吳拓展 宗周紅 李明鴻 甘 露 伍 俊

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 211189)(2中國人民解放軍軍事科學(xué)院國防工程研究院, 洛陽 471000)

鈣質(zhì)砂廣泛分布于我國部分熱帶和亞熱帶地區(qū)海岸線,其主要成分為珊瑚碎屑,含部分珊瑚藻、貝殼及有孔蟲碎屑,在爆炸沖擊作用下,鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)可能會發(fā)生液化.液化問題以往主要集中于陸源砂地震液化的研究.以往發(fā)生的地震事例顯示,砂土液化是造成各種建筑物破壞的主要原因之一[1].與地震作用類似,潛在的危化品爆炸事故、工程爆破作業(yè)和人為爆炸襲擊事件等所引發(fā)的爆炸荷載作用下,飽和砂基礎(chǔ)同樣會發(fā)生噴砂冒水、變形沉降等嚴重的地基液化災(zāi)害.因此,開展爆炸荷載作用下飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)的液化特性研究對保障工程結(jié)構(gòu)安全具有重要意義.

相比于地震液化問題的廣泛深入研究,對于爆炸強動載荷引起的飽和砂基礎(chǔ)液化問題的研究還很缺乏,在工程設(shè)計中較少被考慮甚至直接忽略[2].現(xiàn)有砂土基礎(chǔ)爆炸液化研究主要針對飽和陸源砂中的封閉爆炸情況[3].Ashford等[4]、Rollins[5]利用多點微差爆炸在飽和陸源砂土場地中制造人工振動液化環(huán)境,分析土中超孔隙水壓力的發(fā)展規(guī)律,并研究液化場地中樁、地下管線的動力響應(yīng)以及垂直排水系統(tǒng)的性能.Charlie等[6]進行了水下飽和砂土中爆炸液化試驗,研究了初始相對密實度對孔隙水壓力上升的影響.周健等[7]利用小型模型箱進行了小藥量飽和砂土中的爆炸試驗,通過測定爆炸液化后砂樣排出水的體積改變評價飽和砂的密實效果.劉漢龍等[2]開展了一系列室外飽和陸源砂土中的單點及多點微差爆炸液化試驗,分析了飽和砂土中單點和多點微差爆炸引起的土中孔隙水壓力上升規(guī)律和爆炸液化的影響因素.

由于珊瑚砂特殊的海洋生物成因,珊瑚砂顆粒具有高棱角度、多孔隙、形狀不規(guī)則等特點,呈現(xiàn)出低強度、高內(nèi)摩擦角、易破碎等特性,使其在強度、變形和滲透性等力學(xué)性質(zhì)上顯著不同于一般陸源砂[8-12].因此,鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)的爆炸液化特性也將區(qū)別于一般陸源砂基礎(chǔ),有必要針對飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)的爆炸液化問題開展深入研究.

現(xiàn)階段針對飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)液化特性的研究相對缺乏,主要集中在小當量封閉爆炸情況,飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)爆炸液化的判別準則和分析方法仍不完善.徐學(xué)勇等[13-15]以南沙群島美濟礁鈣質(zhì)砂為主要研究對象,采用室內(nèi)小型爆炸試驗、理論分析和FLAC數(shù)值模擬等,總結(jié)出飽和鈣質(zhì)砂在爆炸作用下動力響應(yīng)特性及爆炸應(yīng)力波在鈣質(zhì)砂中傳播和衰減規(guī)律.王亞松[16]開展了三相飽和鈣質(zhì)砂爆炸液化試驗,結(jié)果表明三相飽和鈣質(zhì)砂的抗爆炸液化能力高于其他一般砂,主要原因為鈣質(zhì)砂顆粒易破碎,爆炸的能量被大大地損耗在破壞區(qū),導(dǎo)致同樣比例距離下,鈣質(zhì)砂的動力響應(yīng)弱于其他一般砂.

