饱和砂土分层地基爆炸液化引起的地表沉降特征分析_位需贝.pdf
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1、第 40 卷第 2 期2023 年 6 月爆破BLASTINGVol 40No 2Jun 2023doi:10 3963/j issn 1001 487X 2023 02 002饱和砂土分层地基爆炸液化引起的地表沉降特征分析*位需贝a,b,卢文波a,b,王高辉a,b(武汉大学 a 水资源与水电工程科学国家重点实验室;b 水工岩石力学教育部重点实验室,武汉 430072)摘要:饱和砂土地基爆炸液化引起的地表沉降问题是坝基抗震安全评价和爆炸加密地基处理等领域中的重要课题。针对碾压压实的分层饱和砂土地基,研究其在封闭爆炸下液化引起的地表沉降特征。基于现有爆炸液化、地表沉降经验预测模型推导了液化区体积
2、的计算式,建立了地表沉降区的快速预测模型,并验证了该模型的可靠性。利用上述模型,通过变化控制性因素密实度、炸药量、埋深探究了饱和砂土地基爆炸液化区及引起的地表沉降漏斗特征,并讨论了地基碾压压实分层对地表沉降漏斗特征的影响。结果表明:封闭爆炸荷载作用下,饱和砂土地基爆炸液化区的形态从小到大包括椭球型、漏斗型和锅底型三种。地表沉降区形态从小到大有倒锥型和蝶型两种。液化及沉降区随炸药量的增加、埋深和密实度的减小而增大。经碾压压实的分层饱和砂土地基,爆炸液化及引起的地表沉降不仅受炸药量、埋深和密实度的影响,分层厚度较起爆深度的相对大小也决定了液化区受分层厚度影响的范围,进一步影响了地表沉降区的范围。关
3、键词:分层地基;爆炸液化;超孔隙水压比;液化区特征;沉降漏斗特征中图分类号:TU478文献标识码:A文章编号:1001 487X(2023)02 0009 10收稿日期:2023 01 19作者简介:位需贝(1999 ),女,硕士研究生,主要从事岩石动力学及工程爆破的相关研究,(E-mail)1847645541 qq com。通讯作者:卢文波(1968 ),男,教授、博士生导师,主要从事岩石动力学及工程爆破的相关研究,(E-mail)wblu whu edu cn。基金项目:国家自然科学基金(51939008、52179140);湖北省自然科学基金杰出青年项目(2021CFA093)Anal
4、ysis of Surface Settlement Characteristics caused byExplosion-induced Liquefaction of SaturatedSand Layered FoundationWEI Xu-beia,b,LU Wen-boa,b,WANG Gao-huia,b(a State Key Laboratory of Water esources and Hydropower Engineering Science;b Key Laboratory of ock Mechanics in Hydraulic Structural Engin
5、eering ofMinistry of Education,Wuhan University,Wuhan 430072,China)Abstract:Ground surface settlement caused by explosion-induced liquefaction of saturated sand foundation is animportant subject in the seismic safety evaluation and explosion compaction of dam foundation In this paper,thecharacterist
6、ics of ground surface settlement caused by liquefaction under contained explosions are studied for layeredsaturated sand foundation with roller compaction Based on the existing empirical prediction models of explosion-in-duced liquefaction and surface settlement,the calculation formula of liquefacti
7、on volume is derived,and the rapidprediction model of surface settlement area is established and verified for reliability Based on the above model,thecharacteristics of the explosion-induced liquefaction zone of saturated sand foundation and the resulted surface settle-ment funnel are investigated b
8、y changing the control factors such as compactness,explosive amount and burial depth,and the influence of stratified ground compaction on the characteristics of the surface settlement funnel is also dis-cussed The results show that the explosion liquefaction zone of saturated sand foundation has thr
