振动的作用

3.5　振动的作用

3.5.1　振动波对边坡岩体的破坏作用

露天采石场大规模爆破与山区修建道路挖方边坡的爆破产生的冲击波和地震产生的地震波，都可能引起边坡岩体应力的瞬时变化，从而影响边坡的稳定性。长期的采掘爆破可使岩体产生疲劳效应。由于振动波产生的振动可以破坏土、砂颗粒间的联结力，饱水的砂可能出现液化。另外，边坡岩体在爆破动应力的瞬时冲击作用下，由于爆破冲击波向四周传播，致使岩体产生变形和破坏。由于压缩波到达边坡自由面后在岩体内部从自由面开始产生拉伸波，岩体受到拉力作用，使自由面附近岩体中的裂隙裂开、扩展或产生新的裂隙。爆破振动波通过岩体时，给潜在的结构面以额外的动力，促使边坡破坏，在确定边坡角时必须考虑此附加外力。

图3.13　边坡岩体上的爆破松动带

另外，在靠近最终边坡时，由于爆破的后冲作用在边坡上产生龟裂带，是导致边坡岩体发生崩塌或滑动的重要原因之一。由于龟裂带内岩体受到较为强烈的破坏，地表产生一些可见的裂隙，严重时岩体会产生错动、隆起和体积增大，在某些情况下，可能使边坡岩体强度降低30%～50%。由于每个台阶都或多或少地承受这一影响，因此对整个边坡来讲，客观上存在一定深度的爆破松动带，如图3.13所示。根据某些露天矿观察结果发现，该爆破松动带约为10～15m。如果采用合理的先进爆破技术，该爆破松动带的宽度或深度会显著减小。

地震所产生的横波在地表引起周期性晃动，破坏力最大；纵波在地表引起上下颠波，破坏力较小。在地震振动的作用下，首先使边坡岩体的结构面张裂、松弛，地下水状态发生较大的变化，然后在地震力的反复振动冲击下，边坡岩体结构面发生位移变形，直至破坏。根据我国解放后地震统计资料表明，在30次8级以上的地震中，每次都发生了滑坡。据调查，1974年5月11日云南昭通地区发生7.1级地震，触发新滑坡28处，崩塌39处。地震影响不仅表现在当时引起的崩塌和滑坡，而且由于地震震坏岩体，山体产生裂缝，震后数年内仍继续出现崩塌和滑坡。

3.5.2　振动速度对边坡岩体稳定性的影响

经专门研究证明，振动对岩体造成的破坏，取决于岩体质点振动速度的大小，可用下列临界速度估计：

根据某露天煤矿爆破实践认为，对边坡稳定性较差地段，允许振动速度为v_c＝22cm/s；对中等稳定地段，允许振动速度为v_c＝28cm/s；对于稳定性较好的地段，允许振动速度v_c＝35cm/s。

对于爆破造成岩体的振动速度，目前研究尚不充分，我国有关部门多使用下列经验公式确定：

式中　v——边坡岩体质点的振动速度，cm/s；

　Q——一次爆破的炸药量，kg；

　R——测点到爆源的距离，m；

　K——与岩石性质、地质条件、爆破方法有关的地震荷载系数，我国部分实测资料给出K＝20～80；

　α——爆破地震波随距离的衰减系数，一般在0.88～2.8之间。

利用上式计算岩石质点振动速度v时，K与α取值的大小必须通过爆破实验加以确定。

3.5.3　爆破震动力的计算

在边坡稳定性定量计算时，不能直接引用振动速度v值，而是将它变换为震动力，变换的程序是取爆破地震的实测波图谱，把爆破的主震相作为正弦波处理，根据谐振公式，求出爆破地震造成的岩石质点运动加速度a，即

式中　f——主振相的振动频率；

　v——质点的振动速度，由（3.4）式计算。

分析边坡稳定性时，为了安全起见，把爆破的地震影响按最不利的条件处理，即把爆破震动力按水平方向指向边坡进行处理（如果垂直边坡则下滑力为零）。故将上式计算出的a值视为水平加速度。考虑到震动作用在岩石质点上的力属于体积力，故已知水平加速度a值后，可以确定各质点的震动力F（F＝ma）。事实证明，当爆破震动力对边坡产生的破坏作用时，爆破震动力往往大于边坡各质点的岩体重力W（W＝mg）。为了简化计算可取水平爆破震动力F为其重力的K_a倍，即

所以

式中　m——震动质点岩体的质量；

　g——重力加速度。

这种方法称为伪静法，即将动荷载换算成静荷载计算。

关于地震对边坡的稳定性的影响，除地震的级别外，与边坡的岩性、坡度、结构以及地下水等因素有关，根据我国经验，在地震时，各类边坡的相对稳定程度见表3.1。

表3.1　各类边坡的稳定程度表

在进行边坡稳定性计算时，按照不同地震烈度或震级，采用不同的地震系数。为求地震系数，必须知道地震时在地面产生的水平加速度。我国地震局虽已编制出各地区的地震烈度图，供抗震之用，但未给出烈度与地面最大加速度关系的参考值。有关地震造成的地震力尚需深入研究。