燃气泄漏爆炸作用下基坑动力响应分析(2)
考虑到爆炸时间的不确定性,模拟中分为8种工况,前4种工况对应于每层土体开挖完、相应每道支撑安装完成后;后4种工况对应于每层土体开挖完、相应最后一道支撑尚未安装完成的情况。
数值模型如图1(开挖完成后的网格模型)、图2所示(开挖完成后的加载模型)。燃气泄漏到空气中才会产生爆炸,因此爆炸荷载施加在基坑边、土体表面。爆炸荷载按照第2节中的方法,计算得爆炸强度第7级的影响半径101 m,爆炸荷载100 kPa,对应的时程如图3所示[15]。按照文献[15]方法,计算爆炸荷载作用时间0.06 s,为研究爆炸荷载作用之后的基坑动力响应,计算时长取6 s。在初始时刻,爆炸荷载强度为峰值强度的0.5倍,0.02 s达到峰值。
图1 基坑整体模型Fig.1 The overall model of the foundation pit
图2 基坑局部模型Fig.2 The local model of the foundation pit
图3 爆炸荷载时程Fig.3 The time-histories of the explosion load
3 模拟结果与分析
对每一工况中基坑底部、地连墙顶部、支撑点的动位移进行分析,如图4所示。
图4 分析点示意图Fig.4 Schematic diagram of the analysis point
基坑开挖到第四步,有无支撑的坑底回弹量、第四道支撑点的水平位移如图5、图6所示。两种情况下,坑底回弹量基本相同,约6.5 cm,而第四道支撑点的水平位移不同,无支撑时支撑点的水平位移约2.5 cm,有支撑时,其位移约1.7 cm(位移负值表示位移指向坑内,下同)。
图5 开挖过程中坑底回弹量Fig.5 Resilience value at the bottom of foundation pit during the excavation
爆炸峰值荷载作用下,有、无第四道支撑情况下基坑变形如图7所示(云图中变形放大50倍)。爆炸冲击荷载作用下,基坑整体有少量的水平位移(图中右侧水平位移绝对值大于左侧),基坑主要水平变形为两侧地连墙在冲击荷载作用下产生的对折变形。右侧基坑顶部作用有爆炸冲击荷载,爆炸冲击荷载作用瞬间,右侧地地连墙产生变形,并通过内支撑传递至左侧地连墙,在左侧土体约束下,左侧地连墙产生与右侧地连墙相反的变形。
图6 开挖过程中E点水平位移量Fig.6 Horizontal displacement at point E during the excavation
图7 峰值爆炸荷载作用下基坑水平变形Fig.7 The horizontal displacement of the foundation pit under peak explosive load
有第四道支撑情况下,地连墙最大变形发生在第四道支撑点附近,无第四道支撑情况下,地连墙最大变形发生在基坑底部附近。有支撑时,地连墙变形及弯折度均小于无支撑情况。
有、无第四道支撑时,爆炸峰值荷载作用下,基坑及支护结构竖向变形相差较小,主要差别在基坑底部土体。无支撑情况下,坑底土体回弹量略大于有支撑情况。
第一至第四步开挖完,在燃气爆炸荷载作用下,第一道支撑点的水平位移、坑底回弹位移如图9~16所示。图中动位移为工况结束后爆炸荷载作用下的动位移减去相应初始位移。
图9~16中可以看出,各步开挖完后,有无支撑的情况下,坑底回弹量基坑相同,无支撑的情况下,坑底回弹量略大于有支撑的情况。坑底回弹量的振动幅值在±5 mm范围内变化,其中向下的动位移幅值略大于向上的动位移幅值。爆炸荷载作用瞬间,坑外土体产生竖向及水平向冲量,竖向冲量作用下,坑内外土体、地连墙及支撑体系整体产生竖向位移,坑外土体水平冲量挤压基坑、地连墙及坑内支撑体系,整个基坑产生瞬时旋转。整体上,基坑结构及坑内外土体以竖向冲量为主,坑底土体回弹量的振动幅值几乎在工况结束后的位置对称振动。爆炸荷载作用结束后,由于土体有阻尼,振动能量不断耗散,整体振动逐渐衰减,最后趋近于零。
图8 峰值爆炸荷载作用下基坑竖向变形Fig.8 The vertical displacement of the foundation pit under peak explosive load
图9 第一步开挖爆炸荷载作用下B点水平位移Fig.9 The horizontal displacement of the piont B under explosive load after the first excavation
图10 第一步开挖爆炸荷载作用下A点竖向位移Fig.10 The vertical displacement of the piont A under explosive load after the first excavation
图11 第二步开挖爆炸荷载作用下C点水平位移Fig.11 The horizontal displacement of the piont C under explosive load after the second excavation
图12 第二步开挖爆炸荷载作用下A点竖向位移Fig.12 The vertical displacement of the piont A under explosive load after the second excavation
无支撑的情况下,各步开挖完后,最后一道支撑点的水平振动位移大于有支撑的情况。尤其是在爆炸荷载作用瞬间,无支撑时最后一道支撑点的水平位移远大于有支撑情况。随着爆炸荷载作用结束,有无支撑的最后一道支撑点水平位移迅速趋于一致。另外,随开挖深度增加,每步开挖最后一道支撑点的水平振动位移在减小。有支撑情况下,向基坑方向的最大振动位移最后稳定在4.5 mm左右;无最后一道支撑情况下,向基坑方向最后一道支撑点水平振动位移最大值约6 mm。
文章来源:《爆炸与冲击》 网址: http://www.bzycjzz.cn/qikandaodu/2021/0216/457.html
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