繆 琪,趙章華,俞海杰,孫旭峰

(1.杭州市路橋集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310022； 2.杭州水務(wù)控投集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310009； 3.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

1 概述

山地水廠具有節(jié)約耕地、離水源地近、可利用自身的重力差實現(xiàn)節(jié)能供水等優(yōu)點，所以隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，山地水廠的建設(shè)也開始在國內(nèi)越來越廣泛地展開。為使水廠能夠盡快投入運(yùn)營，發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益，在水廠建設(shè)工程中不可避免的會出現(xiàn)多種作業(yè)交叉進(jìn)行的情況，爆破開挖和混凝土澆筑施工常常平行開展，而開山爆破振動可能會使正在施工的早齡期水廠混凝土構(gòu)筑物產(chǎn)生有害裂縫，從而影響其后期強(qiáng)度及抗?jié)B性能。因此，合理評估混凝土澆筑施工過程中爆破振動的影響就成為工程設(shè)計與施工的新要求，以確保水廠混凝土結(jié)構(gòu)能達(dá)到設(shè)計使用目標(biāo)，并科學(xué)指導(dǎo)施工。

在爆破振動對早齡期混凝土強(qiáng)度和損傷的影響方面，國內(nèi)外都已開展了一定的研究。Dunham等[1]對圓柱混凝土試塊在不同程度質(zhì)點振速環(huán)境下的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果表明，不同頻率振動對試塊抗壓強(qiáng)度沒有影響，對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響則在8%以內(nèi)。潘蓉等[2]總結(jié)秦山二期和田灣核電站混凝土試塊的振動試驗研究結(jié)果，也表明一定振幅的爆破振動對新澆筑混凝土的后期強(qiáng)度基本無影響。但李毅敏等[3]針對齡期1 d，2 d，3 d，5 d，7 d，10 d的落錘沖擊混凝土試塊研究，以及吳帥峰等[4]針對露天深孔爆源下齡期6 h，12 h，36 h，48 h，72 h的試塊損傷及強(qiáng)度折減研究均表明，爆破振動不僅會損傷混凝土，而且會對早齡期混凝土試塊的最終強(qiáng)度產(chǎn)生影響。除了混凝土試塊研究，單仁亮、耿慧輝等[5]依據(jù)相似理論，以水泥砂漿模擬巖體材料、以石膏模擬噴射混凝土，進(jìn)行了新噴支護(hù)混凝土在爆破荷載作用下的大比例模型試驗，并采用預(yù)埋試件拉拔法研究了新噴混凝土薄層在不同齡期受振時的終凝強(qiáng)度變化規(guī)律，結(jié)果顯示齡期18 h～72 h的噴射混凝土受振后的抗壓和抗剪強(qiáng)度下降最為顯著。此外，褚懷保等[6]還研究了不同強(qiáng)度的混凝土試塊在4 h～672 h齡期多次受到?jīng)_擊荷載作用后的累積損傷變化規(guī)律。綜上所述，由于新澆混凝土的內(nèi)部水化反應(yīng)在不斷地發(fā)展變化，所以爆破振動的影響是一個非常復(fù)雜的問題，會受到多種因素的共同作用，且目前的研究多集中于混凝土試塊，而針對具有初始應(yīng)變的結(jié)構(gòu)研究還很不充分。

為探討鄰近基坑爆破振動對新澆水廠構(gòu)筑物的影響，本文基于現(xiàn)場實測爆破地震波，采用數(shù)值模擬的方法研究了典型早齡期水廠構(gòu)筑物的裂縫產(chǎn)生規(guī)律，并對減振措施進(jìn)行了分析。

