鉆爆法施工對(duì)橋樁的影響規(guī)律研究

劉小四

(吉安市路橋工程局，江西 吉安 343000)

1 模型的建立及計(jì)算

1.1 建立模型

根據(jù)魏臺(tái)橋的實(shí)際情況，以一排柱區(qū)段為研究對(duì)象進(jìn)行爆破模擬計(jì)算分析，以彈塑性材料作為隧道巖石。在隧道模型建立的過(guò)程中，為減少振動(dòng)效應(yīng)帶來(lái)的峰值影響，模型的邊界需大于隧道直徑的5倍，將隧道截?cái)喾较蚨閤軸，豎直方向定為z軸，挖掘方向定為y軸，節(jié)點(diǎn)12 000個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)50 000個(gè)，模型寬度為50 m，隧道間距30 m。

隧道周圍土體及其參數(shù)如表 1 隧道土體材料參數(shù)所示。由表1可知，厚度最大的土層為中風(fēng)化鈣質(zhì)巖板，其彈性模量與剪切模量以及粘聚力等參數(shù)也為最大值，說(shuō)明在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，中風(fēng)化鈣質(zhì)巖板最難處理，受到力的作用也最大。

表1 隧道土體材料參數(shù)表

1.2 動(dòng)力時(shí)程計(jì)算

采用近似等效方法模擬爆破動(dòng)荷載，假設(shè)爆破產(chǎn)生的力全部集中在一個(gè)平面上，根據(jù)實(shí)際的爆破裝藥量來(lái)計(jì)算模擬中的力。每公斤炸藥產(chǎn)生的爆破壓力為：

(1)

(2)

式中：P1、P2為爆破壓力及孔壁面上壓力，kPa；dc、dh分別為火藥及孔眼的直徑，mm；Ve為爆破速度，cm/s；Sge為比重。

動(dòng)壓力：

(3)

式中：B=16338是荷載常量。

2 魏臺(tái)橋隧道施工概況

2.1 施工概況

選取的施工地段區(qū)間總長(zhǎng)1 200 m，隧道斷面為單洞馬蹄形，施工方法為礦山法。小里程與大里程之間設(shè)置4個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑，分別為R=300 m、R=5 000 m、R=700 m以及R=900 m。由魏臺(tái)橋及河道現(xiàn)場(chǎng)布置圖可知，施工路線由東向西下坡，區(qū)間最大坡度30%，魏臺(tái)橋長(zhǎng)100 m，橋下四排橋樁，橋身結(jié)構(gòu)為空心板梁結(jié)構(gòu)。

2.2 巖土分層狀況

魏臺(tái)橋周圍的土體隨著開(kāi)挖深度的不同，土層厚度及組成也存在一定差異。如表 2 魏臺(tái)橋周圍巖土分布狀況所示，隨著挖掘深度的增大，巖土的構(gòu)成由較松軟的粘性土到質(zhì)地堅(jiān)硬的中風(fēng)化石英巖，且?guī)r土也越來(lái)越大。

表2 魏臺(tái)橋周圍巖土分布狀況

3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 爆破對(duì)樁土振速分析

通過(guò)選取不同爆破波的傳播過(guò)程來(lái)模擬計(jì)算，選擇TOTAL VELOCITY作為模擬的分量類型，并且選取10～200 ms的時(shí)間步驟，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)比，得到爆破波的振速結(jié)果圖。如圖1爆破模擬結(jié)果所示，當(dāng)爆破波在土體內(nèi)部傳播時(shí)，隧道的外壁受沖擊波的影響產(chǎn)生振速，最大值為20 cm/s，且以圓環(huán)形由內(nèi)向外輻射，振速值大小符合國(guó)家規(guī)定的安全爆破范圍。在爆破波的傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到地面構(gòu)筑物時(shí)，波形會(huì)發(fā)生改變，其振速也會(huì)受自身頻率的影響發(fā)生衰減，爆破波距離爆源越遠(yuǎn)，由于受到構(gòu)筑物自由震動(dòng)頻率的影響，波的衰減減慢。

圖1 爆破模擬結(jié)果

由模擬結(jié)果可知，最大振速出現(xiàn)在時(shí)間為45 ms，此時(shí)的振速為1.97 cm/s。橋樁本身會(huì)產(chǎn)生自振，但由于爆破波傳播的影響，在隨后的振動(dòng)傳播過(guò)程中，其振速逐漸減小，到180 ms后自振停止。

3.2 爆破對(duì)橋樁的動(dòng)力作用分析

爆破波在經(jīng)過(guò)橋樁時(shí)會(huì)對(duì)橋樁產(chǎn)生力的作用。隨著爆破波的傳播，對(duì)周圍襯砌的干擾越來(lái)越大，爆破波傳播到距爆源x一側(cè)的拱腰位置時(shí)出現(xiàn)最大振速，數(shù)值大小為2.5 cm/s。當(dāng)時(shí)間為10 ms時(shí)，橋樁受到振動(dòng)波的干擾而產(chǎn)生振動(dòng)，振速最大峰值為1.64 cm/s，且隨著時(shí)間的推移，受到爆破波影響的橋樁數(shù)量越來(lái)越多，受擾動(dòng)產(chǎn)生的振速越來(lái)越小，直至消失。但當(dāng)時(shí)間為90 ms時(shí)，橋樁受爆破波影響，其振速峰值又達(dá)到最大值，為1.56 cm/s，說(shuō)明爆破波的沖擊波具有強(qiáng)烈的反復(fù)性。

3.3 爆破動(dòng)力對(duì)樁土應(yīng)力應(yīng)變分析

爆破動(dòng)力荷載對(duì)樁土及其周圍構(gòu)筑物產(chǎn)生了應(yīng)力，且隨著爆破波的傳播，其應(yīng)力的數(shù)值逐漸減小，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在隧道的外壁，最大值為-0.9 kN/m2，產(chǎn)生的力稱為拉應(yīng)力。當(dāng)爆破波傳播到上部結(jié)構(gòu)時(shí)，橋樁會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得自身的形狀發(fā)生改變，在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)應(yīng)注意橋樁的變形。

4 結(jié) 論

(1)爆破波對(duì)周圍土體及建筑物造成的損傷值大小，與波源的位置有關(guān)。當(dāng)爆破波距離波源較近時(shí)，周圍的巖體受到?jīng)_擊波的瞬時(shí)作用，能夠快速的到達(dá)平穩(wěn)狀態(tài)。而在距離波源較遠(yuǎn)的區(qū)域，由于受到應(yīng)力波以及彈性波的作用，使得周圍的構(gòu)筑物長(zhǎng)時(shí)間受到爆破波的擾動(dòng)，容易發(fā)生變形，危害比較大。

(2)爆破波在建筑物內(nèi)部傳播時(shí)，由于波的振動(dòng)引起建筑物的振動(dòng)，且出現(xiàn)多次最大振速，說(shuō)明爆破波在傳播的過(guò)程中具有反復(fù)性，多次爆破會(huì)損傷橋樁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在實(shí)際施工時(shí)應(yīng)引起足夠重視。振速值的大小與所處的位置有關(guān)系，越靠近爆源的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其振速峰值越大，振動(dòng)時(shí)間越短。

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