岩体开挖爆炸应力损伤范围研究

岩体开挖爆炸应力损伤范围研究

贾 虎1，徐 颖2

(1. 南阳师范学院 土木建筑工程学院，河南 南阳 473061；2. 安徽理工大学 土木工程系，安徽 淮南 232001)

摘要：近年发展起来的爆破损伤模型虽能客观反映岩石爆破物理过程，但爆破损伤模型参数选取复杂，需要通过数值计算来确定爆破损伤范围，不便于工程操作。在工程实践中，通常采用萨氏安全判据和PPV安全判据等确定爆破损伤范围，但这些基本上都是半经验判据，在质点峰值振动速度选取上存在人为误差。在分析这些经验判据的基础上，根据爆炸应力波衰减规律，推导爆炸应力损伤范围计算公式，并将上覆岩体的原岩应力作用计入，只要知道岩体抗拉强度、泊松比就可方便预测爆破岩体损伤范围，使其更符合工程实际，并用工程实例计算说明其合理可行，且操作方便简单，具有重要推广价值。

关键词：爆破工程；爆破损伤；损伤判据；质点峰值振动速度；爆炸应力损伤范围计算

中图分类号：TD 23 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)增1–34–04

STUDY ON STRESS DAMAGE ZONE IN EXCAVATION OF ROCK MASS

JIA Hu 1，XU Ying2

(1. School of Civil Engineering and Architecture，Nanyang Normal University，Nanyang，Henan 473061，China； 2. Department of Civil Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China)

Abstract：The control of blasting damage is an important research subject in the field of rock blasting. The model of blasting damage recently developed can reflect the physical course of rock blasting objectively，but the model parameters of blasting damage is very difficult to select，and numerical calculation is needed to determine the range of blasting damage，so it is very inconvenient to use. In practice，the range of blasting damage is confirmed by Sach′s safety criterion，peak particle vibration velocity safety criterion and other criterions，however，they are all semi-empirical with man-made error of selecting peak particle vibration velocity. Based on the analysis of empirical criterions and the attenuation rule of blasting stress wave，the range of blasting damage equation to calculate the blast-induced damage zone is deduced and the initial stress of rock is considered. The range of rock damage can be predicted conveniently by knowing the tensile strength and Poissson′s ratio to coincide with practice better. Finally the method of damage calculation is adopted to compute the practice case of a project，and the results show that it is reasonable. The process of operation is convenient，and is worth of spreading in project. Key words：blasting engineering；blasting damage；damage criterion；peak particle vibration velocity；computation of blast-induced damage zone

行施工，在将开挖范围内岩石爆破的同时，必然对

1 引 言

在边坡及建筑物基面开挖中广泛采用钻爆法进

收稿日期：2007–04–17；修回日期：2007–05–07

保留岩体造成损伤和破坏，导致岩体力学参数下 降，给工程的安全施工和正常运行带来隐患。因此，在工程实践中，必须确定岩体爆破损伤的大小和影

基金项目：教育部新世纪优秀人才资助项目(NCET–05–0559)；教育部科学技术研究重点资助项目(205069)；安徽省自然科学基金重点资助项目(KJ2007A060)；安徽高校省级自然科学研究项目(070414167)

作者简介：贾 虎(1980–)，男，硕士，2003年毕业于安徽理工大学土木工程专业，主要从事岩土与矿业工程、控制爆破方面的研究工作。E-mail：jiahu80@163.com

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响范围，以满足工程实际的需要。

爆破损伤控制是岩石爆破破碎领域的重要研究课题。岩石爆破损伤模型是新近发展起来的较能客观反映岩石爆破物理过程的一种理论模型[1]。岩石爆破损伤模型在20世纪80年代初由美国Sandia国家实验室开始研究[2

，3]

式中：V为质点峰值振动速度，Q为最大单段装药量，R为爆心距，k和α分别为爆破地震衰减系数和指数。若已知k和α，则可根据实际采用的爆破参数和相关损伤判据对应的质点峰值振动速度计算爆破损伤范围，则

R=

Q13⎛V⎞

⎜⎟⎝k⎠

1α，随后国内外学者建立了一

系列爆破损伤计算模型(如K-G模型、Taylor 模型、

(3)

TCK模型、Thorne模型及Yang，Liu 模型等)，但几乎所有已提出的爆破损伤模型都要通过复杂的数值计算来解算，这不便于工程上的实际应用[4]，同时由于模型参数选择及岩体结构的复杂性，这些模型在预测爆破对岩体的损伤范围方面，还远不能满足实际应用与推广[5]。因此，在工程实践中就必须找到便于操作的爆破损伤范围计算方法，保证工程的安全稳定。

