公路孔樁爆破振動動力響應(yīng)規(guī)律研究

孟慶生 唐旭 李振

摘要：孔樁爆破開挖施工中，爆破地震波對周邊構(gòu)筑物的影響一直以來是工程上關(guān)注的重點問題。文章通過現(xiàn)場測試，同時結(jié)合Midas GTS NX有限元分析軟件建立數(shù)值計算模型，分析了孔樁爆破不同爆源深度、不同巖土厚度及巖性特征對地表巖土體振動特征的影響。結(jié)果表明：孔樁爆破過程中，總體規(guī)律是孔口位置的振動速度最大，然后迅速衰減，即質(zhì)點峰值振速與爆源距離成負(fù)相關(guān)。當(dāng)爆源深度變化時，爆源深度越小，近區(qū)衰減越快。一定范圍內(nèi)（5m），振速同土體厚度成正相關(guān)，即土體越厚則振速越大，該范圍以外，振速受土體厚度的影響較小;同時，由現(xiàn)場測試及數(shù)值計算可知，由于孔樁爆破裝藥量較小，故隨著地震波的傳播，距爆源較遠(yuǎn)質(zhì)點振動速度衰減較快，且較小，故孔樁爆破施工中應(yīng)將飛石防護(hù)作為重點，若孔樁離建筑物過近的特例，也要重點關(guān)注。

關(guān)鍵詞：孔樁;爆破;Midas GTS NX;有限元;動力響應(yīng)

中圖分類號：U443.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.020

文章編號：1673-4874（2019）08-0071-05

0引言

貴州地形以高原、山地為主，根據(jù)《貴州省高速公路網(wǎng)規(guī)劃（加密規(guī)劃）》顯示，貴州省高速公路網(wǎng)規(guī)劃路線總規(guī)模將達(dá)到10000km左右，目前在建3000余km。爆破作為一種最有效、最經(jīng)濟(jì)和最便捷的施工方法已經(jīng)普遍應(yīng)用到山地高速公路建設(shè)中。

貴州高速公路中橋隧占比較大，橋梁基樁成形開挖，隨之而來的是大量的爆破施工作業(yè)。爆破施工在達(dá)到工程建設(shè)目的的同時，不可避免地產(chǎn)生一系列有害效應(yīng)，其中，爆破振動效應(yīng)被認(rèn)為是爆破有害效應(yīng)之首。一直以來，受到爆破設(shè)計缺乏針對性依據(jù)、施工監(jiān)管不到位和周邊環(huán)境日趨復(fù)雜等因素的影響，在爆破開挖時，難免會出現(xiàn)振動超過安全允許范圍的情況，給周邊群眾的生產(chǎn)生活帶來影響，使其產(chǎn)生心理恐慌，且易引發(fā)民事糾紛，阻礙工程進(jìn)展。在公民維權(quán)意識和環(huán)保意識不斷提高的當(dāng)下，控制爆破振動災(zāi)害效應(yīng)已成為國家主管部門、地方政府部門對公路爆破施工作業(yè)的一項基本要求。

針對孔樁爆破開挖施工中爆破地震波對周邊構(gòu)筑物的影響，國內(nèi)外學(xué)者做了許多的研究工作。

高山、王茂玲等人研究孔樁直徑對爆破支點峰值振動速度衰減的影響，研究表明小孔徑爆破作業(yè)施工時，質(zhì)點的峰值振動速度衰減有明顯的拐點，且拐點位于10倍等效距離處;大孔徑爆破開挖時，質(zhì)點的峰值振動速度衰減拐點不明顯。換言之，小孔徑爆破開挖時質(zhì)點振動速度隨爆源距的增加則衰減較快;大孔徑爆破開挖時，質(zhì)點振動速度隨爆源距的增加衰減較慢。郭王林、蒲傳金等人則對橋梁樁基爆破附近區(qū)域地震波傳播特性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示隨著水平距離的增大，質(zhì)點X向與Z向爆破振動速度呈現(xiàn)不同的變化趨勢，且不同距離內(nèi)，兩者之間的大小關(guān)系不相同，X向和Z向質(zhì)點爆破振動速度隨樁基深度的增加呈減小的趨勢，其中距離爆源越近，Z向振動速度減小趨勢越明顯。薛愛芝、魏曉林等人則通過時頻分析法，如小波包等，對樁基潛孔爆破振動波進(jìn)行波譜分析和理論分析，解決了嵌巖爆破在巖石內(nèi)部以及底面近區(qū)所產(chǎn)生振動的振幅、頻率等振動指標(biāo)的計算問題。

