爆破动荷载作用下边坡锚杆加固效果分析*

石洪超，邹新宽，张继春，王中达

(1.西南交通大学土木工程，成都 610031；2.青岛岩土工程勘察研究院，青岛 266033)



爆破动荷载作用下边坡锚杆加固效果分析*

石洪超1，邹新宽1，张继春1，王中达2

(1.西南交通大学土木工程，成都 610031；2.青岛岩土工程勘察研究院，青岛 266033)

摘要:岩质基坑边坡的加固措施常采用全长粘结式锚杆。为了研究在爆破动荷载作用下的锚杆加固效果，根据南溪长江大桥北岸锚碇基坑北侧边坡的爆破开挖情况，采用FLAC3D对基坑边坡加设锚杆前后的动力响应进行了计算。应用Bishop-拟静力法计算基坑边坡的动力稳定性系数。通过分析计算结果得出以下主要结论：加设锚杆后可以改善边坡的应力分布，减弱边坡坡脚处的应力集中现象，防止由于应力集中而导致的局部破坏；在爆破动力作用下，锚杆的轴力和砂浆剪应力均随时间的增加而增大，且增大的速率基本相同；加设锚杆后边坡的动力稳定性系数由0.98提高到1.33，提升幅度为36%。

关键词:基坑边坡；锚杆；爆破动力；动力稳定性

岩质基坑在进行开挖时，常采用爆破法施工。在基坑边坡的开挖过程中，反复的爆破振动作用会加剧边坡表层岩体发生松动，并且使得坡体产生累计变形，严重时有可能造成边坡失稳破坏。为避免边坡在爆破开挖过程中发生破坏，需要对基坑边坡进行加固，加固措施一般采用全长粘结式锚杆[1-5]。目前关于边坡锚杆的加固作用通常采用现场拉拔试验、相似模拟和数值计算分析等方法进行研究，但是这些研究多建立在静态或拟静态的条件下进行的[6，7]。由于边坡在爆破、地震等动力荷载作用下，边坡体-锚杆间的相互作用较为复杂，对于动荷载作用下锚杆自身对边坡的加固效果的研究较少，且大多集中在对以锚杆或坡体作为单个对象的动态响应分析，没有从边坡体-锚杆的相互作用机理上研究锚杆的加固效果。

影响爆破动荷载作用下基坑边坡稳定性的因素主要有加固锚杆的布置方式及力学特征、边坡自身的稳定性，以及动荷载的作用方式等。为了研究在爆破动荷载作用下的边坡锚杆加固效果，根据南溪长江大桥北岸重力式锚碇基坑爆破开挖的实际情况，采用FLAC3D数值计算软件建立了数值分析模型，对边坡加设锚杆和未加设锚杆的情况进行了模拟计算，对比分析计算结果，研究了动荷载作用下锚杆对于基坑边坡的加固效果，并且采用简化Bishop-拟静力法对基坑边坡的动态稳定性系数进行了计算[8-11]。

1基坑边坡数值模型

1.1工程概况

南溪长江大桥重力式锚碇基坑位于长江北岸丘陵坡地上，锚碇区基坑开挖长60 m，宽50 m。基坑北侧开挖后形成近60m的高边坡，边坡坡度为1∶0.75～1∶0.3。基坑北侧边坡上层为稳定性较差的粉质粘土、细砂和卵石土，而下层为粉砂质泥岩。砂质泥岩呈单斜产出，产状为145°∠16°，采用浅孔松动爆破法开挖，开挖后将形成顺倾边坡。施工时第一级、二级边坡采用锚杆框架梁进行加固，其中锚杆均为φ 32普通全长非预应力砂浆锚杆，锚杆间距为3 m×3 m，倾角为20°，锚杆长度从上至下依次为30 m、30 m、25 m、25 m、18 m、18 m，钻孔直径110 mm，采用M30砂浆进行注浆。岩层及锚杆-砂浆动态力学参数见表1及表2。

