一种临近危岩体的山区公路爆破药量控制方法
阅读：342发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种临近危岩体的山区公路爆破药量控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种临近危岩体的山区公路爆破药量控制方法，其步骤主要是：基于爆破荷载作用反应出的位移、速度和 加速 度动 力 特性，建立了受爆破振动影响下危岩体不同失稳模式的 稳定性 分析模型，确定出不同爆破药量和爆破距离下对临近危岩体的稳定性影响，进而定量控制爆破药量。该计算方法简单，结果准确，为工程活动中爆破作业或危岩体地质灾害防治提供理论计算依据，也为危岩体处治设计和工程施工提供准确、可靠的爆破药量依据，避免危岩体崩塌造成居民生命财产损失及投资浪费。，下面是一种临近危岩体的山区公路爆破药量控制方法专利的具体信息内容。
1.一种临近危岩体的山区公路爆破药量控制方法，包括以下步骤：
a)危岩体测量：测量工程爆破点与危岩体距离R，危岩体高度H，计算危岩体自重W；
b)给定初步爆破药量Q0；
c)根据下式(1)确定危岩体在爆破药量Q0作用下振动加速度a；
a＝2πfv (1)
式中，f为爆破振动引起的质点频率；v为爆破作用下岩体振动速度；
d)确定危岩体稳定性系数d1)或d2)；
d1)危岩体处于坠落式或滑移式失稳状态，根据下式(2)确定边坡在爆破药量Q0作用下临近危岩体的稳定性系数Fs0；
式中，W为危岩体的自重；β为危岩体滑面倾角；c为危岩体抗剪强度中的参数、为危岩体抗剪强度中的等效内摩擦角参数；m为危岩体质量；
d2)危岩体处于倾倒式失稳状态，根据下式(3)确定边坡在爆破药量Q0作用下临近危岩体的稳定性系数Fs0；
式中，fk为危岩体抗拉强度；l1为危岩体底部与倾覆点的水平间距；l0为危岩体重心与倾覆点的水平间距；h0为危岩体重心与倾覆点的竖向间距；
e)确定爆破药量Q′0
根据稳定性系数稳定性系数Fs0调整爆破药量Qi，若步骤c确定的稳定性系数Fs0＜1.0，即危岩体处于不稳定状态，则减小爆破药量Qi；若Fs0＞1.0，即危岩体处于稳定状态，则增大爆破药量Qi；重复步骤b、c、d的操作，计算Qi对应危岩体的稳定性系数Fsi，直至Fsi＝1.0，此时的爆破药量Qi＝Q′0为危岩体稳定的临界药量。
一种临近危岩体的山区公路爆破药量控制方法
技术领域
背景技术
[0002] 危岩体是指在陡坡或陡崖上可能脱离开母体而下落的岩体，在自然界中广泛存在，尤 其存在于云、贵、川等山岭重丘地带，由于危岩体的孕育过程具有渐进性，失稳崩塌的突 变性与较强的隐蔽性，因而对坡下建筑物、居民房屋、河道航运以及公路铁路交通造成重 大灾害，已经是工程活动中主要地质灾害之一。
[0003] 山区公路受地形、线形的控制，常以桥梁、隧道或路基穿梭于群山峻岭之间，爆破开 挖桩基、隧道或路基边坡将避免不了会影响临近危岩体的稳定性，或者因过于保守对危岩 体进行直接治理，或要求临近危岩体的工程采用冷开挖而导致工程规模增大，工程费用增 加。为科学合理的考虑工程爆破对临近危岩体的稳定性影响，减少危岩体的地质灾害产 生，爆破药量的控制是山区公路工程中的关键技术问题。
[0004] 由于危岩体的工程地质条件复杂，岩体存在较多裂隙、软弱夹层及断层，破坏模式多 样，给稳定性的评估造成困难。目前，危岩体稳定性分析主要有以下四类：物理模拟与数 值分析法、可靠度分析法、基于监测资料的比较辨识法及静力解析法。其中，可靠度分析 法及比较辨识法分别给予概率统计分析和监测数据，由于危岩体失稳存在突发性，该两种 方法皆存在一定的局限性和不确定性。物理模拟与数值分析法是建立模拟研究模型，通过 试验及数值模拟研究危岩体中应力分布情况，变形失稳机理及发展过程，由于其模型建立 及边界条件对稳定性结果影响较大，在危岩体防治工程中可作为分析验证。静力分析法以 弹塑性极限平衡理论为基础，针对已有界面，进行整体力矩平衡计算或静力平衡分析，以 其比值作为稳定性系数来表示危岩体稳定性，过程简单易行，分析结果明确，适用性强， 是工程实际中最为常用的危岩体稳定性分析方法。但是，目前的研究中，静力分析法主要 考虑天然状态、暴雨状态和地震工况危岩体自身的稳定性，未考虑在爆破荷载作用下对临 近危岩体的稳定性影响。
