燃?xì)夤艿辣_擊下鄰近基坑動(dòng)力響應(yīng)

孔 進(jìn)，郝 鑫

(江蘇煤炭地質(zhì)物測隊(duì)長江檢測，江蘇 南京 210049)

0 引言

隨著我國地下空間的不斷開發(fā)建設(shè)，基坑開挖過程中常常伴隨著其他偶然荷載對基坑結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。燃?xì)夤艿辣ㄊ录r(shí)有發(fā)生[1]，爆炸沖擊波對鄰近建筑的影響不可忽視[2]。因此，燃?xì)夤艿辣▽︵徑拥膭?dòng)力響應(yīng)研究工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

燃?xì)夤艿酪蚴芡饬蚬芫€老化等因素，可能發(fā)生開裂導(dǎo)致燃?xì)庑孤?。?dāng)燃?xì)庠诳諝庵械臐舛冗_(dá)到一定范圍，混合氣體在一定條件下就會(huì)發(fā)生爆炸[3-4]。燃?xì)獗▽Φ厣辖ㄖ锏难芯抗ぷ鬏^多[5-6]，針對基坑受周圍環(huán)境擾動(dòng)的問題，已有部分學(xué)者對此開展了研究工作。趙晶[7]建立了車輛荷載動(dòng)力分析模型，分析了車輛荷載對基坑結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，給出了有效建議；青島理工大學(xué)的王陸陽等[8]基于FLAC3D有限元軟件，分析了盾構(gòu)下穿對基坑結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)；國防大學(xué)政治學(xué)院的徐錦生等[9]基于PLAXIS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同地鐵車站參數(shù)對新建基坑的變形狀況。

上述研究工作主要集中于車輛荷載、地鐵震動(dòng)等低頻震動(dòng)對鄰近基坑的影響。對于燃?xì)夤艿赖雀哳l震動(dòng)對鄰近基坑的動(dòng)力響應(yīng)分析鮮有發(fā)表。因此，針對這一問題，本文基于有限元分析軟件LS-DYNA，建立燃?xì)獗▌?dòng)力響應(yīng)有限元模型，開展燃?xì)夤艿辣▽︵徑佑绊懙难芯抗ぷ?，為基坑在燃?xì)獗ê奢d作用下的安全評(píng)估和防護(hù)措施的制定提供建議。

1 有限元模型

1.1 數(shù)值模型建立

為了研究鄰近燃?xì)夤艿辣▽雍偷剡B墻的影響，本文基于有限元軟件LS-DYNA，建立基坑-土-爆炸源耦合的有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。

基坑寬20 m，深18 m；地連墻深35 m，墻厚1 m。基坑設(shè)有四道支撐，第一、二道為混凝土支撐，梁高1.2 m，第三、四道為鋼管支撐，管徑0.8 m。各道支撐距離坑頂高度分別為1.4 m,5.5 m,9 m,14 m?？紤]到爆炸沖擊波的反射效應(yīng)，為減少邊界的反射，建立了合理的場地尺寸[10]，場地的寬度和深度分別為基坑結(jié)構(gòu)尺寸的21倍和10倍，即場地尺寸為420 m×180 m。

本文計(jì)算數(shù)值模型尺寸見圖1。

1.2 材料本構(gòu)參數(shù)

1.2.1 鋼管材料參數(shù)

鋼管材料采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC隨動(dòng)強(qiáng)化模型進(jìn)行描述，模型材料考慮了爆炸沖擊波造成的應(yīng)變率效應(yīng)。

材料參數(shù)如表1所示。

表1 鋼管材料參數(shù)

1.2.2 鋼筋混凝土材料參數(shù)

混凝土采用強(qiáng)度等級(jí)為C35的商拌混凝土，采用*MAT_RHT材料模型，材料參數(shù)參考文獻(xiàn)[11]。該模型將鋼筋截面強(qiáng)度等效為混凝土強(qiáng)度?；炷敛糠植牧蠀?shù)如表2所示。

表2 混凝土材料參數(shù)

1.2.3 土材料參數(shù)

土材料模型選用*MAT_FHWA_SOIL材料模型，材料參數(shù)選自文獻(xiàn)[12]。

1.2.4 可燃?xì)怏w材料參數(shù)

天然氣的爆炸極限約為5%～15%，其中最劇烈的爆炸濃度約為9.5%。因此，按照9.5%的濃度計(jì)算泄漏天然氣和空氣的混合云團(tuán)的體積，爆炸源半徑的計(jì)算可以按照將爆炸源等效于體積相等的半球形。

可燃?xì)怏w為甲烷-空氣混合氣體，將燃?xì)獗ê奢d等效為相同爆炸能量的TNT炸藥。其本構(gòu)模型采用LS-DYNA中的*MAT_NULL，狀態(tài)方程為*EOS_LINEAR_POLYMNOMIAL。狀態(tài)方程計(jì)算公式見式(1)：

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+E(C4+C5μ+C6μ2)

(1)

其中，P為空氣壓力；E為初始體積能。EOS的系數(shù)設(shè)為C0=C1=C2=C3=C6=0,C4=C5=0.4。

炸藥通常用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和*EOS_JWL狀態(tài)方程來描述。其壓力計(jì)算如式(2)所示。

(2)

其中，P為炸藥的爆轟壓力;V,E0分別為相對體積和單位質(zhì)量的初始內(nèi)能；A，B，R1，R2均為材料參數(shù)，分別為373.77 GPa，3.747 1 GPa，4.15 GPa和0.95 GPa。對于TNT炸藥，E為4 905 kJ/kg；ω為0.35 kJ/kg。

