公路孔桩爆破振动动力响应规律研究

孟庆生 唐旭 李振

摘要：孔桩爆破开挖施工中，爆破地震波对周边构筑物的影响一直以来是工程上关注的重点问题。文章通过现场测试，同时结合Midas GTS NX有限元分析软件建立数值计算模型，分析了孔桩爆破不同爆源深度、不同岩土厚度及岩性特征对地表岩土体振动特征的影响。结果表明：孔桩爆破过程中，总体规律是孔口位置的振动速度最大，然后迅速衰减，即质点峰值振速与爆源距离成负相关。当爆源深度变化时，爆源深度越小，近区衰减越快。一定范围内（5m），振速同土体厚度成正相关，即土体越厚则振速越大，该范围以外，振速受土体厚度的影响较小;同时，由现场测试及数值计算可知，由于孔桩爆破装药量较小，故随着地震波的传播，距爆源较远质点振动速度衰减较快，且较小，故孔桩爆破施工中应将飞石防护作为重点，若孔桩离建筑物过近的特例，也要重点关注。

关键词：孔桩;爆破;Midas GTS NX;有限元;动力响应

中图分类号：U443.5 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.020

文章编号：1673-4874（2019）08-0071-05

0引言

贵州地形以高原、山地为主，根据《贵州省高速公路网规划（加密规划）》显示，贵州省高速公路网规划路线总规模将达到10000km左右，目前在建3000余km。爆破作为一种最有效、最经济和最便捷的施工方法已经普遍应用到山地高速公路建设中。

贵州高速公路中桥隧占比较大，桥梁基桩成形开挖，随之而来的是大量的爆破施工作业。爆破施工在达到工程建设目的的同时，不可避免地产生一系列有害效应，其中，爆破振动效应被认为是爆破有害效应之首。一直以来，受到爆破设计缺乏针对性依据、施工监管不到位和周边环境日趋复杂等因素的影响，在爆破开挖时，难免会出现振动超过安全允许范围的情况，给周边群众的生产生活带来影响，使其产生心理恐慌，且易引发民事纠纷，阻碍工程进展。在公民维权意识和环保意识不断提高的当下，控制爆破振动灾害效应已成为国家主管部门、地方政府部门对公路爆破施工作业的一项基本要求。

针对孔桩爆破开挖施工中爆破地震波对周边构筑物的影响，国内外学者做了许多的研究工作。

高山、王茂玲等人研究孔桩直径对爆破支点峰值振动速度衰减的影响，研究表明小孔径爆破作业施工时，质点的峰值振动速度衰减有明显的拐点，且拐点位于10倍等效距离处;大孔径爆破开挖时，质点的峰值振动速度衰减拐点不明显。换言之，小孔径爆破开挖时质点振动速度随爆源距的增加则衰减较快;大孔径爆破开挖时，质点振动速度随爆源距的增加衰减较慢。郭王林、蒲传金等人则对桥梁桩基爆破附近區域地震波传播特性进行了研究，结果显示随着水平距离的增大，质点X向与Z向爆破振动速度呈现不同的变化趋势，且不同距离内，两者之间的大小关系不相同，X向和Z向质点爆破振动速度随桩基深度的增加呈减小的趋势，其中距离爆源越近，Z向振动速度减小趋势越明显。薛爱芝、魏晓林等人则通过时频分析法，如小波包等，对桩基潜孔爆破振动波进行波谱分析和理论分析，解决了嵌岩爆破在岩石内部以及底面近区所产生振动的振幅、频率等振动指标的计算问题。

为分析孔桩开挖类型的动力响应规律，本文对孔桩成形爆破开挖的动力响应规律展开研究，依托实际工程，通过现场测试，同时结合Midas GTS NX有限元分析软件建立数值计算模型分析了孔桩爆破的不同爆源深度、不同岩土厚度及岩性特征对地表岩土体振动特征的影响。

1现场测试

本项目依托兰海高速贵州境内遵义至贵阳段扩容工程桐梓园大桥孔桩爆破开挖工程，综合运用现场实验与调查、理论分析、数值模拟等方法，通过现场爆破振动监测对孔桩爆破振动在爆破振动作用下的动力响应特征进行了分析和研究。

1.1研究区域

桥址区地貌为中低山溶蚀地貌，桥位跨越山间洼地沿中低山坡展布，桥区地面高程800～900m，相对高差60m，地形起伏大，地面自然坡度20°～40°，地势较陡，植被较发育，地表溶蚀现象较发育，可见溶沟、溶槽、溶洞等溶蚀现象。桥址地层主要为第四系（Q4）碎石土、三叠系（T2s）中风化灰岩。

1.2爆破方案设计

桩基底面为坚硬岩石，桩孔周围有现浇混凝土护壁，采用毫秒爆破。即两相邻药包或前后排药包以毫秒的时间间隔（一般为15～75ms）依次起爆。当装药量相等时其优点是：可减振1/3～2/3左右;前发药包为后发药包开创了临空面，从而加强了岩石的破碎效果;降低多排孔一次爆破的堆积高度，有利于挖掘作业;由于逐发或逐排依次爆破，减少了岩石夹制力，可节省炸药20%，并可增大孔距，提高每米钻孔的炸落方量。炮孔排列和起爆顺序，根据断面形状和岩性而定。图1为炮孔布置图。

1.3监测方案

结合现场实际情况，在爆破试验期间，使用TC-4850爆破测振仪对孔桩开挖爆破进行现场测试。布设5个爆破振动测试监测点。对开挖初期爆破进行了振动监测，分别记录各监测点的水平径向及垂直向的峰值振动速度。

