大直径桥墩深水基础爆破施工基岩损伤数值模拟

耿 冰,盖青山,胡利平

(中铁建大桥工程局集团第四工程有限公司，天津 300300)

1 概述

现代水下爆破施工技术的发展始于20世纪50年代后期，在我国，随着综合国力和经济的发展，水下爆破理论、技术、器材和设计方法等都得到长足发展，目前已经大量应用于码头建设、航道疏浚整治等方面[1]。许多学者通过大量的工程实践，对水下爆破施工技术进行了研究和总结。磨礼欢[2]对复杂海况条件下的深水炸礁技术进行研究，对爆破参数、炸药量的选择及施工策略进行了详细介绍，并提出了不完全爆破问题的解决方法；吴金仓等[3]通过对上海洋山深水港炸礁工程的研究，阐述了自升式炸礁平台船在复杂水文条件下的应用及水下炸礁爆破参数的选择和施工工艺；齐世福等[4]通过对秦淮河某段内河航道开挖整治工程的研究，提出了内河航道水下爆破钻孔问题的解决办法及爆破器材的保护措施；袁成诚[5]通过实际工程对水下爆破常用的水下裸露爆破和水下钻孔爆破施工方法进行了总结，并对炸礁作业船和支架平台钻孔法在近海水下爆破工程中的应用进行了介绍；柴修伟等[6]通过对水下爆破发生盲炮现象的研究，深入分析了盲炮事故发生的原因，并介绍了避免盲炮现象的预防措施；关功政[7]结合新滩坝码头水下炸礁工程对深水区和浅水区不同的钻孔方式及施工方法进行了详细介绍。由于水下环境的制约，水下爆破工程多难以探明施工后基础岩体损伤程度，对保证施工安全不利。本文以某大直径桥墩基础水下爆破开挖工程为例，基于有限单元法，研究了不同开挖步下基础损伤程度，对水下爆破施工等相关工程有一定借鉴意义。

2 显式动力学有限元方法简介

有限元法(Finite Element Method，FEM)是伴随科学技术不断发展而成长起来的一类行之有效的分析方法。该方法将整个待分析系统网格化为有限个几何形态具有固定规则细小单元，利用弹性力学原理将各个元素的特征计算出来，之后将各个元素拼接整合构成体系化结构。ANASYS是一款大型商用有限元软件，具有强大的前后处理功能与丰富的单元类型及材料库。LS-DYNA是该软件的动力分析模块，它使用单点高斯积分，引入沙漏粘性控制零能模态，并应用中心差分法进行时间积分，可以求解各种二维和三维非弹性结构的高速碰撞、爆炸和模压等大变形动力响应问题。当前ANSYS/LS-DYNA广泛的应用于隧道交通、矿山工程及水利水电工程的爆破分析中，本文通过ANSYS/LS-DYNA软件研究大直径桥墩基础水下爆破对基础损伤的影响。

3 模型建立

实际开挖过程中桥墩基础开挖面大，炮孔数量多，并且分区域、分层起爆。若直接按实际爆破开挖方案进行三维数值模拟难度较大，故简化为在每个区域的开挖面上施加爆破荷载的形式进行分布开挖三维数值模拟。爆破荷载由根据实际工况进行的单孔爆破数值模拟得到。数值模拟采用ANSYS/LS-DYNA软件。

根据模型的对称性，为了提高计算效率、减少运算量、保证结果合理，三维开挖模拟模型采用1/4对称模型，如图1所示。模型尺寸与实际工程比例为1∶1，高20 m，半径50 m。模型开挖分为两层，第一层开挖半径20 m，深5 m，分三步开挖。第二层开挖区域为内径14 m，外径18 m，深5 m的圆环，一次开挖。模型周边以及底部设为非反射边界条件。

炸药材料模型由*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和*EOS-JWL状态方程来描述，炸药主要力学参数如表1所示。

表1 炸药主要力学参数

水体材料本构方程使用LS-DYNA自带的空物质材料本构模型MAT_NULL，状态方程使用EOS-GRUNEISEN状态方程以模拟水在高压环境中的形变。

本文岩石材料选择T. J. Holmquist，G.R.Johnson和W.H.Cook在1993年提出的JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE损伤本构模型，ANSYS/LS-DYNA软件中，该材料模型编号为111，岩石主要力学参数如表2所示。