為分析孔樁開挖類型的動力響應(yīng)規(guī)律，本文對孔樁成形爆破開挖的動力響應(yīng)規(guī)律展開研究，依托實際工程，通過現(xiàn)場測試，同時結(jié)合Midas GTS NX有限元分析軟件建立數(shù)值計算模型分析了孔樁爆破的不同爆源深度、不同巖土厚度及巖性特征對地表巖土體振動特征的影響。

1現(xiàn)場測試

本項目依托蘭海高速貴州境內(nèi)遵義至貴陽段擴(kuò)容工程桐梓園大橋孔樁爆破開挖工程，綜合運(yùn)用現(xiàn)場實驗與調(diào)查、理論分析、數(shù)值模擬等方法，通過現(xiàn)場爆破振動監(jiān)測對孔樁爆破振動在爆破振動作用下的動力響應(yīng)特征進(jìn)行了分析和研究。

1.1研究區(qū)域

橋址區(qū)地貌為中低山溶蝕地貌，橋位跨越山間洼地沿中低山坡展布，橋區(qū)地面高程800～900m，相對高差60m，地形起伏大，地面自然坡度20°～40°，地勢較陡，植被較發(fā)育，地表溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育，可見溶溝、溶槽、溶洞等溶蝕現(xiàn)象。橋址地層主要為第四系（Q4）碎石土、三疊系（T2s）中風(fēng)化灰?guī)r。

1.2爆破方案設(shè)計

樁基底面為堅硬巖石，樁孔周圍有現(xiàn)澆混凝土護(hù)壁，采用毫秒爆破。即兩相鄰藥包或前后排藥包以毫秒的時間間隔（一般為15～75ms）依次起爆。當(dāng)裝藥量相等時其優(yōu)點是：可減振1/3～2/3左右;前發(fā)藥包為后發(fā)藥包開創(chuàng)了臨空面，從而加強(qiáng)了巖石的破碎效果;降低多排孔一次爆破的堆積高度，有利于挖掘作業(yè);由于逐發(fā)或逐排依次爆破，減少了巖石夾制力，可節(jié)省炸藥20%，并可增大孔距，提高每米鉆孔的炸落方量。炮孔排列和起爆順序，根據(jù)斷面形狀和巖性而定。圖1為炮孔布置圖。

1.3監(jiān)測方案

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，在爆破試驗期間，使用TC-4850爆破測振儀對孔樁開挖爆破進(jìn)行現(xiàn)場測試。布設(shè)5個爆破振動測試監(jiān)測點。對開挖初期爆破進(jìn)行了振動監(jiān)測，分別記錄各監(jiān)測點的水平徑向及垂直向的峰值振動速度。

1.4監(jiān)測結(jié)果

通過現(xiàn)場監(jiān)測得到30組測試數(shù)據(jù)，詳見表1。

根據(jù)表1繪出各點不同孔深、藥量下垂直向質(zhì)點峰值振動速度隨爆源距演化折線圖，如圖2所示。

由圖3知，爆源距15m范圍內(nèi)，質(zhì)點振動速度衰減較快，隨后表現(xiàn)較平緩;又隨孔深逐漸加深，地表相應(yīng)質(zhì)點峰值振動速度隨之略減小。

根據(jù)振動監(jiān)測結(jié)果及爆破參數(shù)，確定場地的振動衰減曲線（見圖3），式1為垂直向振動速度衰減公式：

2數(shù)值模擬建立

采用Midas GTS NX有限元分析軟件建立數(shù)值計算模型，分析孔樁爆破的不同爆源深度、不同巖土厚度及巖性特征對地表巖土體振動特征的影響。

2.1模型建立

如圖4所示，均質(zhì)巖土體中的孔樁爆破數(shù)值模擬中，孔樁所在巖體的范圍近似一個規(guī)格為200mm×200mmx 150mm的立方體的灰?guī)r區(qū)域。爆破過程采用循環(huán)進(jìn)尺，即已有的爆破段加護(hù)壁支護(hù)，爆破段添加炸藥（在數(shù)值模擬過程中等效為施加于護(hù)壁上的等效爆破荷載）。孔樁的尺寸如圖5所示。模型中孔樁的半徑為0.85m，孔樁護(hù)壁厚度為0.2m。

本節(jié)通過變化已有爆破段的高度來控制爆源距離，但保持巖體特性不變即恒有灰?guī)rE=35.269CPa。

2.2計算參數(shù)

初期孔樁護(hù)壁支護(hù)采用C25鋼筋混凝土并采用2D板單元;巖土材料的力學(xué)模型采用巖土工程中常用的莫爾一庫倫本構(gòu)模型;初期支護(hù)的C25鋼筋混凝土采用線彈性本構(gòu)模型。數(shù)值計算所采用的巖土和初期支護(hù)力學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

2.3爆破荷載的施加

孔樁爆破時，采用的是不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，炸藥均為2#巖石乳化炸藥。孔樁爆破采用的炮眼有兩種，分別為周邊眼和掏槽眼，炮眼布置和縱斷面圖如圖6所示。

