某公路橋梁樁基施工爆破效應(yīng)分析

張 力，瞿 竹

(貴州三獨(dú)高速公路建設(shè)有限公司，貴州 獨(dú)山 558200)

0 引 言

某在建大橋全橋雙向分離，橋梁孔跨布置形式為30 m預(yù)應(yīng)力砼簡(jiǎn)支T梁+(96+180+96) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+4×30 m先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁，橋梁基礎(chǔ)均采用群樁基礎(chǔ)。橋區(qū)上覆第四系殘坡積層(Qel+dl)碎石土、坡積層(Qdl)塊石土、崩塌堆積體(QC)塊石土、沖洪積層(Qal+pl)卵石土，下伏基巖為泥盆系下統(tǒng)邦寨組(D1bn)中厚～厚層狀石英砂巖夾泥巖。

該工程位于深山腹地，深V型峽谷之間，地形極為復(fù)雜，山路崎嶇起伏，橋梁兩岸崩塌松散堆積體量大，機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸、安裝困難，作業(yè)場(chǎng)地狹小，橋梁下部結(jié)構(gòu)施工面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。人工挖孔灌注樁具有無(wú)需大型機(jī)械設(shè)備，施工機(jī)具簡(jiǎn)單，工程干擾小，專(zhuān)業(yè)技術(shù)要求低，施工面廣，各作業(yè)面可同時(shí)開(kāi)工有利于提高施工進(jìn)度等優(yōu)點(diǎn)[1]。因此，本工程橋梁樁基開(kāi)挖施工主要采用人工挖孔方式進(jìn)行，但遇堅(jiān)硬巖層時(shí)需要爆破技術(shù)，此時(shí)爆破必將對(duì)橋梁所處的堆積體斜坡變形造成不良影響。為分析不同開(kāi)挖深度下爆破對(duì)堆積體變形的影響情況，科學(xué)合理指導(dǎo)橋梁樁基開(kāi)挖施工，本文采用FLAC3D有限差分軟件，構(gòu)建三維計(jì)算模型，運(yùn)用軟件的動(dòng)力分析功能探究相關(guān)規(guī)律。

1 模型建立

以右幅2號(hào)橋墩為分析對(duì)象，建立上部堆積體處理后的計(jì)算模型，根據(jù)處理后的堆積體性質(zhì)，將上部巖土體考慮為均質(zhì)的堆積體。模型橫向取250 m，樁基為圓樁，樁徑為2.3 m，樁長(zhǎng)38 m，樁底距模型底面取2倍樁長(zhǎng)76 m。為了分析爆破施工在空間上的影響，將模型進(jìn)行三維拓展，取5倍樁徑厚11.5 m，使橋樁模型可以完整顯示在模型內(nèi)，以模擬橋樁挖孔的施工過(guò)程(計(jì)算模型見(jiàn)圖1)。

圖1 FLAC3D計(jì)算模型

為貼近施工現(xiàn)場(chǎng)情況，利用FLAC3D中的shell單元模擬樁孔開(kāi)挖后施加的護(hù)壁(圖2)。護(hù)壁選用混凝土材料特性進(jìn)行模擬，考慮到橋樁挖孔過(guò)程中，并不是一直采用爆破的方式進(jìn)行開(kāi)挖，為簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，樁孔開(kāi)挖分4段模擬，施加3次爆破荷載。

圖2 shell單元模擬護(hù)壁

本著科學(xué)合理與計(jì)算簡(jiǎn)便的原則，對(duì)模型邊界作如下約束：模型底面為全約束，頂端自由，前后施加X(jué)方向的水平約束，左右施加Y方向的水平約束。

2 計(jì)算假定條件

橋梁樁基開(kāi)挖受現(xiàn)場(chǎng)施工及地質(zhì)條件等不同因素的影響，情況往往較為復(fù)雜，計(jì)算中難以考慮所有影響因素。模擬計(jì)算時(shí)，本著取重舍輕的原則[2]，作如下假定：

