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爆破工程在邊坡開挖施工中的應(yīng)用越來越普遍，邊坡巖體由于結(jié)構(gòu)面的存在導(dǎo)致爆破地震波的傳播受到顯著影響。本文依托仁遵9標(biāo)高速公路建設(shè)中的含結(jié)構(gòu)面邊坡爆破開挖工程，探究邊坡爆破開挖時(shí)巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)爆破地震波傳播規(guī)律和爆破振動(dòng)信號(hào)頻譜特征的影響。爆破地震波在傳播到不同介質(zhì)的邊界面時(shí)就會(huì)發(fā)生透射和反射，導(dǎo)致爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的傳播特性和頻譜特征發(fā)生改變。根據(jù)爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的傳播特征，分析相關(guān)的振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)。本文研究結(jié)果為仁遵9標(biāo)工程建設(shè)提供相關(guān)理論依據(jù)，保障施工的安全性以及提高施工效率。爆破工程的應(yīng)用范圍十分廣泛，在交通行業(yè)建設(shè)過程中，爆破工程的占比越來越重，特別是邊坡開挖時(shí)采用爆破工程是十分常見的開挖方式。仁懷至遵義高速RZTJ-9標(biāo)段（簡(jiǎn)稱：仁遵9標(biāo)）建設(shè)項(xiàng)目屬于國(guó)家高速公路建設(shè)，連通成都和貴州遵義兩個(gè)城市，仁遵9標(biāo)高速公路建設(shè)過程中邊坡開挖大多數(shù)采用爆破的方式進(jìn)行，且邊坡巖體含有大量結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的存在對(duì)爆破地震波的傳播規(guī)律存在顯著影響。因此，探究巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡爆破的影響對(duì)工程建設(shè)起到關(guān)鍵性的指導(dǎo)作用。邊坡巖體中結(jié)構(gòu)面的存在首先會(huì)導(dǎo)致巖體力學(xué)強(qiáng)度大幅降低，其次在爆破過程中結(jié)構(gòu)面的存在會(huì)阻礙爆破地震波的傳播，加劇爆破地震波在巖體中的傳播衰減速率，同時(shí)還造成爆破地震波能量的大幅衰減。爆破地震波在巖體中的傳播遇到結(jié)構(gòu)面后會(huì)發(fā)生透射和反射，其中影響爆破地震波的透射和反射特性的主要因素是巖體和結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)面的幾何尺寸以及爆破地震波的波長(zhǎng)等因素也會(huì)影響地震波的透射和反射性能。爆破地震波在穿越巖體結(jié)構(gòu)面時(shí)，巖體受到的沖擊能量會(huì)被大幅衰減，巖體受到的爆破振動(dòng)信號(hào)頻譜特性也會(huì)隨之改變。孫鵬昌等人結(jié)合實(shí)際邊坡工程爆破開挖案例，對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)得到的爆破振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并采用有限元軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證，從振動(dòng)信號(hào)的幅值和頻率兩個(gè)方面對(duì)爆破開挖振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究。王子明等人采用小波變換和希爾伯特-黃變換（HHT）的方法對(duì)洞室爆破振動(dòng)信號(hào)中行業(yè)曲線可替代度影響力可實(shí)現(xiàn)度行業(yè)關(guān)聯(lián)度真實(shí)度攜帶的能量分布及爆破段數(shù)對(duì)能量分布的影響進(jìn)行研究。許紅濤等人研究了爆破地震波和邊坡巖體結(jié)構(gòu)面之間的相互關(guān)系，主要采用Kelvin黏彈性計(jì)算模型，得到了爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的透射和反射表達(dá)式，對(duì)結(jié)構(gòu)面處爆破能量的衰減和耗散規(guī)律進(jìn)行了分析。宋全杰等人研究爆破監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置與巖層層理走向的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)爆破地震波傳播的影響規(guī)律，主要考慮爆破監(jiān)測(cè)點(diǎn)連線與巖層層理走向的夾角大小，研究結(jié)果表明：垂直于巖層走向的爆破地震波傳播衰減最塊，斜交于巖層走向的衰減次之，平行于巖層走向的爆破地震波傳播衰減最小。邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的存在不僅會(huì)造成爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處傳播規(guī)律的急劇變化，還會(huì)導(dǎo)致爆破振動(dòng)信號(hào)頻譜特性的改變。本文依托仁遵9標(biāo)高速公路建設(shè)項(xiàng)目，探究邊坡爆破開挖時(shí)巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)爆破地震波傳播規(guī)律和爆破振動(dòng)信號(hào)頻譜特征的影響。

