大直徑橋墩深水基礎爆破施工基巖損傷數值模擬

耿 冰,蓋青山,胡利平

(中鐵建大橋工程局集團第四工程有限公司，天津 300300)

1 概述

現代水下爆破施工技術的發展始于20世紀50年代后期，在我國，隨著綜合國力和經濟的發展，水下爆破理論、技術、器材和設計方法等都得到長足發展，目前已經大量應用于碼頭建設、航道疏浚整治等方面[1]。許多學者通過大量的工程實踐，對水下爆破施工技術進行了研究和總結。磨禮歡[2]對復雜海況條件下的深水炸礁技術進行研究，對爆破參數、炸藥量的選擇及施工策略進行了詳細介紹，并提出了不完全爆破問題的解決方法；吳金倉等[3]通過對上海洋山深水港炸礁工程的研究，闡述了自升式炸礁平臺船在復雜水文條件下的應用及水下炸礁爆破參數的選擇和施工工藝；齊世福等[4]通過對秦淮河某段內河航道開挖整治工程的研究，提出了內河航道水下爆破鉆孔問題的解決辦法及爆破器材的保護措施；袁成誠[5]通過實際工程對水下爆破常用的水下裸露爆破和水下鉆孔爆破施工方法進行了總結，并對炸礁作業船和支架平臺鉆孔法在近海水下爆破工程中的應用進行了介紹；柴修偉等[6]通過對水下爆破發生盲炮現象的研究，深入分析了盲炮事故發生的原因，并介紹了避免盲炮現象的預防措施；關功政[7]結合新灘壩碼頭水下炸礁工程對深水區和淺水區不同的鉆孔方式及施工方法進行了詳細介紹。由于水下環境的制約，水下爆破工程多難以探明施工后基礎巖體損傷程度，對保證施工安全不利。本文以某大直徑橋墩基礎水下爆破開挖工程為例，基于有限單元法，研究了不同開挖步下基礎損傷程度，對水下爆破施工等相關工程有一定借鑒意義。

2 顯式動力學有限元方法簡介

有限元法(Finite Element Method，FEM)是伴隨科學技術不斷發展而成長起來的一類行之有效的分析方法。該方法將整個待分析系統網格化為有限個幾何形態具有固定規則細小單元，利用彈性力學原理將各個元素的特征計算出來，之后將各個元素拼接整合構成體系化結構。ANASYS是一款大型商用有限元軟件，具有強大的前后處理功能與豐富的單元類型及材料庫。LS-DYNA是該軟件的動力分析模塊，它使用單點高斯積分，引入沙漏粘性控制零能模態，并應用中心差分法進行時間積分，可以求解各種二維和三維非彈性結構的高速碰撞、爆炸和模壓等大變形動力響應問題。當前ANSYS/LS-DYNA廣泛的應用于隧道交通、礦山工程及水利水電工程的爆破分析中，本文通過ANSYS/LS-DYNA軟件研究大直徑橋墩基礎水下爆破對基礎損傷的影響。

3 模型建立

實際開挖過程中橋墩基礎開挖面大，炮孔數量多，并且分區域、分層起爆。若直接按實際爆破開挖方案進行三維數值模擬難度較大，故簡化為在每個區域的開挖面上施加爆破荷載的形式進行分布開挖三維數值模擬。爆破荷載由根據實際工況進行的單孔爆破數值模擬得到。數值模擬采用ANSYS/LS-DYNA軟件。

根據模型的對稱性，為了提高計算效率、減少運算量、保證結果合理，三維開挖模擬模型采用1/4對稱模型，如圖1所示。模型尺寸與實際工程比例為1∶1，高20 m，半徑50 m。模型開挖分為兩層，第一層開挖半徑20 m，深5 m，分三步開挖。第二層開挖區域為內徑14 m，外徑18 m，深5 m的圓環，一次開挖。模型周邊以及底部設為非反射邊界條件。

炸藥材料模型由*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和*EOS-JWL狀態方程來描述，炸藥主要力學參數如表1所示。

表1 炸藥主要力學參數

水體材料本構方程使用LS-DYNA自帶的空物質材料本構模型MAT_NULL，狀態方程使用EOS-GRUNEISEN狀態方程以模擬水在高壓環境中的形變。

本文巖石材料選擇T. J. Holmquist，G.R.Johnson和W.H.Cook在1993年提出的JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE損傷本構模型，ANSYS/LS-DYNA軟件中，該材料模型編號為111，巖石主要力學參數如表2所示。

