于海濤

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司 廣州 510500；2、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展，工程爆破作為巖土施工的重要手段，廣泛應(yīng)用于隧道開挖、礦山開采、建筑物拆除等工程項目中［1］，在降低勞動強度創(chuàng)造巨大經(jīng)濟效益的同時，也對周邊環(huán)境產(chǎn)生了嚴重影響，比如爆破過程產(chǎn)生的粉塵、振動、飛石和噪音等，其中爆破振動影響最為嚴重［2］，其對周邊建筑物造成的損傷破壞引發(fā)不少民事糾紛，受到社會關(guān)注。

國內(nèi)外學(xué)者對爆破振動傳播規(guī)律和周邊建筑物安全界定做了很多相關(guān)研究［3-5］，研究指出爆破引起的地表振動速度隨著振源距的增加而衰減，按照我國現(xiàn)有《爆破安全規(guī)程：GB 6722—2014》，結(jié)合振動頻率采用質(zhì)點振動速度作為安全判據(jù)對周邊建筑物進行安全評價是可靠的。隨著計算機科學(xué)的快速發(fā)展和理論水平的提高，在爆破振動研究中，數(shù)值分析方法被廣泛應(yīng)用［6-7］，但主要采用有限元軟件進行模擬，計算模型與計算結(jié)果與實際往往差別較大。

本文以中山某工業(yè)廠房附近山坡爆破試驗場地為例，采用有限差分軟件FLAC 3D 非線性動力分析方法對爆破振動對周邊建筑物影響進行了分析研究，建立考慮真實地形地貌與巖土參數(shù)的模型，求解結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比表明分析方法的適用性和準確性。該分析方法的應(yīng)用，可對今后的爆破施工振動危害進行合理評價，也可為爆破振害防治提供參考和借鑒。

1 工程概況

該試驗場地為某工業(yè)廠房所在地，由于附近山坡爆破施工產(chǎn)生的振動可能對該廠房建筑物產(chǎn)生影響，試驗主要是在山坡進行爆破施工時對該工程的主振頻率和最大振動速度進行測試。按建筑物遠近不同在6個位置共設(shè)置11個測點，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場監(jiān)測測點布置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Monitoring Point Layout

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立和網(wǎng)格劃分

針對場地的實測地形，采用CAD與有限元軟件進行交互建模并導(dǎo)入FLAC 3D 中以生成場地地形地貌網(wǎng)格。根據(jù)實驗場地的勘察資料，將計算模型從地表開始劃分為粉質(zhì)粘土、粉砂層、粉質(zhì)粘土層和中砂層，厚度分別為5 m、8 m、3 m、14 m。

根據(jù)場地的實際情況，建立了試驗場地的FLAC 3D計算模型，如圖2所示。模型尺寸為180 m×100 m×30 m，共設(shè)置了10 228個網(wǎng)格單元和9 314個計算節(jié)點。

圖2 試驗場地三維地形網(wǎng)格Fig.2 Three-dimensional Terrain Grid of Test Site

2.2 本構(gòu)模型和巖土計算參數(shù)

本次數(shù)值模擬采用FLAC 3D 非線性動力分析模式下的Mohr-Coulomb 模型，根據(jù)試驗場地的勘察報告，選定各土層的計算參數(shù)如表1所示。

表1 各土層計算參數(shù)Tab.1 Calculation Parameters of Each Soil Layer

2.3 動力荷載施加

針對爆破動力荷載施加問題，相較模型復(fù)雜且計算耗時長的傳統(tǒng)荷載施加方法，相關(guān)學(xué)者做了大量研究提出了基于圣維南荷載等效原理的爆破荷載等效施加方法［8-9］，并對其合理性做了相關(guān)驗證，本文主要采用該方法進行爆破動力荷載施加。

采用三角形沖擊波荷載進行簡化，參考許紅濤等人［10］的研究結(jié)果，爆破荷載壓力上升時間為100 μs，正壓作用時間為600 μs，持續(xù)時間取為0.6 s。

2.4 模型求解

在此次數(shù)值分析中根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用在坡面上布置一排10個炮孔的形式。計算流程為：計算模型在自重應(yīng)力下達到平衡→清除場地各單元位移和速度→設(shè)置動力邊界和動力荷載后進行動力分析。

自重應(yīng)力平衡后的豎向位移云圖如圖3所示。爆炸0.2 s、1.0 s、2.0 s時的速度云圖如圖4所示。

圖3 自重應(yīng)力平衡后的豎向位移云圖Fig.3 Vertical Displacement Cloud after Gravity Stress Balance

圖4 爆炸速度云圖Fig.4 Cloud Image of Explosion Velocity

2.5 計算結(jié)果分析

從圖4 可以看出爆炸1.0 s 后速度云圖變化很小，各監(jiān)測點測得速度值接近于0.2 s速度云圖數(shù)據(jù)，這也符合爆破振動屬于點震源瞬時沖擊振動的特點。

在計算模型上布置了速度監(jiān)測點，監(jiān)測點的具體位置與圖1一致。各監(jiān)測點合速度時程曲線如圖5所示。從各監(jiān)測點三向速度與合速度曲線可以看出，各監(jiān)測點三向速度峰值大小為Z向＞X向＞Y向，即垂向質(zhì)點峰值振速要大于水平向振速，其中以爆心為中心的同心圓的切線方向振速最小。

3 計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

按照《爆破安全規(guī)程：GB 6722—2014》安全允許標準的規(guī)定，相同位置取質(zhì)點振動速度峰值做判別安全與否的標準，現(xiàn)場布置監(jiān)測點的6 個位置振速峰值和相同位置數(shù)值計算振速峰值數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果對比Tab.2 Comparison of the Field Measured Data and the Numerical Calculation Results

為驗證數(shù)值計算結(jié)果的準確性，將計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測試驗結(jié)果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果數(shù)據(jù)的一致性較好，均符合爆破振動速度隨振源距增加而快速衰減的總體規(guī)律。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程：GB 6722—2014》中的規(guī)定，對于工業(yè)建筑物當(dāng)主振頻率為10～50 Hz時，安全允許質(zhì)點振速為3.5～4.5 cm/s，從表2 中可以看出，無論是采用數(shù)值分析計算數(shù)據(jù)還是現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，B1測點位置振速均已超出安全允許范圍，D3 和D8 測點振速位于安全臨界值附近，總體評估該爆破施工振動會對臨近爆破點第一排工業(yè)廠房產(chǎn)生破壞，在后期施工中需改變爆破施工參數(shù)以減小振動的影響。

4 結(jié)論

本文以中山市某爆破場地為例，論述基于FLAC 3D的爆破施工振動對周邊建筑物影響的數(shù)值分析方法，通過將數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測試驗的結(jié)果進行對比分析，驗證該分析方法在模擬爆破施工影響的準確性和適用性。主要結(jié)論如下：

⑴爆破振動三向速度峰值大小為Z向＞X向＞Y向，即垂向質(zhì)點峰值振速要大于水平向振速，其中以爆心為中心的同心圓的切線方向振速最小。

⑵數(shù)值模擬計算結(jié)果數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)總體上具有很好的一致性，兩者數(shù)據(jù)差異是因為爆破振動傳播影響因素較多，數(shù)值分析中有做簡化處理。

⑶按《爆破安全規(guī)程：GB 6722—2014》進行爆破周邊建筑物安全界定，采用數(shù)值分析方法與采用現(xiàn)場監(jiān)測方法評判結(jié)果一致，研究成果可為今后爆破施工周邊建筑物的安全評估提供參考和借鑒。