燃气泄漏爆炸作用下基坑动力响应分析(4)
BI Xiangli,ZHOU on Deformation of Old Metro Station Close to Deep Excavation by Vehicle Dynamic Load[J].Journal of Tongji University (Natural Science),2004,32(12):1599-1602.
[9] 高伟君,姚燕明,蔚俊霞.列车荷载对平行换乘地铁车站深基坑变形影响[J].岩土力学,2004,25(z2):375-378,382.
GAO Weijun,YAO Yanming,WEI on Deep Deformation of Parallel Transfer Metro Stationcaused by Vehicle Load[J].Rock and Soil Mechanics,2004,25(z2):375-378,382.
[10] GREEN R A,OLGUN C G,CAMERON W and Modeling of Cantilever Retaining Walls Subjected to Seismic Motions[J].Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering,2008,23(4):309-322.
[11] 王颖轶,顾利军,黄醒春.地震荷载作用下基坑支护体系稳定性分析[J].上海交通大学学报,2011,45(S1):21-26.
WANG Yingyi,GU Lijun,HUANG Analysis of Foundation Pit Support System on Earthquake Action[J].Journal of Shanghai Jiao Tong University,2011,45(S1):21-26.
[12] 刘鹏飞,徐明.基坑对场地地震响应影响的数值分析[J].地震工程学报,2016,38(1):116-119,128.
LIU Pengfei,XU Analysis of the Influence of Deep Excavation on the Seismic Response of a Site[J].China Earthquake Engineering Journal,2016,38(1):116-119,128.
[13] 王新月,杨清真.热力学与气体动力学基础[M].西安:西北工业大学出版社,2004.
WANG Xinyue,YANG Basis of the Thermodynamics and Pneumodynamics[M].Xi’an:Northwestern Polytechnical University Press,2004.
[14] 赵文芳.TNO多能法在蒸气云爆炸后果预测中的应用研究[J].安全、健康和环境,2014,14(10):15-18.
ZHAO on the Application of TNO Multienergy Method[J].Safety Health & Environment,2014,14(10):15-18.
[15] den Bosch, for the calculation of physical effects-‘Yellow Book’, CPR Toxicology & Chemistry,1997,4(5):587-593.
0 引言城市地下管线密集,基坑开挖过程中一般需要考虑对周边管线的影响,而一些天然气管线一旦出现泄漏后果更为严重。因此,在基坑开挖过程中,不仅需要分析并采取措施将开挖对管线影响降到最低,在基坑周边有燃气管线的情况下,还需要对燃气泄漏爆炸对基坑影响做进一步评估。城市中一些燃气管线使用时间较长,管线局部比较脆弱,一旦受到外部条件影响(如基坑开挖导致管线发生较大变形),管线很可能发生开裂进而导致燃气大量泄漏,当燃气在空气中的浓度达到一定极限范围内且一旦条件合适就能产生燃烧爆炸[1]。因此,研究爆炸对基坑的影响具有一定的安全意义。燃气泄漏对地面建筑的影响研究较多[2-4],而对地下结构影响方面的研究较少。燃气爆炸属于瞬时冲击荷载,爆炸对基坑影响也属于基坑动力研究范畴。目前,基坑动力方面的研究主要有基坑周边地面车辆荷载对基坑影响的研究[5-7]、基坑附近地铁运行对基坑影响的研究[8-9]及地震荷载作用下基坑动力响应的研究[10-12]等。因此,燃气泄漏爆炸对基坑开挖影响的研究,将对基坑的安全评估和安全防护都有一定的借鉴意义。1 气体爆炸荷载的确定1.1 泄漏量的确定根据热力学、气体动力学等基础理论,确定气体泄漏速率计算模型[13]。计算泄漏前,首先需判断泄漏气体的流动性质:(1a)(1b)式中:p0为环境压强,Pa;p为管道中的绝对压强,Pa;γ为泄漏气体的绝热指数,即等压热容与等容热容的比值,故:γ=Cp/CV。通常,空气、氢气、氧气和氮气的γ为1.4;水蒸气和油燃气的γ为1.33;甲烷、过热蒸汽的γ为1.3。公式(1a)成立时,属于声速流动;当公式(1b)成立时,属于亚声速流动。对于声速流速,气体泄漏量可以下式计算表示:(2)式中:Q0为泄漏速度,kg/s;M为气体分子质量,kg/mol;R为普适气体常数为8.314 J/(mol K);Cd为裂口形状系数,圆形取值1.00,三角形取值0.95;长方形取值0.90;A为小孔面积,m2;T为气体温度,K。对于亚声速流速,气体的泄漏量可以如下式计算表示:(3)(4)1.2 爆炸荷载的计算可燃气云爆炸荷载计算方法可按TNO多能法进行[14],TNO多能法属典型的比例缩放爆炸预测模型,该方法假设蒸汽云为半球形,中心点火,在基于大量实验验证和数值模拟数据的基础上,获得一组爆炸强度曲线[15]。应用多能法的过程中,首先需要选取适当的爆炸强度等级,爆源强度为1~10之间的任一整数,代表不同的爆炸强度,取值可参考文献[14]。在确定爆炸强度等级后,根据比例距离r′从爆炸波特征曲线图中获取无量纲峰值超压p′s、无量纲正压持续时间t′p,从而计算爆炸波超压和持时。爆炸波动波形根据爆炸强度等级,从爆炸波形图中进行确定。各爆炸参数的计算方法如下。