目前,對于飽和砂土爆炸液化研究,主要集中在陸源砂現(xiàn)場試驗方面.然而,現(xiàn)場試驗對場地要求較高,數(shù)據(jù)監(jiān)測范圍有限,砂土種類試驗范圍有限,并且難以進行大量重復(fù)試驗等,都在一定程度上制約了爆炸液化的研究.相比之下,數(shù)值手段可以在不引入外界環(huán)境干擾因素的情況下對土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行研究,分析某些關(guān)鍵參數(shù)對結(jié)果的影響,且數(shù)值模擬成本遠低于試驗成本.因此本文基于非線性顯式動力分析軟件LS-DYNA和流固耦合算法,建立飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)爆炸液化動力分析的精細化數(shù)值模型,然后利用已有的鈣質(zhì)砂室外爆炸液化試驗結(jié)果驗證數(shù)值模型的準確性和可靠性.在此基礎(chǔ)上,分析淺埋單藥包爆炸情況下比例距離、密實度、藥包當量和混凝土樁等因素對飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)土壓力、孔隙水壓力和液化特性的影響.

1 爆炸液化效應(yīng)

飽和砂土的爆炸液化屬于爆炸應(yīng)力波傳播的后效應(yīng)問題[3].土中爆炸會產(chǎn)生一個持續(xù)時間僅在毫秒之內(nèi)的應(yīng)力波[17],在應(yīng)力波傳播過程中,孔隙水、氣泡以及固體顆粒均會被壓縮[18].對于飽和松散材料,如砂質(zhì)土,由于孔隙流體和土壤骨架沒有足夠時間進行相對運動,孔隙水壓力的增加阻止了爆炸壓縮引起的體積減小.當孔隙水壓力的增加達一定閾值,土體就會發(fā)生液化.通常采用超孔隙水壓力比ru來衡量飽和土體動力液化發(fā)生程度：

(1)

(2)

式中,R為目標點與爆心之間的距離;WTNT為TNT爆炸當量.

現(xiàn)有關(guān)于飽和砂土基礎(chǔ)爆炸液化的分析和判別方法主要針對單藥包封閉爆炸液化問題.飽和砂土中發(fā)生封閉爆炸時,自由面對爆炸波傳播的影響幾乎可以忽略,爆炸能量主要在土中傳遞衰減,可以最大程度地引起飽和砂土孔隙水壓力的上升.在淺埋藥包爆炸情況下,部分爆炸能量將溢出地表,通過土體自由面耗散,爆轟產(chǎn)物作用于上覆土體形成噴射物拋擲現(xiàn)象,從而使作用在土中導(dǎo)致孔隙水壓力上升的爆炸能量相對減少[19].工程上通過定義比例埋深λ來衡量炸藥的相對埋設(shè)深度：

(3)

式中,d為藥包埋置深度.

由于土體性質(zhì)的差異,飽和砂土中發(fā)生封閉爆炸的藥包臨界埋深一般比干砂或部分飽和砂土大[20].通常,飽和砂土中發(fā)生封閉爆炸的條件是藥包的比例埋深大于2.5 m/kg1/3[21];對于部分飽和鈣質(zhì)砂,當藥包的比例埋深大于等于2.25 m/kg1/3時,可以認為發(fā)生封閉爆炸[22].因此,為了確保在飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)中發(fā)生的是淺埋爆炸,本文后續(xù)數(shù)值模擬計算中取炸藥的比例埋深為2 m/kg1/3.

2 數(shù)值模型建立與驗證

2.1 模型概述

采用非線性顯式動力分析軟件LS-DYNA建立了包括炸藥和飽和鈣質(zhì)砂地基的三維精細化數(shù)值模型,如圖1所示.數(shù)值模型為半徑10 m、深度5 m的1/4圓柱,TNT爆炸當量為1 kg,埋置深度為2 m,比例埋深為2 m/kg1/3.整個模型均采用拉格朗日網(wǎng)格建立,網(wǎng)格最小尺寸為2 cm,最大尺寸為8.3 cm.模型對稱面采用對稱邊界,模型四周采用無反射邊界,以真實反映爆炸波在此的透射情況,實現(xiàn)用有限大的模型區(qū)域來模擬無限大的土體空間.模型底面設(shè)置為固定約束邊界,模型上表面設(shè)置為自由邊界以模擬基礎(chǔ)與空氣的接觸面,從而真實反映爆炸波在此的透射情況.

