爆破振动作用下断层破碎带抗剪强度的劣化规律试验研究

吴廷尧，周传波，蒋楠

(中国地质大学（武汉） 工程学院，湖北 武汉，430074)

爆破是我国矿石开采、岩体开挖等采矿生产与工程建设的必要手段，爆破动力极易引起含断层的高陡边坡出现累积渐进破坏和惯性失稳破坏2种破坏形式的失稳问题，分析爆破振动作用下断层破碎带强度的劣化规律对于含断层的高陡边坡在爆破开挖工程中控制边坡稳定性具有重要的理论意义与实际应用价值。近年来，国内外研究学者结合工程实际，应用现场及室内试验、数值模拟和理论分析的方法进行了研究，取得了一定进展。LI等[1]采用室内与现场试验相结合的方法研究了动态循环荷载作用下岩体结构面的力学特性，建立了疲劳损伤模型。费鸿禄等[2-3]采用声波测试法探究了岩体在爆破荷载作用下的累积损伤效应。王思敬等[4-6]通过室内振动台试验，得到了不同爆破强度的振动荷载作用下岩体结构面力学特性与质点振动速度之间的相互关系。刘勇[7]基于自行设计的边坡滑移失稳模型实验，探讨了顺层边坡在不同爆破振动特性荷载作用下的变形规律及其稳定性评价。许红涛等[8-10]采用数值分析的方法得出边坡爆破振动稳定性系数随爆破时间以及拟静力系数的变化规律，任月龙等[11]基于极限平衡理论和时程分析法研究爆破振动及结构面渐进破坏对边坡稳定性影响。杨长卫等[12-13]结合振动台试验与数值分析方法，对地震波反复作用下的边坡破坏机理进行了研究。目前，关于含断层边坡爆破动力失稳机理的研究多集中在研究单次不同振动特性的爆破振动对于断层破碎带的影响方面，或者采用基于岩体爆破前后的声波速度降低原理和力学参数折减的方法，直观评判岩体的爆破动力损伤程度，考虑断层破碎带强度、变形等力学性质在爆破动力反复作用下的变形破坏规律及其渐进弱化失稳机理的研究相对较少。在此，本文作者结合工程实际，基于相似理论和振动台模型试验，对含断层边坡在反复多次不同加载强度、不同加载时间的爆破振动荷载作用下，断层破碎带抗剪强度及其抗剪强度参数的变化规律进行了分析。

1 试验方案

1.1 相似材料及模型制作

模型边坡主要模拟大冶铁矿东露天采场狮子山北邦含F9断层的高陡边坡。其产状为N66°W/SW∠71°,主断层宽度为3 m左右。研究对象沿断层走向方向受力不变，故模型简化为平面应变模型，由于考虑到实验室振动台的局限性，以及断层破碎带黏聚力和内摩擦角的可测性，故以试验试块的形式来对露天转地下开采高陡边坡进行爆破振动模型试验。

参考文献[12-15]确定了试验中各关键物理量的相似系数以及相关物理力学参数，其中，围岩主要材料为闪长岩，断层主要材料为断层泥、破裂岩、压碎岩及少许角砾岩组成的集合体，并通过开展大量的常规物理力学特性试验，进一步求出模型边坡中上下盘围岩材料和断层破碎带材料的物理力学参数的取值，如表1所示。围岩和断层破碎带的相似材料质量比分别为：m(石膏):m(粗砂):m(中砂):m(铁精粉):m(柠檬酸钠):m(水)=0.21:0.33:0.42:0.01:0.16，m(重晶石粉):m(粗砂):m(中砂):m(粉砂):m(水)=0.74:0.21:0.05:0.01:0.14。

基于以上分析结果，可得试块的长×宽×高为15 cm×15 cm×15 cm，断层厚度为3 cm，断层倾角为70º，模型立体结构示意图如图1所示，试验模型框架结构示意图如图2所示。

表1 原型及物理模型围岩和断层破碎带物理力学参数Table 1 Physical and mechanics parameter of surrounding rocks and fault fracture zone in prototypes and physical models

