公路孔樁爆破振動動力響應規律研究

孟慶生 唐旭 李振

摘要：孔樁爆破開挖施工中，爆破地震波對周邊構筑物的影響一直以來是工程上關注的重點問題。文章通過現場測試，同時結合Midas GTS NX有限元分析軟件建立數值計算模型，分析了孔樁爆破不同爆源深度、不同巖土厚度及巖性特征對地表巖土體振動特征的影響。結果表明：孔樁爆破過程中，總體規律是孔口位置的振動速度最大，然后迅速衰減，即質點峰值振速與爆源距離成負相關。當爆源深度變化時，爆源深度越小，近區衰減越快。一定范圍內（5m），振速同土體厚度成正相關，即土體越厚則振速越大，該范圍以外，振速受土體厚度的影響較小;同時，由現場測試及數值計算可知，由于孔樁爆破裝藥量較小，故隨著地震波的傳播，距爆源較遠質點振動速度衰減較快，且較小，故孔樁爆破施工中應將飛石防護作為重點，若孔樁離建筑物過近的特例，也要重點關注。

關鍵詞：孔樁;爆破;Midas GTS NX;有限元;動力響應

中圖分類號：U443.5 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.020

文章編號：1673-4874（2019）08-0071-05

0引言

貴州地形以高原、山地為主，根據《貴州省高速公路網規劃（加密規劃）》顯示，貴州省高速公路網規劃路線總規模將達到10000km左右，目前在建3000余km。爆破作為一種最有效、最經濟和最便捷的施工方法已經普遍應用到山地高速公路建設中。

貴州高速公路中橋隧占比較大，橋梁基樁成形開挖，隨之而來的是大量的爆破施工作業。爆破施工在達到工程建設目的的同時，不可避免地產生一系列有害效應，其中，爆破振動效應被認為是爆破有害效應之首。一直以來，受到爆破設計缺乏針對性依據、施工監管不到位和周邊環境日趨復雜等因素的影響，在爆破開挖時，難免會出現振動超過安全允許范圍的情況，給周邊群眾的生產生活帶來影響，使其產生心理恐慌，且易引發民事糾紛，阻礙工程進展。在公民維權意識和環保意識不斷提高的當下，控制爆破振動災害效應已成為國家主管部門、地方政府部門對公路爆破施工作業的一項基本要求。

針對孔樁爆破開挖施工中爆破地震波對周邊構筑物的影響，國內外學者做了許多的研究工作。

高山、王茂玲等人研究孔樁直徑對爆破支點峰值振動速度衰減的影響，研究表明小孔徑爆破作業施工時，質點的峰值振動速度衰減有明顯的拐點，且拐點位于10倍等效距離處;大孔徑爆破開挖時，質點的峰值振動速度衰減拐點不明顯。換言之，小孔徑爆破開挖時質點振動速度隨爆源距的增加則衰減較快;大孔徑爆破開挖時，質點振動速度隨爆源距的增加衰減較慢。郭王林、蒲傳金等人則對橋梁樁基爆破附近區域地震波傳播特性進行了研究，結果顯示隨著水平距離的增大，質點X向與Z向爆破振動速度呈現不同的變化趨勢，且不同距離內，兩者之間的大小關系不相同，X向和Z向質點爆破振動速度隨樁基深度的增加呈減小的趨勢，其中距離爆源越近，Z向振動速度減小趨勢越明顯。薛愛芝、魏曉林等人則通過時頻分析法，如小波包等，對樁基潛孔爆破振動波進行波譜分析和理論分析，解決了嵌巖爆破在巖石內部以及底面近區所產生振動的振幅、頻率等振動指標的計算問題。

為分析孔樁開挖類型的動力響應規律，本文對孔樁成形爆破開挖的動力響應規律展開研究，依托實際工程，通過現場測試，同時結合Midas GTS NX有限元分析軟件建立數值計算模型分析了孔樁爆破的不同爆源深度、不同巖土厚度及巖性特征對地表巖土體振動特征的影響。

