水厂新浇构筑物在基坑爆破时的抗裂性能研究

缪 琪,赵章华,俞海杰,孙旭峰

(1.杭州市路桥集团股份有限公司，浙江 杭州 310022； 2.杭州水务控投集团有限公司，浙江 杭州 310009； 3.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127)

1 概述

山地水厂具有节约耕地、离水源地近、可利用自身的重力差实现节能供水等优点，所以随着经济的发展，山地水厂的建设也开始在国内越来越广泛地展开。为使水厂能够尽快投入运营，发挥经济效益，在水厂建设工程中不可避免的会出现多种作业交叉进行的情况，爆破开挖和混凝土浇筑施工常常平行开展，而开山爆破振动可能会使正在施工的早龄期水厂混凝土构筑物产生有害裂缝，从而影响其后期强度及抗渗性能。因此，合理评估混凝土浇筑施工过程中爆破振动的影响就成为工程设计与施工的新要求，以确保水厂混凝土结构能达到设计使用目标，并科学指导施工。

在爆破振动对早龄期混凝土强度和损伤的影响方面，国内外都已开展了一定的研究。Dunham等[1]对圆柱混凝土试块在不同程度质点振速环境下的抗压强度和劈裂抗拉强度测试结果表明，不同频率振动对试块抗压强度没有影响，对劈裂抗拉强度的影响则在8%以内。潘蓉等[2]总结秦山二期和田湾核电站混凝土试块的振动试验研究结果，也表明一定振幅的爆破振动对新浇筑混凝土的后期强度基本无影响。但李毅敏等[3]针对龄期1 d，2 d，3 d，5 d，7 d，10 d的落锤冲击混凝土试块研究，以及吴帅峰等[4]针对露天深孔爆源下龄期6 h，12 h，36 h，48 h，72 h的试块损伤及强度折减研究均表明，爆破振动不仅会损伤混凝土，而且会对早龄期混凝土试块的最终强度产生影响。除了混凝土试块研究，单仁亮、耿慧辉等[5]依据相似理论，以水泥砂浆模拟岩体材料、以石膏模拟喷射混凝土，进行了新喷支护混凝土在爆破荷载作用下的大比例模型试验，并采用预埋试件拉拔法研究了新喷混凝土薄层在不同龄期受振时的终凝强度变化规律，结果显示龄期18 h～72 h的喷射混凝土受振后的抗压和抗剪强度下降最为显著。此外，褚怀保等[6]还研究了不同强度的混凝土试块在4 h～672 h龄期多次受到冲击荷载作用后的累积损伤变化规律。综上所述，由于新浇混凝土的内部水化反应在不断地发展变化，所以爆破振动的影响是一个非常复杂的问题，会受到多种因素的共同作用，且目前的研究多集中于混凝土试块，而针对具有初始应变的结构研究还很不充分。

为探讨邻近基坑爆破振动对新浇水厂构筑物的影响，本文基于现场实测爆破地震波，采用数值模拟的方法研究了典型早龄期水厂构筑物的裂缝产生规律，并对减振措施进行了分析。

2 实测爆破地震波及场地参数分析

2.1 工程概况

本文研究对象闲林水厂位于杭州市闲富公路与里东路交叉口的东北角山地上，占地382.506亩，场地标高采用60 m，为浙江省重点工程。水厂一期及二期设计规模分别为30万m3/d，根据要求，一期、二期工程同步建设、同步投入使用，所以工期紧、施工现场集中、多种作业交叉进行，其中在实施二期基坑爆破时，会不可避免地对正在进行的一期主体施工产生影响。图1为该工程的地理位置及一、二期基坑范围。

根据浙江省水利水电勘测设计院提供的《杭州市闲林水厂一期工程(二期工程)回填区岩土工程详细勘察报告》，厂区各土层的主要特征如下：

Ⅰ层：含碎石粉质黏土：黄色～灰黄色，可塑～硬塑，碎石含量20%～30%，母岩成分以泥质粉砂岩为主，次棱角状～次圆状，粒径1 cm～2 cm。

Ⅱ层：粉砂质泥岩：新鲜岩体青灰色，多为中厚层～厚层状，岩体节理裂隙较发育，抗风化、软化能力弱。

Ⅲ层：条带状灰岩：新鲜岩体灰白色，致密坚硬，多为厚层状，节理裂隙不发育，属可溶性岩体，发育有少量缝合线构造，且局部发育有小型溶洞、溶蚀沟槽。

在工程子项中，反应沉淀清水池范围原地面标高在55.00 m以上，而清水池底板底面标高为51.60 m，以Ⅱ层粉砂质泥岩或Ⅲ层条带状灰岩为底板持力层，故全部位于爆破开挖区。

