爆破振動作用下鐵路路基動力響應規律研究*

葉海旺 余 波 雷 濤 李 寧 王其洲 龍 梅

(1.武漢理工大學資源與環境工程學院；2.礦物資源加工與環境湖北省重點實驗室；3.武漢理工大學圖書館)

隨著我國經濟建設的迅速發展和基建投入的增加,作為巖土工程施工中經濟有效的重要手段，工程爆破技術不斷被運用到這些基礎設施建設當中[1]。近年來，鄰近鐵路路基的爆破開挖時有發生，由此產生的爆破振動對鐵路路基壩安全性的影響一直受到鐵道及相關部門的關注。但由于爆破振動的復雜性和傳播介質的多樣性，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的標準。在進行工程爆破時產生的地震是一種十分常見的動力學現象，爆破地震波通過周邊介質向四周傳播，從而引起周邊巖土介質的振動，遇到鐵路路基壩時會與其發生相互作用，當振動達到足夠強度時將直接威脅到路基壩的穩定性和安全性。

目前，對鐵路路基動力學研究主要有理論分析、數值模擬及試驗。在壩體動力響應的研究方面，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力響應的特性；黃劍鋒等[3]利用ABAQUS軟件建立等效線性粘彈性模型進行地震響應分析,重點分析壩體的反應加速度、動位移、動剪應力、動剪應變和殘余變形等動力反應情況；胡旬等[4]采用潰壩風險分析、滲流模擬、穩定性分析等多種方法研究在爆破震動波作用下的尾礦壩穩定性問題，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，大多學者研究鐵路路基的動力響應分析均從列車荷載出發，孫常新等[5]采用有限元分析方法計算分析了鐵路路基的動力響應(位移)在列車荷載作用下的分布規律，分析了影響路基位移值的各種因素，對路基動力響應(位移)隨車速變化的“雙峰現象”成因進行了分析。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力響應進行深入的研究，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力響應進行研究。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，驗證了該人工邊界單元在無砟軌道高速鐵路路基動力響應分析方面的有效性。然而對爆破作用下鐵路路基壩動力響應方面研究較少。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、現場試驗和數值模擬相結合的方法，對爆破地震波作用下的鐵路路基壩動力響應進行分析，以期提出安全合理地控制標準。

1 工程概況

麗水市水閣至臘口公路工程第三合同段起點位于大梁山隧道中部ZK8+434(YK8+417)處，線路全長約3.825 km。采用一級公路標準，設計速度為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行爆破施工，其中K10+617.259～K10+891段邊坡開挖高度達49.2 m，最高邊坡為五級邊坡，坡體主要由強風化、中風化、微風化凝灰質粉砂巖組成。強風化巖為碎石狀，鑲嵌碎裂結構，厚2.5～3.0 m；中風化巖為裂隙塊狀結構，屬較堅硬巖，巖石風化較弱。中心最大開挖高度約51.3 m，邊坡最大開挖高度達49.2 m左右，每層爆破開挖高度為10 m。爆破區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系見圖1。

圖1 公路路基挖方與鐵路平面位置關系示意(單位：m)

2 現場爆破測試

在鐵路路基壩坡頂布置監測點，采用Blast-UM爆破振動測試儀，監測數據見表1。

表1 部分現場實測數據

從表1可以看出，由于爆破區域距離鐵路路基較遠，爆破震動通過復雜的地質條件傳播到路基，引起鐵路路基震動，頻率為10～20 Hz，所測數據可為爆破震動下鐵路路基動力響應提供數據參考。

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，應根據其類型、特征、性能、適應范圍和應用結構形式、應用環境等確定[8]。依據該地區鐵路路基壩實際情況，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。每層根據不同配比進行鋪設，其材料參數見表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泊松比內聚力/kPa內摩擦角/(°)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-庫侖準則。對該模型進行網格劃分，共有290 072個節點，28 800個單元，鐵路路基壩有限元模型見圖3。

