层状岩体爆破的层裂效应及其对顺层边坡稳定性的影响研究

摘要

近年来，我国国民经济得到了快速的发展，公路、铁路、机场及水利水电工程等基础设施建设遇到了前所未有的发展机遇，这些工程往往穿越各种山区地形，常会遇到各种复杂的地貌形态和工程地质环境，因此边坡稳定性问题更加突出。工程岩质边坡的稳定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。正确分析爆破动力作用对岩质边坡稳定的影响直接关系到工程边坡的修建和使用安全，尤其是在边坡内含有顺倾软弱夹层时，穿过软弱层的深孔爆破对边坡稳定的影响更为显著。因此，如何正确分析爆破作用下软弱顺倾岩质边坡的稳定已成为亟解决的一个重要问题，一直是岩石力学界和爆破工程界关注的热点问题。 当爆破炮孔穿过顺倾岩质边坡的软弱层时，爆轰气体和爆炸冲击波引起紧邻炮孔的软弱介质移动压密而在一定范围内形成爆破空腔，空腔区内软弱层被推移冲刷走，使该范围内粘聚力完全丧失和内摩擦角降低为零，坡体的抗滑力消失；在压密区内软弱层内的粘聚力和内摩擦角虽然均有所增加，但是层间的粘聚力急剧减小，甚至完全丧失，对边坡的稳定十分不利；与此同时，在爆腔形成过程中，伴随着爆轰气体的楔入，使上覆岩层(潜在滑体)受到爆轰气体的压力作用而产生向上的挠曲变形，导致数十倍炮孔直径范围内的岩体与软弱夹层分离即岩体发生层裂破坏，使该范围内的粘聚力为零，内摩擦角减小，而使该范围内的坡体抗滑力极大降低，从而导致边坡在爆破过程中形成局部或整体滑动。因此，要正确解决爆破作用下含顺倾软弱夹层的边坡岩体稳定性分析问题，必须首先明确爆破过程中边坡岩体的受力状态，建立相应的爆破数学力学模型，才能给出合理的边坡动力稳定性计算方法。 为此，本文应用爆炸力学理论，从爆轰气体沿堵塞方向和软弱夹层方向等熵绝热膨胀的角度，分析爆轰气体楔入软弱夹层后边坡岩体的受力状态，建立深孔爆破过程中边坡岩体的准静态力学模型，导出了爆炸作用在软弱夹层内形成爆腔后的准静态压力和软弱层临界层裂长度计算公式。通过分析爆轰气体楔入层面内对边坡岩体产生的抬动作用，导出了边坡潜在滑体的动力稳定系数同装药参数、岩体力学参数和边坡几何尺寸的定量关系，提出了一种分析顺倾岩质边坡的爆破动力稳定性的新途径。 针对顺倾边坡爆破时爆轰气体冲刷、压密软弱夹层而形成爆腔从而影响边坡稳定的问题，应用爆轰流体动力学和气液两相流理论，分析了在钻孔爆破过程中软弱夹层在爆轰气体作用下的压密和推移机理，建立了爆破过程中软弱夹层的运动力学模型，导出了在爆轰气体作用下软弱夹层的运动速度、最终爆腔半径和扩腔时间同装药参数和软弱夹层力学参数的定量关系。 利用高速摄影技术进行了爆轰气体作用下软弱夹层充填物运动速度的测定，分析了软弱充填物运动速度的变化规律，同时还得到了软弱夹层中的爆腔形状和尺寸。 利用声波探测技术进行了试验模型的声波速度探测，得到了模型在爆破前后的声波速度，分析了不同测点声波速度变化的规律和原因，提出了确定软弱夹层中形成的爆腔半径和压密区半径等变形特性的方法，为顺倾岩质边坡的爆破动力稳定分析提供可靠的基础数据。 利用有限元LS-DYNA3D程序，模拟并研究了其它工况条件下软弱夹层的变形随软弱层厚度及倾角、炮孔直径、装药量和药柱长度与直径之比的变化规律，扩充和完善了模型试验和运动力学模型。 最后，经过实例分析表明深孔爆破过程中边坡岩体的准静态力学模型具有很好的准确性，它从爆破原理上综合考虑了爆轰气体的扩散和楔入作用等因素，较以往边坡爆破动力稳定性分析更进一步。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2岩质边坡稳定性的发展与研究现状

