桥体爆破拆除塌落冲击对土体影响深度的计算方法

杨 宾， 林从谋， 殷榕鹏， 温智捷， 张 帆

(1.华侨大学 岩土工程研究所， 福建 厦门 361021; 2.福建省隧道与城市地下空间工程技术研究中心， 福建厦门 361021)

桥体爆破拆除塌落冲击对土体影响深度的计算方法

杨 宾1,2， 林从谋1,2， 殷榕鹏1， 温智捷1， 张 帆1

(1.华侨大学 岩土工程研究所， 福建 厦门 361021; 2.福建省隧道与城市地下空间工程技术研究中心， 福建厦门 361021)

为确保建筑物拆除爆破时地下各类管线的安全，以漳州东立交桥整体爆破拆除工程为背景，将桥体爆破拆除时的塌落对土体的作用过程类比为强夯，基于强夯理论提出建筑物塌落冲击对土体的影响深度以及土体沉降值的计算方法。采用PLAXIS和ANSYS/LS-DYNA分别对漳州市东立交桥逐跨塌落进行数值模拟，根据塑性区的范围和土体的位移大小判断影响深度。最后将数值模拟和现场实测数据与建立方法的计算结果进行对比分析，证明计算方法的可行性。研究成果可以为类似工程及相关研究提供参考。

爆破拆除； 塌落冲击； 土体变形； 计算方法； 影响深度； 桥体拆除

1 引言

目前，我国对拆除爆破已经积累了相当丰富的工程实践经验。但是爆破作业毕竟是一种高风险的活动，除了拆除爆破技术本身可能带来的危害外，拆除爆破产生的负面效应也越来越受到了人们的关注。由于高大建筑的周围环境复杂，对安全要求也更加严格。为了减少塌落振动造成的危害，对塌落振动进行深入的研究非常有必要。

2 工程概况

漳州东立交桥为一座三层纺锤形定向互通式立交桥，总长5.475 5 km。该桥由于地层环境复杂，在服役18年后出现了多项安全隐患，桥梁总体状况已恶化为五类桥，无法满足现行规范对安全性、通行条件等标准的要求，决定采用控制爆破技术一次性整体拆除。

立交桥地基存在深厚的软土层，局部厚20 m，且周边建(构)筑物较多，最近的距离为35 m。因此，爆破拆除面临的难题是如何有效地控制拆除桥体下落后在地基内部引起的较大振动和变形。

3 桥段塌落土体变形计算

3.1 有效加固深度计算公式

桥段的塌落可以看作是对土体进行一次强夯，可以采用强夯法研究桥段塌落产生的土体加固深度〔1-2〕。由于是对桥墩进行同时爆破，可简化和抽象桥段塌落过程。假定桥段是垂直落下，触地面积为桥面底部面积。计算方法以单跨为例，单跨桥段是同时触地，触地时间短。

国内外对强夯法影响深度的称谓有加固深度, 也有影响深度、处理深度等。强夯影响深度和有效加固深度之间的区分并没有严格的定义。其区别一般认为是:前者指强夯后地表下土体发生物理力学变化的某一深度，而后者指地基土经强夯加固后能够满足特定工程要求的深度。对被加固的地基土有不同工程要求，采用不同的判定方式，则得出的有效加固深度便不同。可以认为强夯影响深度对不同工程标准相对统一，便于理论分析；而有效加固深度的工程意义更大，设计或施工时通常采用Menard和Billam公式来计算有效加固深度〔3-5〕。

3.1.1 Menard计算方法

1972年，Menard提出了著名的Menard公式〔3〕,以计算强夯的影响深度。国内外大量工程实践表明, 按Menard公式计算的加固深度偏大, 需经过修正才符合实际，修正的Menard公式：

(1)

式中：Z为有效加固深度，m；W为夯锤重量，kN； H为夯锤落距，m；α为地层拆减系数。

将漳州东立交桥塌落冲击地面过程等效简化为夯锤作用，以最大体积的V12单跨桥段为例，桥下地层主要属于淤泥类，查得折减系数α=0.5；W为夯锤重量，当桥面高1.2 m、密度2 500 kg/m3、夯锤直径取2.4 m，则W=132.935 kN；H为夯锤落距，取V12桥段落距H=11.15 m。

上述参数代入公式(1)，得到V12桥段塌落冲击对淤泥地层的有效加固深度为Z=6.088 m。

Menard公式修正法形式简单但精度甚低,存在很大的局限性。

3.1.2 Billam 计算方法

1979年，Billam提出的计算方法〔3〕与Menard公式相比,考虑了夯锤底面积和土体阻尼对强夯加固深度的影响, 量纲上也避免了Menard经验公式的矛盾。

(2)

