深基坑開挖爆破對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響及其機(jī)理研究

孫鵬昌，覃衛(wèi)民，陳 明，盧文波

(1.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.中國科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071)

爆破作為一種經(jīng)濟(jì)高效的巖體開挖方式，在深基坑開挖中得到了廣泛應(yīng)用，而爆破開挖過程中釋放的巨大能量往往導(dǎo)致深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)性能的弱化，影響深基坑的穩(wěn)定和安全。因此，科學(xué)評估深基坑開挖爆破對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響是十分必要的，從而可以針對具體深基坑工程設(shè)計合理的爆破開挖方案和參數(shù)，控制開挖爆破對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，確保深基坑工程安全順利施工。

針對爆破對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)影響的研究受到了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。許多學(xué)者采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)的方法研究爆破對預(yù)應(yīng)力錨索的影響：李寧等[1]對不同工況下預(yù)應(yīng)力錨索的爆破動力響應(yīng)影響進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)研究，得出了有關(guān)單錨、群錨的動力響應(yīng)規(guī)律；陸遐齡[2]結(jié)合現(xiàn)場爆破試驗(yàn)，采用加速度、動應(yīng)變、動應(yīng)力等多種測試方法追蹤了爆破動荷載對錨固設(shè)施的作用過程及其影響；蘇華友等[3]分析了多點(diǎn)位移計實(shí)測曲線，得到了邊坡下部巖石開挖爆破振動效應(yīng)與邊坡上部預(yù)應(yīng)力錨索拉固作用之間的關(guān)系；吳忠誠等[4]通過內(nèi)力和變形的觀測與分析，研究了爆破振動荷載下預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘支護(hù)體系力學(xué)性能變化對基坑安全的作用規(guī)律。關(guān)于爆破對深基坑支護(hù)樁影響的相關(guān)研究則相對較少，賈永勝等[5]對基坑爆破開挖時對鄰近鉆孔灌注樁的保護(hù)效果進(jìn)行了數(shù)值計算分析。爆破對深基坑樁錨支護(hù)體系影響的相關(guān)研究則更少，劉燕等[6]在爆破振動作用下支護(hù)結(jié)構(gòu)的分析中引入一維彈塑性桿理論，建立了振動力作用下的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)模型。實(shí)際上，研究地震作用對深基坑樁錨支護(hù)體系的影響較為普遍[7-10]，但地震和爆破振動的荷載機(jī)制和傳播規(guī)律差異較大，前者僅可作為研究參考。綜上所述，現(xiàn)有的關(guān)于爆破對深基坑樁錨支護(hù)體系影響的相關(guān)研究較少，且更多的是從變形和應(yīng)力角度闡述，而從損傷角度闡述爆破對深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)影響的研究較少。

本文依托廈門機(jī)場路一期工程分離式車行隧道深基坑爆破開挖工程，基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)建立樁錨支護(hù)深基坑的數(shù)值計算模型，分析研究了深基坑開挖爆破作用下，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的爆破振動響應(yīng)規(guī)律，支護(hù)樁的塑性損傷分布以及預(yù)應(yīng)力錨索的拉力變化規(guī)律，并結(jié)合結(jié)構(gòu)動力學(xué)和波動力學(xué)理論分析了深基坑開挖爆破對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)影響的作用機(jī)理。研究結(jié)果可為樁錨支護(hù)深基坑開挖爆破設(shè)計提供參考。

1 工程概況

廈門機(jī)場路一期工程蓮前西路下穿道及蓮前—梧村山隧道為分離式車行隧道，總體呈SN走向，為雙向六車道特長隧道，單洞凈寬13.5 m，凈高5 m?；覼K 7+018～ZK 7+130段最大開挖深度約25 m，寬約48 m。基坑底板以上地層以全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為主，局部夾較多弱～微風(fēng)化殘余體，為f3斷裂帶通過地段；兩側(cè)過渡帶則以大塊狀弱～微風(fēng)化花崗巖為主，夾較多強(qiáng)風(fēng)化夾層或風(fēng)化囊。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計剖面示意圖，如圖1所示。由于放坡距離不夠，采用“支護(hù)樁+預(yù)應(yīng)力錨索”作為基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)樁直徑為120 cm，樁間距為2 m；錨索類型采用兩級錨固拉力分散型，共有兩個錨索單元組合成復(fù)合錨固體系，錨索為高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，極限強(qiáng)度為1 860 MPa，共設(shè)置5排錨索，上面2排為ΦS15-6，下面3排為ΦS15-8的錨索，錨固段長10 m，傾角20°，注漿材料為摻入膨脹劑的M30水泥砂漿，錨索豎向間距為3 m。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計剖面示意圖

