爆破动荷载作用下边坡锚杆加固效果分析.pdf
第3 3 卷第2 期 爆破 V o l - 3 3 N o 2 2 0 1 6 年6 月B L A S T 矾G J u n .2 0 1 6 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 1 4 8 7 X .2 0 1 6 .0 2 .0 0 2 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6 1 0 0 3 1 ;2 .青岛岩土T 程勘察研究院,青岛2 6 6 0 3 3 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F L A C 3 D 对基坑边坡加设锚杆前后的动 力响应进行了计算。应用B i s h o p 一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 .9 8 提高到1 .3 3 ,提升幅度为3 6 %。 关键词基坑边坡;锚杆;爆破动力;动力稳定性 中图分类号T D 2 3 5 .3文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 2 0 0 0 6 0 6 A n a l y s i so fR e i n f o r c e m e n tE f f e c to fS l o p eB o l t u n d e rB l a s t i n gD y n a m i cL o a d S i l lH o n g .c h a 0 1 ,Z O UX i n k u a n l ,Z H A N GJ i .c h u n l ,W A N GZ h o n g d a 2 1 .S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g ,S o u t h w e s tJ i a o - t o n gU n i v e r s i t y ,C h e n g d u6 10 0 3 1 ,C h i n a ; 2 .Q i n g d a oG e o t e c h n i c a lI n v e s t i g a t i o n S u r v e y i n gR e s e a r c hI n s t i t u t e ,Q i n g d a o2 6 6 0 3 3 ,C h i n a A b s t r a c t T h ef u l l l e n g t hb o n d i n gb o l tw a su s e dt or e i n f o r c et h er o c kf o u n d a t i o np i ts l o p e .I no r d e rt os t u d yt h e r e i n f o r c e m e n te f f e c to fb o l tu n d e rt h eb l a s t i n gd y n a m i cl o a d ,t h ed y n a m i cr e s p o n s e so ff o u n d a t i o np i ts l o p eb e f o r ea n d a f t e ra d d i n gb o l tw e r ec a l c u l a t e db yt h eF L A C 3 Da c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no fe x c a v a t i o nb l a s t i n gi nn o r t hs i d es l o p e o fn o r t ha n c h o rp i ts l o p eo fN a n x iY a n g t z eR i v e rB r i d g e .T h ed y n a m i cs t a b i l i t yo ft h ef o u n d a t i o np i ts l o p ec o e f f i c i e n t w a sc a l c u l a t e db yB i s h o p p s e u d o s t a t i cm e t h o d .R e s u l t ss h o wt h a tt h ea d d i t i o n a lb o l ti m p r o v e dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o n o fs l o p e ,a n dr e d u c e dt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o np h e n o m e n o no ft h es l o p ef o o t ,a n dp r e v e n t e dl o c a l f a i l u r ed u et ot h e s t r e s sc o n c e n t r a t i o n .U n d e rb l a s t i n gd y n a m i cl o a d i n g ,t h ea x i a lf o r c eo fb o l ta n dm o r t a rs h e a rs t r e s si n c r e a s e dw i t ht h e t i m e ,a n dt h ei n c r e a s er a t ek e p tc o n s t a n t .B ys e t t i n gu pt h ea d d i t i o n a lb o l t ,t h ed y n a m i cs t a b i l i t yo ft h ef o u n d a t i o np i t s l o p ec o e f f i c i e n ti n c r e a s e df r o m0 .9 8t o1 .3 3a n dt h ei n c r e a s er a t er e a c h e du pt O3 6 %. K e yw o r d s f i m n d a t i o ns l o p e ;a n c h o r ;b l a s t i n gv i b r a t i o n ;d y n a m i cs t a b i l i t y 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 收稿日期2 0 1 6 0 4 1 3 作者简介石洪超 1 9 8 0 一 ,男,西南交通大学博士研究生,主要从 事岩石力学与_ 丁程方面的研究, E - m a i l 7 2 7 7 2 2 7 5 0 q q . c o mo 通讯作者张继春 1 9 6 3 一 ,男,博士、教授、博士生导师,主要从事 爆破丁程、岩土T 程结构动力特性与防护技术等方面的教 学与科研T 作, E m a i l J c z h a v l 9 2 0 0 4 1 6 3 .c o m 。 基金项目国家自然科学基金项目 4 1 2 7 2 3 2 1 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剖。 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M ’7 | 。由于边坡在爆破、地震等动力荷载作用下, 万方数据 第3 3 卷第2 期石洪超,邹新宽,张继春,等爆破动荷载作用下边坡锚杆加固效果分析 7 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F L A C 3 D 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B i s h o p 一 拟静力法对基坑边坡的动态稳定性系数进行了 计算‘8 川。 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6 0m ,宽5 0m 。