分布于周邊的為周邊眼，取6個均勻分布。分布于中心處的為掏槽眼，取3個均勻分布。

炸藥及選用的兩種炮孔的詳細(xì)參數(shù)如表3所示。

在模型中施加合適的爆破荷載是進(jìn)行爆破振動數(shù)值模擬最關(guān)鍵的一步。一般來說，將隨時程變化的爆破荷載施加在炮孔孔壁上進(jìn)行動力求解可以取得很好的效果。但相對于整個模型來說，炮孔直徑很小，在處理建模時很難將炮孔單元建立出來，且微小炮孔的存在使得網(wǎng)格的劃分存在很大的困難。因此，對爆破荷載的施加方法需要采用合理的等效方法來實現(xiàn)。本項目采用的合理等效方法為將等效后的爆破荷載直接施加在孔樁護(hù)壁上。

取所有模型中等效爆破荷載的加載時段為1ms，卸載時段為9ms，持續(xù)時間段為100ms。其荷載的時程曲線如圖7所示。

3數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1不同爆源深度下地表振動特征分析

圖8為孔口部位引出的一條過樁圓心的線，在此監(jiān)測線上取峰值振速并作圖，研究孔樁爆破過程中振速沿孔口軸向的傳播衰減規(guī)律，如圖9所示。

由圖9可知孔樁爆破過程中，軸向振速同爆源距離成負(fù)相關(guān)，即爆源距越大則軸向振速越小。爆源深度越小，孔口部位的振速越大;爆源深度越大，在孔口處地表衰減的程度越大。在孔口位置的振動速度最大，然后迅速衰減，并且在孔口周邊3.60m范圍以內(nèi)衰減程度最快，而且爆源深度越小，衰減越快;爆源距為15m時，振速率先衰減到O;在軸向距離為22.83m時，振動速度幾乎都衰減為0。

3.2不同巖土層厚度下地表振動特征分析

圖10為分層巖土體的孔樁爆破數(shù)值模型，模型中孔樁所在巖土體范圍近似一個半徑為200m、高度為150m的圓柱形。上層為土層，下層為灰?guī)r。其中孑L樁半徑為0.85m，護(hù)壁厚度為0.2m。數(shù)值計算所采用的巖土和初期支護(hù)力學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

依次選擇土體覆蓋層厚度d=1m、2m、3m、4m、5m，研究不同巖土層厚度下孔口周邊巖土體的振動特征。孔口測點的布置同圖8。

研究土體覆蓋層厚度對孔樁爆破的影響時，控制灰?guī)r彈性模量E=35.269GPa和爆源深度6m不變，令上層土體的厚度分別為1m.2m.3m.4m、5m。

圖11為不同土體的厚度時孔口周邊巖土體的振速傳播衰減圖。觀察圖11可知，在軸向距離的5m范圍內(nèi)，軸向振速同土體厚度成正相關(guān)，即土體越厚則振速越大，并且土體越厚，在此范圍內(nèi)的衰減程度越大;在5m范圍以外，振速受土體厚度的影響較小。

4結(jié)語

通過現(xiàn)場測試和不同爆源深度、不同巖土厚度及巖性特征下對地表巖土體振動特征的數(shù)值計算，結(jié)果表明：

（1）爆源距15m范圍內(nèi)，質(zhì)點振動速度衰減較快，隨后表現(xiàn)較平緩;隨著孔深逐漸加深，地表相應(yīng)質(zhì)點峰值振動速度隨之略減小。

（2）爆源深度越小，孔口部位的振速越大;爆源深度越大，在孔口處地表衰減的程度越大。

（3）在垂直軸向距離的5m范圍內(nèi)，土體越厚則振速越大，并且土體越厚，在此范圍內(nèi)的衰減速率越大;在5m范圍以外，振速受土體厚度的影響較小。

（4）孔樁爆破過程中，總體規(guī)律是孔口位置的振動速度最大，然后迅速衰減，即質(zhì)點峰值振速與爆源距離成負(fù)相關(guān)。當(dāng)爆源深度變化時，爆源深度越小，近區(qū)衰減越快。一定范圍內(nèi)（5m），振速同土體厚度成正相關(guān)，即土體越厚則振速越大;該范圍以外，振速受土體厚度的影響較小。

（5）由現(xiàn)場測試及數(shù)值計算可知，由于孔樁爆破裝藥量較小，故隨著地震波的傳播，距爆源較遠(yuǎn)質(zhì)點振動速度衰減較快，且較小，故孔樁爆破施工中應(yīng)將飛石防護(hù)作為重點，若有孔樁離建筑物過近的特例，也要重點關(guān)注。