2 爆破损伤范围确定

爆破开挖岩体过程中不可避免的对岩体产生损伤，在实际工程中就要控制爆破损伤范围，使爆破开挖轮廓以外的保留岩体和基础岩体不产生过大损伤，确保工程的安全性和岩体的稳定。

目前，工程实践中确定爆破损伤范围的预测方法主要有萨氏安全判据，岩体爆破损伤质点峰值振动速度(PPV)安全判据等，但这几种方法在选取质 点峰值振动速度时，往往存在着人为误差，导致与实际情况不符。因此，有必要对爆破开挖过程中引起的爆破损伤影响范围进行进一步的理论研究，以满足工程实践的需要。 2.1 萨氏安全判据

多年来，我国一直采用质点振动速度表示振动强度，这是因为质点振动速度是个比较稳定的物理量，同时岩石质点振动速度可直接与岩石应力发生关系。

如果将岩石质点的振动看作简谐运动，则可得到极限条件下的应力σm与极限振速µm及地震波传播速度C之间的关系为

2.2 质点峰值振动速度(PPV)安全判据

R. Olmberg和P. A. Persson[6]提出了基于爆炸冲击波引起的质点峰值振动速度控制的轮廓爆破设计方法。由于该设计方法概念清晰，操作简单，在国内外得到了广泛的应用，成为爆破损伤控制的基本做法。该法的关键是确定装药周围岩体中的质点峰值振动速度分布和爆破损伤的质点峰值振动速度经验判据。

～

卢文波等[79]基于对柱面波理论，长柱状装药中的子波理论和短柱药包激发的应力场Heelan解的分析，推导了岩石爆破爆源近区的质点峰值振动速度衰减公式：

⎛b⎞

V=k′V0⎜⎟ (4)

⎝R⎠

式中：k′为群孔爆破影响系数，在爆破近区k′≈ 1.0，爆破远区k′取值为同段起爆的炮孔数；b为炮孔半径；β为衰减指数；V0为炮孔壁上的质点峰值振动速度，且

βV0=P0(ρ c) (5)

式中：P0为炮孔内爆生气体的初始压力。

采用PPV判据时，通过理论计算预测爆破引 起的岩体损伤范围，再结合经验数据修正，调整相应爆破参数，指导爆破开挖。A. Bauer等[10

～12]

根据

爆前、爆后岩体中新增裂隙调查、声波对比测试等所建议的爆破损伤质点峰值振动速度安全判据分别如表1～3所示。

表1 Bauer和Calder判据[10]

Table 1 Criterion of Bauer and Calder[10]

质点峰值振动速度

/(cm·s1)

－

C

由式(1)可知，爆破振动产生的应力与质点振动速度成正比，表明质点振动速度是一个判断岩石破坏与否的重要物理量。

我国通常采用萨氏公式计算质点振动速度：

σm=

µmE

(1)

岩体损伤效果 完整岩石不会破碎 产生轻微的拉伸层裂

产生严重的拉伸裂缝及一些径向裂缝

岩体完全破碎

＜25 25～63.5 63.5～254 ＞254

⎛Q13⎞

V=k⎜⎜R⎟⎟ (2)

⎝⎠

α第26卷 增1 贾 虎，等. 岩体开挖爆炸应力损伤范围研究 • 3491 •

表2 Mojitabai和Beattie判据[11] Table 2 Criterion of Mojitabai and Beattie[11]

质点峰值振动速度

岩石类型

单轴压缩强度

/MPa

RQD/%

/(cm·s1)

轻微 中等 损伤区 损伤区

－

岩石动态泊松比。

在对比距离处，切向方向产生的拉应力为

pr

σθ=λσr=λ (9)

(r/rb)α式中：λ为侧压力系数，且λ=

严重损伤区＞35＞60

µd

。 1−µd

软片麻岩 硬片麻岩 Shultze花岗岩 斑晶花岗岩

14～30 2 13.0～13.549 50 23.0～35.0

15.5～35.535.0～60.0

当被爆破岩体上覆岩体较厚时，切向拉应力值超过原岩应力p(p=γ h)的部分将导致岩体发生起裂破坏，即当其值大于岩石的抗拉强度时，岩石就会发生起裂破坏。因此，岩石的起裂条件为

30～55 40 31.0～47.047.0～170.0＞17030～85 40 44.0～77.577.5～124.0＞124

表3 Savely判据[12] Table 3 Criterion of Savely[12]

岩体损伤表现

损伤程度

质点峰值振动速度

－

/(cm·s1)

石英质中

斑岩 页岩

长岩

63.5127.0190.5

σθ−p＞σt (10)