圖1 飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)數(shù)值模型示意圖(單位：m)

考慮到拉格朗日網(wǎng)格在爆炸近區(qū)會發(fā)生大變形和沙漏變形等畸變現(xiàn)象,在炸藥包埋深處附近一定區(qū)域采用歐拉網(wǎng)格建立空氣域,并通過*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID關(guān)鍵字與拉格朗日網(wǎng)格進行耦合,以模擬炸藥的起爆過程并使爆炸波傳播進入土體,炸藥單元則通過關(guān)鍵字*INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY填充空氣網(wǎng)格形成,通過修改關(guān)鍵字中的RADIUS參數(shù)直接改變球形炸藥半徑獲得不同爆炸當量,軟件自動劃分藥包網(wǎng)格.采用上述建模方式,可以使網(wǎng)格劃分更為簡單方便,并且可以避免因網(wǎng)格畸變導(dǎo)致計算無法收斂和結(jié)果失真的問題.

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2.2 材料模型

2.2.1 鈣質(zhì)砂土材料模型

飽和鈣質(zhì)砂采用*MAT_SOIL_AND_FOAM_FAILURE材料模型模擬,該模型適用于模擬砂等無黏性土,其在爆炸模擬中的適用性已得到了驗證[23].在該模型中,加載和卸載遵循輸入曲線,當壓力達到設(shè)定的破壞壓力時,單元將無法繼續(xù)承載拉力.該模型采用10組數(shù)據(jù)對壓縮狀態(tài)方程進行多段線性逼近,其壓力-體積應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示[24],其中體積應(yīng)變以相對體積自然對數(shù)表示.圖中,V0為初始體積,V為變形后體積.

圖2 土體壓力-體積應(yīng)變關(guān)系[15]

本文數(shù)值模擬中鈣質(zhì)砂模型的相關(guān)材料參數(shù)根據(jù)文獻[24]確定,表1～表4分別給出了相對密實度Dr為30%、60%和90%的鈣質(zhì)砂材料模型參數(shù).其中,ρs為鈣質(zhì)砂材料密度,G為鈣質(zhì)砂材料的剪切模量,卸載體積模量Ku=-dP/(dV/V0),dP為壓力變化,dV為體積變化;a0、a1、a2為剪切屈服面系數(shù);P為與體積應(yīng)變相對應(yīng)的壓力;材料壓實后卸載時可認為彈性卸載.

表1 不同相對密實度鈣質(zhì)砂材料物理參數(shù)

表2 相對密實度為30%的鈣質(zhì)砂材料模型參數(shù)

表3 相對密實度為60%的鈣質(zhì)砂材料模型參數(shù)

表4 相對密實度為90%的鈣質(zhì)砂材料模型參數(shù)

飽和砂土中的孔隙水通過關(guān)鍵字*CONTROL_PORE_FLUID和*BOUNDARY_PORE_FLUID添加到砂土材料模型中.LS-DYNA利用Terzaghi[25]提出的有效應(yīng)力原理來模擬孔隙壓力,

假設(shè)孔隙流體和砂土骨架占有相同的體積,并共同承載荷載.因此,單元總應(yīng)力是土體骨架中的有效應(yīng)力與孔隙流體中的靜水壓力之和.由于爆炸荷載頻率高,誘發(fā)的超孔隙水壓力沒有時間消散,可以認為爆炸階段土體不排水.表5給出了本文數(shù)值模型中孔隙水的相關(guān)參數(shù).

表5 孔隙水相關(guān)參數(shù)

2.2.2 空氣材料模型

在數(shù)值模擬中,假設(shè)空氣為理想氣體,采用*MAT_NULL材料模型和線性多項式狀態(tài)方程*EOS_LINEAR_POL YNOMIAL進行模擬.線性多項式狀態(tài)方程[26]的表達式如下：

Pair=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ6)E

(4)

式中,Pair為空氣壓力；C0～C6為多項式方程系數(shù);μ=ρ/ρ0-1,ρ和ρ0分別為空氣的密度和初始密度;E為單位體積內(nèi)能.理想氣體符合γ律狀態(tài)方程,取C0=C1=C2=C3=C6=0,C4=C5=γ-1,則式(4)可以表達為

(5)

表6 空氣材料參數(shù)

2.2.3 TNT炸藥材料模型

TNT炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型模擬,材料模型確定的參數(shù)包括質(zhì)量密度、爆轟速度和Chapman-Jouguet壓力(PCJ)[26].采用*EOS_JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程[26]描述爆轟產(chǎn)物的狀態(tài),其表達式為

(6)

式中,Pblast為爆轟壓力;Eb為每單位體積炸藥的初始內(nèi)能;Vb為相對體積,即爆炸后產(chǎn)生物質(zhì)的體積與炸藥初始體積的比值;A1、B1、R1、R2、ω為炸藥的特征常數(shù).本文采用的TNT炸藥材料參數(shù)和狀態(tài)方程參數(shù)取自文獻[27],具體參數(shù)如表7所示.

