爆破振動(dòng)作用下鐵路路基動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律研究*

葉海旺 余 波 雷 濤 李 寧 王其洲 龍 梅

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.武漢理工大學(xué)圖書館)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展和基建投入的增加,作為巖土工程施工中經(jīng)濟(jì)有效的重要手段，工程爆破技術(shù)不斷被運(yùn)用到這些基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)當(dāng)中[1]。近年來，鄰近鐵路路基的爆破開挖時(shí)有發(fā)生，由此產(chǎn)生的爆破振動(dòng)對鐵路路基壩安全性的影響一直受到鐵道及相關(guān)部門的關(guān)注。但由于爆破振動(dòng)的復(fù)雜性和傳播介質(zhì)的多樣性，鐵路路基壩在爆破荷載作用下的安全性分析尚未形成科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行工程爆破時(shí)產(chǎn)生的地震是一種十分常見的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，爆破地震波通過周邊介質(zhì)向四周傳播，從而引起周邊巖土介質(zhì)的振動(dòng)，遇到鐵路路基壩時(shí)會與其發(fā)生相互作用，當(dāng)振動(dòng)達(dá)到足夠強(qiáng)度時(shí)將直接威脅到路基壩的穩(wěn)定性和安全性。

目前，對鐵路路基動(dòng)力學(xué)研究主要有理論分析、數(shù)值模擬及試驗(yàn)。在壩體動(dòng)力響應(yīng)的研究方面，劉軍等[2]將混凝土、心墻、反濾層與堆石體作為壩體的簡化材料，模擬了爆炸荷載作用下土石壩動(dòng)力響應(yīng)的特性；黃劍鋒等[3]利用ABAQUS軟件建立等效線性粘彈性模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析,重點(diǎn)分析壩體的反應(yīng)加速度、動(dòng)位移、動(dòng)剪應(yīng)力、動(dòng)剪應(yīng)變和殘余變形等動(dòng)力反應(yīng)情況；胡旬等[4]采用潰壩風(fēng)險(xiǎn)分析、滲流模擬、穩(wěn)定性分析等多種方法研究在爆破震動(dòng)波作用下的尾礦壩穩(wěn)定性問題，確定影響尾礦壩安全的主要因素，判明在不同工況條件下尾礦壩穩(wěn)定性的安全邊界條件。但對于鐵路路基壩這種特殊壩體，大多學(xué)者研究鐵路路基的動(dòng)力響應(yīng)分析均從列車荷載出發(fā)，孫常新等[5]采用有限元分析方法計(jì)算分析了鐵路路基的動(dòng)力響應(yīng)(位移)在列車荷載作用下的分布規(guī)律，分析了影響路基位移值的各種因素，對路基動(dòng)力響應(yīng)(位移)隨車速變化的“雙峰現(xiàn)象”成因進(jìn)行了分析。尹壯飛等[6]利用Fortran語言對列車荷載作用下高速鐵路路基的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行深入的研究，從土體深度、列車速度以及軸重等方面對高速鐵路路基的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究。董亮等[7]將三維一致粘彈性人工邊界單元引入ABAQUS有限元軟件，驗(yàn)證了該人工邊界單元在無砟軌道高速鐵路路基動(dòng)力響應(yīng)分析方面的有效性。然而對爆破作用下鐵路路基壩動(dòng)力響應(yīng)方面研究較少。本文以麗水市水閣至臘口新建公路的路塹開挖爆破工程為背景，采用理論分析、現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對爆破地震波作用下的鐵路路基壩動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，以期提出安全合理地控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程概況

麗水市水閣至臘口公路工程第三合同段起點(diǎn)位于大梁山隧道中部ZK8+434(YK8+417)處，線路全長約3.825 km。采用一級公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，路基寬24.5 m，分離式路基寬12.25 m。

施工過程中邊坡修整、路塹開挖等工程均需要進(jìn)行爆破施工，其中K10+617.259～K10+891段邊坡開挖高度達(dá)49.2 m，最高邊坡為五級邊坡，坡體主要由強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化凝灰質(zhì)粉砂巖組成。強(qiáng)風(fēng)化巖為碎石狀，鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，厚2.5～3.0 m；中風(fēng)化巖為裂隙塊狀結(jié)構(gòu)，屬較堅(jiān)硬巖，巖石風(fēng)化較弱。中心最大開挖高度約51.3 m，邊坡最大開挖高度達(dá)49.2 m左右，每層爆破開挖高度為10 m。爆破區(qū)域距離金溫貨線路基最短距離為336 m，高程差為30～50 m。公路路塹爆破開挖與鐵路路基位置關(guān)系見圖1。

圖1 公路路基挖方與鐵路平面位置關(guān)系示意(單位：m)