2 實測爆破地震波及場地參數(shù)分析

2.1 工程概況

本文研究對象閑林水廠位于杭州市閑富公路與里東路交叉口的東北角山地上，占地382.506畝，場地標(biāo)高采用60 m，為浙江省重點工程。水廠一期及二期設(shè)計規(guī)模分別為30萬m3/d，根據(jù)要求，一期、二期工程同步建設(shè)、同步投入使用，所以工期緊、施工現(xiàn)場集中、多種作業(yè)交叉進(jìn)行，其中在實施二期基坑爆破時，會不可避免地對正在進(jìn)行的一期主體施工產(chǎn)生影響。圖1為該工程的地理位置及一、二期基坑范圍。

根據(jù)浙江省水利水電勘測設(shè)計院提供的《杭州市閑林水廠一期工程(二期工程)回填區(qū)巖土工程詳細(xì)勘察報告》，廠區(qū)各土層的主要特征如下：

Ⅰ層：含碎石粉質(zhì)黏土：黃色～灰黃色，可塑～硬塑，碎石含量20%～30%，母巖成分以泥質(zhì)粉砂巖為主，次棱角狀～次圓狀，粒徑1 cm～2 cm。

Ⅱ?qū)樱悍凵百|(zhì)泥巖：新鮮巖體青灰色，多為中厚層～厚層狀，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，抗風(fēng)化、軟化能力弱。

Ⅲ層：條帶狀灰?guī)r：新鮮巖體灰白色，致密堅硬，多為厚層狀，節(jié)理裂隙不發(fā)育，屬可溶性巖體，發(fā)育有少量縫合線構(gòu)造，且局部發(fā)育有小型溶洞、溶蝕溝槽。

在工程子項中，反應(yīng)沉淀清水池范圍原地面標(biāo)高在55.00 m以上，而清水池底板底面標(biāo)高為51.60 m，以Ⅱ?qū)臃凵百|(zhì)泥巖或Ⅲ層條帶狀灰?guī)r為底板持力層，故全部位于爆破開挖區(qū)。

2.2 實測爆破地震波及場地參數(shù)分析

根據(jù)爆破設(shè)計，該工程在進(jìn)行邊坡爆破時，單次起爆總藥量不大于3 000 kg，最大單段起爆藥量不大于150 kg，爆破采用露天深孔松動爆破以及導(dǎo)爆管雷管網(wǎng)路聯(lián)接微差起爆技術(shù)，爆破臺階設(shè)計高度8 m～15 m，垂直鉆孔孔徑φ90 mm～φ115 mm，爆破器材使用直徑φ70 mm,φ90 mm的2號巖石乳化炸藥、銨油炸藥。爆破過程中在不同測點布置NUBOX-6016型爆破測振儀，同時檢測X(徑向)、Y(切向)、Z(垂向)三個方向的振速，其中X向指向爆心位置。

如圖2所示為南側(cè)邊坡爆破時，在進(jìn)水泵房及綜合樓位置處所布測點和爆心的位置關(guān)系。該次爆破總藥量為1 224.576 kg，圖3，圖4分別為兩個測點的爆破地震波實測波形，由此可知，進(jìn)水泵房處的徑向最大振速為0.942 7 cm/s，綜合樓處的徑向最大振速為0.626 cm/s。

利用場地實測振速，即可由薩道夫斯基公式[7]求出場地參數(shù)：

(1)

其中，v為最大振速(此處取徑向振速)，cm/s；Q為炸藥量(延時爆破取最大單段藥量)，kg；R為距離，m；K，α分別為場地系數(shù)及衰減指數(shù)。將上述兩個測點的最大振速和距離數(shù)據(jù)代入式(1)，可求得K=127.6，α=1.302 6，屬于堅硬巖石。

3 水廠新澆混凝土構(gòu)筑物的數(shù)值分析

3.1 早齡期混凝土的力學(xué)特性及材料模型

對于早齡期混凝土的彈性模量，本文根據(jù)文獻(xiàn)[8]給出的公式進(jìn)行計算：

E(t)=E0(1-eatb)

(2)