1.2 加载方案

爆破产生的地震波为随机波，若将原始波形输人振动台进行爆破振动的模拟最为理想，但因其变频及变幅的困难较大，正弦波具有地震波所具有的大多数特性，同时还具备了简化计算的优点[16-18]，因此，在试验中输入正弦波形。统计得到大冶铁矿爆破地震波的主频分布范围为50～60 Hz，爆破振动强度为0.5～2.2 cm/s，转换为振动台的加速度为1.6～7.0 m/s2，故施加的正弦波频率为50 Hz，施加的振动参数如表2所示。根据参考文献[7,19]，对于边坡稳定性，水平向振动起绝对作用，故加载的正弦波类型为水平X方向，其中，为了得到每组加载试验后断层破碎带相似材料的黏聚力和内摩擦角，每组试验加载4个相同振动特性的试验试块，并分别以正应力50，100，150和200 kPa 对试验模型进行剪切试验，模型试验系统如图3所示。其中，X方向水平围岩应力和Z方向垂直围岩应力加载。

图1 模型立体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional model

图2 试样验模型框架结构示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental model framework

表2 正弦波参数Table 2 Parameters of sine wave

图3 模型试验系统Fig.3 Schematic diagram of model test

装置加载装置均由1 组焊接了弹簧的铁板组成，通过控制2 个铁板之间的距离，对围岩施加不同压力；模型固定装置通过螺栓将模型试验框架固定在振动台上，其中，X方向和Z方向应力根据振动台模型试验的目的和模型试验原型边坡稳定性计算结果以及振动台承载能力的局限性确定，选取距离边坡表面40 m 深度处所在滑移面岩体的应力状态，作为试验过程中模型试块的应力状态。

1.3 模型试验测试

考虑到现有的试验条件及监测方法的可操作性，本次试验采用自制的应力控制式剪切仪对试验模型参数进行监测和记录。通过求取不同正应力条件下，经过振动台加载后断层破碎带剪应力的变化情况，来分析断层破碎带抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角的变化规律，新型应力控制式剪切仪如图4所示。

图4 新型应力控制式剪切仪Fig.4 New stress controlled shear apparatus

1.4 试验过程

振动台试验流程如下：试验模型框架安装在振动台面—试验模型制作—垂直围岩应力装置及水平围岩应力装置安装—传感器连接与调试—试验加载—对加载后的试块进行剪切试验—记录剪切试验过程中应力应变数据。部分振动台试验过程如图5所示。

2 结果及分析

2.1 不同加载强度下断层破碎带峰值抗剪强度随加载时间的变化规律

含断层边坡在不同振动特性的地震波反复加载作用下，断层破碎带在不同剪切正应力条件下的峰值抗剪强度是边坡稳定性计算时的重要参数，故选取分析试验过程中断层破碎带在剪切正应力分别为50，100，150和200 kPa时峰值抗剪强度随爆破振动加载时间和加载强度的变化规律，如图6所示。

从图6可以看出：不同剪切正应力条件下的断层破碎带的峰值抗剪强度随剪切正应力的增加而增加，随爆破振动加载时间和加载强度的增加而减小，且峰值抗剪强度与加载时间符合指数函数的衰减关系，峰值抗剪强度与爆破振动加载时间关系的拟合结果见表3。从表3可以看出：拟合公式中的参数P1和P2随加载强度和所受正应力的增加而呈减小趋势，其中在不同剪切正应力条件下，爆破振动加载强度为7.0 m/s2时，曲线斜率P2最大，说明断层破碎带的峰值抗剪强度在较高爆破振动加载强度时对于加载时间的敏感度最强,此时边坡失稳破坏形式表现为以惯性失稳破坏，当爆破振动加载强度由1.6 m/s2增加至5.0 m/s2时，曲线斜率缓慢增加，说明此时边坡失稳破坏形式表现为累积渐进破坏。

2.2 断层破碎带黏聚力和内摩擦角随加载时间的变化规律

根据莫尔库仑破坏理论，计算试验过程中断层破碎带的抗剪强度参数变化规律，其中断层破碎带的黏聚力和内摩擦角随加载时间和加载强度的变化规律如图7所示，不同振动特性下断层破碎带黏聚力、内摩擦角与爆破振动加载时间关系的拟合结果如表4和表5所示。