由于起裂，岩石应力得到释放，切向应力不断衰减下降，当其数值超过p部分下降至小于岩石的抗拉强度时，则破裂终止。因此，设破裂区半径为

Rs，则止裂条件为

台阶面松动岩块偶尔掉落 台阶面松动岩块部分掉落(若未爆破该松动岩块保持原有状态) 部分台阶松动、崩落，台阶面 上产生一些裂缝

台阶底部的后冲向破坏、顶部岩体的破裂，台阶面严重破碎，台阶面上可见裂缝的大范围延伸，台阶坡脚爆破漏斗的产生等

没有损伤 12.70 5.1有可能有损伤但可接受轻微的爆破损伤

38.10 25.463.50 8.1

σθr=Rs

−p＜σt (11)

由于岩体初始损伤D0的存在，考虑岩体初始损伤的止裂条件为

σθ爆破损伤 ＞63.55 ＞38.1＞190.5

r=Rs

−p≤σt(1−D0) (12)

1

由式(9)，(12)可得岩石损伤破裂区半径Rs为

在工程实践中，可根据表1～3确定质点峰值振动速度临界值[V]，然后由式(4)得出爆破损伤影响范围计算公式：

⎧k′V0⎫[R]=b⎨⎬ (6)

[]V⎭⎩

1β⎤⎡λpr

Rs=r b⎢⎥ (13) (1)σ−D+p0t⎦⎣

α采用爆破应力损伤范围判据预测爆破损伤时，从造成岩石损伤破坏的本质出发，操作简单，只要知道爆破参数、岩石抗拉强度和泊松比，即可确定爆破损伤区，指导爆破施工。

式中：[R]为爆破损伤影响范围。 2.3 爆炸应力损伤范围计算

炸药在岩体中爆炸产生冲击波，冲击波急速衰减后形成应力波。在应力波作用下，径向方向产生压应力和压缩变形，切向方向将产生拉应力和拉伸变形。由于岩石抗拉能力很差，主要以拉伸破坏为主。当切向拉应力值大于岩石的抗拉强度时，岩石就会发生起裂破坏，即岩石的起裂条件为

3 工程实例

龙滩水电站右岸导流洞全长1 236 m，其中洞身段长844.42 m。隧洞断面为城门洞型，属特大型断面。洞身段穿过的岩层主要为泥板岩、灰岩互层。隧洞进出口为弱风化岩体，密度为2 740 kg/m3，上覆岩体厚度为4～25 m；其他洞段均位于微风化至新鲜岩体内，密度为2 760 kg/m3，上覆岩体厚度为

σθ＞σt (7)

应力波压力随距离的衰减关系[1314]为

pr

σr=a (8)

r，

40～135 m。洞内除6条层间断层外，还有数条较大规模的断层切割。断层影响带附近次生断裂发育，隧洞进出口及洞身与主要断层交汇部位，围岩稳定性差。岩体抗拉强度为0.5 MPa，泊松比为0.25。根据该导流洞岩体的条件及实际采用的钻孔直径、爆破器材性能参数，选取的梯段爆破基本参数如下：

式中：r为对比距离，且r=rrb，r为距爆源的径向距离，rb为炮孔半径；pr为初始径向应力峰值；

a为应力波衰减指数，且a=2−µd/(1−µd)，µd为(1) 钻孔(药卷)直径为100(70) mm；(2) 炸药为2#岩

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石炸药，密度ρe=1 150 kg/m3，爆速D=3 200 m/s。爆破现场测试松弛范围为1.60 m[15]。

根据确定的不同风化程度岩石的爆破质点峰值振动速度安全判据，由式(6)可预测开挖爆破对保留岩体的损伤影响范围为1.916 m。采用爆炸应力损伤范围判据计算时，由于岩石为弱风化和新鲜岩石，初始损伤D0取0.1，代入式(13)计算，可得岩石损伤范围为1.985 m。

由于声波测试部位不同，相应岩体性质有所不同，同时测试中采用声波换能器与声波孔孔壁间采用水耦合，改变了岩体的原始力学参数。采用PPV安全判据和爆破应力损伤范围判据预测的爆破损伤范围与现场声波测试结果基本吻合。而采用爆破应力损伤范围判据预测爆破损伤，抓住了产生爆破损伤的实质，同时岩石力学参数易于获取，操作方便，更具有推广性。

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4 结 论

基于爆炸应力波衰减规律，推导了爆破应力损伤范围计算公式，抓住了造成岩体损伤破坏的本质，并计入上覆岩体的原岩应力作用。只要知道了岩体抗拉强度、泊松比就可方便地预测出所采用爆破参数下爆破施工对岩体造成的损伤范围，该公式同

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PPV判据和萨道夫公式相比，避免了质点峰值振动速度选取的人为误差，更具有操作性，值得在工程实践中推广。对工程实例爆破损伤范围的验算，也初步验证了本文所建议的爆炸应力损伤范围计算方法的可行性与合理性。 参考文献(References)：

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