某路塹邊坡爆破開挖有限元數值模擬研究

豐叢杰 楊宇生 張致能 馬淑芝

（中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引言

邊坡穩定的問題是許多山區高速公路工程所面臨的重要技術問題，作為一種影響邊坡穩定的重要外在因素，得到了非常廣泛的關注[1]。爆破振動對巖質邊坡穩定性的影響主要表現在兩個方面[2-5]：其一，爆破振動荷載的反復擾動作用；其二，當爆破荷載達到一定值后，導致邊坡整體下滑力加大。因此，有必要對爆破振動效應進行綜合研究，將爆破振動的影響降到最低。

本文采用有限元分析軟件midas GTS NX分析爆破荷載的施作機理和土體應力場變化。通過工程實際建立了爆破荷載作用下路塹邊坡動力響應的有限元分析模型，對爆破開挖與邊坡穩定關系進行了仿真與分析。

1 爆破振動數值模擬

111國道（湯河口-市界段）改建工程地處北京市懷柔區北部山區，采用midas GTS NX建立三維邊坡模型，模型X方向取130m，Y方向取100m，Z方向取45m，如圖1所示，土層材料選擇摩爾-庫倫彈塑性本構。

圖1 邊坡模型示意圖

爆破振動模擬需先確定其固有周期，因此，首先對模型進行特征值分析。邊界條件通過曲面彈簧定義彈性邊界，彈簧系數根據道路設計規范[5]的地基反力系數計算，計算公式如下：

豎直地基反力系數：

水平地基反力系數：式中：Av和Ah分別是地基的豎直方向和水平方向面的截面積，E0是地基的彈性系數，a取1.0。

通過特征值分析得到，模型第1、2 振型的周期為2.1768s、2.0706s。

對于爆破荷載的動力分析建立一般的邊界條件會由于波的反射作用而產生很大的誤差，在midas GTS NX中采用1972年Lysmer和Wass提議的粘性邊界[6-7]進行施加。

在midas GTS NX中設置不同的爆破荷載到達時間，排間延期為50ms，共分十排進行施爆。每一次爆破荷載的壓力上升時間大約為0.01s，共作用0.1s，分析計算時間取1s。爆破時程函數如下圖2所示。

圖2 爆破時程函數

2 結果分析

2.1 位移云圖

圖3 500ms時土體應力云圖

圖4 不同時刻土體應力云圖

在逐排延時爆破荷載的作用下，位移場從爆破面開始，逐步向整個邊坡模型擴散，在500ms左右，

各個監測點豎向位移值均達到峰值如圖3所示。

路塹邊坡的破壞過程是一個漸進性破壞的過程，是由爆破作用面開始局部變形然后擴展到整個模型范圍。

2.2 巖體中應力分析

圖4可以看出，10ms時，邊坡兩側邊界附近產生明顯的應力集中，100ms內，邊坡土體的剪應力主要集中在坡面附近，因此在爆破開挖時應密切關注坡腳處的破壞情況。100ms后，土體應力逐漸開始在坡體內部擴散，并在500ms基本達到峰值。因此，在爆破開挖時，重點監測坡頂地表以保證周圍環境的安全，必要時采取相應減震措施。

3 監測點振動速度分析

實測豎向振動速度曲線如圖5所示，由圖中波動數據看出，監測點振動速度在荷載作用前半段波動振幅有逐漸增大趨勢，并且波動較為劇烈，之后迅速消散。

圖5 監測點垂直振動速度實測波形

通過模擬后處理提取監測點的豎向相對速度數據，繪制得出測點1～測點4的垂直振動速度時程曲線，如圖6所示。

圖6 四個監測點豎向振動速度模擬結果波形匯總

由數值模擬與實測結果的對比可以看出，二者數據具有相同的規律性，隨著離開爆源距離的增加，速度峰值會出現一定程度的衰減，并且監測點的速度峰值在20～30cm/s，與實際監測值較吻合。

4 結語

基于111國道（湯河口～市界段）改建工程的路塹邊坡爆破開挖，采用midas GTS NX進行數值模擬得出以下結論：

1） 采用三維模型進行數值模擬，可以比較準確地模擬路塹邊坡在爆破荷載作用下的動力響應；基于爆破振動速度控制標準，能夠比較直觀地評價邊坡的動力穩定性。

2） 爆破荷載作用下，巖體內的應力、位移隨著時間是一個由爆破作用面開始局部變形然后擴展到整個模型范圍漸進性破壞的過程，并且，當達到一定程度時，會影響邊坡的穩定性。

3） 路塹高陡邊坡巖體爆破，應充分考慮開挖過程中的動力穩定性問題。采用精確延時起爆干擾減振爆破，可以有效地控制爆破作用及其危害。

4） 路塹邊坡爆破開挖，應根據地形、地質條件以及邊坡開挖形式，采取相應的技術措施，控制爆破開挖對邊坡的危害。

中國建材總院受邀參展第30屆中國國際玻璃工業展

5月22日-25日，由中國硅酸鹽學會主辦的“第三十屆中國國際玻璃工業技術展覽會”在北京·中國國際展覽中心（新館）開展。中國建材總院及所屬八家企業攜前沿創新成果亮相展會，得到國內外行業同仁的高度關注。

作為玻璃行業發展的風向標，中國玻璃展得到了國家部委及行業協會的全力支持，規模冠絕亞洲，是世界兩大國際玻璃展覽會之一。本屆展覽會展出面積為106800m2，有中國、美國、德國、英國、法國、日本、韓國等28個國家913家（其中：國外260家）廠商參展，接待專業觀眾超過4萬名。

中國建材聯合會會長喬龍德，中國硅酸鹽學會第九屆理事會理事長高瑞平，中國硅酸鹽學會副理事長晉占平以及國內外玻璃行業友人等參觀了中國建材總院展臺，中國建材總院院長姚燕、副院長顏碧蘭、科技發展部部長張忠倫等陪同參觀。