表7 炸藥材料及狀態(tài)方程參數(shù)[27]

2.2.4 混凝土樁材料模型

不考慮沖擊波對混凝土樁的破壞情況,僅考慮加入混凝土樁后超孔隙水壓的變化,因此混凝土材料使用MAT_ELASTIC材料模型進行模擬.混凝土材料密度為2 500 kg/m3,彈性模量為3.25×104MPa,泊松比為0.2.

2.3 數(shù)值模型驗證

采用文獻[16]開展的飽和鈣質(zhì)砂爆炸試驗結(jié)果對數(shù)值模型進行驗證,試驗示意圖及相應(yīng)的數(shù)值模型如圖3和圖4所示.試驗中,在直徑2.0 m、高2.0 m的不銹鋼圓柱形裝置中對鈣質(zhì)砂進行蓄水飽和,然后在1 m埋深處引爆裝藥質(zhì)量為0.064 kg的TNT球形藥包,B1～B7為相應(yīng)的傳感器埋置點.利用本文提出的建模方法對試驗過程進行數(shù)值模擬,將計算得到的飽和鈣質(zhì)砂土中不同比例距離處的超壓值與試驗結(jié)果相比較,如圖5所示.從圖中可見,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗所得經(jīng)驗公式基本一致,當比例距離小于1.0 m/kg1/3時,數(shù)值模擬結(jié)果大于經(jīng)驗公式結(jié)果,最大誤差為18%;當比例距離大于1.0 m/kg1/3時,數(shù)值模擬結(jié)果基本在經(jīng)驗公式結(jié)果的±10%誤差范圍內(nèi).引起誤差的主要原因為數(shù)值模型中采用了近似的飽和砂材料參數(shù),室外試驗中飽和砂的相對密實度為82.6%,而數(shù)值模擬采用了文獻[24]中給出的相對密實度90%的飽和砂材料參數(shù)作為近似.總體來看,數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果吻合較好,相對誤差在合理的可接受范圍內(nèi),可以認為采用上述方法建立的數(shù)值模型能夠較好地預(yù)測爆炸沖擊波在飽和鈣質(zhì)砂中的傳播和自由場峰值壓力,可以對飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)進行孔隙水壓力和爆炸動力液化分析.

圖3 試驗及傳感器布置示意圖[17](單位：cm)

圖4 數(shù)值模型示意圖

圖5 數(shù)值模擬和經(jīng)驗公式計算的土壓力峰值結(jié)果比較

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 飽和鈣質(zhì)砂土壓力分析

以60%相對密實度的飽和鈣質(zhì)砂為例,對飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)中淺埋單藥包爆炸沖擊波傳播引起的土壓力進行分析.圖6給出了比例埋深2 m/kg1/3的1 kg TNT裝藥爆炸下,水平比例距離為3、4和5 m/kg1/3處的土壓力時程曲線.從圖中可以看到：隨著爆炸沖擊波的到達,土壓力值急劇增加,隨后迅速衰減,壓力值上下波動直到達恒定值.對于3種不同的比例距離,爆炸產(chǎn)生的土壓力峰值隨著比例距離的增大而減小,土壓力峰值在0.05～0.10 MPa之間.表8給出了幾種飽和陸源砂在爆炸荷載作用下的峰值土壓力upk的經(jīng)驗計算公式,據(jù)此分別計算不同砂土在水平比例距離3、4和5 m/kg1/3處的峰值土壓力如表9所示,并相應(yīng)給出了鈣質(zhì)砂峰值土壓力的數(shù)值模擬計算結(jié)果.由表9可知：在相同比例距離下,飽和鈣質(zhì)砂的土壓力峰值小于普通陸源砂,其可能的原因是鈣質(zhì)砂顆粒易破碎,使得部分爆炸能量在爆炸近區(qū)被損耗.