其中，t為齡期，d；a，b，E0均為常數(shù)，一般取a=-0.4，b=0.34，E0=1.44E28，E28為28 d彈性模量。在爆破振動沖擊下，混凝土的動態(tài)力學(xué)性能有所改變，對此本文依據(jù)文獻(xiàn)[9]取靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值的150%。

對于早齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度，本文采用文獻(xiàn)[10]的齡期表達(dá)式：

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

(3)

其中，t為齡期，d；fc28為混凝土28 d抗壓強(qiáng)度,MPa，按文獻(xiàn)[9]的動態(tài)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取值。

對于各齡期的動態(tài)抗拉強(qiáng)度，則按文獻(xiàn)[9]取為動態(tài)抗壓強(qiáng)度的10%。

在確定了上述基本場地參數(shù)和材料參數(shù)后，本文采用ADINA有限元軟件對爆破現(xiàn)場的水廠構(gòu)筑物進(jìn)行數(shù)值模擬分析。ADINA提供了專門用于混凝土結(jié)構(gòu)分析的材料模型，該模型采用典型的單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(即Saenz曲線)，并認(rèn)為材料在三個主應(yīng)力方向上為正交各向異性，這種基于非線性彈性理論和斷裂力學(xué)理論的增量式正交本構(gòu)模型可以模擬混凝土基本的材料屬性，如開裂、壓潰等。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

在水廠工程中，研究爆破振動影響的主要目的是振動對水廠構(gòu)筑物抗?jié)B性的影響，且交叉爆破施工的影響主要出現(xiàn)于工程的早期，圖5即為南側(cè)邊坡爆破時(參見圖2～圖4)進(jìn)水泵房的施工狀態(tài)，此時泵房剛完成底板和部分壁板的混凝土澆筑(底板長40.3 m、寬15.6 m、厚1 m)，齡期為10 d。在二期工程基坑爆破施工時，有可能會對一期工程的清水池底板早齡期混凝土構(gòu)成影響，其中，清水池底板被伸縮縫分為5段，各段受力相對獨(dú)立，且每段筏板的結(jié)構(gòu)形式及體量與進(jìn)水泵房相近，故本文將以進(jìn)水泵房的底板和部分壁板作為研究對象進(jìn)行建模分析，建模時考慮重力的影響，但不考慮混凝土水化熱引起的溫度應(yīng)力。

圖6為泵房的有限元網(wǎng)格劃分，這里建模時不考慮分布鋼筋，而是在混凝土材料曲線中采用延長受拉破壞下降段的方法來考慮分布鋼筋的影響。此外，為使網(wǎng)格形狀盡可能規(guī)則，底板和壁板網(wǎng)格各自獨(dú)立劃分，并利用rigid link約束互相聯(lián)結(jié)。爆破地震波采用現(xiàn)場實測振速輸入，如圖3所示，考慮到時程曲線上振速較大的部分出現(xiàn)在0.5 s以前，故計算時間取為1 s，計算步長取0.001 s(為避免數(shù)據(jù)量過大，計算結(jié)果的保存間隔取為0.01 s)，非線性時程積分采用Newmark-β法及位移收斂準(zhǔn)則，收斂精度0.000 1。

表1為齡期1 d,3 d,7 d,14 d,28 d的最大主拉應(yīng)力計算結(jié)果、出現(xiàn)時刻以及相應(yīng)齡期的動態(tài)抗拉強(qiáng)度。由此可知：1)在圖3的實測爆破地震波作用下，結(jié)構(gòu)各齡期最大主拉應(yīng)力均遠(yuǎn)小于相應(yīng)齡期的混凝土動態(tài)抗拉強(qiáng)度，說明該強(qiáng)度的爆破對于早齡期水廠構(gòu)筑物無影響。2)與混凝土試塊研究不同的是，對于實際構(gòu)筑物而言，爆破振動對結(jié)構(gòu)的影響是非常復(fù)雜的，體現(xiàn)在以下方面：a.最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)的時刻從齡期1 d的0.081 s逐漸延遲至齡期14 d的0.151 s，到28 d齡期時又提前到0.121 s；b.最大主拉應(yīng)力從齡期1 d的0.066 MPa增至齡期7 d的0.174 MPa，之后又降至齡期28 d的0.104 MPa，而并非與混凝土齡期呈簡單的線性關(guān)系。