一、工程概況

仁懷至遵義高速RZTJ-9標(biāo)段屬于成都至遵義國(guó)家高速公路，對(duì)國(guó)家和地方的交通建設(shè)有較大的指導(dǎo)作用，土建起訖樁號(hào)為K37+800-YK45+020、K37+800-ZK45+017.741，路線長(zhǎng)7.22km。土建施工屬地位于貴州省遵義市紅花崗區(qū)，起點(diǎn)為56m段路基接青杠山2號(hào)橋隸屬黃鐘村，沿印把山大橋、黃鐘村大橋、松林互通、穿殷家寨設(shè)置殷家寨大橋，金鼎山服務(wù)區(qū)，終點(diǎn)隸屬蓮池村村設(shè)龍?zhí)翜洗髽蚪?7m段路基與10標(biāo)相連。仁遵9標(biāo)建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域?qū)儆谇治g低中山，相對(duì)高差100～530m，地形起伏較大，邊坡巖體較破碎，境內(nèi)發(fā)育河谷溪溝，對(duì)項(xiàng)目區(qū)的切割作用十分強(qiáng)烈，導(dǎo)致兩側(cè)邊坡坡度較陡，坡面巖體破碎，工程建設(shè)難度較大。

二、爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的傳播分析

1爆破地震波的傳播特性

邊坡爆破開挖過程中炸藥的作用主要是產(chǎn)生爆炸力并導(dǎo)致巖體周圍的介質(zhì)產(chǎn)生擾動(dòng)，這種擾動(dòng)作用在介質(zhì)中的傳播就形成了波。爆破作用產(chǎn)生的波稱為爆破地震波，其性質(zhì)屬于彈性波。爆破地震波在邊坡巖體中的傳播會(huì)產(chǎn)生爆破能量，主要是爆炸后質(zhì)點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能以及質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能。邊坡爆破產(chǎn)生的爆炸能少部分破碎巖體，大部分能量以爆破地震波的形式對(duì)邊坡巖體產(chǎn)生影響，爆破地震波攜帶能量的傳播方式主要依靠爆炸后質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的。巖體介質(zhì)都具有阻尼作用，由于阻尼作用的存在導(dǎo)致隨著爆源距離的增大，巖體介質(zhì)的阻尼作用更加明顯，爆破地震波的能量被衰減得越多。爆破地震波的產(chǎn)生和傳播本身就是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，當(dāng)邊坡巖體存在結(jié)構(gòu)面時(shí)，這個(gè)過程變得更加復(fù)雜。首先，邊坡巖體是各向異性的，由于巖體的這個(gè)性質(zhì)便導(dǎo)致爆破地震波的傳播具有很大的差異性，不是一個(gè)完整、均勻的過程。其次，巖體結(jié)構(gòu)面的存在導(dǎo)致巖體介質(zhì)變得不均勻，有其他的填充物質(zhì)，爆破地震波在傳播到不同介質(zhì)的邊界面時(shí)就會(huì)發(fā)生透射和反射。邊坡爆破開挖時(shí)，主要考慮爆破振動(dòng)速度來衡量邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，針對(duì)含結(jié)構(gòu)面的邊坡具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)速度主要還是受到爆心距的影響。由于邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的存在，爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處會(huì)出現(xiàn)反射疊加作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面處的爆破振動(dòng)速度出現(xiàn)獨(dú)特的變化，會(huì)產(chǎn)生突然上升然后減小的獨(dú)特現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)面的厚度也會(huì)影響邊坡的爆破振動(dòng)速度，巖體結(jié)構(gòu)面的厚度越厚，邊坡在爆破作用下產(chǎn)生的振動(dòng)速度也越大。結(jié)構(gòu)面的傾角和產(chǎn)狀也會(huì)影響爆破振動(dòng)速度，這是由于結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀不同，會(huì)形成很多的不同介質(zhì)邊界面，導(dǎo)致爆破地震波在這幾個(gè)邊界面處不斷地被反射和折射，使得爆破地震波不斷被疊加，最終造成邊坡的爆破振動(dòng)速度變大。結(jié)構(gòu)面的填充介質(zhì)不同也會(huì)造成邊坡振動(dòng)速度有差異，結(jié)構(gòu)面填充介質(zhì)的材料參數(shù)性能越差，爆破地震波在傳播時(shí)受到的反射作用就越強(qiáng)烈，導(dǎo)致邊坡的振動(dòng)速度峰值就越大，通過相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬驗(yàn)證，得到巖體結(jié)構(gòu)面填充介質(zhì)對(duì)邊坡爆破振動(dòng)速度的影響規(guī)律，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)面的振動(dòng)峰值速度最大，其次的碎屑結(jié)構(gòu)面，膠結(jié)結(jié)構(gòu)面的振動(dòng)峰值速度最小。

