爆破動荷載作用下邊坡錨桿加固效果分析*

石洪超，鄒新寬，張繼春，王中達(dá)

(1.西南交通大學(xué)土木工程，成都 610031；2.青島巖土工程勘察研究院，青島 266033)

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爆破動荷載作用下邊坡錨桿加固效果分析*

石洪超1，鄒新寬1，張繼春1，王中達(dá)2

(1.西南交通大學(xué)土木工程，成都 610031；2.青島巖土工程勘察研究院，青島 266033)

摘要:巖質(zhì)基坑邊坡的加固措施常采用全長粘結(jié)式錨桿。為了研究在爆破動荷載作用下的錨桿加固效果，根據(jù)南溪長江大橋北岸錨碇基坑北側(cè)邊坡的爆破開挖情況，采用FLAC3D對基坑邊坡加設(shè)錨桿前后的動力響應(yīng)進(jìn)行了計算。應(yīng)用Bishop-擬靜力法計算基坑邊坡的動力穩(wěn)定性系數(shù)。通過分析計算結(jié)果得出以下主要結(jié)論：加設(shè)錨桿后可以改善邊坡的應(yīng)力分布，減弱邊坡坡腳處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，防止由于應(yīng)力集中而導(dǎo)致的局部破壞；在爆破動力作用下，錨桿的軸力和砂漿剪應(yīng)力均隨時間的增加而增大，且增大的速率基本相同；加設(shè)錨桿后邊坡的動力穩(wěn)定性系數(shù)由0.98提高到1.33，提升幅度為36%。

關(guān)鍵詞:基坑邊坡；錨桿；爆破動力；動力穩(wěn)定性

巖質(zhì)基坑在進(jìn)行開挖時，常采用爆破法施工。在基坑邊坡的開挖過程中，反復(fù)的爆破振動作用會加劇邊坡表層巖體發(fā)生松動，并且使得坡體產(chǎn)生累計變形，嚴(yán)重時有可能造成邊坡失穩(wěn)破壞。為避免邊坡在爆破開挖過程中發(fā)生破壞，需要對基坑邊坡進(jìn)行加固，加固措施一般采用全長粘結(jié)式錨桿[1-5]。目前關(guān)于邊坡錨桿的加固作用通常采用現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)、相似模擬和數(shù)值計算分析等方法進(jìn)行研究，但是這些研究多建立在靜態(tài)或擬靜態(tài)的條件下進(jìn)行的[6，7]。由于邊坡在爆破、地震等動力荷載作用下，邊坡體-錨桿間的相互作用較為復(fù)雜，對于動荷載作用下錨桿自身對邊坡的加固效果的研究較少，且大多集中在對以錨桿或坡體作為單個對象的動態(tài)響應(yīng)分析，沒有從邊坡體-錨桿的相互作用機(jī)理上研究錨桿的加固效果。

影響爆破動荷載作用下基坑邊坡穩(wěn)定性的因素主要有加固錨桿的布置方式及力學(xué)特征、邊坡自身的穩(wěn)定性，以及動荷載的作用方式等。為了研究在爆破動荷載作用下的邊坡錨桿加固效果，根據(jù)南溪長江大橋北岸重力式錨碇基坑爆破開挖的實(shí)際情況，采用FLAC3D數(shù)值計算軟件建立了數(shù)值分析模型，對邊坡加設(shè)錨桿和未加設(shè)錨桿的情況進(jìn)行了模擬計算，對比分析計算結(jié)果，研究了動荷載作用下錨桿對于基坑邊坡的加固效果，并且采用簡化Bishop-擬靜力法對基坑邊坡的動態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行了計算[8-11]。

1基坑邊坡數(shù)值模型

1.1工程概況

南溪長江大橋重力式錨碇基坑位于長江北岸丘陵坡地上，錨碇區(qū)基坑開挖長60 m，寬50 m?；颖眰?cè)開挖后形成近60m的高邊坡，邊坡坡度為1∶0.75～1∶0.3。基坑北側(cè)邊坡上層為穩(wěn)定性較差的粉質(zhì)粘土、細(xì)砂和卵石土，而下層為粉砂質(zhì)泥巖。砂質(zhì)泥巖呈單斜產(chǎn)出，產(chǎn)狀為145°∠16°，采用淺孔松動爆破法開挖，開挖后將形成順傾邊坡。施工時第一級、二級邊坡采用錨桿框架梁進(jìn)行加固，其中錨桿均為φ 32普通全長非預(yù)應(yīng)力砂漿錨桿，錨桿間距為3 m×3 m，傾角為20°，錨桿長度從上至下依次為30 m、30 m、25 m、25 m、18 m、18 m，鉆孔直徑110 mm，采用M30砂漿進(jìn)行注漿。巖層及錨桿-砂漿動態(tài)力學(xué)參數(shù)見表1及表2。

表1　巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2　錨桿及砂漿物理力學(xué)參數(shù)