2 現(xiàn)場爆破測試

在鐵路路基壩坡頂布置監(jiān)測點(diǎn)，采用Blast-UM爆破振動(dòng)測試儀，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 部分現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)

從表1可以看出，由于爆破區(qū)域距離鐵路路基較遠(yuǎn)，爆破震動(dòng)通過復(fù)雜的地質(zhì)條件傳播到路基，引起鐵路路基震動(dòng)，頻率為10～20 Hz，所測數(shù)據(jù)可為爆破震動(dòng)下鐵路路基動(dòng)力響應(yīng)提供數(shù)據(jù)參考。

3 有限元模型及分析

3.1 模型建立

路基工程采用填料、石料、混凝土、水泥砂漿、鋼材及土工合成材料等，應(yīng)根據(jù)其類型、特征、性能、適應(yīng)范圍和應(yīng)用結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)用環(huán)境等確定[8]。依據(jù)該地區(qū)鐵路路基壩實(shí)際情況，建立鐵路路基壩模型，見圖2。模型分為4層，從上至下每層高度分別為0.6，1.7，2.4，1.1 m。每層根據(jù)不同配比進(jìn)行鋪設(shè)，其材料參數(shù)見表2。

圖2 鐵路路基壩幾何模型斷面(單位:m)

分層編號密度/(kg/m3)彈性模量/MPa泊松比內(nèi)聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)1#2500230．00．18--2#191029．30．3042323#188038．60．3238284#186010．70．353020

為簡化分析，建立50 m長鐵路路基壩模型，采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則。對該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共有290 072個(gè)節(jié)點(diǎn)，28 800個(gè)單元，鐵路路基壩有限元模型見圖3。

圖3 鐵路路基壩模型

3.2 模態(tài)分析

在受到外界激勵(lì)荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)取決于其物理特性，包括質(zhì)量分布、彈性性能分布及耗能機(jī)制。以適當(dāng)?shù)谋磉_(dá)式來表示這些特性，形成數(shù)學(xué)模型，是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。研究鐵路路基壩結(jié)構(gòu)爆破地震波的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)，其自身特性是必須考慮的因素。結(jié)構(gòu)的自身特性反映在其固有頻率和振型，與外部載荷無關(guān)[9]。模態(tài)振型是描述結(jié)構(gòu)上點(diǎn)與點(diǎn)相對位置關(guān)系的一組比值，某階固有頻率作用下結(jié)構(gòu)由振動(dòng)發(fā)生最大形變的形態(tài)屬于結(jié)構(gòu)的固有屬性。如果結(jié)構(gòu)的組成構(gòu)造、材料屬性、約束條件沒有發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)的振型也將維持原狀。

采用ANSYS對鐵路路基壩進(jìn)行模態(tài)分析，分別為建模、加載、分析計(jì)算、后處理4個(gè)步驟，并采用Block Lanczos分塊法查看模型前6階模態(tài)結(jié)果，分析截止頻率設(shè)置為9 999 Hz，計(jì)算得到壩體結(jié)構(gòu)自振頻率和振型，模型前6階模態(tài)結(jié)果見表3，固有振型見圖4。

表3 鐵路路基壩前6階模態(tài)分析結(jié)果

圖4 鐵路路基壩模型前6階振型

圖4顯示鐵路路基壩的第一階最大位移出現(xiàn)在模型頂部的中間位置，第二階出現(xiàn)在路基壩的護(hù)坡靠兩端位置，為扭轉(zhuǎn)變形，第三階出現(xiàn)在護(hù)坡中間部位，第四～第六階振型比較復(fù)雜。通常所說的結(jié)構(gòu)的共振頻率指的是結(jié)構(gòu)的一階固有頻率，該鐵路路基壩的一階固有頻率為3.737 9 Hz。

4 鐵路路基壩動(dòng)力響應(yīng)分析

爆區(qū)鐵路路基壩的爆破地震效應(yīng)本質(zhì)上是壩體對爆破產(chǎn)生振動(dòng)的動(dòng)力響應(yīng)問題，具體表現(xiàn)在壩體受到地面振動(dòng)作用時(shí)導(dǎo)致的應(yīng)力、位移、速度等。爆破地震波特性可用質(zhì)點(diǎn)的速度峰值、主頻和持續(xù)時(shí)間來描述，它們是爆破地震波引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)力響應(yīng)的主要因素。

利用有限元軟件LS-DYNA分析爆破振動(dòng)作用下鐵路壩體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，對模型施加重力,和實(shí)測爆破地震波進(jìn)行相關(guān)動(dòng)力分析。對鐵路路基壩模型底部及兩端施加無反射邊界，且在底部施加垂直于路基截面的約束，在路基模型底部施加爆破應(yīng)力波，通過調(diào)整爆破地震波信號的特性參數(shù)來研究爆破地震波振速對壩體的爆破地震響應(yīng)的變化規(guī)律。