式中：Z为强夯加固深度，m；M为夯锤的重量，kN；H为夯锤落距，m；B为夯锤底面直径，m；K为折减系数,K=g/q, g为重力加速度，m/s2,q为土骨架的动阻力，kN/m，一般取0.10～0.16。

仍以最大体积的V12单跨桥段为例，由于Billam公式是考虑夯锤的底面积，故需将V12桥段整个桥面假想为一个大的夯锤(不同于Menard公式将其等效为一个直径为2.4 m的小夯锤)。则应用Billam公式修正法计算影响深度时，夯锤的重量M为整个桥段重量：M=15 070.44 kN；夯锤底面直径B取以桥底面积大小的正方形内切圆直径22.64 m；折减系数K取0.15。

上述参数代入式(2)得V12桥段塌落冲击对淤泥地层的有效加固深度Z=5.017 5 m。

应该指出，Billam提出的计算方法考虑了桥面的底面积更符合桥段塌落的实际情况。故这里选择Billam公式的计算结果作为漳州东立交桥采用逐跨塌落爆破拆除方案，桥梁的塌落冲击对淤泥地层的有效加固深度为5.017 5 m。

3.2 土体沉降计算公式

强夯的加固机理可以概括为，将夯锤的重力势能转化为对土体短暂的冲击荷载，从而促使土体产生变形，密实程度增加。根据夯锤与土体共同作用的非完全弹性碰撞半空间强夯模型，对强夯的冲击过程进行了分析，强夯作用下，土体沉降量的大小可通过下式计算〔6〕，土体的最大位移为

(3)

由式(3)可得，强夯所产生的振动幅值与夯锤的重力能的平方根成正比，与夯锤底面半径和土体弹性模量的平方根成反比。

3.3 桥段塌落土体沉降计算

V12桥段质量m=13 571.68 kg，下落与土体接触半径r=1.2 m，取V12桥段落距H=11.15 m，土层密度ρ=16.7 kg/m3，土体变形模量E=5×106Pa，土的泊松比μ=0.45，非弹性碰撞夯锤速度折减系数ξ=v11/v12=0.9，则土体的阻尼比：

(4)

土体的最大沉降为

(5)

4 桥段塌落影响数值模拟

4.1 基于ANSYS/LS-DYNA的计算结果

V12处桥段按逐跨延时下落(25 ms)计算时的模型如图1所示。

以桥面为中心，取平面模型长340 m、高50 m；对应土层取编号为ZK-31，其中，第一层3.3 m厚素填土，第二层16.8 m厚淤泥，第三层0.7 m厚含卵石中砂，第四层29.2 m厚残积粘性土，桥段材料为钢筋混凝土。各土层及桥面对应的物理参数见表1。

图1 V12处桥段按逐跨塌落模型Fig.1 Model of V12 bridge deck collapse by span

材料名称材料模型行为类型天然重度/(kN·m⁃3)饱和重度/(kN·m⁃3)杨氏模量/kPa粘聚力/kPa内摩擦角/(°)泊松比钢筋混凝土--25025030×108--020素填土MC不排水1811944×104450501035粉质粘土MC不排水190-5×104664534040淤泥MC不排水1671805×103330240045中砂MC不排水1911973×105030660033残积粘性土MC不排水191-15×105840540034

计算时间为2.502 s时的位移变化云图如图2～图3所示。

位移最大值为656 mm，位于桥面纵向轴线下方土层，质点的位移量在远离桥面后迅速衰减，在远离振源的关键监测点，位移接近0。最大影响深度11.9 m,在桥下土体深度11.9 m处，塌落产生的位移为零。

图2 2.502 s时的位移变化云图Fig.2 Displacement nephogram in 2.502 s

图3 塑性应变云图Fig.3 Displacement nephogram of plastic strain

土体中产生塑性变形的区域即为强夯的有效加固区域〔7〕。从图3中塑性点的位置得出塑性区范围最深6.2 m，则强夯的有效加固深度为6.2 m。

4.2 基于PLAXIS的计算结果

选择V12桥段进行数值模拟，V12处桥段采用六跨计算模型, 桥面与土层接触面施加的峰值应力为Pmax=2 259.738 kPa(由改进的斯科特公式计算得到)。频率为10 Hz、作用时间为0.05 s的冲击荷载Load A如图4所示。

图4 V12处桥段按六跨计算时的模型Fig.4 Model of V12 bridge deck collapse by span

V12桥段按六跨取值，动力荷载施加瞬间模型范围内产生的土层质点位移云图如图5～图6所示，产生的位移最大值为545 mm，产生位置在桥梁中心轴线下方的淤泥层。最大影响深度为15.5 m,在桥下土体深度15.5 m处，塌落产生土体的位移为0。