表1　岩体物理力学参数

表2　锚杆及砂浆物理力学参数

1.2建立数值模型

根据锚碇基坑北侧中部第三级边坡爆破开挖的实际情况，对边坡及锚杆的动态响应进行数值模拟分析，此处基坑开挖范围比较大，受周边环境条件影响较小。为了简化数值计算模型，将三维数值模型的厚度设置为3 m，与锚杆布置的水平间距相同，整体数值模型的尺寸为92 m×65 m×3 m，锚杆设置在模型厚度的1/2处。图1为边坡数值计算模型示意图。在进行数值模拟计算时，全长粘结式锚杆采用Cable单元进行模拟，基坑边坡体内各岩层、锚杆-浆体界面及浆体-岩体界面材料均为弹塑性材料，并服从Mohr-Coulomb强度准则，允许锚杆单元发生轴向变形直至屈服。输入爆破荷载的开挖边界、边坡侧面及坡体底部都采用的是粘性边界，坡体底部约束其竖向位移。阻尼为局部阻尼，经试算后确定其值为0.157。

1.3爆破动荷载

在进行爆破动力作用分析时，动荷载的加载方式是分析分析问题的基础，可以根据单次齐发药量和距离爆源的距离等参数，将爆破动荷载简化为三角形脉冲波，但是这种简化的爆破动荷载与实际情况存在较大的差异，并不能真是的反映爆破开挖过程中边坡的动态响应。为了使数值模拟计算更加符合实际情况，在数值计算中采用临近基坑边坡开挖时，第三级边坡坡面位置实测得到的振动速度波形，经过式1和式2转换为切向和法向荷载进行加载，实测振动速度波形如图2所示。

(1)

(2)

式中：σn、σs为坡面位置输入的法向应力和切向应力，MPa；ρ为岩体密度，kg/m3;cp、cs为岩体纵波和横波传播速度，m/s；vn、vs为实测质点切向和法向振动速度,m/s。爆破动荷载的加载位置位于第三级边坡坡面底部3 m范围内，如图1所示。

2数值计算结果与分析

2.1边坡应力分析

未加设锚杆和加设锚杆后，边坡爆破开挖后坡体的最大主应力云图如图3、图4所示。对比计算结果可以看出，不布置锚杆时，在第二、三级边坡的平台位置出现了拉应力，最大值为50 kPa，而布置锚杆后相同位置的拉应力明显减小，仅为20 kPa，减小幅度为60%。图5和图6分别为未加设锚杆和加设锚杆后，边坡爆破开挖后坡体的剪应力云图。图5显示，未布置锚杆时，基坑第三级边坡的坡脚位置存在明显的剪应力集中现象，最大剪应力为40 kPa。应力集中可能造成该位置的岩土体发生局部破坏，进而导致基坑边坡的整体失稳。为了避免发生工程事故，应该及时对边坡进行支护。通过图6可以看出，在加设锚杆加固措施后，原应力集中的位置处最大剪应力降低为20 kPa，降低幅度为50%，整个基坑边坡的应力状态有了明显的改善。边坡表面的剪应力减小可以减弱应力集中现象，能够防止由于剪应力集中而导致的局部破坏。

2.2坡体位移分析

未加设锚杆和加设锚杆后，基坑爆破开挖后坡体水平位移云图如图7、图8所示。由计算结果可以看出，锚杆的布设对于基坑边坡水平方向位移的分布特征影响不大，最大位移出现在第三级边坡坡脚位置，该处为爆破荷载的输入位置。在未加锚杆的情况下，坡体的水平位移都不超过1 mm。当布置锚杆过后，坡体的水平位移明显减少，最大永久位移仅为0.17 m。由此可见，锚杆的布设可以明显控制基坑边批发生水平位移，有利于基坑边坡的整体稳定。

2.3锚杆动力响应分析

在基坑爆破开挖后，锚杆的轴力如图9所示，从单个锚杆来看，锚杆在杆件中部轴力最大，并沿着轴向逐渐向两端减小，其中最大轴力出现在第五排，为132.3 kN。各排锚杆的轴力峰值点的连线基本与边坡的潜在滑面重合。锚杆砂浆应力如图10所示，基坑爆破开挖后，最后一排锚杆在坡面附近的端部砂浆由于应力过大而屈服产生滑脱现象，锚杆砂浆的最大应力值为220.6 kPa。这说明基坑的爆破开挖不会使锚杆自身产生过大的轴向应力而失效，但是接近爆源位置的锚杆端部砂浆有可能会产生破坏，会对锚固力造成影响，但是不足以影响边坡整体的稳定性。