2.2 实测爆破地震波及场地参数分析

根据爆破设计，该工程在进行边坡爆破时，单次起爆总药量不大于3 000 kg，最大单段起爆药量不大于150 kg，爆破采用露天深孔松动爆破以及导爆管雷管网路联接微差起爆技术，爆破台阶设计高度8 m～15 m，垂直钻孔孔径φ90 mm～φ115 mm，爆破器材使用直径φ70 mm,φ90 mm的2号岩石乳化炸药、铵油炸药。爆破过程中在不同测点布置NUBOX-6016型爆破测振仪，同时检测X(径向)、Y(切向)、Z(垂向)三个方向的振速，其中X向指向爆心位置。

如图2所示为南侧边坡爆破时，在进水泵房及综合楼位置处所布测点和爆心的位置关系。该次爆破总药量为1 224.576 kg，图3，图4分别为两个测点的爆破地震波实测波形，由此可知，进水泵房处的径向最大振速为0.942 7 cm/s，综合楼处的径向最大振速为0.626 cm/s。

利用场地实测振速，即可由萨道夫斯基公式[7]求出场地参数：

(1)

其中，v为最大振速(此处取径向振速)，cm/s；Q为炸药量(延时爆破取最大单段药量)，kg；R为距离，m；K，α分别为场地系数及衰减指数。将上述两个测点的最大振速和距离数据代入式(1)，可求得K=127.6，α=1.302 6，属于坚硬岩石。

3 水厂新浇混凝土构筑物的数值分析

3.1 早龄期混凝土的力学特性及材料模型

对于早龄期混凝土的弹性模量，本文根据文献[8]给出的公式进行计算：

E(t)=E0(1-eatb)

(2)

其中，t为龄期，d；a，b，E0均为常数，一般取a=-0.4，b=0.34，E0=1.44E28，E28为28 d弹性模量。在爆破振动冲击下，混凝土的动态力学性能有所改变，对此本文依据文献[9]取静态标准值的150%。

对于早龄期混凝土的抗压强度，本文采用文献[10]的龄期表达式：

fc(t)=fc28(0.000 075 3t3-0.005 15t2+0.121t)

(3)

其中，t为龄期，d；fc28为混凝土28 d抗压强度,MPa，按文献[9]的动态抗压强度标准值取值。

对于各龄期的动态抗拉强度，则按文献[9]取为动态抗压强度的10%。

在确定了上述基本场地参数和材料参数后，本文采用ADINA有限元软件对爆破现场的水厂构筑物进行数值模拟分析。ADINA提供了专门用于混凝土结构分析的材料模型，该模型采用典型的单轴应力应变关系曲线(即Saenz曲线)，并认为材料在三个主应力方向上为正交各向异性，这种基于非线性弹性理论和断裂力学理论的增量式正交本构模型可以模拟混凝土基本的材料属性，如开裂、压溃等。

3.2 数值模拟结果及分析

在水厂工程中，研究爆破振动影响的主要目的是振动对水厂构筑物抗渗性的影响，且交叉爆破施工的影响主要出现于工程的早期，图5即为南侧边坡爆破时(参见图2～图4)进水泵房的施工状态，此时泵房刚完成底板和部分壁板的混凝土浇筑(底板长40.3 m、宽15.6 m、厚1 m)，龄期为10 d。在二期工程基坑爆破施工时，有可能会对一期工程的清水池底板早龄期混凝土构成影响，其中，清水池底板被伸缩缝分为5段，各段受力相对独立，且每段筏板的结构形式及体量与进水泵房相近，故本文将以进水泵房的底板和部分壁板作为研究对象进行建模分析，建模时考虑重力的影响，但不考虑混凝土水化热引起的温度应力。

