破荷载拟静力系数从0起每增加0.05,顺层边坡稳定性安全系数将增加2%-3.5%。所以,垂直向上爆破荷载对顺层边坡稳定的影响很小。 ④潜在滑坡体受到垂直向下或水平向外联合爆破荷载作用时,当潜在滑坡体处于饱水状态时,随着联合爆破荷载拟静力系数不断增加,处于失稳状态边坡的稳定性系数不断减少;当垂直向下爆破荷载一定时,顺层边坡稳定性安全系数与水平向外爆破荷载拟静力系数间呈负指数关系,顺层边坡稳定性安全系数与垂直向下爆破荷载拟静力系数间呈S曲线关系。 ⑤爆破层裂效应对顺层边坡的稳定起着劣化作用,减低了顺层边坡的稳定性。在其它相同条件下,天然状态顺层边坡安全系数随着爆破层裂长度的增加而线性减少,尤其是在滑移面长度小于20m时最明显:在其它相同条件下,顺层边坡安全系数随着滑移面粘结力的增加而明显增大,当滑移面粘结力小于60kPa时影响最明显;在其它相同条件下,顺层边坡安全系数随着滑移面内摩擦角的增加而明显增大,当滑移面内摩擦角小于20°时影响最明显。 ⑥当潜在滑坡体处于天然状态时,爆破荷载对顺层边坡稳定性的影响,不仅体现在爆破荷载的大小上,而且体现在爆破荷载的作用方向上。当潜在顺层岩质滑坡体受到振动垂直向下、水平向外联合爆破荷载联合作用时,联合爆破荷载与水平方向夹角较大者有利于顺层岩质边坡的稳定。 (3)建立了顺层岩质边坡运动的简单力学模型。只有加速度为负时,潜在滑坡体系统才可能处于稳定状态。但影响潜在滑坡体系统处于稳定状态的因素很多,这些因素的变化及其作用,促使Fcos(α-β)+wsinα、T(v_0)之间平衡关系发生变化,从而造成滑坡体系统稳定性的变化。 (4)根据相似模拟原理,设计的爆破振动模拟装置可模拟垂直方向、水平方向以及垂直和水平联合作用任意方向时的爆破振动试验台。爆破振动试验台与模拟对象无关,可模拟顺层岩质边坡在爆破荷载作用下的爆破振动。 ①在垂直向下爆破荷载作用下,垂直振动速度与处于极限平衡状态顺层边坡潜在破坏面倾角呈对数关系而与潜在滑移面内摩擦角弱化值间呈线性关系。 ②在相同垂直振动速度、频率条件下,潜在滑移面静摩擦角与静摩擦角弱化值间呈线性关系,潜在滑移面静摩擦弱化值与垂直向下爆破振动频率间呈幂函数关系。 ③在水平向外爆破荷载作用下,不同潜在滑移面强度条件下,一方面垂直振动速度与潜在滑移面坡面角间呈对数关系,垂直振动速度与潜在滑移面坡面内摩擦角弱化值间呈线性关系。 ④在水平向外爆破荷载作用时垂直振动速度一定时,顺层边坡潜在滑移面粘结力与垂直振动速度呈对数关系,内摩擦角与潜在滑移面坡面角间呈线性关系。 ⑤当不同状态顺层边坡受到不同垂直振动速度的水平向外爆破荷载作用时,处于极限平衡状态顺层边坡潜在滑坡体承受的水平向外爆破荷载拟静力系数高达数十倍到数百倍,即不同状态的顺层边坡受到不同垂直振动速度的水平向外爆破荷载作用时,其水平向外爆破荷载是顺层边坡潜在滑坡体重量的数十倍到数百倍。在一定顺层边坡坡面角条件下,当顺层边坡在一定垂直振动速度的水平向外爆破荷载作用时,其水平向外爆破荷载拟静力系数与顺层边坡潜在坡移面内摩擦角间呈线性关系:随着顺层边坡潜在坡移面内摩擦角的不断增加,水平向外爆破荷载拟静力系数不断减少。 (5)当顺层岩质边坡受到水平向外爆破荷载作用而产生7、8 cm/s的垂直振动速度时,其爆破荷载拟静力系数不超过0.3,即采用强度弱化法时爆破动力折算系数5.25‰、3.28‰,采用等效安全系数法时爆破动力折算系数0.242‰、0.154‰,顺层岩质边坡将处于稳定状态。同时,得出爆破动力折算系数与垂直振动速度间相互关系,从而确定不同垂直振动速度下水平向外爆破荷载拟静力系数。采用相同爆破动力折算系数,这样可能造成随垂直振动速度不同而顺层边坡稳定性安全系数、边坡状态出现差异很大。说明必须考虑爆破动力折算系数,以修正爆破荷载拟静力系数。


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