基坑段沿線分布有較多建筑物，爆破施工環(huán)境較為復(fù)雜，爆區(qū)與鄰近建筑物的最小距離在10 m以內(nèi)，為了保證爆區(qū)周邊各建筑物的安全，盡量降低爆破對周邊居民生活和工業(yè)生產(chǎn)的影響，距離建筑物50 m以內(nèi)的基坑段，采用淺孔控制爆破開挖，爆破孔徑90 mm，孔深小于5 m，孔間距0.9～1.5 m，且預(yù)留1～3 m厚的巖體作為保護(hù)層。

2 數(shù)值模型和驗(yàn)證

2.1 基坑模型

基坑開挖段長度近130 m，采用相同的開挖程序和支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，因此選擇基坑開挖段的典型橫剖面進(jìn)行數(shù)值模擬，基于典型剖面建立了基坑的1/2對稱模型，如圖2所示。模型整體尺寸為80 m×60 m，其中亞黏土層厚6 m，全風(fēng)化花崗巖層厚4 m，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層厚18 m；基坑開挖寬度40 m，對稱模型中為20 m，基坑開挖深度18 m；支護(hù)樁直徑1.2 m，樁長32 m；預(yù)應(yīng)力錨索5排，相鄰預(yù)應(yīng)力錨索在豎直方向上間隔3 m，水平傾角20°，錨固段長度18 m，自由段長度11 m。在ABAQUS軟件中建立對應(yīng)的基坑有限元模型，巖土體及支護(hù)樁采用實(shí)體單元(C3D8R)模擬，預(yù)應(yīng)力錨索采用Truss單元(T3D2)模擬，整個模型共有8 218個單元、16 917個節(jié)點(diǎn)。爆破動力加載時，模型底部及左側(cè)采用透射邊界，模型右側(cè)采用對稱約束邊界；靜力開挖時，模型底部及左側(cè)采用法向約束邊界，模型右側(cè)采用對稱約束邊界。

圖2 基坑模型

2.2 巖土體和結(jié)構(gòu)參數(shù)

模型中亞黏土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖采用Mohr-Column彈塑性本構(gòu)模型，預(yù)應(yīng)力錨索采用線彈性本構(gòu)模型，具體參數(shù)，如表1所示。預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力自上至下依次為：第1排預(yù)應(yīng)力為350 kN；第2排預(yù)應(yīng)力為350 kN；第3排預(yù)應(yīng)力為200 kN；第4排預(yù)應(yīng)力為200 kN；第5排預(yù)應(yīng)力為350 kN。支護(hù)樁混凝土標(biāo)號為C30，其本構(gòu)模型采用混凝土塑性損傷(concrete damaged plasticity，CDP)模型，該模型重點(diǎn)關(guān)注了材料拉、壓性能的差異，用于模擬混凝土等準(zhǔn)脆性材料在反復(fù)荷載下由損傷引起的材料退化，主要表現(xiàn)在抗拉、壓屈服強(qiáng)度的差異。支護(hù)樁CDP模型的具體參數(shù)詳見參考文獻(xiàn)[11]。

表1 巖土體及錨索物理力學(xué)參數(shù)表

2.3 模擬方法

基坑巖土體分層開挖，采用ABAQUS中Interaction模塊的*Model Change實(shí)現(xiàn)，土層分3步開挖，每步開挖2 m，巖層分4層開挖，每層開挖3 m，包括非保護(hù)層巖體和保護(hù)層巖體兩步開挖，巖土體分層開挖示意圖如圖3所示。巖土體開挖至每一排預(yù)應(yīng)力錨索的錨頭位置出露后，即施加預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，錨索支護(hù)同樣采用*Model Change實(shí)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力錨索嵌入在巖土體中，其預(yù)應(yīng)力采用降溫法進(jìn)行施加，降溫法施加預(yù)應(yīng)力(激活錨索后)的溫度=-力/(膨脹系數(shù)×彈?！龄摻g線面積)。

圖3 巖土體分層開挖及爆破加載示意圖

考慮對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)影響最大的爆破施工工況，即輪廓面為保護(hù)層巖體邊界的光面爆破。爆破加載采用Lu等[12]提出的等效彈性邊界方法，如圖4所示，單個炮孔壁上作用有壓力P0，炮孔半徑為r0，根據(jù)力和力矩平衡，可以將如圖4(a)所示作用在炮孔壁上的壓力P0，等效施加在如圖4(b)所示的炮孔連心線上。