图5 振动台试验过程Fig.5 Process of shaking table model test

由图7、表4和表5可以看出：在不同爆破加载条件下，断层破碎带的黏聚力和内摩擦角与爆破振动加载时间呈二次函数的关系衰减，且其弱化特征含有以下2种表现形式：1)加载强度较低时，即加载强度≤5.0 m/s2时，断层破碎带的黏聚力和内摩擦角衰减以累积弱化作用为主。该形式下，断层破碎带内摩擦角和黏聚力随加载时间的变化大致分为3 个阶段：第1阶段(图7 中AB1，AB2，AB3)，断层破碎带的黏聚力和内摩擦角随加载时间的增加呈缓慢线性减小趋势，即断层破碎带强度弱化渐变发展阶段。该阶段，断层破碎带受扰动变形的弹性部分随着正弦波的卸载而部分恢复，但是塑性变形或不可逆变形会残留下来；在第2阶段(图7中B1C1，B2C2，B3C3)，断层破碎带的黏聚力和内摩擦角随加载时间的增加呈迅速衰减趋势，即加速弱化阶段，该阶段断土的弹性变形已不存在，断层破碎带中产生新的裂隙并扩展，导致断层破碎带的力学性质进一步恶化；第3 阶段(图7 中C1D1，C2D2，C3D3)为断层破碎带塑性区贯通阶段，即破坏阶段，断层破碎带的黏聚力和内摩擦角随加载时间的增加而缓慢变化。此时，在动载持续作用下，断层已产生破坏，断层破碎带的黏聚力和内摩擦角已达极限。

图6 断层破碎带峰值抗剪强度随爆破振动加载时间和加载强度的变化规律Fig.6 Change law of peak shear strength of fault fracture zone with blasting vibration loading time and loading strength

表3 断层破碎带峰值抗剪强度与加载时间关系的拟合结果Table 3 Fitting results for relationship between peak shear strength of fault fracture zone and blasting vibration loading time

2)在加载强度较高时，即在加载强度达7.0 m/s2时，断层破碎带的黏聚力和内摩擦角弱化表现出以附加荷载作用为主的惯性破坏特点。与第1 种情况相比，该形式下断层破碎带的黏聚力和内摩擦角弱化只有2个阶段，在第1阶段(图7中AC4)，随加载时间增大，断层破碎带力学参数呈迅速衰减趋势，也就是说通过该阶段加载，断层破碎带立即产生破坏。在第2阶段(图7 中C4D4)，断层破碎带的黏聚力和内摩擦角已达破坏极限范围，随加载时间增加基本不发生明显变化。

图7 断层破碎带的黏聚力和内摩擦角变化规律Fig.7 Change law of cohesion and angle of internal friction in fault fracture zone

表4 黏聚力与爆破振动加载时间关系的拟合结果Table 4 Fitting results for relationship between cohesion force and blasting vibration loading time

表5 内摩擦角与爆破振动加载时间关系的拟合结果Table 5 Fitting results for relationship between internal friction angle and blasting vibration loading time

2.3 断层破碎带黏聚力和内摩擦角随加载强度的变化规律

统计分析相同爆破振动加载时间、不同加载强度作用下，断层破碎带的黏聚力和内摩擦角，可得爆破振动加载强度对断层破碎带抗剪强度变化的影响，其中黏聚力和内摩擦角随加载强度的变化规律如图8所示，断层破碎带内摩擦角和黏聚力与爆破振动加载时间关系的拟合结果如表6所示。

由图8可以看出：在不同爆破振动加载时间下，断层破碎带黏聚力和内摩擦角都随加载强度和加载时间的增加而减小。同时，黏聚力和内摩擦角与加载强度之间符合线性衰减的关系。由表6可以看出：加载强度对于断层材料黏聚力和内摩擦角的衰减影响均呈先增大后减小趋势；当加载时间为90 s时，黏聚力曲线斜率最大，为-0.002 4，说明此时断层材料的黏聚力对于加载强度的敏感度最强，断层破碎带抗剪强度破坏主要以黏聚力衰减为主。在加载时间为30，180和240 s 时，曲线斜率较小，说明加载强度在较短和较长加载时间内对于断层黏聚力和内摩擦角的衰减影响较小；当加载时间为120 s 时，内摩擦角曲线斜率最大，为-0.022 07，说明此时断层材料的内摩擦角对于加载强度的敏感度最强，断层破碎带抗剪强度破坏主要以内摩擦角衰减为主。

