傍山公路花岗岩微波弱化强度及可爆性研究

杨遂中

摘 要：为控制傍山公路岩石体边坡开挖后山体路基的变形，减小传统岩石体爆破开挖后对山体路基的影响，提高山体路基的强度和稳定性，通过采集施工现场花岗岩试样，分析花岗岩内部物质的介电常数，通过微波照射试验对比试验前后花岗岩破坏形态和强度弱化规律，然后运用数值模拟方法分析弱化后花岗岩的可爆性参数设计。结果表明：花岗岩内部物质的介电常数不同对微波的敏感程度不同，微波照射弱化岩石强度具有很好的控制性;微波照射后花岗岩剪切破坏强度降低，不同剪切角度破坏时的正应力和剪应力呈线性关系;微波照射后花岗岩拉伸强度降低，为达到岩石破碎并抛掷的目的，经微波照射后花岗岩在爆破参数设计时可适当减小炮孔装药量、增加炮孔间距、增大炮孔深度、采用不耦合间断装药结构等。

关键词：傍山公路;微波照射;花岗岩;爆破参数

中图分类号：TU45 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）08-0183-04

Study on Microwave Weakening Strength and Blastability of Granite along Mountainside Highway

Yang Suizhong

（ZhengZhou Road & Bridge Construction Investment Group Co.， Ltd.， ZhengZhou 450000， China）

Abstract：In order to control the deformation of the mountain roadbed after the excavation of the rock slope of the mountain road， reduce the impact of the traditional rock mass blasting and excavation on the mountain roadbed， and improve the strength and stability of the mountain roadbed， through the collection construction site granite sample， analyzing the dielectric constant of the granite material， comparing the failure form and strength weakening law of the granite before and after the test by microwave irradiation test， then use numerical simulation methods to analyze weakening of granite after blasting parameters design. The results show that different dielectric constants of granite internal material have different sensitivity to microwave， and microwave irradiation has a good control to weaken the strength of rock. The shear strength of granite decreases after microwave irradiation， and the relationship between normal stress and shear stress at different shear angles is linear. The tensile strength of granite decreases after microwave irradiation. In order to achieve the purpose of rock breaking and throwing， the blasting parameters of granite after microwave irradiation can be designed by appropriately reducing the charging amount of the hole， increasing the spacing of the hole， increasing the depth of the hole， and adopting the decoupling discontinuous charging structure.

Key words：mountain road; microwave irradiation; granite; blasting parameters

0 引言

在高速公路規划和建设过程中，山岭地区经常遇到公路傍山而行，这就需要开挖山体边坡，针对山体边坡的开挖方法有多种多样，在面对坚硬岩石体时经常采用爆破法，有些还结合爆破配合机械的开挖方法[1-3]。但是，在坚硬岩石体边坡采用爆破法开挖时容易造成一定的弊端，如岩体崩塌、欠挖后二次爆破费时费力、超挖引起的围岩体松动、爆破引起的石屑伤人伤物事故等[4-5]。为了寻求一种更好的坚硬岩石体边坡开挖方法，本文采用微波照射弱化岩石强度再爆破的施工方法[6-7]。微波照射弱化岩石强度是目前比较流行的岩石破碎辅助技术，其优点主要有：环保无污染、高效快速、适用范围广、控制性好等，在岩石体边坡开挖中能够充分发挥微波辅助技术的特点，达到边坡开挖后岩石体完整、稳定及保留自身原有强度的目的[8-9]。

本文通过采集湖北省某傍山高速公路花岗岩样品，经岩石成分分析计算花岗岩组成物质对微波的敏感程度，通过微波照射试验前后力学试验对比，得出花岗岩微波照射后力学试验弱化破坏规律，为后续花岗岩可爆性分析奠定基础，并通过ANSYS/LS-DYNA数值模拟分析弱化后花岗岩的可爆性参数设计，可为相关工程提供一定的研究价值和参考意义。

1 工程概况及基本理论

根据我国高速公路交通发展战略规划，我国高速公路交通网不断完善，其中湖北省某高速公路是我国东西横向大通道，该高速公路某段依靠金峰山岭，为公路傍山设计需要对山体一部分边坡进行开挖施工，其公路断面设计如图1所示。该地段岩体较为完整，围岩稳定性好，主要为花岗岩层。