V12处桥段塌落的塑性点如图7所示。根据图3中塑性点的位置得出塑性区范围最深为4.5 m，则强夯的有效加固深度为4.5 m。

图5 V12处桥段塌落的位移云图Fig.5 Displacement nephogram of V12 bridge deck collapse

图6 V12处桥下土体的位移Fig.6 Displacement of V12 bridge deck collapse

图7 V12处桥段塌落的塑性点图Fig.7 Displacement nephogram of plastic strain at V12

5 桥段塌落影响深度计算对比分析

5.1 计算与模拟对比

基于强夯法建立的地表沉降公式计算，桥段塌落产生的加固深度和地表沉降分别为5.017 5 m(Billam计算方法)和456 mm。

基于ANSYS/LS-DYNA获得的桥段塌落的加固深度和地表沉降分别为6.2 m和656 mm，上述结果与公式计算结果相比的相对误差为加固深度19.1%，地表沉降30.4%。

基于PLAXIS获得的桥段塌落的加固深度和地表沉降分别为4.5 m和545 mm，上述结果与公式计算结果相比的相对误差分别为加固深度11.5%，地表沉降16.3%。

PLAXIS以强夯模拟为例子，桥面与土层接触面施加的峰值应力(以改进斯科特公式计算得到)误差较小，而ANSYS/LS-DYNA可以模拟下落过程误差相对较大，由此可以认为采用基于强夯法计算桥段塌落影响的计算公式是可行的。

5.2 实测土层深层位移

实际工程中，为尽最大可能防止桥段塌落对周围建筑及地下管线的影响过大，在桥下铺设2 m高的人工填土作缓冲层，极大的降低了塌落对土体深度的影响。通过埋设测点并实施监测，得到国防光缆的埋深大约为4 m。根据测量结果，深度为4 m处的水平位移如表2所示。

从表2可以看出，本次爆破拆除引起的国防光缆处的水平位移在5.70 ～7.72 mm之间，竖向位移(3 m)在0.07 ～0.09 mm之间。该值小于《建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497-2009)〔8〕中给出的“柔性管线的水平位移和竖向位移报警值在10 ～40 mm之间”的下限值。综上，可以认定该次爆破拆除对周边房屋和国防光缆的变形影响在规范允许范围之内。

DPL利用了两个基本算子的谓词逻辑理论：变元复位和原子检测。“经典逻辑”成为了一般关系代数的混合。在动态逻辑PDL的基础上，在一阶模型上加上特殊的规则表示复位行动。赋值的基本进程逻辑是可判定的[3]。DPL也可适用于“动态推理”的会话、建议等。

6 结语

计算结果比较及工程实践表明，基于强夯法计算桥梁塌落土体影响深度的方法是可行的。实测数据较之计算数据小的原因是由于实际工程采用了缓冲层减振措施所致。

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Calculation method of soil collapse impact influence depth of bridge blasting demolition

YANG Bin1,2， LIN Cong-mou1,2， YIN Rong-peng1， WEN Zhi-jie1， ZHANG Fan1

(1.Research Institute of Geotechnical Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，Fujian，China; 2.Fujian Tunnel and Urban Underground Space Engineering Technology Research Center，Xiamen 361021，Fujian，China)

In order to ensure the safety of all kinds of underground pipelines in the building blasting demolition, the blasting demolition project of Zhangzhou east overpass was taken as the background. The collapse effect of the bridge demolished by blasting was analogous to dynamic compaction. Based on the theory of dynamic compaction, the calculation formula of the soil influence depth and soil settlement value was put forward. PLAXIS and ANSYS LS-DYNA were used to numerically simulate the collapse of Zhangzhou east overpass span by span. According to the range of plastic zone and the magnitude displacement of the soil, the effect depth was judged. Finally, the numerical simulation, the field test data and the result of calculation methods were compared and analyzed. The method was proved feasible. It could provide a reference for similar projects.

Blasting demolition； Collapse impact； Soil deformation； Calculation method； Influence depth； Bridge demolition

1006-7051(2016)06-0018-05

2016-05-01

福建省自然科学基金计划资助项目(2014J01197)；华侨大学研究生科研创新能力培育计划资助项目

杨 宾(1991-)，男，硕士，从事隧道工程等研究。E-mail：806501391@qq.com

林从谋(1957-)，男，博士,教授，从事工程爆破等研究。E-mail：cmlin@hqu.edu.cn

TD235.3

A

10.3969/j.issn.1006-7051.2016.06.004