表1 實測爆破地震波下不同齡期的最大主拉應(yīng)力計算結(jié)果

考慮二期工程基坑爆破(位置如圖2所示)的影響，若單段最大起爆藥量仍按150 kg計算，則當(dāng)爆心距離為30 m時，依據(jù)式(1)及場地參數(shù)，可求得徑向最大振速為13.385 cm/s。將圖3所示的實測振速時程按徑向最大振速倍數(shù)放大后施加于結(jié)構(gòu)上進(jìn)行非線性時程分析，可求得齡期1 d，3 d，7 d，14 d，28 d的最大主拉應(yīng)力計算結(jié)果如表2所示。由此可知，最大主拉應(yīng)力及其出現(xiàn)時刻與齡期之間仍呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的非線性關(guān)系，其中齡期1 d時的最大主拉應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其動態(tài)抗拉強(qiáng)度，齡期3 d和7 d時則較為接近，只有齡期14 d和28 d仍處于安全范圍。

表2 模擬二期基坑爆破地震波下不同齡期的最大主拉應(yīng)力計算結(jié)果

圖7為齡期1 d最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)時刻的裂縫分布，從圖中可以看出，其裂縫主要分布于壁板根部和支撐柱根部的角點處，其中壁板根部已經(jīng)形成通縫。

當(dāng)爆心距離增加為40 m時，徑向最大振速將降為9.202 cm/s，此時齡期1 d,3 d及7 d的最大主拉應(yīng)力也分別降至0.787 MPa，0.711 MPa和1.33 MPa，所以除齡期1 d外，其他齡期混凝土都處于安全范圍。而對齡期1 d的混凝土，即使爆心距增至50 m，其最大主拉應(yīng)力也有0.573 MPa，所以在二期工程基坑爆破施工時，應(yīng)避開齡期3 d以前的一期混凝土構(gòu)筑物。

4 結(jié)論

本文針對山地水廠施工過程中存在的交叉爆破作業(yè)特點，基于現(xiàn)場實測爆破地震波，采用數(shù)值模擬的方法研究了典型早齡期水廠混凝土構(gòu)筑物的裂縫產(chǎn)生與齡期之間的關(guān)系，研究結(jié)論如下：

1)當(dāng)構(gòu)筑物所處位置的最大振速小于文獻(xiàn)[7]針對一般民用建筑物(10 Hz

2)對于堅硬巖石而言，在鄰近基坑爆破時，若按單段最大起爆藥量150 kg計算，則當(dāng)爆心距為30 m或徑向最大振速大于13 cm/s時，齡期7 d以下的構(gòu)筑物將會產(chǎn)生受拉破壞；而當(dāng)爆心距增至40 m或徑向最大振速降至9 cm/s以下時，齡期3 d以上的構(gòu)筑物將處于安全范圍，故對山地水廠構(gòu)筑物而言，其安全振速可在文獻(xiàn)[7]針對新澆大體積混凝土的安全標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上適當(dāng)放寬。

3)計算的裂縫分布形態(tài)顯示，構(gòu)筑物壁板根部的內(nèi)倒角做法及配筋對于抗裂而言是十分必要的，但工程中這種做法所針對的是靜水壓力作用，故只在內(nèi)角處設(shè)置，而在爆破振動的往復(fù)作用下，外角處同樣會產(chǎn)生應(yīng)力集中，故為降低山地水廠施工中爆破振動的影響，建議考慮在外角處同樣設(shè)計為倒角。