目前，关于微波照射岩石强度弱化试验方面的研究很多，岩石在微波照射后强度降低的主要原因是岩石内部吸波物质的吸波作用，在吸波物质吸收微波后温度升高，形成局部流变区，不吸波物质经微波照射后变化不大，从而在吸波物质和不吸波物质之间形成温度应力梯度[10]。另一方面由于微波照射岩石温度升高，岩石内部物质发生变化，体积膨胀，并伴有大量的蒸汽压力，促使岩石裂纹的扩展形成裂缝[11]。而物质的吸波特性主要由物质的介电常数决定，影响岩石介电特性的主要因素有岩石中水分和矿物成分，对该地区不考虑水对微波照射的影响。经检测分析该地区花岗岩主要由石英和两种长石组成的变晶结构，粒径0.5～4mm，斜长石30%～ 40%，微斜长石20%～ 30%，石英30%～ 40%，并包含5%的黑云母暗色矿物。

在微波场中物质极性电介质介电常数与频率有关，关系式为：

式中，为复介电常数实部;为复介电常数虚部;为无限大频率的介电常数;为静态介电常数;t为介质的弛豫时间。

物质的介电常数中实部和虚部变化与物质内部阴阳离子类型有关，其中常见物质的介电常数见下表1所示。另外，物质的原子排列、原子配位数、化学键差异和物质变质及地质产状都对介电常数有一定的影响。

2 花岗岩微波弱化强度分析

2.1 试验准备

通过对现场花岗岩岩体进行采集、加工成Ф50mm?50mm的标准试样，放置在干燥的室内48h，使试样内水分充分蒸发，对干燥后的试样进行微波照射试验，微波照射功率选定为10kW，照射时间为6min，微波照射前后花岗岩如图2所示。

对照射后的花岗岩浸水冷却，然后进行剪切力学试验，剪切角度设计为55°、65°和75°。根据剪切面正应力和剪应力关系，可知正应力和剪应力计算公式为：

式中，σ剪切面上的作用正应力;τ为剪切面上的作用剪应力;θ为剪切角度;F为试件破坏荷载;A为剪切面面积。

2.2 试验结果和分析

根据剪切试验结果整理典型的花岗岩剪切破坏形态，如图3所示。花岗岩经微波照射后剪切试验剪切面具有一定规律性，从图3中可以看出，微波照射后剪切试验剪切角度为55°时剪切面呈毛槎状，剪切试验后试件破坏严重，局部发生了剥落。微波照射后剪切试验剪切角度为65°时剪切面相对整齐，有粒状颗粒。微波照射后剪切试验剪切角度为75°时剪切面整齐，附近有粒状颗粒。微波照射后引起花岗岩内部不同程度的损伤，形成不同数量的微裂纹，在剪切试验过程中这些裂纹发生贯通、交叉等，最终导致岩石剪切破坏后不同程度的破碎。

通过剪切试验对试样进行剪切强度分析，每种剪切角度设计2个测试试块，对试块尺寸进行测量并计算正应力和剪应力，其统计结果如表2所示，从而可以计算花岗岩内摩擦系数为1.22，内聚力为8.79。微波照射后花岗岩拉伸强度得到弱化约为5MPa。

根据试验结果分析剪应力和正应力之间的关系，绘制关系曲线如图4所示。从图4中可以看出，随着剪切角度的增加破坏荷载逐渐减小，正应力和剪应力也逐渐减小，剪切角度为65°和75°时的切应力数值基数较小，与前后对比其降低幅值较大，剪切面上的剪应力和正应力随着剪切角度的增大大致呈线性比例关系。岩石中水分对岩石内部物质的介电常数影响较大，在20℃、λ=3.23cm时，ε'=61.5、ε''=0.1。当矿物质表面的自由水吸附力达到15bar时，能较大影响岩石矿物的节点性质。

通过微波照射后分析花岗岩的强度弱化规律，可为傍山公路山体开挖提供一定的参考依据，为后续小节花岗岩可爆性研究奠定基础。

3 岩体可爆性数值模拟

为了研究花岗岩经微波照射后的爆破开挖参数，分析不同炮孔间距对两相邻炮孔间裂纹扩展的影响，运用ANSYS/LS-DYNA建立数值计算平面模型如图5所示。模型尺寸为400cm?300cm，炮孔直径为5cm，不耦合系数为1.8，采用非反射边界，两炮孔同时瞬时起爆。根据不耦合装药经验公式算得炮孔间距为0.58m，参照该计算结果建立4个模型，炮孔间距分别为0.4m、0.5m、0.6m、0.7m。