1.2.1岩质边坡稳定性的发展历程

1.2.2边坡稳定性分析方法

1.3爆破荷载作用下顺层岩质边坡动力稳定性的研究现状及存在的问题

1.3.1边坡爆破动力稳定性分析内容、方法与研究现状

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主要研究内容与研究方法

1.4.1研究内容

1.4.2研究方法

第2章钻孔爆破过程中顺倾边坡软弱夹层的运动力学模型

2.1软弱夹层运动力学模型的建立

2.1.1基本观点

2.1.2基本假设

2.1.3模型的建立

2.1.4土体介质和爆炸气体界面的速度

2.2软弱夹层中最终的爆腔半径

2.3软弱夹层的扩腔时间

2.4实例验证

2.5本章小结

第3章顺层边坡模型爆破试验方案

3.1试验内容及其目的

3.2模型爆破试验的相似规律

3.3充填物运动试验方案

3.3.1充填物运动试验模型

3.3.2充填物运动试验测试系统

3.4层裂试验方案

3.4.1层裂试验模型

3.4.2层裂试验测量内容

3.4.3边坡岩体的声波探测原理

3.4.4声波测试系统

3.4.5声波测点布置

3.5爆破模型的制作

3.6软弱夹层土的采制与处理

3.6.1软弱夹层土的现场采样

3.6.2软弱夹层土的处理

3.7本章小结

第4章充填物运动和层理面的层裂效应试验研究

4.1充填物运动试验的结果与分析

4.1.1充填物运动试验条件及试验准备

4.1.2充填物运动试验的测量与记录

4.1.3充填物运动速度及其分布的分析

4.1.4充填物运动速度及其分布试验结果与运动力学模型的比较

4.2层裂试验的结果与分析

4.2.1层裂试验条件及试验准备

4.2.2软弱夹层变形特性分析

4.2.3软弱夹层压密范围的声波探测分析

4.2.4声波探测结果与实测结果误差分析

4.2.5层裂试验结果与运动力学模型的比较

4.3本章小结

第5章深孔爆破条件下岩体软弱夹层变形特性的数值研究

5.1动力显式有限元LS—DYNA3D简介

5.1.1 LS—DYNA3D程序的功能简介

5.1.2 LS—DYNA3D程序算法简介

5.1.3 LS—DYNA3D程序算法基础

5.2模型建立与参数选取

5.2.1模型概况及基本观点

5.2.2计算模型及参数

5.2.3模拟结果可靠性和精确性校验

5.3数值模拟内容和结果

5.4数值模拟结果分析

5.4.1爆腔的形状与爆破条件的关系分析

5.4.2软弱夹层中爆腔尺寸随夹层厚度的变化规律

5.4.3软弱夹层中爆腔尺寸随炮孔直径和装药量的变化规律

5.4.4软弱夹层中爆腔尺寸随装药段长径比的变化规律

5.4.5软弱夹层中爆腔尺寸随软弱夹层的倾角的变化规律

5.4.6软弱夹层在装药段的位置变化对爆腔形状和尺寸的影响

5.5本章小结

第6章软弱顺倾岩体爆破层裂的准静态力学模型应用研究

6.1边坡爆破动力稳定性分析的现状与存在的问题

6.2准静态力学模型建立

6.2.1基本观点

6.2.2模型建立与准静压力

6.2.3软弱层极限层裂长度

6.3爆破载荷下软弱顺倾边坡岩体的稳定性分析方法

6.4本章小结

第7章层状岩体爆破的层裂效应对边坡稳定性影响的实例研究

7.1实例一——渝怀铁路清方爆破

7.1.1工程条件与现象

7.1.2静力状态下的边坡稳定性分析

7.1.3爆破层裂影响下的边坡稳定性分析

7.1.4爆破动力作用下的边坡稳定性分析

7.1.5基于准静态力学模型的顺层边坡稳定性分析

7.1.6爆破作用对顺层边坡稳定性影响的综合分析

7.1.7分析与比较

7.2实例二——某水泥厂顺层边坡滑坡案

7.2.1工程条件与现象

7.2.2计算参数选取与计算结果

7.2.3 3.15滑坡的机理分析

7.3本章小结

第8章结论与展望

8.1结论

8.2展望

致 谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文