基坑 北侧开挖后形成近6 0 m 的高边坡,边坡坡度为 1 0 .7 5 ~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1 4 5 0 [ 1 6 0 ,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 杆均为西3 2 普通全长非预应力砂浆锚杆,锚杆间距 为3m 3m ,倾角为2 0 0 ,锚杆长度从上至下依次为 3 0m 、3 0m 、2 5 m 、2 5 m 、1 8 m 、1 8m ,钻孔直径 1 1 0m m ,采用M 3 0 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 T a b l e1R o c km a s sp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s 表2 锚杆及砂浆物理力学参数 T a b l e2B o l ta n dm o r t a rp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s 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3m ,与锚杆布置的水平间距相同,整 体数值模型的尺寸为9 2mx 6 5mx3m ,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C a b l e 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M o h r .C o u l o m b 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 .1 5 7 。 图l边坡数值计算模型示意图 F i g .1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fn u m e r i c a lm o d e lo fs l o p e 万方数据 8爆破 2 0 1 6 年6 月 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I 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。 盯。 2 p c 。 口。 1 盯, 2 J 9 c 。 “ , 2 式中o r 。、盯;为坡面位置输入的法向应力和切向应 力,M P a ;p 为岩体密度,k g /m 3 ;c 。、C 。为岩体纵波和 横波传播速度,m /s ;秽。、”,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3m 范同内,如图1 所示。 k 工一j II \瓜,八一~ . 嫠岛掌蓑羹痿 0Y ‘V d .酬 7 Ⅳ扩m ”n 2 0 0 2 50 ‘ 。 y r /s 图2基坑爆破现场实测切向与法向振动速度时程曲线 F i g .2 T h et a n g e n t i a la n dn o r m a lv i b r a t i o nv e l o c i t yt i m e h i s t o r yc u r v eo fe x c a v a t i o nb l a s t i n g 2 数值计算结果与分析 0 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5 0k P a ,而布置锚 杆后相同位置的拉应力明显减小,仅为2 0k P a ,减小 幅度为6 0 %。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 4 0k P a 。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2 0k P a ,降低幅度为 5 0 %,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。 同3未加设锚杆坡体主应力云图 F i g .3 M a i ns t r e s sn e p h o g l ‘a r l lo fs l o p e w i t hn oa d d i t i o n a l l o l t C 咖f 伽ro f S M ●x M I 由c { 1 ∞O e .0 0 0 S ∞&0 m C ■A _ ■x m 图4 加设锚杆坡体主应力云图 F i g .4 M a i ns t r e s sn e p h o g r a mo fs l o p ew i t ha d d i t i o n a lb o h 睡裂糕l 嗣 器;怒;。0 0 0 0 ,., , * 。0 0 4 H5术加设锚仟坡f 奉9 ,应力云图 F i g .5S h e a l l i n gu e p h o g r a l l lf ’f ’s 1 .p t - “1 1 1 1 1 Ja d d i t i o n a l1 o h 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 8 6 4 2 o乏o“罐 万方数据 第3 3 卷第2 期石洪超,邹新宽,张继春,等爆破动荷载作用下边坡锚杆加固效果分析 9 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1m l T l 。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 .1 7m 。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。 瞄蕤蓁 糕cG-7]oe黔ooo‘o 2 000ceo鎏64 } 愀d 2 瞻 。o d ■隧 图6 加设锚杆坡体剪应力云图 F i g .6S h e a r i n gn e p h o g r a mo fs l o p ew i t ha d d i t i o n a l1 I 图7未加设锚杆坡体水平位移云图 F i g .7 H o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tn e p h o g r a m o fs l o p ew i t hn oa d d i t i o n a lb o l t 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 1 3 2 .3k N 。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1 0 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2 2 0 .6k P a 。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8加设锚杆坡体水平位移云图 F i g .8 H o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tn e p h o g r a m o fs l o p ew i t ha d d i t i o n a lb o l t c a b l eA x i a IF o r c e 一淼;。. 、、\、、 №‰~m ∽* 、\、\ 辜≤’。 图9 锚杆轴力分布图 F i g .9 B o l t a x i a lt h r e ed i s t r i c a b l eG r o u tS l i p~ 歌端。。\、.、、 \、\\ ▲\\、、、 訇1 0 锚杆砂浆应力分布冈 l0B o l tn l O l t a z s t r e s sd i s t , i b u t i o n m 舛∞∞舛};;弘H M 谶瓣一 P 裟潍瓣激甚徽徽粼嚣订,}}}}}”叫“加盯∞∞∞∞‰吣吣罴鬻搿 ㈨嚣鬃重 万方数据 1 0爆破 2 0 1 6 年6 月 图11 和图1 2 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, 锚杆一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。 