1.2建立數(shù)值模型

根據(jù)錨碇基坑北側(cè)中部第三級邊坡爆破開挖的實(shí)際情況，對邊坡及錨桿的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，此處基坑開挖范圍比較大，受周邊環(huán)境條件影響較小。為了簡化數(shù)值計算模型，將三維數(shù)值模型的厚度設(shè)置為3 m，與錨桿布置的水平間距相同，整體數(shù)值模型的尺寸為92 m×65 m×3 m，錨桿設(shè)置在模型厚度的1/2處。圖1為邊坡數(shù)值計算模型示意圖。在進(jìn)行數(shù)值模擬計算時，全長粘結(jié)式錨桿采用Cable單元進(jìn)行模擬，基坑邊坡體內(nèi)各巖層、錨桿-漿體界面及漿體-巖體界面材料均為彈塑性材料，并服從Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，允許錨桿單元發(fā)生軸向變形直至屈服。輸入爆破荷載的開挖邊界、邊坡側(cè)面及坡體底部都采用的是粘性邊界，坡體底部約束其豎向位移。阻尼為局部阻尼，經(jīng)試算后確定其值為0.157。

1.3爆破動荷載

在進(jìn)行爆破動力作用分析時，動荷載的加載方式是分析分析問題的基礎(chǔ)，可以根據(jù)單次齊發(fā)藥量和距離爆源的距離等參數(shù)，將爆破動荷載簡化為三角形脈沖波，但是這種簡化的爆破動荷載與實(shí)際情況存在較大的差異，并不能真是的反映爆破開挖過程中邊坡的動態(tài)響應(yīng)。為了使數(shù)值模擬計算更加符合實(shí)際情況，在數(shù)值計算中采用臨近基坑邊坡開挖時，第三級邊坡坡面位置實(shí)測得到的振動速度波形，經(jīng)過式1和式2轉(zhuǎn)換為切向和法向荷載進(jìn)行加載，實(shí)測振動速度波形如圖2所示。

(1)

(2)

式中：σn、σs為坡面位置輸入的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力，MPa；ρ為巖體密度，kg/m3;cp、cs為巖體縱波和橫波傳播速度，m/s；vn、vs為實(shí)測質(zhì)點(diǎn)切向和法向振動速度,m/s。爆破動荷載的加載位置位于第三級邊坡坡面底部3 m范圍內(nèi)，如圖1所示。

2數(shù)值計算結(jié)果與分析

2.1邊坡應(yīng)力分析

未加設(shè)錨桿和加設(shè)錨桿后，邊坡爆破開挖后坡體的最大主應(yīng)力云圖如圖3、圖4所示。對比計算結(jié)果可以看出，不布置錨桿時，在第二、三級邊坡的平臺位置出現(xiàn)了拉應(yīng)力，最大值為50 kPa，而布置錨桿后相同位置的拉應(yīng)力明顯減小，僅為20 kPa，減小幅度為60%。圖5和圖6分別為未加設(shè)錨桿和加設(shè)錨桿后，邊坡爆破開挖后坡體的剪應(yīng)力云圖。圖5顯示，未布置錨桿時，基坑第三級邊坡的坡腳位置存在明顯的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大剪應(yīng)力為40 kPa。應(yīng)力集中可能造成該位置的巖土體發(fā)生局部破壞，進(jìn)而導(dǎo)致基坑邊坡的整體失穩(wěn)。為了避免發(fā)生工程事故，應(yīng)該及時對邊坡進(jìn)行支護(hù)。通過圖6可以看出，在加設(shè)錨桿加固措施后，原應(yīng)力集中的位置處最大剪應(yīng)力降低為20 kPa，降低幅度為50%，整個基坑邊坡的應(yīng)力狀態(tài)有了明顯的改善。邊坡表面的剪應(yīng)力減小可以減弱應(yīng)力集中現(xiàn)象，能夠防止由于剪應(yīng)力集中而導(dǎo)致的局部破壞。

2.2坡體位移分析

未加設(shè)錨桿和加設(shè)錨桿后，基坑爆破開挖后坡體水平位移云圖如圖7、圖8所示。由計算結(jié)果可以看出，錨桿的布設(shè)對于基坑邊坡水平方向位移的分布特征影響不大，最大位移出現(xiàn)在第三級邊坡坡腳位置，該處為爆破荷載的輸入位置。在未加錨桿的情況下，坡體的水平位移都不超過1 mm。當(dāng)布置錨桿過后，坡體的水平位移明顯減少，最大永久位移僅為0.17 m。由此可見，錨桿的布設(shè)可以明顯控制基坑邊批發(fā)生水平位移，有利于基坑邊坡的整體穩(wěn)定。