圖6 不同比例距離下飽和鈣質(zhì)砂土壓力時程

表8 飽和陸源砂土中峰值壓力經(jīng)驗公式

表9 不同比例距離下飽和砂土峰值壓力 MPa

3.2 孔隙水壓力分析

以60%相對密實度的飽和鈣質(zhì)砂為例,對淺埋單藥包爆炸沖擊波作用下的飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)中的孔隙水壓力進行分析.圖7顯示了爆炸過程中不同時間飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)中的孔隙水壓力分布,圖8為水平比例距離分別為2、3和4 m/kg1/3處的超孔隙水壓力時程曲線.由圖7和圖8可知：飽和鈣質(zhì)砂土受到?jīng)_擊波作用后,將產(chǎn)生一個孔隙水壓力峰值,形成類似于沖擊波徑向傳播模式的孔隙水壓力分布.爆炸沖擊波到達時,土中孔隙水壓力值在瞬間上升至一個遠高于后期孔隙水壓力累積的峰值,該孔隙水壓力峰值主要是由沖擊壓縮波引起的;孔隙水壓力達到峰值后將會迅速回落,經(jīng)過一段時間累積后(約400 ms),孔隙水壓力達到穩(wěn)定值.從圖8可以看到,比例距離2、3和4 m/kg1/3處的超孔隙水壓力峰值分別為110.3、57.4和29.2 kPa;達到穩(wěn)定的超孔隙水壓力分別為17.5、11.7和5.0 kPa,孔隙水壓力峰值和孔隙水壓力穩(wěn)定值均隨比例距離的增加而明顯減小.

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圖8 不同水平比例距離下飽和鈣質(zhì)砂超孔隙水壓力時程圖

圖9為飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)不同深度平面內(nèi)達到穩(wěn)定的超孔隙水壓力比隨比例距離的變化曲線.從圖中可見,在相同水平比例距離下,深度越深,超孔隙水壓力比越小,即藥包下方土體距離藥包越遠,液化的可能性越小.

圖9 不同深度同一水平面飽和鈣質(zhì)砂超孔隙水壓力比與比例距離的關(guān)系曲線

王維國[20]、Studer等[30]、Charlie等[31]和Kummeneji等[32]曾分別基于飽和陸源松砂場地在封閉單藥包爆炸下的液化試驗結(jié)果,建立了超孔隙水壓力比與比例距離的經(jīng)驗預(yù)測模型,用于對特定或者類似環(huán)境下砂土基礎(chǔ)的爆炸液化情況進行預(yù)測,其具體形式及相應(yīng)的場地性質(zhì)如表10所示.

表10 單藥包封閉爆炸下飽和陸源松砂液化的經(jīng)驗預(yù)測公式

僅考慮比例距離的影響,對數(shù)值模擬計算的超孔隙水壓力比數(shù)據(jù)進行擬合,得到擬合公式如下：

ru=2.14-1.335lnZ

(7)

根據(jù)所得對數(shù)式擬合公式,在比例距離Z≤4.6 m/kg1/3的場地范圍內(nèi),超孔隙水壓力具有顯著的累積(ru≥0.1);而Z≤2.35 m/kg1/3時將發(fā)生完全液化.與表10所列不同陸源松砂場地爆炸液化影響范圍相對比,飽和鈣質(zhì)砂完全液化域與普通陸源松砂基本一致,孔隙水壓力的影響域遠小于普通陸源松砂.由前述分析可知,飽和鈣質(zhì)砂顆粒易破碎使得爆炸能量在爆炸近區(qū)被大量消耗,因此在相同比例距離下,飽和鈣質(zhì)砂峰值土壓力小于普通陸源松砂,由土中壓縮波引起的超孔隙水壓力也小于普通陸源松砂.因此,可以認定飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)相對于普通陸源松砂基礎(chǔ)更不易發(fā)生液化.