1.3 加載方式

本文將燃?xì)獗_擊波等效為相同爆炸峰值的TNT炸藥，采用ALE流固耦合算法進(jìn)行求解計(jì)算。結(jié)構(gòu)部分網(wǎng)格尺寸為0.01 m，土體部分局部加密，其他部分網(wǎng)格尺寸為2 m，空氣網(wǎng)格尺寸為0.005 m。為簡化計(jì)算模型，模型不考慮重力，基坑和土體之間采用共節(jié)點(diǎn)接觸。有限元模型如圖2所示。

1.4 觀測點(diǎn)設(shè)置

基坑兩側(cè)的相對位移和絕對位移是基坑監(jiān)測的重要考量因素。因此，在內(nèi)支撐兩端及基坑底部中心點(diǎn)位置設(shè)置了12個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。觀測點(diǎn)設(shè)置如圖3所示。

2 工況設(shè)計(jì)

考慮到爆炸發(fā)生位置和爆炸當(dāng)量的不確定性，設(shè)計(jì)了以下9組工況。燃?xì)獗ㄖ行母叨葹榛由疃鹊?/2，水平位置分別為距離地連墻10 m，20 m，30 m處，TNT當(dāng)量分別為20 kg，30 kg，40 kg。由不同水平距離和爆炸當(dāng)量組成的工況如表3所示。

表3 燃?xì)獗ㄔO(shè)置工況表

3 結(jié)果分析

本節(jié)分別從爆炸當(dāng)量和比例爆距兩個(gè)影響因素入手，討論分析燃?xì)獗ê奢d作用下的基坑動(dòng)力響應(yīng)。限篇幅所限，僅給出工況C1下基坑兩側(cè)觀測地點(diǎn)水平位移時(shí)程曲線圖4和C1,C4,C7位移變形云圖5。

從圖4中可以得知，當(dāng)爆炸沖擊波作用撞擊基坑右側(cè)地連墻時(shí)，地連墻部位開始產(chǎn)生變形。觀察圖4(a)和圖4(b)，在小當(dāng)量炸藥遠(yuǎn)距離爆炸沖擊作用下，基坑頂部水平瞬時(shí)位移高達(dá)70 mm，但隨著波陣面的遠(yuǎn)離，地連墻的水平位移逐漸恢復(fù)。由圖5可知，地連墻已經(jīng)產(chǎn)生了塑性變形，其在內(nèi)撐部位及根部產(chǎn)生了塑性鉸。左側(cè)變形時(shí)間略晚于右側(cè)。其他爆炸工況下地連墻變形趨勢與工況C1大致相同。

如圖6所示為相同當(dāng)量的爆炸荷載作用下基坑左側(cè)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)隨基坑深度變化的水平位移值。從圖6中可以看出，在相同爆炸當(dāng)量下，基坑左側(cè)水平位移呈現(xiàn)相同的變化趨勢，即隨著比例爆距的減小，地連墻的動(dòng)力響應(yīng)就愈發(fā)強(qiáng)烈。與上部其他三個(gè)內(nèi)支撐處的變形不同，在第四道內(nèi)支撐處產(chǎn)生的塑性變形尤為明顯。

當(dāng)爆炸距離為10 m時(shí)，即工況C1，C4，C7，基坑左側(cè)地連墻的最大位移分別為9 mm，26 mm，32 mm，C4和C7分別比C1增大188%和255%。隨著燃?xì)獗ó?dāng)量的增大，其變形程度逐漸增大。

如圖7所示為相同當(dāng)量的爆炸荷載作用下基坑右側(cè)各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)隨基坑深度變化的水平位移值。從圖7中可以看出，在相同爆炸當(dāng)量下，基坑右側(cè)水平位移呈現(xiàn)相同的變化趨勢，即隨著比例爆距的減小，地連墻的動(dòng)力響應(yīng)就愈發(fā)強(qiáng)烈。與基坑左側(cè)的變形不同，基底處的變形最大，說明基坑右側(cè)的土體在爆炸沖擊波的作用下發(fā)生了很大的變形。土體的變形使得該處的地連墻發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，最大變形處的水平位移值達(dá)到56 mm。

當(dāng)爆炸距離為10 m時(shí)，即工況C1，C4，C7，基坑右側(cè)地連墻的最大位移分別為23 mm，44 mm，56 mm，C4和C7分別比C1增大91%和143%。隨著燃?xì)獗ó?dāng)量的增大，其變形程度也逐漸增大。

4 結(jié)論

本文基于非線性有限元分析軟件LS-DYNA，采用ALE流固耦合算法，對燃?xì)獗ê奢d作用下鄰近基坑動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，得出以下幾個(gè)結(jié)論：

1)燃?xì)獗_擊對基坑的地連墻水平變形影響顯著，對爆炸沖擊一側(cè)的土體造成很大程度的變形，造成這一側(cè)地連墻產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形。

2)基坑在爆炸荷載作用下，兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形的部位不盡相同，靠近爆炸沖擊波的一側(cè)最大變形處在地連墻底部，遠(yuǎn)離爆炸沖擊波的一側(cè)最大變形處為第四內(nèi)支撐處。因此，當(dāng)基坑開挖考慮鄰近燃?xì)獗ㄗ饔脮r(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注基底和地連墻連接處以及第四道內(nèi)支撐與地連墻連接處的加固措施。

3)有限元軟件LS-DYNA可以有效模擬燃?xì)獗ê奢d作用下鄰近基坑的動(dòng)力響應(yīng)，為以后此類研究工作提供更多幫助。