9、ee types from smallto large,including ellipsoid type,funnel type and pot bottom type From small to large,there are two types of surfacesettlement area:inverted cone type and butterfly type The liquefaction and settlement zones increase with the in-crease of explosive amount and the decrease of buria
10、l depth and compactness For the layered saturated sand founda-tion with rolling compaction,the explosion-induced liquefaction and the resulted surface settlement are not only af-fected by the amount of explosive,buried depth and density,but also determined by the relative size of delaminationthickne
11、ss compared with the initiation depth,which further affects the range of surface settlement areaKey words:layered foundation;explosive liquefaction;excess pore water pressure ratio;liquefaction zonecharacteristics;settlement funnel characteristics许多人防工程、过江隧道等均建于饱和土体之中,当受到爆炸等动力荷载作用时,不仅会对上覆结构造成破坏,还会使饱
12、和砂土地基发生液化而产生沉降,进而加重对土中建筑物的危害1-5。因此,研究饱和砂土地基爆炸液化引起的地表沉降有重要的意义。目前关于爆炸液化引起的地表沉降评价方法有半理论半经验方法和数值模拟两类。前者是通过系统地分析爆夯试验数据,建立孔隙水压力、沉降与密实度、比例距离等因素的经验关系6,能快速判断考察点处是否发生液化及地表各点发生沉降的大小,但大多试验对象为均匀的饱和砂土地基,且关于爆炸液化的研究多为建立超孔隙水压比的经验模型,仅能对考察点处是否液化进行预测,不能直接确定出液化范围,无法应用于工程中快速确定液化区;数值模拟方法主要是通过使用 LS-DYNA、FLAC 等软件评估爆炸液化及引起的地
13、表沉降7-10,能考虑土壤特性的更多方面,包括爆炸条件、土壤性质、地基分层等特性,但存在计算成本较大、孔压耗散与实际不符等问题11。因此,对于工程实际中需要快速确定爆炸液化及沉降区的情况,宜选用半理论半经验的方法进行研究。爆炸液化引起的地表沉降与药量、药包埋深、爆炸延时及砂土初始密实度等因素有关12,13,多通过爆炸压密的试验进行研究,试验条件为土基能达到最佳压实效果时的松散、最佳埋深的情况,对于经过压密的饱和砂土或埋深较深等情况时的地表沉降特征尚未进行分析;另外,针对密实度影响的研究也是控制整个地基的密实度发生变化,对于现有许多工程如机场跑道等的饱和砂土地基,为满足经济和工程安全需要,会对上
14、层一定厚度的地基进行碾压密实,属于密实度变化的分层地基,地基分层对爆炸液化引起的地表沉降形态的影响还需要探讨。因此,针对碾压压实的饱和砂土分层地基,研究了封闭爆炸下地基液化引起的地表沉降规律。基于总结归纳现有爆炸液化引起的地表沉降预测模型,提出了爆炸液化及沉降区的快速评价方法;通过对比分析实验与经验预测结果,验证了该方法的可靠性;利用该方法,通过变化控制性因素密实度、炸药量、埋深分析爆炸液化引起的地表沉降漏斗特征,并讨论地基碾压分层对地表沉降漏斗特征的影响。1饱和砂土地基爆炸液化引起的地表沉降机理1 1爆炸液化引起的地表沉降机理爆炸荷载爆炸产生的应力波具有主频高、持时短、衰减快等特点,当其作用
15、于饱和砂土体时,饱和土中的瞬态孔压急剧增加到峰值,当累积超孔隙水压力大于初始竖向有效应力时会发生液化14-15;爆炸波传播过后,随着超孔隙水压力的消散与排出,砂土颗粒在自重的作用下重新排列到更紧密的状态,同时会导致土壤表面产生沉降,爆炸液化引起的地表沉降机理如图 1 所示。1 2爆炸液化判别标准及地表沉降量特征参数爆破后液化引起的地表沉降(h)取决于爆炸液化区域的范围,一般通过液化土层的体积变化(v=h/hm)间接求出,因此,若要得出地表沉降,必须首先确定液化区的范围。目前用于判别液化的指标主要有质点峰值振动速度、峰值压缩应变和超孔隙水压比,前两种指标的临界值会随地基条件的变化而变化,而超孔隙
16、水压比 u是爆炸荷载作用后累积超孔隙水压力 u 和初始竖向有效应力 0的比值,不涉及爆炸条件及地基性质,适用范围更广,故本文选取超孔隙水压比 u作为判别指标u=u/0(1)式中:u0 时,土壤完全液化;u 为爆炸荷载后累积超孔隙水压力,kPa;0为初始竖向有效应力,kPa。据已有研究12,封闭爆炸荷载作用下饱和砂土地基的典型液化区及地表沉降形态如图 2 所示。其中,max为最大沉降半径;s为有效沉降半径;S 是平均有效沉降;a为有效液化半径;h0是炸药埋深;01爆破2023 年 6 月hm为最大液化深度。可以看出,液化区呈锅底型分布,液化区范围随深度的增大逐渐缩小;爆炸液化引起的地表沉降呈蝶形
17、分布。而该典型液化及地表沉降区是基于爆炸压密试验给出的,试验中土基松散、炸药埋深为能够实现最佳压实效果的最佳埋深,对于经过压密的密实饱和砂土或埋深较深等情况时的地表沉降特征尚未进行分析。图 1爆炸液化引起的地表沉降机理Fig 1Mechanism of surface settlement caused by explosion-induced liquefaction图 2典型液化和地表沉降区示意图(单药包爆破)Fig 2Typical liquefaction and surface settlementarea morphology(Single charge blasting)2饱和砂
