某路塹邊坡爆破開挖有限元數(shù)值模擬研究

豐叢杰 楊宇生 張致能 馬淑芝

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

邊坡穩(wěn)定的問題是許多山區(qū)高速公路工程所面臨的重要技術(shù)問題，作為一種影響邊坡穩(wěn)定的重要外在因素，得到了非常廣泛的關(guān)注[1]。爆破振動(dòng)對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面[2-5]：其一，爆破振動(dòng)荷載的反復(fù)擾動(dòng)作用；其二，當(dāng)爆破荷載達(dá)到一定值后，導(dǎo)致邊坡整體下滑力加大。因此，有必要對(duì)爆破振動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行綜合研究，將爆破振動(dòng)的影響降到最低。

本文采用有限元分析軟件midas GTS NX分析爆破荷載的施作機(jī)理和土體應(yīng)力場(chǎng)變化。通過工程實(shí)際建立了爆破荷載作用下路塹邊坡動(dòng)力響應(yīng)的有限元分析模型，對(duì)爆破開挖與邊坡穩(wěn)定關(guān)系進(jìn)行了仿真與分析。

1 爆破振動(dòng)數(shù)值模擬

111國(guó)道（湯河口-市界段）改建工程地處北京市懷柔區(qū)北部山區(qū)，采用midas GTS NX建立三維邊坡模型，模型X方向取130m，Y方向取100m，Z方向取45m，如圖1所示，土層材料選擇摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)。

圖1 邊坡模型示意圖

爆破振動(dòng)模擬需先確定其固有周期，因此，首先對(duì)模型進(jìn)行特征值分析。邊界條件通過曲面彈簧定義彈性邊界，彈簧系數(shù)根據(jù)道路設(shè)計(jì)規(guī)范[5]的地基反力系數(shù)計(jì)算，計(jì)算公式如下：

豎直地基反力系數(shù)：

水平地基反力系數(shù)：式中：Av和Ah分別是地基的豎直方向和水平方向面的截面積，E0是地基的彈性系數(shù)，a取1.0。

通過特征值分析得到，模型第1、2 振型的周期為2.1768s、2.0706s。

對(duì)于爆破荷載的動(dòng)力分析建立一般的邊界條件會(huì)由于波的反射作用而產(chǎn)生很大的誤差，在midas GTS NX中采用1972年Lysmer和Wass提議的粘性邊界[6-7]進(jìn)行施加。

在midas GTS NX中設(shè)置不同的爆破荷載到達(dá)時(shí)間，排間延期為50ms，共分十排進(jìn)行施爆。每一次爆破荷載的壓力上升時(shí)間大約為0.01s，共作用0.1s，分析計(jì)算時(shí)間取1s。爆破時(shí)程函數(shù)如下圖2所示。

圖2 爆破時(shí)程函數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 位移云圖

圖3 500ms時(shí)土體應(yīng)力云圖

圖4 不同時(shí)刻土體應(yīng)力云圖

在逐排延時(shí)爆破荷載的作用下，位移場(chǎng)從爆破面開始，逐步向整個(gè)邊坡模型擴(kuò)散，在500ms左右，

各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移值均達(dá)到峰值如圖3所示。

路塹邊坡的破壞過程是一個(gè)漸進(jìn)性破壞的過程，是由爆破作用面開始局部變形然后擴(kuò)展到整個(gè)模型范圍。

2.2 巖體中應(yīng)力分析

圖4可以看出，10ms時(shí)，邊坡兩側(cè)邊界附近產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，100ms內(nèi)，邊坡土體的剪應(yīng)力主要集中在坡面附近，因此在爆破開挖時(shí)應(yīng)密切關(guān)注坡腳處的破壞情況。100ms后，土體應(yīng)力逐漸開始在坡體內(nèi)部擴(kuò)散，并在500ms基本達(dá)到峰值。因此，在爆破開挖時(shí)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)坡頂?shù)乇硪员ＷC周圍環(huán)境的安全，必要時(shí)采取相應(yīng)減震措施。

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度分析

實(shí)測(cè)豎向振動(dòng)速度曲線如圖5所示，由圖中波動(dòng)數(shù)據(jù)看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度在荷載作用前半段波動(dòng)振幅有逐漸增大趨勢(shì)，并且波動(dòng)較為劇烈，之后迅速消散。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直振動(dòng)速度實(shí)測(cè)波形

通過模擬后處理提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向相對(duì)速度數(shù)據(jù)，繪制得出測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)4的垂直振動(dòng)速度時(shí)程曲線，如圖6所示。

圖6 四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向振動(dòng)速度模擬結(jié)果波形匯總

由數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比可以看出，二者數(shù)據(jù)具有相同的規(guī)律性，隨著離開爆源距離的增加，速度峰值會(huì)出現(xiàn)一定程度的衰減，并且監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度峰值在20～30cm/s，與實(shí)際監(jiān)測(cè)值較吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

基于111國(guó)道（湯河口～市界段）改建工程的路塹邊坡爆破開挖，采用midas GTS NX進(jìn)行數(shù)值模擬得出以下結(jié)論：

1） 采用三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，可以比較準(zhǔn)確地模擬路塹邊坡在爆破荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)；基于爆破振動(dòng)速度控制標(biāo)準(zhǔn)，能夠比較直觀地評(píng)價(jià)邊坡的動(dòng)力穩(wěn)定性。

2） 爆破荷載作用下，巖體內(nèi)的應(yīng)力、位移隨著時(shí)間是一個(gè)由爆破作用面開始局部變形然后擴(kuò)展到整個(gè)模型范圍漸進(jìn)性破壞的過程，并且，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)影響邊坡的穩(wěn)定性。

3） 路塹高陡邊坡巖體爆破，應(yīng)充分考慮開挖過程中的動(dòng)力穩(wěn)定性問題。采用精確延時(shí)起爆干擾減振爆破，可以有效地控制爆破作用及其危害。

4） 路塹邊坡爆破開挖，應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)條件以及邊坡開挖形式，采取相應(yīng)的技術(shù)措施，控制爆破開挖對(duì)邊坡的危害。

中國(guó)建材總院受邀參展第30屆中國(guó)國(guó)際玻璃工業(yè)展

5月22日-25日，由中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)主辦的“第三十屆中國(guó)國(guó)際玻璃工業(yè)技術(shù)展覽會(huì)”在北京·中國(guó)國(guó)際展覽中心（新館）開展。中國(guó)建材總院及所屬八家企業(yè)攜前沿創(chuàng)新成果亮相展會(huì)，得到國(guó)內(nèi)外行業(yè)同仁的高度關(guān)注。

作為玻璃行業(yè)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)，中國(guó)玻璃展得到了國(guó)家部委及行業(yè)協(xié)會(huì)的全力支持，規(guī)模冠絕亞洲，是世界兩大國(guó)際玻璃展覽會(huì)之一。本屆展覽會(huì)展出面積為106800m2，有中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、日本、韓國(guó)等28個(gè)國(guó)家913家（其中：國(guó)外260家）廠商參展，接待專業(yè)觀眾超過4萬名。

中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)會(huì)長(zhǎng)喬龍德，中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)第九屆理事會(huì)理事長(zhǎng)高瑞平，中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)晉占平以及國(guó)內(nèi)外玻璃行業(yè)友人等參觀了中國(guó)建材總院展臺(tái)，中國(guó)建材總院院長(zhǎng)姚燕、副院長(zhǎng)顏碧蘭、科技發(fā)展部部長(zhǎng)張忠倫等陪同參觀。