圖4 爆破荷載等效施加示意圖

等效爆炸荷載采用如圖5所示的三角形荷載形式，等效荷載峰值計算式為

圖5 三角形等效爆炸荷載

(1)

式中：ρ，D分別為炸藥的密度和爆轟速度；γ為等熵指數(shù)；a為裝藥直徑；b為炮孔直徑；k為考慮空氣沖擊波與孔壁作用的放大系數(shù)，一般取8～11；Pk為炸藥的臨界壓力，一般中等威力炸藥取為200 MPa；v為絕熱指數(shù)；S為相鄰兩炮孔之間的距離；α為軸向裝藥比。

對實(shí)際的輪廓爆破做了簡化處理，等效爆炸荷載施加在保護(hù)層巖體的邊界上，見圖3?；娱_挖爆破實(shí)際孔徑為90 mm，炮孔間距為1.3 m，所用炸藥為巖石乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，計算得到的三角形等效爆炸荷載峰值約為2.03 MPa，爆破荷載壓力上升時間tu為1 ms，正壓作用時間td為6 ms。

2.4 模型驗(yàn)證

選擇與爆區(qū)水平相距約15 m，高差約9 m的地表爆破振動監(jiān)測點(diǎn)的三次監(jiān)測數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模型計算結(jié)果進(jìn)行對比，以驗(yàn)證數(shù)值模型計算結(jié)果的可靠性?，F(xiàn)場地表監(jiān)測點(diǎn)與數(shù)值模型對應(yīng)測點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度(peak particle velocity,PPV)對比結(jié)果，如表2所示，爆破振動波形對比結(jié)果，如圖6所示。

表2 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬PPV對比

圖6 爆破振動波形對比圖

由表2可知，數(shù)值模擬計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相比，PPV誤差率最高為6.2%，小于10%。由圖6可知，數(shù)值模擬計算得到的爆破振動波形與實(shí)測爆破振動波形幅值相當(dāng)，變化趨勢和衰減速度基本吻合。由于數(shù)值模型未考慮巖土體可能存在的節(jié)理裂隙對爆破地震波傳播的影響，實(shí)測波形峰值出現(xiàn)時間滯后于數(shù)值模擬計算得到的波形出現(xiàn)峰值的時間，兩者峰值振動速度稍有差別。綜上所述，數(shù)值模型的選取及參數(shù)設(shè)置較為合理，反映基坑開挖爆破對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響具有一定的可靠性。

3 爆破對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

3.1 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)爆破振動速度

樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平向和豎直向爆破振動速度差異較大，水平向的爆破振動速度較豎直向的爆破振動速度大，這與現(xiàn)場實(shí)測規(guī)律一致[13]，后續(xù)分析以水平向振動速度為主。每次爆破加載下支護(hù)樁樁身不同位置處的水平向PPV分布情況，如圖7所示。圖7中的深度以地表為參照，向下記為負(fù)值。表3列出了每次爆破加載下預(yù)應(yīng)力錨索錨頭、自由段與錨固段分隔點(diǎn)以及導(dǎo)向帽端點(diǎn)三處的水平向PPV值。

表3 預(yù)應(yīng)力錨索不同位置處水平向PPV

由圖7可知，樁身不同位置處的爆破振動速度存在差異，樁身爆破振動速度分布總體上呈現(xiàn)一定的規(guī)律。距離爆區(qū)最近的樁身位置僅為2 m，即保護(hù)層巖體的厚度，該處爆破振動速度最大，超過了30 cm/s，如第1次爆破加載位置為地表以下6～9 m內(nèi)的保護(hù)層巖體邊界，而相同深度樁身位置的PPV最大；隨著樁身位置到爆區(qū)距離增加，爆破振動速度逐漸減小，表現(xiàn)為樁身爆破振動速度從爆破加載深度處向上下兩側(cè)遞減；地表以下2 m 至地表這一段樁身的爆破振動存在一定的放大效應(yīng)，其中前三次爆破樁頂PPV均超過了10 cm/s。根據(jù)上述分析，基坑開挖爆破對緊鄰爆區(qū)的樁身以及樁頂產(chǎn)生很大的影響，需著重監(jiān)測樁身這些位置的爆破振動速度。