2數(shù)值模擬分析

羅聰依托白鶴灘邊坡爆破開挖工程案例，利用LS-DYNA有限元軟件建立了含結(jié)構(gòu)面邊坡數(shù)值模型，主要研究了不同結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)邊坡爆破開挖的影響。邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)和完整巖體的力學(xué)參數(shù)差異很大，當(dāng)爆破地震波傳播到巖體結(jié)構(gòu)面處時(shí)，爆破地震波會(huì)產(chǎn)生多次的折射和反射拉伸效應(yīng)，最終在巖體結(jié)構(gòu)面處產(chǎn)生層裂效應(yīng)，層裂效應(yīng)的存在就導(dǎo)致了巖體結(jié)構(gòu)面的損傷發(fā)生。根據(jù)軟件得到的損傷云圖，在相同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處即離爆源位置的距離相同處，結(jié)構(gòu)面已經(jīng)產(chǎn)生了損傷，其余完整巖體位置還沒有產(chǎn)生損傷，這就印證了結(jié)構(gòu)面的存在會(huì)在該位置產(chǎn)生累積的拉伸作用，從而形成層裂效應(yīng)。由損傷云圖可以看出在相同部位，在距離爆源相同距離的位置處，結(jié)構(gòu)面發(fā)生了損傷，而非結(jié)構(gòu)面處沒有發(fā)生損傷，說明結(jié)構(gòu)面處由于反復(fù)拉伸作用，發(fā)生了層裂效應(yīng)。根據(jù)LS-DYNA軟件得到的巖體結(jié)構(gòu)面損傷云圖可以知道，爆破地震波在邊坡巖體中傳播時(shí)遇到巖體結(jié)構(gòu)面會(huì)發(fā)生衰減，其衰減和損傷程度的影響因素較多，主要受到爆源距離和結(jié)構(gòu)面本身性質(zhì)的顯著影響。結(jié)構(gòu)面的傾角大小對(duì)結(jié)構(gòu)面的損傷程度也有影響，當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角越來越緩時(shí)，明顯看出結(jié)構(gòu)面的損傷程度逐漸增大。同時(shí)，結(jié)構(gòu)面傾角還會(huì)影響結(jié)構(gòu)面發(fā)生損傷的位置，結(jié)構(gòu)面傾角越緩時(shí)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生損傷的位置一般處于離爆源較近的位置，結(jié)構(gòu)面傾角越陡產(chǎn)生損傷的位置于爆源距離相關(guān)性不明顯。這是由于結(jié)構(gòu)面傾角越緩，結(jié)構(gòu)面發(fā)生損傷時(shí)損傷部位的最大拉應(yīng)力越大，導(dǎo)致其損傷程度越來越大。