2.3錨桿動力響應(yīng)分析

在基坑爆破開挖后，錨桿的軸力如圖9所示，從單個錨桿來看，錨桿在桿件中部軸力最大，并沿著軸向逐漸向兩端減小，其中最大軸力出現(xiàn)在第五排，為132.3 kN。各排錨桿的軸力峰值點(diǎn)的連線基本與邊坡的潛在滑面重合。錨桿砂漿應(yīng)力如圖10所示，基坑爆破開挖后，最后一排錨桿在坡面附近的端部砂漿由于應(yīng)力過大而屈服產(chǎn)生滑脫現(xiàn)象，錨桿砂漿的最大應(yīng)力值為220.6 kPa。這說明基坑的爆破開挖不會使錨桿自身產(chǎn)生過大的軸向應(yīng)力而失效，但是接近爆源位置的錨桿端部砂漿有可能會產(chǎn)生破壞，會對錨固力造成影響，但是不足以影響邊坡整體的穩(wěn)定性。

圖11和圖12是最底部一排錨桿的軸力和砂漿剪應(yīng)力的時程曲線，在爆破動力荷載作用下，錨桿的軸力和砂漿的剪應(yīng)力都會隨著時間增加而變大，且增大的速率基本相同。當(dāng)砂漿不發(fā)生破壞失效時，錨桿-漿體之間的相互作用可以良好的發(fā)揮錨固作用，增加基坑邊坡的穩(wěn)定性。

3邊坡動力穩(wěn)定性分析

根據(jù)簡化Bishop擬靜力法采用lide軟件對邊坡加設(shè)錨桿前后進(jìn)行穩(wěn)定性分析，計算過程是將爆破動荷載轉(zhuǎn)換為水平方向和豎直方向的靜力加載到邊坡上，采用條分法計算邊坡的動力穩(wěn)定性系數(shù)，潛在滑面由程序自動計算確定，滑面位置如圖13、14所示。最終計算得到未布設(shè)錨桿時，基坑邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為0.98。在布置錨桿后，基坑的穩(wěn)定性系數(shù)提高到1.33，增加幅度為36%，因此錨桿對于基坑邊坡的加固作用比較明顯。

4結(jié)論

(1)基坑邊坡加設(shè)錨桿后，可以改善基坑邊坡的應(yīng)力分布，能夠更好的控制爆破開挖對坡體產(chǎn)生的擾動。有效的減輕了邊坡坡腳位置出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，防止由于應(yīng)力集中而導(dǎo)致的局部破壞。同時，錨桿的布置控制了坡體產(chǎn)生的水平位移，利于邊坡的整體穩(wěn)定。

(2)在爆破動力動荷載作用下，錨桿的軸力在中部最大，沿著軸向逐漸向兩端減小，并且錨桿軸力的峰值點(diǎn)連線基本與潛在滑面重合。錨桿的軸力和砂漿剪應(yīng)力都會隨時間增加而變大，且增大的速率基本相同。

(3)根據(jù)簡化Bishop-擬靜力法計算得到錨桿布置與否的動力穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.98和1.33，加設(shè)錨桿后動力穩(wěn)定性系數(shù)提高了36%，錨桿對基坑邊坡的加固作用比較明顯。

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Analysis of Reinforcement Effect of Slope Bolt under Blasting Dynamic Load

SHIHong-chao1，ZOUXin-kuan1，ZHANGJi-chun1，WANGZhong-da2

(1.School of Civil Engineering,Southwest Jiao-tong University,Chengdu 610031，China;2.Qingdao Geotechnical Investigation & Surveying Research Institute,Qingdao 266033,China)

Abstract:The full-length bonding bolt was used to reinforce the rock foundation pit slope.In order to study the reinforcement effect of bolt under the blasting dynamic load,the dynamic responses of foundation pit slope before and after adding bolt were calculated by the FLAC3D according to the situation of excavation blasting in north side slope of north anchor pit slope of Nanxi Yangtze River Bridge.The dynamic stability of the foundation pit slope coefficient was calculated by Bishop-pseudo-static method.Results show that the additional bolt improved the stress distribution of slope,and reduced the stress concentration phenomenon of the slope foot,and prevented local failure due to the stress concentration.Under blasting dynamic loading,the axial force of bolt and mortar shear stress increased with the time,and the increase rate kept constant.By setting up the additional bolt,the dynamic stability of the foundation pit slope coefficient increased from 0.98 to 1.33 and the increase rate reached up to 36%.

Key words:foundation slope; anchor; blasting vibration; dynamic stability

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.002

收稿日期:2016-04-13

作者簡介:石洪超(1980-)，男，西南交通大學(xué)博士研究生，主要從事巖石力學(xué)與工程方面的研究，(E-mail)727722750@qq.com。 通訊作者:張繼春(1963-)，男，博士、教授、博士生導(dǎo)師，主要從事爆破工程、巖土工程結(jié)構(gòu)動力特性與防護(hù)技術(shù)等方面的教學(xué)與科研工作，(E-mail)Jczhang2004@163.com。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41272321)

中圖分類號:TD235.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1001-487X(2016)02-0006-06