圖7 樁身不同位置處水平向PPV

由表3可知，預(yù)應(yīng)力錨索不同位置處的爆破振動速度并不存在明顯的差異，錨頭、自由段與錨固段分隔點(diǎn)以及導(dǎo)向帽端點(diǎn)三處的水平向PPV值相當(dāng)，最大值小于17 cm/s，遠(yuǎn)小于樁身最大PPV；分隔點(diǎn)以及導(dǎo)向帽端點(diǎn)處的爆破振動速度并未因距離爆區(qū)較遠(yuǎn)而明顯減小，相反有時分隔點(diǎn)和導(dǎo)向帽端點(diǎn)處的PPV甚至稍大。根據(jù)上述分析，基坑開挖爆破對預(yù)應(yīng)力錨索全長段均產(chǎn)生較大影響，除錨頭外，錨固段的爆破振動也需引起關(guān)注。

3.2 支護(hù)樁塑性損傷分布

爆破加載和巖土體開挖均可能對支護(hù)樁塑性損傷的產(chǎn)生和發(fā)展產(chǎn)生一定的影響，這里僅考慮爆破加載的作用。爆破加載對支護(hù)樁受拉損傷分布的影響，如圖8所示，僅第2次爆破加載使支護(hù)樁新增受拉損傷，受拉損傷因子超過0.98，受拉損傷位置為樁頂以下10～11 m，與第2次爆破加載位置(地表以下10～12 m的保護(hù)層巖體邊界)相對應(yīng)；其他爆破加載未使支護(hù)樁新增受拉損傷區(qū)域。此外，第2次爆破加載使支護(hù)樁原有樁頂以下28 m左右位置的受拉損傷進(jìn)一步加劇。

圖8 支護(hù)樁受拉損傷分布

爆破加載對支護(hù)樁受壓損傷分布的影響，如圖9所示。由圖9可知，與支護(hù)樁受拉損傷因子相比，支護(hù)樁的受壓損傷程度較輕，受壓損傷因子小于0.01，僅為爆破擾動，第2次爆破加載使支護(hù)樁原有樁頂以下28 m左右位置的受壓擾動程度加深。

圖9 支護(hù)樁受壓損傷分布

結(jié)合上述分析，支護(hù)樁本身的抗壓性能遠(yuǎn)強(qiáng)于其抗拉性能，爆破加載在一定的條件下會使支護(hù)樁產(chǎn)生受拉損傷，并且會加劇支護(hù)樁原有損傷的進(jìn)一步發(fā)展。

3.3 預(yù)應(yīng)力錨索拉力變化

預(yù)應(yīng)力錨索的拉力在每一次爆破加載后的變化情況，如表4所示。根據(jù)表4分析可知，第1排預(yù)應(yīng)力錨索的拉力在每一次爆破加載后均會有一定程度的降低，其中第2次爆破加載后，其拉力損失最大，降低了12.85%；第2排預(yù)應(yīng)力錨索的拉力在第4次爆破加載后有小幅的損失，除此之外，其余預(yù)應(yīng)力錨索的拉力在爆破加載后均表現(xiàn)一定程度的增加?？傮w上看，爆破加載后，不同排預(yù)應(yīng)力錨索的拉力之間呈現(xiàn)此消彼漲的規(guī)律，表現(xiàn)為下排預(yù)應(yīng)力錨索的拉力增加較快，逐步分擔(dān)更多的拉力，而上排預(yù)應(yīng)力錨索的拉力增加較慢甚至出現(xiàn)降低的情況。根據(jù)上述分析，表明爆破加載使不同排預(yù)應(yīng)力錨索的拉力產(chǎn)生重新調(diào)整。

表4 預(yù)應(yīng)力錨索拉力變化率

4 爆破對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理分析

首先分析爆破加載對支護(hù)樁損傷分布的影響機(jī)理。根據(jù)圖7可知，四次爆破加載均使支護(hù)樁對應(yīng)位置的PPV超過30 cm/s，參照相關(guān)規(guī)程和規(guī)范中新澆混凝土的爆破振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)，最大安全允許質(zhì)點(diǎn)振動速度為12 cm/s[14-15]?？紤]到支護(hù)樁距離爆區(qū)僅2 m，爆源近區(qū)爆破振動的頻率很高，遠(yuǎn)高于規(guī)程和規(guī)范中的主頻最大分類值50 Hz，同樣遠(yuǎn)高于支護(hù)樁的自振頻率，因此在爆破振動幅值超過安全允許質(zhì)點(diǎn)振動速度的條件下，支護(hù)樁結(jié)構(gòu)不一定產(chǎn)生損傷，Dowding[16]在其著作中詳述了這一現(xiàn)象。