在起爆后為观察炮孔间的岩石应力状态，在炮孔间布置4个观测点A、B、C、D，且A点距左侧炮孔壁的距离为5cm，D点位于两相邻炮孔中间位置，B和C点处于A和D点连线等分位置。根据上一节试验结果可计算微波照射后花岗岩拉伸强度约为5MPa，在进行数值计算时当垂直于炮孔连线方向应力大于岩石最大拉伸强度，即认为岩石发生了拉裂破坏，如果相邻炮孔之间垂直于炮孔连线方向应力都大于岩石最大拉伸强度，则认为炮孔间裂缝贯通。根据设计模型4个观测点的应力时程曲线如图6所示。

通过图6应力时程曲线可知裂缝产生于孔壁，并随着爆生气体的推动两炮孔连线方向裂缝不断扩展直至贯通，观测点应力由炮孔壁向炮孔连线中点逐渐递减。在炮孔连线中点位置应力有显著提高主要是由于两炮孔爆炸应力波在中点处相互叠加。炮孔间距为60cm时两炮孔药包起爆后应力波向外扩散，到达A、B、C、D观测点时分别为13.3?s、24.5?s、50.2?s、71.5?s，并在34.5?s、71.1?s、89.2?s、123.7?s达到了垂直方向上的应力峰值。两炮孔应力波传播在71.5?s时于D点相遇，随后分别向两边传播，从而使观测点C、B、A产生了第二次应力峰值，应力波继续传播达到稳定值为-2～2MPa。

通过以上结果分析可以知道，微波照射后花岗岩强度得到一定弱化，花岗岩拉伸强度比微波照射前低，在爆破开挖设计参数时可减小炮孔装药量、适当增加炮孔间距、增大炮孔深度、采用不耦合间断装药结构等，即可达到爆破破碎并抛掷岩石的目的。

4 结论

通过采集花岗岩试样经物质成分分析、微波照射后剪切试验及可爆性数值模拟分析，得到的主要结论有：

（1）花岗岩内部不同物质的介电常数不同，体现在微波照射时物质对微波的敏感程度上的差异，从而引起花岗岩内部裂纹的产生和扩展。经微波照射后花岗岩剪切强度降低，不同剪切角度呈现出不同的破坏形式，不同剪切角度破坏时的正应力和剪应力呈线性关系。

（2）微波照射后花岗岩强度得到弱化，其弱化过程和范围便于控制，根据微波照射后花岗岩拉伸强度弱化情况，在爆破参数设计时可适当减小炮孔装药量、增加炮孔间距、增大炮孔深度、采用不耦合间断装药结构等来达到岩石破碎并抛掷的目的。

（3）通过对花岗岩微波照射后强度的弱化分析及爆破参数设计，能够为岩石体边坡开挖提供一定指导意义，并可为相关工程提供一定的参考价值。

参考文献

[1]支彦锋，斯纪平，王玉富，等.静态爆破在高速公路边坡开挖中的应用研究[J].工程技术研究，2020，5（15）：60-61.

[2]柳雁玲，佴磊，刘永平.和龙沿江公路傍山隧道偏压特征分析[J].吉林大学学报（地球科学版），2006（02）：240-244.

[3]谢达文.悬臂式掘进机与控制爆破组合式隧道开挖技术试验研究[J].现代隧道技术，2015，52（03）：216-220.

[4]戚乐方.公路岩质高陡边坡爆破开挖稳定性研究[J].路基工程，2020（06）：178-182.

[5]邹玉君，严鹏，刘琳，等.白鹤滩水电站壩肩边坡爆破振动对周边民房影响评价及控制[J].振动与冲击，2018，37（01）：248-258.

[6]魏东旭，朱琦，李广景，等.宜毕高速公路K3段震后边坡滑坡应急处置研究[J].河北工业科技，2020，37（06）：428-434.

[7]李婷婷，费爱萍，牛雪峰，等.不同炸药对花岗岩不同位置爆破的数值模拟[J].工程爆破，2019，25（04）：8-15.

[8]钟靖涛，王志亮，田诺成.花岗岩循环爆破振动衰减规律与损伤演化机理试验[J].水文地质工程地质，2019，46（03）：101-107.

[9]戴俊，王羽亮，李涛.微波照射后花岗岩裂纹扩展规律试验研究[J].煤炭工程，2020，52（06）：130-133.

[10]曾俊森.微波高温辐照下花岗岩结构损伤演化试验研究[D].成都：西南石油大学，2019.

[11]戴俊，贠菲菲，王苑朴，等.微波照射后花岗岩损伤机理试验[J].河南科技大学学报（自然科学版）， 2021，42（03）：64-71+6.