1.4监测结果

通过现场监测得到30组测试数据，详见表1。

根据表1绘出各点不同孔深、药量下垂直向质点峰值振动速度随爆源距演化折线图，如图2所示。

由图3知，爆源距15m范围内，质点振动速度衰减较快，随后表现较平缓;又随孔深逐渐加深，地表相应质点峰值振动速度随之略减小。

根据振动监测结果及爆破参数，确定场地的振动衰减曲线（见图3），式1为垂直向振动速度衰减公式：

2数值模拟建立

采用Midas GTS NX有限元分析软件建立数值计算模型，分析孔桩爆破的不同爆源深度、不同岩土厚度及岩性特征对地表岩土体振动特征的影响。

2.1模型建立

如图4所示，均质岩土体中的孔桩爆破数值模拟中，孔桩所在岩体的范围近似一个规格为200mm×200mmx 150mm的立方体的灰岩区域。爆破过程采用循环进尺，即已有的爆破段加护壁支护，爆破段添加炸药（在数值模拟过程中等效为施加于护壁上的等效爆破荷载）。孔桩的尺寸如图5所示。模型中孔桩的半径为0.85m，孔桩护壁厚度为0.2m。

本节通过变化已有爆破段的高度来控制爆源距离，但保持岩体特性不变即恒有灰岩E=35.269CPa。

2.2计算参数

初期孔桩护壁支护采用C25钢筋混凝土并采用2D板单元;岩土材料的力学模型采用岩土工程中常用的莫尔一库伦本构模型;初期支護的C25钢筋混凝土采用线弹性本构模型。数值计算所采用的岩土和初期支护力学结构参数如表2所示。

2.3爆破荷载的施加

孔桩爆破时，采用的是不耦合装药结构，炸药均为2#岩石乳化炸药。孔桩爆破采用的炮眼有两种，分别为周边眼和掏槽眼，炮眼布置和纵断面图如图6所示。

分布于周边的为周边眼，取6个均匀分布。分布于中心处的为掏槽眼，取3个均匀分布。

炸药及选用的两种炮孔的详细参数如表3所示。

在模型中施加合适的爆破荷载是进行爆破振动数值模拟最关键的一步。一般来说，将随时程变化的爆破荷载施加在炮孔孔壁上进行动力求解可以取得很好的效果。但相对于整个模型来说，炮孔直径很小，在处理建模时很难将炮孔单元建立出来，且微小炮孔的存在使得网格的划分存在很大的困难。因此，对爆破荷载的施加方法需要采用合理的等效方法来实现。本项目采用的合理等效方法为将等效后的爆破荷载直接施加在孔桩护壁上。

取所有模型中等效爆破荷载的加载时段为1ms，卸载时段为9ms，持续时间段为100ms。其荷载的时程曲线如图7所示。

3数值计算结果分析

3.1不同爆源深度下地表振动特征分析

图8为孔口部位引出的一条过桩圆心的线，在此监测线上取峰值振速并作图，研究孔桩爆破过程中振速沿孔口轴向的传播衰减规律，如图9所示。

由图9可知孔桩爆破过程中，轴向振速同爆源距离成负相关，即爆源距越大则轴向振速越小。爆源深度越小，孔口部位的振速越大;爆源深度越大，在孔口处地表衰减的程度越大。在孔口位置的振动速度最大，然后迅速衰减，并且在孔口周边3.60m范围以内衰减程度最快，而且爆源深度越小，衰减越快;爆源距为15m时，振速率先衰减到O;在轴向距离为22.83m时，振动速度几乎都衰减为0。

3.2不同岩土层厚度下地表振动特征分析

图10为分层岩土体的孔桩爆破数值模型，模型中孔桩所在岩土体范围近似一个半径为200m、高度为150m的圆柱形。上层为土层，下层为灰岩。其中孑L桩半径为0.85m，护壁厚度为0.2m。数值计算所采用的岩土和初期支护力学结构参数如表4所示。

依次选择土体覆盖层厚度d=1m、2m、3m、4m、5m，研究不同岩土层厚度下孔口周边岩土体的振动特征。孔口测点的布置同图8。

研究土体覆盖层厚度对孔桩爆破的影响时，控制灰岩弹性模量E=35.269GPa和爆源深度6m不变，令上层土体的厚度分别为1m.2m.3m.4m、5m。

图11为不同土体的厚度时孔口周边岩土体的振速传播衰减图。观察图11可知，在轴向距离的5m范围内，轴向振速同土体厚度成正相关，即土体越厚则振速越大，并且土体越厚，在此范围内的衰减程度越大;在5m范围以外，振速受土体厚度的影响较小。

4结语

通过现场测试和不同爆源深度、不同岩土厚度及岩性特征下对地表岩土体振动特征的数值计算，结果表明：

（1）爆源距15m范围内，质点振动速度衰减较快，随后表现较平缓;随着孔深逐渐加深，地表相应质点峰值振动速度随之略减小。

（2）爆源深度越小，孔口部位的振速越大;爆源深度越大，在孔口处地表衰减的程度越大。

（3）在垂直轴向距离的5m范围内，土体越厚则振速越大，并且土体越厚，在此范围内的衰减速率越大;在5m范围以外，振速受土体厚度的影响较小。

（4）孔桩爆破过程中，总体规律是孔口位置的振动速度最大，然后迅速衰减，即质点峰值振速与爆源距离成负相关。当爆源深度变化时，爆源深度越小，近区衰减越快。一定范围内（5m），振速同土体厚度成正相关，即土体越厚则振速越大;该范围以外，振速受土体厚度的影响较小。

（5）由现场测试及数值计算可知，由于孔桩爆破装药量较小，故随着地震波的传播，距爆源较远质点振动速度衰减较快，且较小，故孔桩爆破施工中应将飞石防护作为重点，若有孔桩离建筑物过近的特例，也要重点关注。