(5)式中:r为目标点与爆源中心的实际距离,单位m;E为可燃气云的爆炸能量,单位J,可根据泄漏气体的量和热值计算;aa为大气中的声速,取值为340 m/s。可燃性云团中的可燃物质量可以根据可燃物质泄漏模式和扩散形式的不同,应用不同的模型计算蒸气云可燃气体浓度及可燃物质的量。天然气的爆炸极限约为5%~15%,其中最剧烈的爆炸浓度约为9.5%,因此按照9.5%的浓度计算泄漏天然气和空气的混合云团的体积,爆炸源半径的计算可以按照将爆炸源等效于体积相等的半球形。2 数值模型的建立利用ABAQUS有限元软件对基坑开挖过程中燃气泄漏爆炸基坑变形影响进行分析。不考虑地下水影响,建立二维土体与基坑模型,基坑支护结构为地连墙,内部四道支撑,基坑宽20.7 m,地连墙深34.2 m,基坑深18 m,地连墙厚0.8 m。第一、二道混凝土支撑,梁高1.2 m,第三、四道为钢管支撑,管径0.8 m。各道支撑距离坑顶高度分别为1.39 m、5.51 m、9.31 m、14.06 m。考虑到爆炸荷载为一次性的冲击荷载,土体振动为一次,因此不考虑土体强度弱化的问题,采用静力本构模型进行分析。模型中土体采用修正剑桥模型,模型参数如表1所列。地连墙采用弹性本构模型,弹性模量为20 GPa,内支撑采用桁架单元,弹性模量为2 GPa(支撑纵向间距10 m,二维模型中对其刚度进行弱化)。表1 土体修正剑桥模型参数Table 1 Madified cambridge model paramentes of soilλMκe0ν0.102 60.680 80.011 土体重度19 kN/m3,静止侧压力系数0.8,采用隐式分析法,对土体施加Rayleigh阻尼,与质量相关的阻尼系数取0.4、与刚度相关的阻尼系数取0.01[8]。由于是对爆炸过程的动力模拟,为减少边界反射,另外坑外土体表面需施加较大范围的爆炸荷载,模型中土体模型的宽为基坑的21倍,高度为基坑的10倍。模型中土体与地连墙采用硬接触,摩擦系数为0.2,地连墙与第一、第二内支撑之间采用绑定连接,与第三、第四道内支撑之间采用铰接。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 load3 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。图13 第三步开挖爆炸荷载作用下D点水平位移Fig.13 The horizontal displacement of the piont D under explosive load after the third excavation图14 第三步开挖爆炸荷载作用下A点竖向位移Fig.14 The vertical displacement of the piont A under explosive load after the third excavation图15 第四步开挖爆炸荷载作用下E点水平位移Fig.15 The horizontal displacement of the piont E under explosive load after the fourth excavation图16 第四步开挖爆炸荷载作用下A点竖向位移Fig.16 The vertical displacement of the piont A under explosive load after the fourth excavation随着开挖加深,爆炸荷载对基坑深层的影响逐渐减弱。水平方向上,随着开挖加深,爆炸冲击荷载在土体深处的瞬时冲量逐渐减小,由竖向冲量造成的瞬时附加应力也在减小,从而产生的水平侧压力减小,地连墙振动位移减小。竖向上,基坑底部的回弹振动位移主要受地基土层、基坑结构整体刚度影响,因此回弹振动位移变化较小。无支撑时的坑底回弹量、相应工况下最后一道支撑点的水平峰值位移量与有支撑情况的比值如图17所示。图中可以看出,每一工况的最后一道支撑点水平峰值位移量比值随开挖深度增加迅速降低,最后趋于1.3左右。而坑底回弹量比值变化很小,基本上为1.0。随着开挖加深,爆炸荷载在土体中产生的瞬时附加应力也逐渐减小,将地连墙看作弹性地基梁,支撑体系与坑内土体对地连墙的支撑作用随开挖深度增加,有无最后一道支撑情况下的整体弹性地基梁的刚度差别逐渐减小。而坑内土体回弹振动位移受整体竖向冲量作用,有无最后一道支撑,基坑结构及坑内外土体整体刚度相差较小,坑底回弹振动位移相差也较小。4 结论通过对基坑分步开挖及开挖完后坑外土体受燃气爆炸荷载作用下每步开挖有无最后一道支撑情况下基坑位移的数值模拟,得出以下结论:图17 峰值位移比值Fig.17 The ratio of the peak displacement(1) 爆炸荷载等级及基坑结构形式、地基土层一定的情况下,爆炸荷载对基坑水平冲击作用随深度增加逐渐减弱。坑内土体回弹振动位移与基坑结构、地基土层的整体刚度有关,而与开挖深度关系较小,随开挖加深,坑内土体振动位移变化不大。(2) 每步开挖完,相对有支撑的情况,没有相应最后一道支撑的情况下,爆炸荷载作用对基坑水平位移影响较为显著,而对基坑回弹量的影响不明显。(3) 虽然在爆炸荷载作用下,基坑支护结构的位移在每一工况结束后的基础上对称振动,但考虑工况结束后的静位移,支护结构的位移量会有大幅增加,尤其是在每步开挖完最后一道支撑尚未安装完成的情况。参考文献(References)[1] 田贯三,李兴泉.城镇燃气爆炸极限影响因素与计算误差的分析[J].中国安全科学学报,2002,12(6): Guansan,LI and Estimate of the Explosive Limit of Town Gas[J].China Safety Science Journal,2002,12(6):48-51.[2] 张秀华,张春巍,段忠东.爆炸荷载作用下钢框架柱冲击响应与破坏模式的数值模拟[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2009,25(4): Xiuhua,ZHANG Chunwei,DUAN Simulation on Impact Responses and Failure Modes of Steel Frame Structural Columns Subject to Blast Loads[J].Journal of Shenyang Jianzhu University Natural Science,2009,25(4):656-662.