3.3 不同爆炸當量對孔隙水壓力的影響

為研究爆炸當量對飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)爆炸液化特性的影響,保持比例埋深2 m/kg1/3不變,對4種(1、8、64、125 kg)不同爆炸當量條件下60%相對密實度飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)的爆炸液化響應(yīng)進行分析.圖10給出了不同爆炸當量爆炸條件下藥包埋深平面內(nèi)比例距離2 m/kg1/3處的孔隙水壓力時程曲線.由圖可知,同一比例距離下,爆炸當量越小,孔隙水壓力達到穩(wěn)定值所需時間越短,穩(wěn)定孔隙水壓力值越小.圖11給出了在同一比例埋深下不同爆炸當量埋深平面內(nèi)的超孔隙水壓力比與比例距離的關(guān)系曲線.結(jié)合圖10與圖11可得：在同一2 m/kg1/3比例埋深下,相同比例距離處,穩(wěn)定孔隙水壓力值隨爆炸當量的增加而增大;在水平比例距離Z≤3 m/kg1/3范圍內(nèi),超孔隙水壓力比隨著爆炸當量的增加而減小.這是因為當比例埋深相同時,爆炸當量越大,藥包埋深越大,該處飽和鈣質(zhì)砂的初始豎向有效應(yīng)力也越大,因而在比例距離相同的一定范圍內(nèi)超孔隙水壓力比變小.這與Kummeneje等[32]通過封閉單藥包飽和鈣質(zhì)砂土爆炸液化試驗得出的結(jié)論相似.

圖10 比例距離2 m/kg1/3不同爆炸當量下的飽和鈣質(zhì)砂孔隙水壓力時程圖

圖11 比例埋深2 m/kg1/3下不同爆炸當量埋深平面內(nèi)的超孔隙水壓力比與比例距離的關(guān)系曲線

3.4 不同相對密實度對孔隙水壓力的影響

圖12給出不同相對密實度條件下,藥包埋置深度(2 m)平面內(nèi)超孔隙水壓力比與比例距離的關(guān)系.從圖中可見,在相同比例距離條件下,超孔隙水壓力隨相對密實度的增大而減小.30%相對密實度的飽和鈣質(zhì)砂完全液化范圍域(ru=1.0)和超孔隙水壓力顯著累積范圍域(ru≥0.1)與60%相對密實度飽和鈣質(zhì)砂基本一致;在超孔隙水壓力具有顯著累積范圍域內(nèi),30%相對密實度的飽和鈣質(zhì)砂超孔隙水壓力比隨比例距離下降的速度更加緩慢.90%相對密實度的飽和鈣質(zhì)砂的完全液化范圍和超孔隙水壓力顯著累積范圍均遠小于60%和30%相對密實度的飽和鈣質(zhì)砂.以比例距離3 m/kg1/3為例,與30%相對密實度的飽和鈣質(zhì)砂相比,60%相對密實度飽和鈣質(zhì)砂的超孔隙水壓力比減少了18.5%,而90%相對密實度飽和鈣質(zhì)砂的超孔隙水壓力比則減少66.2%.上述結(jié)果表明：提高飽和鈣質(zhì)砂的相對密實度可有效防止飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)發(fā)生液化.

圖12 不同相對密實度飽和鈣質(zhì)砂在同一水平面內(nèi)的超孔隙水壓力比與比例距離的關(guān)系曲線

3.5 混凝土樁對孔隙水壓力的影響

根據(jù)所得對數(shù)式擬合公式(7),飽和鈣質(zhì)砂完全液化域為爆炸中心半徑2.35 m范圍,超孔隙水壓顯著累積域為爆炸中心半徑4.60 m范圍.分別在飽和鈣質(zhì)砂完全液化域和超孔隙水壓顯著累積域的域內(nèi)和域外設(shè)置混凝土樁,以3.2節(jié)中比例埋深2 m/kg1/3的1 kg TNT藥包在60%相對密實度飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)中爆炸工況為對照組(工況1),研究混凝土樁距藥包水平距離對飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)中超孔隙水壓力的影響,分析工況如表11所示.混凝土樁加固飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)的數(shù)值模型如圖13所示.

表11 混凝土樁加固基礎(chǔ)計算工況

圖13 混凝土樁加固飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)有限元模型(單位：m)

圖14給出了距藥包中心2 m水平距離處布置混凝土樁(工況2)條件下,不同比例距離處孔隙水壓力時程曲線,可見孔隙水壓力在70 ms左右達到穩(wěn)定值.無混凝土樁加固時,飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)孔隙水壓力在400 ms才達到穩(wěn)定值(見圖8),采用混凝土樁加固后飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)孔隙水壓力達到穩(wěn)定所需時間節(jié)省了330 ms.