图11和图12是最底部一排锚杆的轴力和砂浆剪应力的时程曲线，在爆破动力荷载作用下，锚杆的轴力和砂浆的剪应力都会随着时间增加而变大，且增大的速率基本相同。当砂浆不发生破坏失效时，锚杆-浆体之间的相互作用可以良好的发挥锚固作用，增加基坑边坡的稳定性。

3边坡动力稳定性分析

根据简化Bishop拟静力法采用lide软件对边坡加设锚杆前后进行稳定性分析，计算过程是将爆破动荷载转换为水平方向和竖直方向的静力加载到边坡上，采用条分法计算边坡的动力稳定性系数，潜在滑面由程序自动计算确定，滑面位置如图13、14所示。最终计算得到未布设锚杆时，基坑边坡的稳定性系数为0.98。在布置锚杆后，基坑的稳定性系数提高到1.33，增加幅度为36%，因此锚杆对于基坑边坡的加固作用比较明显。

4结论

(1)基坑边坡加设锚杆后，可以改善基坑边坡的应力分布，能够更好的控制爆破开挖对坡体产生的扰动。有效的减轻了边坡坡脚位置出现的应力集中现象，防止由于应力集中而导致的局部破坏。同时，锚杆的布置控制了坡体产生的水平位移，利于边坡的整体稳定。

(2)在爆破动力动荷载作用下，锚杆的轴力在中部最大，沿着轴向逐渐向两端减小，并且锚杆轴力的峰值点连线基本与潜在滑面重合。锚杆的轴力和砂浆剪应力都会随时间增加而变大，且增大的速率基本相同。

(3)根据简化Bishop-拟静力法计算得到锚杆布置与否的动力稳定性系数分别为0.98和1.33，加设锚杆后动力稳定性系数提高了36%，锚杆对基坑边坡的加固作用比较明显。

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Analysis of Reinforcement Effect of Slope Bolt under Blasting Dynamic Load

SHIHong-chao1，ZOUXin-kuan1，ZHANGJi-chun1，WANGZhong-da2

(1.School of Civil Engineering,Southwest Jiao-tong University,Chengdu 610031，China;2.Qingdao Geotechnical Investigation & Surveying Research Institute,Qingdao 266033,China)

Abstract:The full-length bonding bolt was used to reinforce the rock foundation pit slope.In order to study the reinforcement effect of bolt under the blasting dynamic load,the dynamic responses of foundation pit slope before and after adding bolt were calculated by the FLAC3D according to the situation of excavation blasting in north side slope of north anchor pit slope of Nanxi Yangtze River Bridge.The dynamic stability of the foundation pit slope coefficient was calculated by Bishop-pseudo-static method.Results show that the additional bolt improved the stress distribution of slope,and reduced the stress concentration phenomenon of the slope foot,and prevented local failure due to the stress concentration.Under blasting dynamic loading,the axial force of bolt and mortar shear stress increased with the time,and the increase rate kept constant.By setting up the additional bolt,the dynamic stability of the foundation pit slope coefficient increased from 0.98 to 1.33 and the increase rate reached up to 36%.

Key words:foundation slope; anchor; blasting vibration; dynamic stability

doi:10.3963/j.issn.1001-487X.2016.02.002

收稿日期:2016-04-13

作者简介:石洪超(1980-)，男，西南交通大学博士研究生，主要从事岩石力学与工程方面的研究，(E-mail)727722750@qq.com。 通讯作者:张继春(1963-)，男，博士、教授、博士生导师，主要从事爆破工程、岩土工程结构动力特性与防护技术等方面的教学与科研工作，(E-mail)Jczhang2004@163.com。

基金项目:国家自然科学基金项目(41272321)

中图分类号:TD235.3

文献标识码:A

文章编号:1001-487X(2016)02-0006-06