1) 巖土體為滿足Mohr-Coulomb塑性理論的均質(zhì)各向同性體。

2) 樁內(nèi)護(hù)壁采用滿足胡克定律的彈性材料。

3) 一次爆破所有炸藥同時(shí)爆破，不存在時(shí)間微差。

4) 不考慮爆破過(guò)程中水的影響。

3 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及勘察設(shè)計(jì)資料，選取模型巖土體物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 巖土體參數(shù)

shell單元采用混凝土材料特性進(jìn)行模擬，計(jì)算參數(shù)取值為彈性模量28 GPa，容重22 kN/m3，泊松比0.23。

4 爆破荷載的輸入

爆破動(dòng)力荷載的確定是進(jìn)行爆破荷載下巖石邊坡動(dòng)力響應(yīng)研究的基礎(chǔ)，也是一大難點(diǎn)[3-4]。本工程采用半理論半經(jīng)驗(yàn)的爆破荷載壓力曲線進(jìn)行爆破振動(dòng)的數(shù)值模擬[5]。

根據(jù)FLAC3D軟件動(dòng)力計(jì)算的特點(diǎn)，需要把動(dòng)載荷以等效荷載的方式加載于模擬炮孔的有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之上。采用的爆破荷載計(jì)算公式如下：

P(t)=Pmf(t)

(1)

式中：Pm為脈沖峰值；f(t)通常取為指數(shù)型的時(shí)間滯后函數(shù)。

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)，獲取樁基開(kāi)挖過(guò)程中爆破的炸藥參數(shù)信息，見(jiàn)表2。

表2 炸藥參數(shù)

5 計(jì)算結(jié)果及分析

在考慮樁基施工中的爆破效應(yīng)前，先進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)的反演工作，也更真實(shí)地進(jìn)行工程模擬仿真。本次模擬只選擇一根樁進(jìn)行計(jì)算分析，爆破點(diǎn)位置分別距樁底30,16與6 m。限于文章篇幅，只選取以上3種情況下的計(jì)算剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D進(jìn)行分析。

從圖3至圖5可知，在現(xiàn)有爆破炸藥量及爆破作用點(diǎn)下，爆破作用僅在爆破點(diǎn)周?chē)皹犊籽厣疃妊由旆较蜃饔妹黠@；堆積體內(nèi)部未出現(xiàn)明顯的剪切變化帶，表明爆破作用下坡體整體穩(wěn)定性良好；隨著爆破深度的增加，坡體巖體物理力學(xué)性質(zhì)均有所增強(qiáng)，加上距坡面距離加大，爆破作用對(duì)堆積體坡面變形影響逐漸減小。

為直觀分析爆破對(duì)堆積體坡面變形的影響情況，采用fish語(yǔ)言提取圖1中布置的5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移速度變化值，繪制成圖6。從圖6可知，堆積體坡面在爆破荷載作用下速度增量較小(最大值約0.8 cm/s)，主要為堆積體自身變形，樁基爆破施工對(duì)堆積體坡面的速度影響不大。

圖3 距樁底30 m時(shí)爆破的剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖4 距樁底16 m時(shí)爆破的剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖5 距樁底6 m時(shí)爆破的剪切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果

6 結(jié) 論

本文為分析某公路橋梁樁基開(kāi)挖過(guò)程中爆破作用對(duì)臨近堆積體變形的影響情況，采用 FLAC3D有限差分軟件，結(jié)合工程情況構(gòu)建三維計(jì)算模型，依次計(jì)算獲得爆破點(diǎn)位置分別距樁底30，16與6 m條件下的堆積體變形情況云圖，得到如下結(jié)論：

1) 運(yùn)用FLAC3D模擬爆破效應(yīng)時(shí)，將爆破動(dòng)載荷轉(zhuǎn)換為等效荷載加載于模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)是行之有效的處理手段。

2) 在本工程現(xiàn)有爆破炸藥量及爆破作用點(diǎn)下，爆破作用僅在爆破點(diǎn)周?chē)皹犊籽厣疃妊由旆较蜃饔妹黠@，堆積體內(nèi)部未出現(xiàn)明顯的剪切變化帶，表明爆破作用下坡體整體穩(wěn)定性良好。

3) 隨著爆破深度的增加，坡體巖體物理力學(xué)性質(zhì)均有所增強(qiáng)，加上距坡面距離加大，爆破作用對(duì)堆積體坡面變形影響逐漸減小。