[0005] 以上分析可知，为避免在山区公路工程活动中因爆破开挖产生危岩体地质灾害，亟需 开发一种计算简单、结果准确的临近危岩体的山区公路爆破药量控制方法。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种临近危岩体的山区公路爆破药量控制方法，该方法计算简 单，得出的爆破药量准确，为危岩体防治及工程控制爆破的设计和施工提供更准确、可靠 的依据，从而避免由工程爆破导致的危岩体崩塌等地质灾害，减少工程建设成本、提高建 设效率，避免浪费。
[0007] 本发明为实现其发明目的采用的技术方案是：一种临近危岩体的山区公路爆破药量控 制方法，包括以下步骤：
[0008] a)危岩体测量：测量工程爆破点与危岩体距离R，危岩体高度H，计算危岩体自重W；
[0009] b)给定初步爆破药量Q0；
[0010] c)根据下式(1)确定危岩体在爆破药量Q0作用下振动加速度a；
[0011] a＝2πfv (1)
[0012] 式中，f为爆破振动引起的质点频率；v为爆破作用下岩体振动速度；
[0013] d)确定危岩体稳定性系数d1)或d2)；
[0014] d1)危岩体处于坠落式或滑移式失稳状态，根据下式(2)确定边坡在爆破药量Q0作用下 临近危岩体的稳定性系数Fs0；
[0015]
[0017] d2)危岩体处于倾倒式失稳状态，根据下式(3)确定边坡在爆破药量Q0作用下临近危岩 体的稳定性系数Fs0；
[0018]
[0020] e)确定爆破药量Q′0
[0021] 根据稳定性系数稳定性系数Fs0调整爆破药量Qi，若步骤c确定的稳定性系数Fs0＜1.0， 即危岩体处于不稳定状态，则减小爆破药量Qi；若Fs0＞1.0，即危岩体处于稳定状态，则 增大爆破药量Qi；重复步骤b、c、d的操作，计算Qi对应危岩体的稳定性系数Fsi，直至 Fsi＝1.0，此时的爆破药量Qi＝Q′0为危岩体稳定的临界药量。
[0022] 本发明的原理是：
[0023] 危岩体脱离母岩的破坏模式，主要有滑移式失稳、倾倒式失稳和坠落式失稳三种模 式。危岩体沿软弱面滑塌，距离坡脚一定高度的坡面上滑塌剪出即为滑移式破坏；当危岩 体沿距离坡脚一定高度的坡面上基点转动倾倒塌落时属于倾倒破坏；当危岩体处于悬空或 悬挑状态时，沿临空面拉断塌落时即为坠落式失稳。
[0024] 危岩体在受到爆破荷载作用下，反应出的动力特性主要有其位移X、速度v和加速度a， 其表达式为：
[0025]
[0026] 当岩体在爆破振动作用下振动幅度为最大时，即X＝A，则 X＝A，v＝Aω＝2Aπf，a＝4Aπ2f2。
[0027] 则加速度a和速度v的比值为：
[0028] a＝2πfv (5)
[0029] 式中，f为爆破振动引起的质点频率，由式(6)可得。
[0030]
[0032] 根据《爆破安全规程(GB6722-2014)》，危岩体在爆破药量Qi振动作用下的速度计 算式由式(7)可得。
[0033]
[0034] 式中，K是与爆源至危岩体之间的地质地形相关的系数。
[0035] 则危岩体所受爆破荷载P＝ma。
[0036] 危岩体稳定性系数的确定：当危岩体沿软弱面滑塌产生滑移式破坏(附图1)或处于悬 空或悬挑状态时坠落式失稳破坏(附图2)，则距离坡脚有一定高度的危岩体ABC沿软弱面 AB滑塌失稳，以滑面作受力分解，则法向分量：