图8 断层破碎带黏聚力和内摩擦角随加载强度的变化规律Fig.8 Change law of cohesion and angle of internal friction in fault fracture zone with different loading strengths

表6 断层破碎带内摩擦角和黏聚力与爆破振动加载时间关系的拟合结果Table 6 Fitting results for relationship between internal friction angle,cohesion force in fault fracture zone and blasting vibration loading time

2.4 不同加载强度下断层破碎带黏聚力和内摩擦角弱化随加载时间的变化规律

断层破碎带黏聚力和内摩擦角弱化在不同加载强度下随加载时间的变化关系如图9所示，不同时间内断层破碎带黏聚力和内摩擦角弱化比随加载时间和加载强度的变化情况如表7所示。

图9 断层破碎带相似材料黏聚力和内摩擦角弱化规律Fig.9 Change law of cohesion and angle of internal friction reduction of similar materials in fault fracture zone

由图9可知：随着加载时间和加载强度的增加，断层黏聚力和内摩擦角逐渐弱化，且黏聚力和内摩擦角弱化幅度随加载时间的增加呈现先增大后减小的趋势，随加载强度的增加而增大，由表7可以看出：在相同加载时间和加载强度下，黏聚力弱化比较内摩擦角的大，说明断层黏聚力和内摩擦角在爆破振动累积作用下，黏聚力衰减较快，黏聚力对于加载时间较内摩擦角更敏感，即在断层材料衰减破坏过程中，黏聚力起主导作用；当加载时间≤30 s 时，黏聚力和内摩擦角衰减为30%左右，说明较短时间对断层黏聚力和内摩擦角弱化幅度影响较小；当加载时间从30 s增加到90 s，加载强度≤5.0 m/s2时，黏聚力弱化比从12.7%增加到62.47%，内摩擦角弱化比从5.51%增加到33.32%，当加载强度为7.0 m/s2时，黏聚力弱化比从30.72%增加到97.11%，内摩擦角弱化比从26.05%增加到58.79%，说明在加载强度≤5.0 m/s2时，断层材料在爆破振动加载作用下渐进破坏；而在加载强度为7.0 m/s2时是惯性力作用破坏；随着加载时间和加载强度的增加，断层黏聚力和内摩擦角弱化曲线斜率先增加后逐渐减小，说明随着加载时间的增加，加载时间发挥的弱化断层黏聚力和内摩擦角的作用越来越小，且在加载强度≥5.0 m/s2时，曲线最后斜率基本接近于0，说明此时加载时间的变化对黏聚力和内摩擦角的弱化的影响很小，可忽略。

表7 不同爆破振动参数下黏聚力和内摩擦角弱化比Table 7 Reduction precent of shear strength parameter under different blasting vibration parameters %

3 结论

1)断层破碎带峰值抗剪强度与爆破振动加载时间之间符合指数衰减的关系，且加载强度在7.0 m/s2时，边坡失稳破坏形式表现为惯性失稳破坏，加载强度在小于5.0 m/s2时，边坡失稳破坏形式表现为累积渐进破坏。

2)加载强度相同时，断层破碎带黏聚力和内摩擦角随爆破振动加载时间的增加呈现二次函数的衰减关系，随爆破振动加载时间的增加，其变形破坏机理为：首先是断层破碎带处于弹性变形阶段的土体逐渐加速弱化，达到极限平衡状态，其次是处于塑性阶段的土体逐渐增加至塑性区全部贯通，最后表现为断层破碎带弱化达到极限，强度参数逐渐趋于平稳。

3)加载时间相同时，断层破碎带黏聚力和内摩擦角与爆破振动加载强度之间符合线性衰减的关系，当断层材料加载时间为90 s 时，黏聚力曲线斜率最大，说明此时断层材料的黏聚力对于加载强度的敏感度最强，断层破碎带抗剪强度破坏主要以黏聚力衰减为主；当断层材料加载时间为120 s 时，内摩擦角曲线斜率最大，说明此时断层材料的内摩擦角对加载强度的敏感度最强，断层破碎带抗剪强度破坏主要以内摩擦角衰减为主。

4)黏聚力和内摩擦角弱化幅度随爆破振动加载时间的增加呈现先增大后减小的趋势，随爆破振动加载强度的增加而增大的趋势，且黏聚力弱化对于加载时间较内摩擦角弱化敏感。