某公路橋梁樁基施工爆破效應分析

張 力，瞿 竹

(貴州三獨高速公路建設有限公司，貴州 獨山 558200)

0 引 言

某在建大橋全橋雙向分離，橋梁孔跨布置形式為30 m預應力砼簡支T梁+(96+180+96) m預應力混凝土連續剛構+4×30 m先簡支后結構連續T梁，橋梁基礎均采用群樁基礎。橋區上覆第四系殘坡積層(Qel+dl)碎石土、坡積層(Qdl)塊石土、崩塌堆積體(QC)塊石土、沖洪積層(Qal+pl)卵石土，下伏基巖為泥盆系下統邦寨組(D1bn)中厚～厚層狀石英砂巖夾泥巖。

該工程位于深山腹地，深V型峽谷之間，地形極為復雜，山路崎嶇起伏，橋梁兩岸崩塌松散堆積體量大，機械設備運輸、安裝困難，作業場地狹小，橋梁下部結構施工面臨嚴峻挑戰。人工挖孔灌注樁具有無需大型機械設備，施工機具簡單，工程干擾小，專業技術要求低，施工面廣，各作業面可同時開工有利于提高施工進度等優點[1]。因此，本工程橋梁樁基開挖施工主要采用人工挖孔方式進行，但遇堅硬巖層時需要爆破技術，此時爆破必將對橋梁所處的堆積體斜坡變形造成不良影響。為分析不同開挖深度下爆破對堆積體變形的影響情況，科學合理指導橋梁樁基開挖施工，本文采用FLAC3D有限差分軟件，構建三維計算模型，運用軟件的動力分析功能探究相關規律。

1 模型建立

以右幅2號橋墩為分析對象，建立上部堆積體處理后的計算模型，根據處理后的堆積體性質，將上部巖土體考慮為均質的堆積體。模型橫向取250 m，樁基為圓樁，樁徑為2.3 m，樁長38 m，樁底距模型底面取2倍樁長76 m。為了分析爆破施工在空間上的影響，將模型進行三維拓展，取5倍樁徑厚11.5 m，使橋樁模型可以完整顯示在模型內，以模擬橋樁挖孔的施工過程(計算模型見圖1)。

圖1 FLAC3D計算模型

為貼近施工現場情況，利用FLAC3D中的shell單元模擬樁孔開挖后施加的護壁(圖2)。護壁選用混凝土材料特性進行模擬，考慮到橋樁挖孔過程中，并不是一直采用爆破的方式進行開挖，為簡化模擬過程，樁孔開挖分4段模擬，施加3次爆破荷載。

圖2 shell單元模擬護壁

本著科學合理與計算簡便的原則，對模型邊界作如下約束：模型底面為全約束，頂端自由，前后施加X方向的水平約束，左右施加Y方向的水平約束。

2 計算假定條件

橋梁樁基開挖受現場施工及地質條件等不同因素的影響，情況往往較為復雜，計算中難以考慮所有影響因素。模擬計算時，本著取重舍輕的原則[2]，作如下假定：

1) 巖土體為滿足Mohr-Coulomb塑性理論的均質各向同性體。

2) 樁內護壁采用滿足胡克定律的彈性材料。

3) 一次爆破所有炸藥同時爆破，不存在時間微差。

4) 不考慮爆破過程中水的影響。

3 計算參數選取

根據現場試驗及勘察設計資料，選取模型巖土體物理力學參數，見表1。

表1 巖土體參數

shell單元采用混凝土材料特性進行模擬，計算參數取值為彈性模量28 GPa，容重22 kN/m3，泊松比0.23。

4 爆破荷載的輸入

爆破動力荷載的確定是進行爆破荷載下巖石邊坡動力響應研究的基礎，也是一大難點[3-4]。本工程采用半理論半經驗的爆破荷載壓力曲線進行爆破振動的數值模擬[5]。

根據FLAC3D軟件動力計算的特點，需要把動載荷以等效荷載的方式加載于模擬炮孔的有限元網格節點之上。采用的爆破荷載計算公式如下：

P(t)=Pmf(t)

(1)

式中：Pm為脈沖峰值；f(t)通常取為指數型的時間滯后函數。

根據工程現場，獲取樁基開挖過程中爆破的炸藥參數信息，見表2。

表2 炸藥參數

5 計算結果及分析

在考慮樁基施工中的爆破效應前，先進行初始地應力場的反演工作，也更真實地進行工程模擬仿真。本次模擬只選擇一根樁進行計算分析，爆破點位置分別距樁底30,16與6 m。限于文章篇幅，只選取以上3種情況下的計算剪切應變增量云圖進行分析。

從圖3至圖5可知，在現有爆破炸藥量及爆破作用點下，爆破作用僅在爆破點周圍及樁孔沿深度延伸方向作用明顯；堆積體內部未出現明顯的剪切變化帶，表明爆破作用下坡體整體穩定性良好；隨著爆破深度的增加，坡體巖體物理力學性質均有所增強，加上距坡面距離加大，爆破作用對堆積體坡面變形影響逐漸減小。

為直觀分析爆破對堆積體坡面變形的影響情況，采用fish語言提取圖1中布置的5個監測點位移速度變化值，繪制成圖6。從圖6可知，堆積體坡面在爆破荷載作用下速度增量較小(最大值約0.8 cm/s)，主要為堆積體自身變形，樁基爆破施工對堆積體坡面的速度影響不大。

圖3 距樁底30 m時爆破的剪切應變增量云圖

圖4 距樁底16 m時爆破的剪切應變增量云圖

圖5 距樁底6 m時爆破的剪切應變增量云圖

圖6 監測點結果

6 結 論

本文為分析某公路橋梁樁基開挖過程中爆破作用對臨近堆積體變形的影響情況，采用 FLAC3D有限差分軟件，結合工程情況構建三維計算模型，依次計算獲得爆破點位置分別距樁底30，16與6 m條件下的堆積體變形情況云圖，得到如下結論：

1) 運用FLAC3D模擬爆破效應時，將爆破動載荷轉換為等效荷載加載于模型網格節點是行之有效的處理手段。

2) 在本工程現有爆破炸藥量及爆破作用點下，爆破作用僅在爆破點周圍及樁孔沿深度延伸方向作用明顯，堆積體內部未出現明顯的剪切變化帶，表明爆破作用下坡體整體穩定性良好。

3) 隨著爆破深度的增加，坡體巖體物理力學性質均有所增強，加上距坡面距離加大，爆破作用對堆積體坡面變形影響逐漸減小。