图1 1 底层锚杆轴力时程曲线 F i g .11 B o t t o mb o l ta x i a lf o r c e t i m ec u r v e f /s 图1 2 底层锚杆砂浆剪应力时程曲线 F i g .1 2 B o t t o mb o l tm o r t a rs h e a rs t r e s s t i m ecurve 3 边坡动力稳定性分析 根据简化B i s h o p 拟静力法采用l i d e 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1 3 、1 4 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 .9 8 。在布置锚杆后,基坑的稳定性系 数提高到1 .3 3 ,增加幅度为3 6 %,因此锚杆对于基 坑边坡的加固作用比较明显。 l /m 图1 3未加设锚杆边坡潜在滑面位置 F i g .13 P o t e n t i a ls l i ps u r f a c el o c a t i o no f s l o p ew i t hn oa d d i t i o n a lb o l t l /m 图1 4 加设锚杆边坡潜在滑面位置 F i g .1 4 P o t e n t i a ls l i ps u r f a c el o c a t i o n o fs l o p ew i t ha d d i t i o n a lb o l t 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 万方数据 第3 3 卷第2 期 石洪超,邹新宽,张继春,等爆破动荷载作用下边坡锚杆加固效果分析 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B i s h o p 一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 .9 8 和1 .3 3 ,加 设锚杆后动力稳定性系数提高了3 6 %,锚杆对基坑 边坡的加固作用比较明显。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 张继春,郭学彬,郑爽英,等.顺层边坡岩体的爆破振 动特性试验研究[ J ] .地下空间与工程学报,2 0 0 5 , 1 6 1 0 4 1 - 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[ 5 ]J I A N GZ h o n g m i n g ,X I O N GX i a o h u ,Z E N GL i n g .U n s a t u r a t e ds e e p a g ea n a l y s i so fs l o p eu n d e rr a i n f a l lc o n d i t i o n b a s e do nF L A C 3 D [ J ] .R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s ,2 0 1 4 , 3 5 3 8 5 5 .8 6 1 . i nC h i n e s e . [ 6 ]郑允,陈从新,朱玺玺,等.基于U D E C 的岩质边坡 开挖爆破节点拟静力稳定性计算方法[ J ] .岩石力学 与工程学报,2 0 1 4 ,3 3 S 2 3 9 3 3 .3 9 4 0 . [ 6 ] Z H E N GY u n ,C H E NC o n g x i n ,Z H UX i x i ,e ta 1 .N o d e q u a s i s t a t i cs t a b i l i t ya n a l y s i so fr o c ks l o p eu n d e re x c a v a t i o nb l a s t i n gb a s e do nU D E C [ J ] .C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c k M e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ,2 0 1 4 ,3 3 S 2 3 9 3 3 3 9 4 0 . i nC h i n e s e . [ 7 ] 任永强,张家铭,李哗,等.基于数值模拟技术的爆 破动力荷载对边坡的稳定性影响研究[ J ] .自然灾害 报,2 0 1 3 ,2 2 5 2 6 3 - 2 6 8 . [ 7 ] R E NY o n g q i a n g ,Z H A N GJ i a - m i n g ,L IY e ,e ta 1 .S t u d y i n t oi n f l u e n c eo fb l a s t i n gd y n a m i cl o a do ns l o p es t a b i l i t y b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 『J ] .J o u r n a lo fN a t u r a lD i s a s t e r s ,2 0 1 3 ,2 2 5 2 6 3 2 6 8 . i nC h i n e s e . [ 8 ]张玉成,杨光华,吴舒界,等.土钉支护结构变形与稳 定性关系探讨[ J ] .岩土力学,2 0 1 4 ,3 5 1 2 3 8 - 2 4 7 . [ 8 ] Z H A N GY u c h e n g ,Y A N GG u a n g h u a ,W US h u - j i e ,e t a 1 .D i s c u s s i o no n r e l a t i o n s h i pb e t w e e n d e f o r m a t i o na n d s t a b i l i t yo fs o i ln a i l i n gs t r u c t u r e [ J ] .R o c ka n dS o i lM e c h a n i c s ,2 0 1 4 ,3 5 1 2 3 8 2 4 7 . i nC h i n e s e . [ 9 ] I t a s c aC o n s u l t i n gG r o u pI n c .F L A C 一3 D F a s tL a g r a n g i a n A n a l y s i so fC o n t i n u ai n3D i m e n s i o n s1 V e r s i o n3 .0 0U s e r sM a n u a lV o l u m eV [ M ] .U S A h a s c aC o n s u l t i n gG r o u p I n c ,1 9 9 7 . [ 1 0 ] C A IF e i ,U G A IK .R e i n f o r c i n gm e c h a n i s mo fa n c h o r si n s l o p e s an u m e r i c a lc o m p a r i s o no fr e s u l t so fL E Ma n d F E M [ J ] .I n tJN u m e rA n a lM e t hG e o m e c h ,2 0 0 3 2 7 5 4 9 .5 6 4 . [ 11 ] L A R B IS i a d .S t a b i l i t ya n a l y s i so fj o i n tr o c ks l o p e sr e i n f o r c e db yp a s s i v ef u l l yg r o u t e db o l t s [ J ] .C o m p u t e r sa n d G e o t e c h n i c s 。2 0 0 1 ,2 8 3 2 5 - 3 4 7 . 本刊告示 爆破为中国核心期刊 遴选 数据库、中国期刊网、中国学术期刊 光盘版 、中 文科技期刊数据库和“万方数据数字化期刊群”收录期刊。作者著作权使用费与本刊印刷 版稿酬一次性付给。如作者不同意将文章编人,请在来稿时说明,本刊将另做特殊处理。 ● ● t 爆破编辑部谨致 ,; “h 一.。,。,... 万方数据