三、爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的振動(dòng)分析

1振動(dòng)速度和振動(dòng)頻譜分析

爆破地震波在傳播至巖體結(jié)構(gòu)面處時(shí)，其攜帶的能量衰減規(guī)律主要和結(jié)構(gòu)面填充介質(zhì)的阻尼和爆破地震波本身的頻譜成分相關(guān)。爆破地震波頻率主要分為高頻成分和低頻成分兩部分，其中高頻成分的爆破地震波受到結(jié)構(gòu)面填充介質(zhì)的阻尼效應(yīng)較明顯，導(dǎo)致高頻成分的爆破地震波的能量被結(jié)構(gòu)面填充介質(zhì)大幅吸收，最后使得高頻成分的爆破地震波衰減速率變慢。爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的振動(dòng)主要分析振動(dòng)速度和振動(dòng)頻譜兩個(gè)方面。邊坡巖體是否含有結(jié)構(gòu)面其爆破振動(dòng)速度主要受到爆心距的影響，并且都會(huì)隨著測(cè)點(diǎn)高程的變化，各個(gè)方向的爆破振動(dòng)速度都呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì)。但是，在含有巖體結(jié)構(gòu)面的邊坡中，爆破地震波的傳播在結(jié)構(gòu)面處會(huì)出現(xiàn)特殊現(xiàn)象，這是由于結(jié)構(gòu)面處爆破地震波被多次反復(fù)反射，導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)面位置處爆破振動(dòng)速度出現(xiàn)突然上升然后減小的現(xiàn)象。多條巖體結(jié)構(gòu)面的傾角不同，導(dǎo)致爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的反射和折射現(xiàn)象被加強(qiáng)，使得邊坡爆破振動(dòng)速度更加顯著。結(jié)構(gòu)面的充填介質(zhì)材料的性能越差，也會(huì)導(dǎo)致爆破地震波的反射和吸收作用變得越劇烈，導(dǎo)致邊坡爆破振動(dòng)越明顯。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析和相關(guān)數(shù)值模擬驗(yàn)證得到不同的結(jié)構(gòu)面填充介質(zhì)材料類型對(duì)邊坡振動(dòng)速度的影響效果有一定規(guī)律，含泥質(zhì)結(jié)構(gòu)面的邊坡其爆破振動(dòng)速度最大，含碎屑結(jié)構(gòu)面邊坡次之，含膠結(jié)結(jié)構(gòu)面邊坡的爆破振動(dòng)速度最小。爆破振動(dòng)信號(hào)的頻譜特征主要分析爆破信號(hào)的視主頻，視主頻是指爆破振動(dòng)過程中振動(dòng)幅值的峰值對(duì)應(yīng)的半波頻率。在含結(jié)構(gòu)面邊坡爆破過程中，視主頻隨水平爆心距和高程的變化而變化，總體呈現(xiàn)衰減的趨勢(shì)。視主頻主要反映了爆破信號(hào)的頻率特征，與爆破時(shí)間沒有太大聯(lián)系，導(dǎo)致不能反映出爆破信號(hào)的時(shí)頻特征，僅考慮視主頻來反映爆破信號(hào)的頻譜特征較不合理。因此，采用希爾伯特-黃變換（HHT）的方法對(duì)爆破信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，能夠彌補(bǔ)只考慮視主頻單一因素的不足。HHT方法主要分為兩個(gè)部分：一是進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD），二是進(jìn)行希爾伯特變換。EMD是將輸入的爆破信號(hào)進(jìn)行提取固有模態(tài)函數(shù)（IMF），先求解每個(gè)IMF分量的頻譜特征，再將每一個(gè)IMF分量進(jìn)行希爾伯特變換，得到每一段IMF最終的信號(hào)特征，最后綜合各個(gè)IMF的頻譜特征就得到了整段爆破信號(hào)的頻譜特性，從而獲得輸入爆破信號(hào)的時(shí)頻特征，這樣就可以彌補(bǔ)視主頻不能得到時(shí)頻信息的缺陷。

2爆破振動(dòng)控制

爆破振動(dòng)控制主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行控制：控制爆破振動(dòng)速度和控制爆破振動(dòng)主振頻率。首先分析各個(gè)因素包括爆破本身因素和巖體性質(zhì)因素和爆破振動(dòng)的聯(lián)系，得到各自的影響方式，然后再進(jìn)行爆破控制標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)控制爆破振動(dòng)速度時(shí)，主要考慮控制爆心距和最大段裝藥量?jī)蓚€(gè)因素；在考慮控制爆破振動(dòng)主振頻率時(shí)，主要從爆心距和巖石完整性系數(shù)兩個(gè)方面著手來控制。總體來說，爆破控制主要從產(chǎn)生爆破振動(dòng)能量的源頭和爆破地震波的傳播兩個(gè)方面進(jìn)行控制，才能有效降低爆破振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。

四、結(jié)語(yǔ)

本文依托仁懷至遵義高速第RZTJ-9合同段（貴州段）含結(jié)構(gòu)面邊坡爆破開挖工程，主要探究邊坡爆破開挖時(shí)巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)爆破地震波傳播規(guī)律和爆破振動(dòng)信號(hào)頻譜特征的影響。由于巖體結(jié)構(gòu)面的存在爆破地震波的傳播受到顯著影響，導(dǎo)致爆破振動(dòng)速度和振動(dòng)頻譜發(fā)生顯著改變。爆破地震波在結(jié)構(gòu)面處的透射和發(fā)射是導(dǎo)致其產(chǎn)生層裂效應(yīng)的主要原因，結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)和物質(zhì)組成導(dǎo)致了爆破地震波的頻譜特征存在顯著差異。本文的研究對(duì)仁遵9標(biāo)含結(jié)構(gòu)面邊坡爆破施工具有實(shí)際指導(dǎo)意義，能夠?yàn)閷?shí)際工程施工提供參考。

作者:畢鵬飛 申寶穩(wěn) 單位:中交路橋建設(shè)有限公司