[3] CHEN H,LIEW J and Fire Analysis of Steel Frames Using Mixed Element Approach[J].Journal of Engineering Mechanics,2005,131(6):606-616.[4] LIEW J Y R,CHEN and Fire Analysis of Steel Frames Using Fiber Element Approach[J].Journal of Structural Engineering,2004,130(7):991-1000.[5] 刘素锦,郭明伟,李兆源,等.浅析车辆荷载对深基坑支护结构的影响[J].地下空间与工程学报,2009,5(1):105-107,157.LIU Sujin,GUO Mingwei,LI Zhaoyuan,et on the Influences of Vehicle Loads on Supporting Structure of Deep Foundation Pit[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2009,5(1):105-107,157.[6] 陈梅,郑坚昭,莫玮宏,等.车辆超载作用下软弱基坑变形特性研究[J].地下空间与工程学报,2014,10(3):539-546,565.CHEN Mei,ZHENG Jianzhao,MO Weihong,et on Deformation of Foundation Pit in Soft Clay under Vehicle Overloads[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2014,10(3):539-546,565.[7] 张向东,张晨光,刘家顺.交通荷载作用下深基坑支护结构稳定性分析[J].中国地质灾害与防治学报,2011,22(2): Xiangdong,ZHANG Chenguang,LIU on Stability of Deep Foundation Pit Supporting Structure under Traffic Loads[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control,2011,22(2):125-129.[8] 毕湘利,周顺华.列车振动荷载对邻近深基坑的既有站变形影响[J].同济大学学报(自然科学版),2004,32(12): Xiangli,ZHOU on Deformation of Old Metro Station Close to Deep Excavation by Vehicle Dynamic Load[J].Journal of Tongji University (Natural Science),2004,32(12):1599-1602.[9] 高伟君,姚燕明,蔚俊霞.列车荷载对平行换乘地铁车站深基坑变形影响[J].岩土力学,2004,25(z2):375-378,382.GAO Weijun,YAO Yanming,WEI on Deep Deformation of Parallel Transfer Metro Stationcaused by Vehicle Load[J].Rock and Soil Mechanics,2004,25(z2):375-378,382.[10] GREEN R A,OLGUN C G,CAMERON W and Modeling of Cantilever Retaining Walls Subjected to Seismic Motions[J].Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering,2008,23(4):309-322.[11] 王颖轶,顾利军,黄醒春.地震荷载作用下基坑支护体系稳定性分析[J].上海交通大学学报,2011,45(S1): Yingyi,GU Lijun,HUANG Analysis of Foundation Pit Support System on Earthquake Action[J].Journal of Shanghai Jiao Tong University,2011,45(S1):21-26.[12] 刘鹏飞,徐明.基坑对场地地震响应影响的数值分析[J].地震工程学报,2016,38(1):116-119,128.LIU Pengfei,XU Analysis of the Influence of Deep Excavation on the Seismic Response of a Site[J].China Earthquake Engineering Journal,2016,38(1):116-119,128.[13] 王新月,杨清真.热力学与气体动力学基础[M].西安:西北工业大学出版社, Xinyue,YANG Basis of the Thermodynamics and Pneumodynamics[M].Xi’an:Northwestern Polytechnical University Press,2004.[14] 赵文芳.TNO多能法在蒸气云爆炸后果预测中的应用研究[J].安全、健康和环境,2014,14(10): on the Application of TNO Multienergy Method[J].Safety Health & Environment,2014,14(10):15-18.[15] den Bosch, for the calculation of physical effects-‘Yellow Book’, CPR Toxicology & Chemistry,1997,4(5):587-593.
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