爆破作用对软弱顺倾岩质边坡稳定性影响的试验研究

摘要

工程岩质边坡的稳定状态主要取决于岩体内各种地质结构的性质、空间展布以及开挖爆破形成边坡过程中爆破作用对地质结构性态的影响程度。当边坡内含软弱夹层时，穿过软弱夹层的爆破作用对边坡稳定的影响尤为显著，常引起边坡的局部或整体滑坡。本文通过对含软弱夹层顺倾露天台阶爆破的水泥砂浆模型实验，以声波测试、爆破试验和剪切试验为主要测量手段，研究了单孔爆破对软弱夹层岩质边坡稳定性的影响规律。 以实际开挖边坡为对象，按照爆破相似原理进行含软弱夹层的岩质边坡爆破模型设计，给出了爆破模型的几何参数。根据炮孔的爆炸压力相似与材料强度相似的相互关系以及炸药爆炸的等熵绝热膨胀理论，提出爆破模型装药结构的不耦合系数取值范围。 以含软弱夹层岩质边坡单孔台阶爆破为对象进行了5次相似模型的爆破层裂试验。在提出利用声波探测来确定软弱夹层中形成的爆腔半径和压密区半径的基础上，通过对各次试验的爆破前后声波波速在爆源不同方向、不同距离处的变化特征的对比分析，确定出了模型爆破时的层裂范围，其测量结果与实际观测结果的相对误差小于15％。对模型爆破层裂效应的空间形态观测发现，爆破作用下有抵抗线的模型爆破时软弱夹层形成了一个以爆源点为中心的近似半圆的爆腔区和夹层扰动区(压密区)，并以最小抵抗线为对称轴。在约1g炸药(1个雷管药量)爆炸作用下，5次爆破试验形成的软弱夹层爆腔半径和压密区半径均值分别约为12.7cm和22.4cm，且沿不同方向上这两个半径值变化不大。 按照模型剪切试验的原理，推导出了软弱夹层力学参数(c、tanφ)的计算方法。考虑爆破层裂与爆破振动对边坡稳定的耦合作用影响，给出了爆破作用下含软弱夹层顺倾岩质边坡稳定性系数计算公式。 为探索软弱夹层的含砂率、含水量和厚度对爆破层裂效应的影响规律，设计并完成了20次模型爆破试验。通过对爆破前后模型软弱层面的剪切强度试验数据的分析计算，得到了爆破前、爆破过程中和爆破后的模型边坡的稳定系数。分析结果表明，在试验参数范围内，层间力学性质和边坡稳定性受软弱夹层的含水量和含砂率的影响较大，受夹层厚度变化的影响很小；边坡稳定性降低率基本不受夹层物理力学性质变化的影响，而爆破作用是导致边坡稳定性降低的主要原因。爆破瞬间，受爆破振动力和爆破层裂效应的影响，爆中软弱夹层岩质边坡稳定性系数降幅约62％～65％，这表明只有当爆前边坡稳定性系数大于2.85时，爆破过程中的边坡稳定性系数才大于1，即边坡不会在爆破过程中失稳滑动；爆破后，层裂效应导致边坡自稳能力降低，爆后边坡稳定性系数降幅约30％～35％，推得若爆前边坡稳定性系数小于1.54，爆后边坡稳定性系数将小于1，即边坡爆后处于失稳状态。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 岩质边坡稳定性研究历程与方法

1.2.1 岩质边坡稳定性研究历程

1.2.2 岩质边坡稳定性研究方法

1.3 顺层岩质边坡爆破动力稳定性研究现状与存在的问题

1.3.1 边坡爆破动力稳定性研究

1.3.2 层状岩体的爆破理论研究现状

1.3.3 爆破载荷作用下顺层岩质边坡动力稳定性研究存在的问题

1.4 本文主要研究内容和方法

第2章 软弱夹层岩质边坡爆破模型

2.1 模型试验爆破的相似理论

2.1.1 爆破相似理论简述

2.1.2 模型爆破试验基本相似理论

2.2 爆破试验混凝土模型的制作与抗压检测

2.2.1 爆破试验模型配比计算

2.2.2 爆破试验模型试件的制作

2.2.3 强度测试试件的抗压试验

2.3 软弱夹层土的采制与处理

2.3.1 软弱夹层土的现场采样

2.3.2 软弱夹层土的处理

2.4 本章小结

第3章 软弱夹层模型边坡爆破层裂效应试验

3.1 层裂效应试验目的和内容

3.2 层裂试验方案

3.2.1 层裂试验模型

3.2.2 层裂试验测量内容

3.2.3 边坡岩体的声波探测原理

3.2.4 声波测试系统

3.2.5 声波测点布置

3.3 层裂试验的结果与分析

3.3.1 层裂试验条件及试验准备

3.3.2 软弱夹层变形特性分析

3.3.3 软弱夹层压密范围的声波探测分析

3.3.4 声波探测结果与实测结果误差分析

3.4 本章小结

第4章 单孔爆破对软弱夹层边坡稳定性影响试验研究

4.1 概述

4.2 试验方案简介

4.2.1 改变含砂率试验方案

4.2.2 改变含水量试验方案

4.2.3 改变夹层厚度试验方案

4.3 软弱夹层抗剪强度的反算及稳定性分析方法

4.4 改变含砂率试验结果与分析

4.4.1 改变含砂率试验测试数据与计算结果

4.4.2 试验结果分析

4.4.3 本组小结

4.5 改变含水量试验结果与分析

4.5.1 改变含水量试验测试数据与计算结果

4.5.2 试验结果分析

4.5.3 本组小结

4.6 改变软弱夹层厚度试验结果与分析

4.6.1 改变夹层厚度试验测试数据与计算结果

4.6.2 试验结果分析

4.6.3 本组小结

4.7 软弱夹层岩质边坡爆破开挖的防护

4.8 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研实践