图6为泵房的有限元网格划分，这里建模时不考虑分布钢筋，而是在混凝土材料曲线中采用延长受拉破坏下降段的方法来考虑分布钢筋的影响。此外，为使网格形状尽可能规则，底板和壁板网格各自独立划分，并利用rigid link约束互相联结。爆破地震波采用现场实测振速输入，如图3所示，考虑到时程曲线上振速较大的部分出现在0.5 s以前，故计算时间取为1 s，计算步长取0.001 s(为避免数据量过大，计算结果的保存间隔取为0.01 s)，非线性时程积分采用Newmark-β法及位移收敛准则，收敛精度0.000 1。

表1为龄期1 d,3 d,7 d,14 d,28 d的最大主拉应力计算结果、出现时刻以及相应龄期的动态抗拉强度。由此可知：1)在图3的实测爆破地震波作用下，结构各龄期最大主拉应力均远小于相应龄期的混凝土动态抗拉强度，说明该强度的爆破对于早龄期水厂构筑物无影响。2)与混凝土试块研究不同的是，对于实际构筑物而言，爆破振动对结构的影响是非常复杂的，体现在以下方面：a.最大主拉应力出现的时刻从龄期1 d的0.081 s逐渐延迟至龄期14 d的0.151 s，到28 d龄期时又提前到0.121 s；b.最大主拉应力从龄期1 d的0.066 MPa增至龄期7 d的0.174 MPa，之后又降至龄期28 d的0.104 MPa，而并非与混凝土龄期呈简单的线性关系。

表1 实测爆破地震波下不同龄期的最大主拉应力计算结果

考虑二期工程基坑爆破(位置如图2所示)的影响，若单段最大起爆药量仍按150 kg计算，则当爆心距离为30 m时，依据式(1)及场地参数，可求得径向最大振速为13.385 cm/s。将图3所示的实测振速时程按径向最大振速倍数放大后施加于结构上进行非线性时程分析，可求得龄期1 d，3 d，7 d，14 d，28 d的最大主拉应力计算结果如表2所示。由此可知，最大主拉应力及其出现时刻与龄期之间仍呈现出较为复杂的非线性关系，其中龄期1 d时的最大主拉应力已经远远超出其动态抗拉强度，龄期3 d和7 d时则较为接近，只有龄期14 d和28 d仍处于安全范围。

表2 模拟二期基坑爆破地震波下不同龄期的最大主拉应力计算结果

图7为龄期1 d最大主拉应力出现时刻的裂缝分布，从图中可以看出，其裂缝主要分布于壁板根部和支撑柱根部的角点处，其中壁板根部已经形成通缝。

当爆心距离增加为40 m时，径向最大振速将降为9.202 cm/s，此时龄期1 d,3 d及7 d的最大主拉应力也分别降至0.787 MPa，0.711 MPa和1.33 MPa，所以除龄期1 d外，其他龄期混凝土都处于安全范围。而对龄期1 d的混凝土，即使爆心距增至50 m，其最大主拉应力也有0.573 MPa，所以在二期工程基坑爆破施工时，应避开龄期3 d以前的一期混凝土构筑物。

4 结论

本文针对山地水厂施工过程中存在的交叉爆破作业特点，基于现场实测爆破地震波，采用数值模拟的方法研究了典型早龄期水厂混凝土构筑物的裂缝产生与龄期之间的关系，研究结论如下：

1)当构筑物所处位置的最大振速小于文献[7]针对一般民用建筑物(10 Hz

2)对于坚硬岩石而言，在邻近基坑爆破时，若按单段最大起爆药量150 kg计算，则当爆心距为30 m或径向最大振速大于13 cm/s时，龄期7 d以下的构筑物将会产生受拉破坏；而当爆心距增至40 m或径向最大振速降至9 cm/s以下时，龄期3 d以上的构筑物将处于安全范围，故对山地水厂构筑物而言，其安全振速可在文献[7]针对新浇大体积混凝土的安全标准基础上适当放宽。

3)计算的裂缝分布形态显示，构筑物壁板根部的内倒角做法及配筋对于抗裂而言是十分必要的，但工程中这种做法所针对的是静水压力作用，故只在内角处设置，而在爆破振动的往复作用下，外角处同样会产生应力集中，故为降低山地水厂施工中爆破振动的影响，建议考虑在外角处同样设计为倒角。