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

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)Analysis 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 Engineering 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，thecharacteristics 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 liquefaction 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 by 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 three 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 burial 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 delaminationthickness 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