[0037] N＝Wcosβ-Psinβ (8)
[0038] 式中，W为危岩体的自重；β为危岩体滑面倾角；c、为危岩体抗剪强度参数；m为 危岩体质量。
[0039] 切向分量：
[0040] T＝Wsinβ+Pcosβ (9)
[0041] 结合式(5)～(9)可得危岩的稳定系数Fsi由下式所得。
[0042]
[0043] 式中，H为危岩体的高度。
[0044] 若危岩体沿距离坡脚一定高度的坡面上基点转动倾倒塌落时产生倾倒破坏，即倾倒式 失稳模式，如附图3所示；围绕可能倾覆点C，倾覆力矩为
[0045] M倾覆＝Wl0+Ph0 (11)
[0046] 式中，l0为危岩体重心距倾覆点C的水平间距；h0为危岩体重心距倾覆点C的竖向间 距。
[0047] 抗倾覆力矩为
[0048]
[0049] 式中，fk为危岩体与母岩之间的抗拉强度；l1为危岩体滑面底部与倾覆点C的水平间 距；
[0050] 则得重心在倾覆点外侧时，结合式(5)～(7)、(11)、(12)可得倾倒式危岩稳定系 数Fsi计算式为：
[0051]
[0052] 临界爆破药量的确定：通过式(10)、(13)得出的危岩体稳定性系数Fsi＜1.0，则危 岩体在爆破药量Q0作用下处于不稳定状态，则减小爆破药量Qi；若Fsi＞1.0，即处于稳定 状态，则增大爆破药量Qi；重复步骤b、c、d的操作，直至危岩体稳定性系数Fsi＝1.0，此 时的爆破药量Qi＝Q0′为危岩体稳定的临界药量。
[0053] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0054] 一、申请人发现，山区公路工程中危岩体广泛存在，爆破振动作用对临近危岩体的稳 定性产生不利影响，从而基于爆破荷载作用反应出的位移、速度和加速度动力特性，建立了 不同失稳模式下的危岩体稳定性分析模型，以得出一种临近危岩体的山区公路爆破药量控制 方法。这种控制方法可确定出不同爆破药量和爆破距离下对临近危岩体的稳定性影响，得出 针对危岩体稳定的临界爆破药量，距离较近，可减少爆破药量，距离较远则增大爆破药量， 其计算方法简单，结果准确。
[0055] 二、根据本发明的控制方法，可提前判断不同工点爆破对临近危岩体的稳定性影响， 为工程活动中爆破作业或危岩体地质灾害防治提供理论计算依据，也为危岩体处治设计和工 程施工提供准确、可靠的爆破药量依据，避免危岩体崩塌造成居民生命财产损失及投资浪费。
[0056] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。附图说明：
[0057] 图1是本发明中危岩体滑塌式失稳计算模型图。
[0058] 图2是本发明中危岩体倾倒式失稳计算模型图。
[0059] 图3是本发明中危岩体坠落式失稳计算模型图。
具体实施方式
[0060] 实施例
[0061] 本发明的一种具体实施方式，一种临近危岩体的山区公路爆破药量控制方法，包括以下 步骤：
[0062] a)危岩体测量：测量工程爆破点与危岩体距离R，危岩体高度H，计算危岩体自重W；
[0063] b)给定初步爆破药量Q0；
[0064] c)根据下式(1)确定危岩体在爆破药量Q0作用下振动加速度a；
[0065] a＝2πfv (1)
[0066] 式中，f为爆破振动引起的质点频率；v为爆破作用下岩体振动速度；
[0067] d)确定危岩体稳定性系数d1)或d2)；
[0068] d1)危岩体处于坠落式或滑移式失稳状态，根据下式(2)确定边坡在爆破药量Q0作用下 临近危岩体的稳定性系数Fs0；
[0069]
[0070] 式中，W为危岩体的自重；β为危岩体滑面倾角；c为危岩体抗剪强度中的参数、 为 危岩体抗剪强度中的等效内摩擦角参数；m为危岩体质量；