對于僅有第2次爆破加載誘發(fā)支護(hù)樁對應(yīng)位置的受拉損傷，采用波動力學(xué)理論進(jìn)行闡述。以分段復(fù)合桿為例，如圖10所示，Achenbach等[17]通過分析和試驗(yàn)指出：在分段組成的桿中，在與短時壓縮作用端相鄰的第1個界面可能發(fā)生拉伸破壞，拉伸破壞發(fā)生在波阻抗很不同的各段交替時，尤其是在第1段的波阻抗比較小的時候。將保護(hù)層巖體看作第1段桿，支護(hù)樁作為第2段桿，而全風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的波阻抗均較小，因此在全/強(qiáng)風(fēng)化花崗巖與支護(hù)樁交界面易發(fā)生拉伸破壞。此外，第2次爆破加載位置恰好位于全、強(qiáng)風(fēng)化巖層的過渡區(qū)，一方面全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的波阻抗存在一定差異，使拉伸破壞更易發(fā)生；另一方面，巖層層面與支護(hù)樁接觸位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。綜上所述，第2次爆破加載使與全、強(qiáng)風(fēng)化巖層過渡區(qū)對應(yīng)的支護(hù)樁樁身位置產(chǎn)生受拉損傷。

圖10 分段復(fù)合桿模型

支護(hù)樁和預(yù)應(yīng)力錨索作為支護(hù)體系的組成部分，兩者為相互作用的一個整體，此外，由于支護(hù)樁和預(yù)應(yīng)力錨索組成的支護(hù)體系位于巖土體中，因此在分析爆破加載對支護(hù)樁以及預(yù)應(yīng)力錨索的性能影響時，應(yīng)將巖土體的應(yīng)力狀態(tài)考慮在內(nèi)。爆破荷載作用前后典型的巖土體水平應(yīng)力狀態(tài)變化情況，如圖11所示。巖土體豎向應(yīng)力在爆破加載前后變化不大，此處未給出。

圖11 水平應(yīng)力等值線圖

由圖11可知，爆破加載作用使巖土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生擾動，其中第2次爆破加載引發(fā)的巖土體應(yīng)力狀態(tài)擾動最為顯著，其余爆破加載引發(fā)的巖土體應(yīng)力狀態(tài)變擾動較小，爆破加載對下部巖土體水平應(yīng)力的擾動強(qiáng)于上部巖土體，且使巖土體水平向應(yīng)力減小。第1次爆破加載使巖土體水平應(yīng)力減小，使支護(hù)樁受到的巖土體側(cè)壓力降低，第1排預(yù)應(yīng)力錨索拉力釋放；后續(xù)爆破加載仍然使巖土體水平應(yīng)力減小，使支護(hù)樁受到的巖土體側(cè)壓力降低，但作用在支護(hù)樁上的巖土體側(cè)壓力逐漸向下部比例增大的趨勢發(fā)展，使下排預(yù)應(yīng)力錨索的拉力增加較快，逐步分擔(dān)更多的拉力，而上排預(yù)應(yīng)力錨索的拉力增加較慢甚至出現(xiàn)降低的情況。

綜上所述，爆破加載對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)性能的影響主要是爆破地震波與支護(hù)樁及巖土體相互作用的綜合結(jié)果。

5 結(jié) 論

以樁錨支護(hù)的深基坑爆破開挖為例，通過數(shù)值計算研究了爆破加載對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響及其機(jī)理，得到如下主要結(jié)論：

(1)深基坑開挖爆破使樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的爆破振動。與爆區(qū)對應(yīng)的樁身爆破振動速度遠(yuǎn)大于可參照的爆破振動安全控制標(biāo)準(zhǔn)，且樁頂爆破振動存在放大效應(yīng)；預(yù)應(yīng)力錨索不同位置處的爆破振動速度遠(yuǎn)小于樁身，爆破對預(yù)應(yīng)力錨索全長段均產(chǎn)生較大影響。

(2)深基坑開挖爆破可誘發(fā)支護(hù)樁損傷的產(chǎn)生和發(fā)展。爆破加載作用在波阻抗較小的巖土體邊界上，易使巖土體與支護(hù)樁的交界面產(chǎn)生受拉損傷，在有巖層分界面處產(chǎn)生損傷的風(fēng)險更大。

(3)深基坑開挖爆破使預(yù)應(yīng)力錨索拉力之間重新調(diào)整分配。爆破加載通過擾動巖土體應(yīng)力使巖土體水平應(yīng)力降低，使不同排預(yù)應(yīng)力錨索的拉力產(chǎn)生重新調(diào)整。

(4)深基坑開挖爆破對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，主要是爆破地震波與支護(hù)樁以及巖土體相互作用的綜合結(jié)果。