4.1 鐵路路基壩隨地震波幅值響應(yīng)規(guī)律

為了分析對比地震波強(qiáng)度對結(jié)構(gòu)的影響和破壞作用，研究爆破地震波振速幅值與壩體受力情況之間的關(guān)系，取11月4日實(shí)測的爆破地震波信號，取其時(shí)間為1 s且包含各項(xiàng)振動(dòng)速度最大的數(shù)據(jù)，繪制如圖5所示的速度時(shí)程曲線,幅值為0.36 cm/s,主頻為17.5 Hz，時(shí)長為1 s，維持頻率和時(shí)長不變，將實(shí)測振速調(diào)整為原始數(shù)據(jù)的2倍(0.72 cm/s)、4倍(1.44 cm/s)、8倍(2.88 cm/s)、16倍(5.76 cm/s)、32倍(11.52 cm/s)后再施加至模型底面節(jié)點(diǎn)。從壩體底部至頂部，每層頂部布置一個(gè)測點(diǎn)，共4個(gè)測點(diǎn)。測點(diǎn)布置見圖6。

圖5 爆破地震波三相速度時(shí)程曲線

圖6 測點(diǎn)布置

在鐵路路基壩底部加載不同幅值的爆破振動(dòng)波，通過ANSYS建模、加載、計(jì)算后，運(yùn)用LS-PrePost查看其響應(yīng)結(jié)果，各測點(diǎn)豎直方向振動(dòng)加速度幅值見表4。

表4 不同爆破地震波幅值下壩體結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果

由表4可以看出，保持爆破地震波頻率和持續(xù)作用時(shí)間不變，隨爆破地震波幅值的增大，各測點(diǎn)所測得的爆破地震波加速度也在增加，且與爆破地震波幅值成比例關(guān)系。測點(diǎn)3處振動(dòng)加速度達(dá)到峰值，說明該處易發(fā)生破壞，需重點(diǎn)監(jiān)測和保護(hù)。

4.2 爆破震動(dòng)下鐵路路基安全控制標(biāo)準(zhǔn)

目前，在爆破地震波破壞作用的研究中，大多采用地震烈度工程標(biāo)準(zhǔn)來評定建筑物的破壞狀況，沒有考慮結(jié)構(gòu)類型、場地條件、地震波能量特性等因素。而爆破振動(dòng)下鐵路路基壩的安全控制標(biāo)準(zhǔn)并不完善，因此，研究并總結(jié)出一些爆破控制標(biāo)準(zhǔn)非常有意義。

容重增加法的基本原理是保持土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C和φ為常數(shù)，通過逐步增加重力加速度G的方式，反復(fù)進(jìn)行有限元分析，直至邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，而此時(shí)采用的重力加速度Gtrial與實(shí)際重力加速度G之比Ftrial可作為該邊坡超載概念的安全儲備系數(shù)，由于臨界狀態(tài)是通過容重的逐漸增加而達(dá)到的，故稱為容重增加法[10]，其中Ftrial稱為容重增加系數(shù),即安全系數(shù)。重力加速度G值取9.8 m/s2。

根據(jù)我國《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》3.4.2 條文規(guī)定[11]，破壞后給社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境帶來重大影響的一級邊坡，在正常運(yùn)用條件下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可取1.30～1.50。

從表4可知，當(dāng)達(dá)到爆破振動(dòng)16倍幅值5.76 cm/s 時(shí)，各測點(diǎn)爆破振動(dòng)豎直方向加速度幅值最大為13.52 m/s2，F(xiàn)trial=1.38，在安全系數(shù)1.3～1.5范圍內(nèi)；當(dāng)爆破振動(dòng)超出16倍幅值時(shí)，可以判定已經(jīng)發(fā)生破壞。

因此，經(jīng)過多次試驗(yàn)?zāi)M，為保證鐵路路基壩安全，建議爆破振動(dòng)速度控制在5.0 cm/s以內(nèi)。

5 結(jié) 論

(1)利用ANSYS/LS-DYNA模態(tài)分析功能，根據(jù)壩體材料密度、彈性模量、泊松比等參數(shù)，通過選用合適的單元類型、網(wǎng)格、邊界條件，分析了鐵路路基壩的基本自振頻率、振型等動(dòng)力特性，得出一階固有頻率為3.74 Hz。

(2)鐵路路基壩體在爆破振動(dòng)作用下，其動(dòng)力響應(yīng)幅值隨爆破地震波信號振速幅值的增大而增大，且增大系數(shù)與振速幅值增大系數(shù)總體保持一致。

(3)參考《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于一級邊坡的控制標(biāo)準(zhǔn)，提出爆破振動(dòng)作用下鐵路路基壩的安全控制標(biāo)準(zhǔn)為v≤5.0 cm/s。

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