表2 巖石HJC模型參數

為了研究分步爆破對地基的損傷累積效應，爆區下方地基及周圍圍巖上布置橫縱共21個監測點來監測圍巖損傷情況，從第一層開挖底面向下每2 m布置一排監測點，共4排監測點；側面圍巖共設置3個監測點，第一層設置1個監測點，編號為H90520，第二層設置兩個監測點，編號分別為H5632和H74240。地基損傷監測點布置見圖2。

4 整體爆破數值模擬分析

4.1 不同開挖步下基礎整體損傷分析

圖3為三維實體模型模擬該工程分步爆破導致地基損傷的損傷分步云圖，從圖3可以看出，隨著爆破開挖的分步進行，地基的損傷范圍也逐漸向外和向下擴展。

各監測點損傷監測結果如圖4所示。

圖4(a)為第一層地基第一列監測點的損傷情況，不難看出，距離開挖區越近的點，損傷程度越大，監測點H95812為距離爆區最近的點，損傷值遠大于后面幾個監測點。監測點H95812和監測點H94588有明顯的損傷累積效應，在約12 ms時出現明顯的損傷累積，累積量約0.02，這是由于第二步開挖所導致的損傷累積，另外兩個監測點由于距離較遠，沒有出現明顯的累積損傷。

圖4(b)為第一層爆區下第一排監測點的損傷情況，從圖中可以看出，監測點H95812有一次明顯的損傷累積，監測點H11839有三次明顯的累積效果，第一次累積為第二步開挖所致，第二次累積因第三次開挖所致，第三次累積由第二層起爆所致。監測點H6288和監測點H11827因距離第一步開挖面較遠，第一步開挖幾乎對其沒有影響，它們的損傷從第二步開挖開始迅速增加，然后隨著第三步開挖，約在20 ms時出現損傷累積，最后在約30 μs時因第二層開挖導致第二次損傷累積，監測點H6288因距離第二層開挖面最近，故第二次損傷累積量最大達到約0.47。

圖4(c)和圖4(d)為地基的第二列和第三列監測點的損傷情況，整體規律是第一排點因距離爆區較近有多次明顯的損傷累積，最終損傷程度也比較大，后面的監測點因距離爆區較遠，損傷累積次數較少，最終損傷程度也較小。

圖4(e)為第一層最外圍開挖面外側圍巖和第二層開挖面外側圍巖監測點的損傷情況，從圖中可以看出測點H5632和測點H90520在約20 ms時迅速達到損傷最大值，此時正為第三步開挖，由于這兩個測點分別距離第三步開挖面的側面和地面較近，因此受第三步開挖的爆轟作用，迅速達到損傷最大值。測點H74240因距離開挖面較遠，故損傷值較小，且在第二層開挖時有微弱損傷累積。圖4(f)為第二層開挖面底部監測點損傷情況，此監測點在21 ms時因第三步開挖出現一定程度損傷，隨后，當第二層開始開挖時，損傷程度迅速達到最大值。

4.2 不同損傷程度范圍分析

圖5為地基最終損傷程度不同范圍云圖，從圖5可以看出地基及圍巖的損傷區域大致分為三部分：嚴重損傷、中度損傷和輕微損傷，開挖區域地基嚴重損傷深度為1.5 m，重度損傷深度約1 m，輕度損傷深度約3 m；側面圍巖嚴重損傷深度約1 m，中度損傷深度約2.0 m，輕微損傷深度約2.5 m。第二層開挖區域與第一層開挖區域交界區域，地基出現局部嚴重損傷。

5 結論

本文通過ANSYS/LS-DYNA顯式動力學有限元方法，建立了大直徑橋墩基礎水下爆破開挖模型，分析了不同開挖步下基礎損傷情況，主要結論為：1)隨著爆破開挖的分步進行，地基的損傷范圍也逐漸向外和向下擴展。2)距離開挖區越近的點，損傷程度越大，整體規律為距離爆區較近的點會有多次明顯的損傷累積，最終損傷程度也比較大，而距離爆區較遠的點，損傷累積次數較少，最終損傷程度也較小。