[0071] d2)危岩体处于倾倒式失稳状态，根据下式(3)确定边坡在爆破药量Q0作用下临近危岩 体的稳定性系数Fs0；
[0072]
[0073] 式中，fk为危岩体抗拉强度；l1为危岩体底部与倾覆点的水平间距；l0为危岩体重心与 倾覆点的水平间距；h0为危岩体重心与倾覆点的竖向间距；
[0074] e)确定爆破药量Q′0
[0075] 根据稳定性系数稳定性系数Fs0调整爆破药量Qi，若步骤c确定的稳定性系数Fs0＜1.0， 即危岩体处于不稳定状态，则减小爆破药量Qi；若Fs0＞1.0，即危岩体处于稳定状态，则 增大爆破药量Qi；重复步骤b、c、d的操作，计算Qi对应危岩体的稳定性系数Fsi，直至 Fsi＝1.0，此时的爆破药量Qi＝Q′0为危岩体稳定的临界药量。
[0076] 下面给出采用本例方法对一高速公路外侧约50m处存在危岩体的挖方边坡爆破药量的 确定过程及结果。
[0077] 本实施例中，通过量测及物理力学试验，得出主控结构面长度AB＝14.1m，倾角β＝30°， 危岩体为灰岩，等效粘聚力c＝55kPa、等效内摩擦角 危岩体重度γ＝25kN/m3，自重 W＝1175kN。该危岩体目前处于稳定状态，但附近边坡爆破开挖会对其产生一定的影响，为 保证危岩体的稳定，避免危及居民安全，需要控制爆破药量。
[0078] 根据危岩体脱离母岩的失稳模式，该危岩体属于滑移式破坏模式。初拟的控制爆破参数， 炸药量Q0＝40kg，根据《爆破安全规程(GB6722-2014)》，危岩体及母岩均为灰岩，取 K＝200、α＝1.8、kf＝0.02、Cs＝1500。
[0079] 根据以上参数，得出岩体振动速度
[0080] 进而由步骤c得出振动加速度 a＝2πfv＝5.619m/s2；
[0081] 由于该危岩体属于滑移式破坏模式，根据步骤d2确定危岩体在爆破荷载作用下的稳定性 系数：
[0082]
[0083] 根据步骤e，Fs0＝1.210＞1.0，危岩体在该爆源点爆破药量Q0＝40kg作用下处于基本稳定 状态，因此，增大爆破药量至Q1＝81kg，再重复步骤b、c、d，得Fs1＝1.000，则Q1＝Q′0， 即临界爆破药量Q′0＝81kg，若该爆破源位置爆破药量超过81kg，则该危岩体将因爆破振动 力而崩落失稳，爆破药量及对应安全系数如下表所列。
[0084] 爆破药量/kg 振动速度(cm/s) 振动加速度(m/s2) 危岩体安全系数10 0.696 3.227 1.609
20 1.056 4.258 1.414
30 1.346 5.008 1.295
40 1.600 5.619 1.211
50 1.829 6.143 1.145
60 2.041 6.608 1.091
70 2.238 7.028 1.046
80 2.425 7.414 1.007
90 2.603 7.772 0.973
20 1.056 4.258 1.414
30 1.346 5.008 1.295
40 1.600 5.619 1.211
50 1.829 6.143 1.145
60 2.041 6.608 1.091
70 2.238 7.028 1.046
80 2.425 7.414 1.007
90 2.603 7.772 0.973
[0085] 可见，根据本发明的一种临近危岩体的山区公路爆破药量控制方法，定量分析爆破振 动力影响下的危岩体安全稳定性，可计算出不同爆破药量下对应的危岩体稳定系数，为临 近危岩体的工点爆破提供临近爆破药量控制值，同时，亦可根据不同规范要求的危岩安全 级别即不同的稳定系数，调整爆破药量。本发明方法计算简单，结果准确，可有效运用于 山区公路施工，为设计、施工提供依据，节约工程造价。
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