18、土地基爆炸液化引起的地表沉降经验预测模型本节通过总结现有爆炸液化引起的地表沉降经验预测模型,提出爆炸液化及沉降区形态的计算方法,通过该方法,可快速预估饱和砂土地基可能产生的液化及沉降区范围。2 1爆炸液化区预测模型目前,饱和砂土地基爆炸液化的预测方法大多是基于试验研究得到的。首先通过分析爆炸液化试验数据,建立超孔隙水压比与峰值应力、体积应变、峰值振动速度和比例距离等因素的经验关系,进而估计爆炸引起液化的可能性。现有的用于预测超孔隙水压比的经验公式,大多是基于 Studer 和 Kok 通过考虑饱和砂土中的一次爆炸建立的关系发展的16,如 Veyera17、Al-Qasimi 等学者基于 Stu
19、der 和Kok 的研究成果进一步得到了将土壤性质考虑在内的超孔隙水压比经验预测公式18。限于篇幅,表 1给出了典型的几种饱和砂土地基单药包封闭爆炸时超孔隙水压比的经验预测公式。表 1单药包封闭爆炸时超孔隙水压比的经验预测公式Table 1Empirical prediction model of excess pore water pressure ratio in single charge contained explosion序号液化预测模型临界 D/(mkg1/3)土壤类型文献来源1u=1 65 0 65 ln(D)2 76饱和细砂Studer and Kok16 2u=16 27(
20、D)1 526 27级配差的粉砂(Dr=43%)Al-Qasimi18 3u=1 607 0 64 ln(D)2 58饱和细砂(Dr=30%35%)王维国20 4u=16 3 (pk)0 331(0)0 308(Dr)0 1795 81饱和细砂(Dr=0 80%)Veyera17 5u=1 13(pkvc)0 54(0/62 5)0 33(Dr/43)0 26 30级配差的粉砂(Dr=43%)Al-Qasimi18 6u=C (PPV)0 54(0)0 33(Dr)0 20 94 6 78饱和砂土Ishimwe E19(注:u:超孔隙水压比;D=/Q1/3,比例距离,m/kg1/3;:测点至爆
21、心的距离,m;Q:炸药重量,kg;,系数;0:初始竖向有效应力;Dr:相对密度,%;C=0 17Dr+16 33,系数;pk:峰值压缩应变,%,pk=PPV/vc,vc表示压缩波速;PPV:质点峰值振动速度。)11第 40 卷第 2 期位需贝,卢文波,王高辉饱和砂土分层地基爆炸液化引起的地表沉降特征分析从表 1 可以看出,用于预测爆炸作用下孔隙水压比的经验模型主要可分为两类,一是认为超孔隙水压比是比例距离的幂函数或对数函数的形式,如式(2)、(3)所示,但未考虑土壤性质的影响;二是认为超孔隙水压比是质点的峰值振动速度(峰值振动压缩应变)、初始竖向有效应力 0以及密实度 Dr的函数,将爆炸条件及
22、土壤性质考虑在内,适用性更强,如式(4)所示。u=K(/Q1/3)b(2)u=A+B ln(/Q1/3)(3)u=C(PPV)(0)(Dr)(4)式中,质点峰值振动速度 PPV=m(/3Q)n,m、n 分别表示峰值振动速度衰减系数和指数;K、A、B、C、均为与土壤性质(密实度、饱和度等参数)有关的变量,通过现场试验数据确定;爆心距 =x2L+(yL h0)2,xL表示距炸药中心的水平距离,yL表示距炸药中心的竖直距离,h0表示炸药埋深。以上超孔隙水压比仅能对考察点处的液化可能性进行预测,不能直接确定出液化范围,无法应用于工程中快速确定液化区。为了快速预测液化区域,本文开展了液化区水平范围随深度
23、变化的研究。本文选取式(4)作为超孔隙水压比的预测形式,令 u,边界线所包围区域即为液化区,推导得到液化区水平范围随深度变化的函数xL=(3Q)20DrC()m2n(yL h0)2(5)分别令 yL=h0和 xL=0 得到有效液化半径 a和最大液化深度 hma=3Q0DrC()m1n(6)hm=3Q0DrC()m1n+h0(7)式中:Q 为炸药量,kg;0表示初始竖向有效应力,kPa;Dr为地基相对密度,%。将液化区水平范围 xL沿深度方向积分得到液化区体积 VV=hm0 xLdh(8)2 2地表沉降区预测模型地表沉降是土壤致密化程度的重要指标之一,依赖于炸药的总能量和初始密实度,其中以霍普金
24、森数 HN 代表的能量输入决定着地面沉降的开始,PF(单位体积爆炸液化土壤消耗的能量)决定着土壤的最大地表沉降。现阶段对于爆炸液化引起地表沉降的预测主要是通过系统地分析爆炸密实试验数据,建立体积应变与 HN、PF、密实度等因素的关系。限于篇幅,表 2 给出了典型的几种饱和砂土地基爆炸液化引起的地表沉降的经验预测公式。表 2单药包封闭爆炸时地表沉降的经验预测公式Table 2Empirical prediction model of surface settlement in single charge contained explosion序号预测模型土壤类型文献来源1h/hm(%)=8 89
25、HN0 8162h/hm(%)=18 52NW0 862饱和砂土Narin21 3h/hm(%)=1 02+3 96 logPF4h/hm(%)=0 843PF0 4765h/hm(%)=2 73 0 9 ln(3Q/)饱和砂土Kok22 6h/hm(%)=217PF0 59/D1 55r1+e(0 41Dr102HN)PF0 56+2 2PF0 23饱和粗砂(Dr=30%70%)Kato K23(注:h 表示地面某点沉降量;hm:最大液化深度,即液化层厚度;PF:PF=Q/V,V 为爆炸液化土壤的体积;HN:霍普金森数,HN=3Q/;NW=2Q/。)综上可知,地表沉降的经验预测模型主要可分为
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