表2 岩石HJC模型参数

为了研究分步爆破对地基的损伤累积效应，爆区下方地基及周围围岩上布置横纵共21个监测点来监测围岩损伤情况，从第一层开挖底面向下每2 m布置一排监测点，共4排监测点；侧面围岩共设置3个监测点，第一层设置1个监测点，编号为H90520，第二层设置两个监测点，编号分别为H5632和H74240。地基损伤监测点布置见图2。

4 整体爆破数值模拟分析

4.1 不同开挖步下基础整体损伤分析

图3为三维实体模型模拟该工程分步爆破导致地基损伤的损伤分步云图，从图3可以看出，随着爆破开挖的分步进行，地基的损伤范围也逐渐向外和向下扩展。

各监测点损伤监测结果如图4所示。

图4(a)为第一层地基第一列监测点的损伤情况，不难看出，距离开挖区越近的点，损伤程度越大，监测点H95812为距离爆区最近的点，损伤值远大于后面几个监测点。监测点H95812和监测点H94588有明显的损伤累积效应，在约12 ms时出现明显的损伤累积，累积量约0.02，这是由于第二步开挖所导致的损伤累积，另外两个监测点由于距离较远，没有出现明显的累积损伤。

图4(b)为第一层爆区下第一排监测点的损伤情况，从图中可以看出，监测点H95812有一次明显的损伤累积，监测点H11839有三次明显的累积效果，第一次累积为第二步开挖所致，第二次累积因第三次开挖所致，第三次累积由第二层起爆所致。监测点H6288和监测点H11827因距离第一步开挖面较远，第一步开挖几乎对其没有影响，它们的损伤从第二步开挖开始迅速增加，然后随着第三步开挖，约在20 ms时出现损伤累积，最后在约30 μs时因第二层开挖导致第二次损伤累积，监测点H6288因距离第二层开挖面最近，故第二次损伤累积量最大达到约0.47。

图4(c)和图4(d)为地基的第二列和第三列监测点的损伤情况，整体规律是第一排点因距离爆区较近有多次明显的损伤累积，最终损伤程度也比较大，后面的监测点因距离爆区较远，损伤累积次数较少，最终损伤程度也较小。

图4(e)为第一层最外围开挖面外侧围岩和第二层开挖面外侧围岩监测点的损伤情况，从图中可以看出测点H5632和测点H90520在约20 ms时迅速达到损伤最大值，此时正为第三步开挖，由于这两个测点分别距离第三步开挖面的侧面和地面较近，因此受第三步开挖的爆轰作用，迅速达到损伤最大值。测点H74240因距离开挖面较远，故损伤值较小，且在第二层开挖时有微弱损伤累积。图4(f)为第二层开挖面底部监测点损伤情况，此监测点在21 ms时因第三步开挖出现一定程度损伤，随后，当第二层开始开挖时，损伤程度迅速达到最大值。

4.2 不同损伤程度范围分析

图5为地基最终损伤程度不同范围云图，从图5可以看出地基及围岩的损伤区域大致分为三部分：严重损伤、中度损伤和轻微损伤，开挖区域地基严重损伤深度为1.5 m，重度损伤深度约1 m，轻度损伤深度约3 m；侧面围岩严重损伤深度约1 m，中度损伤深度约2.0 m，轻微损伤深度约2.5 m。第二层开挖区域与第一层开挖区域交界区域，地基出现局部严重损伤。

5 结论

本文通过ANSYS/LS-DYNA显式动力学有限元方法，建立了大直径桥墩基础水下爆破开挖模型，分析了不同开挖步下基础损伤情况，主要结论为：1)随着爆破开挖的分步进行，地基的损伤范围也逐渐向外和向下扩展。2)距离开挖区越近的点，损伤程度越大，整体规律为距离爆区较近的点会有多次明显的损伤累积，最终损伤程度也比较大，而距离爆区较远的点，损伤累积次数较少，最终损伤程度也较小。