1現場測試

本項目依托蘭海高速貴州境內遵義至貴陽段擴容工程桐梓園大橋孔樁爆破開挖工程，綜合運用現場實驗與調查、理論分析、數值模擬等方法，通過現場爆破振動監測對孔樁爆破振動在爆破振動作用下的動力響應特征進行了分析和研究。

1.1研究區域

橋址區地貌為中低山溶蝕地貌，橋位跨越山間洼地沿中低山坡展布，橋區地面高程800～900m，相對高差60m，地形起伏大，地面自然坡度20°～40°，地勢較陡，植被較發育，地表溶蝕現象較發育，可見溶溝、溶槽、溶洞等溶蝕現象。橋址地層主要為第四系（Q4）碎石土、三疊系（T2s）中風化灰巖。

1.2爆破方案設計

樁基底面為堅硬巖石，樁孔周圍有現澆混凝土護壁，采用毫秒爆破。即兩相鄰藥包或前后排藥包以毫秒的時間間隔（一般為15～75ms）依次起爆。當裝藥量相等時其優點是：可減振1/3～2/3左右;前發藥包為后發藥包開創了臨空面，從而加強了巖石的破碎效果;降低多排孔一次爆破的堆積高度，有利于挖掘作業;由于逐發或逐排依次爆破，減少了巖石夾制力，可節省炸藥20%，并可增大孔距，提高每米鉆孔的炸落方量。炮孔排列和起爆順序，根據斷面形狀和巖性而定。圖1為炮孔布置圖。

1.3監測方案

結合現場實際情況，在爆破試驗期間，使用TC-4850爆破測振儀對孔樁開挖爆破進行現場測試。布設5個爆破振動測試監測點。對開挖初期爆破進行了振動監測，分別記錄各監測點的水平徑向及垂直向的峰值振動速度。

1.4監測結果

通過現場監測得到30組測試數據，詳見表1。

根據表1繪出各點不同孔深、藥量下垂直向質點峰值振動速度隨爆源距演化折線圖，如圖2所示。

由圖3知，爆源距15m范圍內，質點振動速度衰減較快，隨后表現較平緩;又隨孔深逐漸加深，地表相應質點峰值振動速度隨之略減小。

根據振動監測結果及爆破參數，確定場地的振動衰減曲線（見圖3），式1為垂直向振動速度衰減公式：

2數值模擬建立

采用Midas GTS NX有限元分析軟件建立數值計算模型，分析孔樁爆破的不同爆源深度、不同巖土厚度及巖性特征對地表巖土體振動特征的影響。

2.1模型建立

如圖4所示，均質巖土體中的孔樁爆破數值模擬中，孔樁所在巖體的范圍近似一個規格為200mm×200mmx 150mm的立方體的灰巖區域。爆破過程采用循環進尺，即已有的爆破段加護壁支護，爆破段添加炸藥（在數值模擬過程中等效為施加于護壁上的等效爆破荷載）。孔樁的尺寸如圖5所示。模型中孔樁的半徑為0.85m，孔樁護壁厚度為0.2m。

本節通過變化已有爆破段的高度來控制爆源距離，但保持巖體特性不變即恒有灰巖E=35.269CPa。

2.2計算參數

初期孔樁護壁支護采用C25鋼筋混凝土并采用2D板單元;巖土材料的力學模型采用巖土工程中常用的莫爾一庫倫本構模型;初期支護的C25鋼筋混凝土采用線彈性本構模型。數值計算所采用的巖土和初期支護力學結構參數如表2所示。