圖3 鐵路路基壩模型

3.2 模態分析

在受到外界激勵荷載時，結構運動狀態取決于其物理特性，包括質量分布、彈性性能分布及耗能機制。以適當的表達式來表示這些特性，形成數學模型，是動力學分析的基礎。研究鐵路路基壩結構爆破地震波的動力響應時，其自身特性是必須考慮的因素。結構的自身特性反映在其固有頻率和振型，與外部載荷無關[9]。模態振型是描述結構上點與點相對位置關系的一組比值，某階固有頻率作用下結構由振動發生最大形變的形態屬于結構的固有屬性。如果結構的組成構造、材料屬性、約束條件沒有發生改變，結構的振型也將維持原狀。

采用ANSYS對鐵路路基壩進行模態分析，分別為建模、加載、分析計算、后處理4個步驟，并采用Block Lanczos分塊法查看模型前6階模態結果，分析截止頻率設置為9 999 Hz，計算得到壩體結構自振頻率和振型，模型前6階模態結果見表3，固有振型見圖4。

表3 鐵路路基壩前6階模態分析結果

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在模型頂部的中間位置，第二階出現在路基壩的護坡靠兩端位置，為扭轉變形，第三階出現在護坡中間部位，第四～第六階振型比較復雜。通常所說的結構的共振頻率指的是結構的一階固有頻率，該鐵路路基壩的一階固有頻率為3.737 9 Hz。

4 鐵路路基壩動力響應分析

爆區鐵路路基壩的爆破地震效應本質上是壩體對爆破產生振動的動力響應問題，具體表現在壩體受到地面振動作用時導致的應力、位移、速度等。爆破地震波特性可用質點的速度峰值、主頻和持續時間來描述，它們是爆破地震波引起結構產生動力響應的主要因素。

利用有限元軟件LS-DYNA分析爆破振動作用下鐵路壩體結構的動力響應，對模型施加重力,和實測爆破地震波進行相關動力分析。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力波，通過調整爆破地震波信號的特性參數來研究爆破地震波振速對壩體的爆破地震響應的變化規律。

4.1 鐵路路基壩隨地震波幅值響應規律

為了分析對比地震波強度對結構的影響和破壞作用，研究爆破地震波振速幅值與壩體受力情況之間的關系，取11月4日實測的爆破地震波信號，取其時間為1 s且包含各項振動速度最大的數據，繪制如圖5所示的速度時程曲線,幅值為0.36 cm/s,主頻為17.5 Hz，時長為1 s，維持頻率和時長不變，將實測振速調整為原始數據的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點。從壩體底部至頂部，每層頂部布置一個測點，共4個測點。測點布置見圖6。

圖5 爆破地震波三相速度時程曲線

圖6 測點布置

在鐵路路基壩底部加載不同幅值的爆破振動波，通過ANSYS建模、加載、計算后，運用LS-PrePost查看其響應結果，各測點豎直方向振動加速度幅值見表4。

表4 不同爆破地震波幅值下壩體結構動力響應結果

由表4可以看出，保持爆破地震波頻率和持續作用時間不變，隨爆破地震波幅值的增大，各測點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系。測點3處振動加速度達到峰值，說明該處易發生破壞，需重點監測和保護。

4.2 爆破震動下鐵路路基安全控制標準

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準來評定建筑物的破壞狀況，沒有考慮結構類型、場地條件、地震波能量特性等因素。而爆破振動下鐵路路基壩的安全控制標準并不完善，因此，研究并總結出一些爆破控制標準非常有意義。

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

根據我國《水利水電工程邊坡設計規范》3.4.2 條文規定[11]，破壞后給社會、經濟和環境帶來重大影響的一級邊坡，在正常運用條件下的抗滑穩定安全系數可取1.30～1.50。

從表4可知，當達到爆破振動16倍幅值5.76 cm/s 時，各測點爆破振動豎直方向加速度幅值最大為13.52 m/s2，Ftrial=1.38，在安全系數1.3～1.5范圍內；當爆破振動超出16倍幅值時，可以判定已經發生破壞。

因此，經過多次試驗模擬，為保證鐵路路基壩安全，建議爆破振動速度控制在5.0 cm/s以內。

5 結 論

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

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

(3)參考《水利水電工程邊坡設計規范》中關于一級邊坡的控制標準，提出爆破振動作用下鐵路路基壩的安全控制標準為v≤5.0 cm/s。

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