2.3爆破荷載的施加

孔樁爆破時，采用的是不耦合裝藥結構，炸藥均為2#巖石乳化炸藥。孔樁爆破采用的炮眼有兩種，分別為周邊眼和掏槽眼，炮眼布置和縱斷面圖如圖6所示。

分布于周邊的為周邊眼，取6個均勻分布。分布于中心處的為掏槽眼，取3個均勻分布。

炸藥及選用的兩種炮孔的詳細參數如表3所示。

在模型中施加合適的爆破荷載是進行爆破振動數值模擬最關鍵的一步。一般來說，將隨時程變化的爆破荷載施加在炮孔孔壁上進行動力求解可以取得很好的效果。但相對于整個模型來說，炮孔直徑很小，在處理建模時很難將炮孔單元建立出來，且微小炮孔的存在使得網格的劃分存在很大的困難。因此，對爆破荷載的施加方法需要采用合理的等效方法來實現。本項目采用的合理等效方法為將等效后的爆破荷載直接施加在孔樁護壁上。

取所有模型中等效爆破荷載的加載時段為1ms，卸載時段為9ms，持續時間段為100ms。其荷載的時程曲線如圖7所示。

3數值計算結果分析

3.1不同爆源深度下地表振動特征分析

圖8為孔口部位引出的一條過樁圓心的線，在此監測線上取峰值振速并作圖，研究孔樁爆破過程中振速沿孔口軸向的傳播衰減規律，如圖9所示。

由圖9可知孔樁爆破過程中，軸向振速同爆源距離成負相關，即爆源距越大則軸向振速越小。爆源深度越小，孔口部位的振速越大;爆源深度越大，在孔口處地表衰減的程度越大。在孔口位置的振動速度最大，然后迅速衰減，并且在孔口周邊3.60m范圍以內衰減程度最快，而且爆源深度越小，衰減越快;爆源距為15m時，振速率先衰減到O;在軸向距離為22.83m時，振動速度幾乎都衰減為0。

3.2不同巖土層厚度下地表振動特征分析

圖10為分層巖土體的孔樁爆破數值模型，模型中孔樁所在巖土體范圍近似一個半徑為200m、高度為150m的圓柱形。上層為土層，下層為灰巖。其中孑L樁半徑為0.85m，護壁厚度為0.2m。數值計算所采用的巖土和初期支護力學結構參數如表4所示。

依次選擇土體覆蓋層厚度d=1m、2m、3m、4m、5m，研究不同巖土層厚度下孔口周邊巖土體的振動特征。孔口測點的布置同圖8。

研究土體覆蓋層厚度對孔樁爆破的影響時，控制灰巖彈性模量E=35.269GPa和爆源深度6m不變，令上層土體的厚度分別為1m.2m.3m.4m、5m。

圖11為不同土體的厚度時孔口周邊巖土體的振速傳播衰減圖。觀察圖11可知，在軸向距離的5m范圍內，軸向振速同土體厚度成正相關，即土體越厚則振速越大，并且土體越厚，在此范圍內的衰減程度越大;在5m范圍以外，振速受土體厚度的影響較小。

4結語

通過現場測試和不同爆源深度、不同巖土厚度及巖性特征下對地表巖土體振動特征的數值計算，結果表明：

（1）爆源距15m范圍內，質點振動速度衰減較快，隨后表現較平緩;隨著孔深逐漸加深，地表相應質點峰值振動速度隨之略減小。

（2）爆源深度越小，孔口部位的振速越大;爆源深度越大，在孔口處地表衰減的程度越大。

（3）在垂直軸向距離的5m范圍內，土體越厚則振速越大，并且土體越厚，在此范圍內的衰減速率越大;在5m范圍以外，振速受土體厚度的影響較小。

（4）孔樁爆破過程中，總體規律是孔口位置的振動速度最大，然后迅速衰減，即質點峰值振速與爆源距離成負相關。當爆源深度變化時，爆源深度越小，近區衰減越快。一定范圍內（5m），振速同土體厚度成正相關，即土體越厚則振速越大;該范圍以外，振速受土體厚度的影響較小。

（5）由現場測試及數值計算可知，由于孔樁爆破裝藥量較小，故隨著地震波的傳播，距爆源較遠質點振動速度衰減較快，且較小，故孔樁爆破施工中應將飛石防護作為重點，若有孔樁離建筑物過近的特例，也要重點關注。