圖14 不同比例距離處飽和鈣質(zhì)砂孔隙水壓力時程圖(工況2)

圖15給出了不同混凝土樁加固工況下,飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)超孔隙水壓力比隨比例距離的變化曲線.從圖中可以看到,與無混凝土樁加固的飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)(工況1)相比,在其完全液化域范圍內(nèi)加入混凝土樁(工況2)可以有效抑制超孔隙水壓的發(fā)展,加固后基礎(chǔ)在爆炸近區(qū)超孔隙水壓比小于0.8,整個基礎(chǔ)未發(fā)生完全液化的現(xiàn)象,超孔隙水壓力具有顯著累積域的范圍縮小為3.90 m,相比未經(jīng)混凝土樁加固的基礎(chǔ)減小約15.2%.在無混凝土樁加固基礎(chǔ)(工況1)完全液化域范圍外設(shè)置混凝土樁(工況3、工況4和工況5),也能有效地減小基礎(chǔ)的液化范圍,并降低未加固基礎(chǔ)液化范圍內(nèi)的孔隙水壓力比.此外,混凝土樁布置距離藥包水平距離越近,對降低孔隙水壓力比的作用越明顯.

圖15 不同混凝土樁加固條件下基礎(chǔ)超孔隙水壓力比與比例距離的關(guān)系曲線

對比圖15和圖12可見,圖12中90%相對密實度飽和鈣質(zhì)砂域的超孔隙水壓力比和超孔隙水壓顯著累積域大于圖15中設(shè)置混凝土樁的飽和鈣質(zhì)砂域.由此可知，在爆炸近區(qū)設(shè)置混凝土樁加固較增大相對密實度對降低基礎(chǔ)液化范圍內(nèi)孔隙水壓力比的作用更顯著,是抑制飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)發(fā)生液化較為有效的方式.

4 結(jié)論

1)飽和鈣質(zhì)砂土受爆炸沖擊波作用后將產(chǎn)生一個遠高于后期孔隙水壓力累積的超孔隙水壓力峰值,超孔隙水壓力經(jīng)一段時間累積后將達一個穩(wěn)定值.超孔隙水壓力峰值和穩(wěn)定孔隙水壓力均隨比例距離增加而明顯減小.在相同水平比例距離下,藥包下方土體距離藥包越遠,發(fā)生液化可能性越小.

2)基于普通陸源松砂封閉爆炸液化經(jīng)驗預(yù)測公式,修正得適用于淺埋單藥包作用下飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)爆炸液化分析的經(jīng)驗公式.對于飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ),在比例距離Z≤4.60 m/kg1/3場地范圍內(nèi),超孔隙水壓力具有顯著累積(ru≥0.1);當Z≤2.35 m/kg1/3時,將發(fā)生完全液化.飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)完全液化域和普通陸源松砂基礎(chǔ)基本一致,孔隙水壓力影響域則遠小于普通陸源松砂.在相同比例距離下,飽和鈣質(zhì)砂相對于普通陸源松砂更不易發(fā)生液化.

3)當比例埋深一定時,爆炸當量越小,孔隙水壓達到穩(wěn)定值所需時間越短,穩(wěn)定孔隙水壓力值越小;比例埋深一定時,在一定水平比例距離內(nèi),超孔隙水壓力比隨著爆炸當量的增加而減小.

4)在相同比例距離處,超孔隙水壓力隨著相對密實度的增大而減小,增大土體的密實度可以有效防止飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)發(fā)生液化.

5)使用混凝土樁對飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)進行加固,可以有效遏制砂土基礎(chǔ)發(fā)生液化.在未加固基礎(chǔ)的完全液化域中加入混凝土樁,可以使基礎(chǔ)爆炸近區(qū)的超孔隙水壓力比小于0.8,從而使整個基礎(chǔ)不發(fā)生完全液化.將混凝土樁布置在完全液化域范圍外,可以有效地減小基礎(chǔ)液化范圍,降低液化范圍內(nèi)的孔隙水壓力比.混凝土樁布置距離爆心越近,對地基液化的遏制能力越強.相比于增加整個飽和鈣質(zhì)砂域的相對密實度,在爆炸近區(qū)使用混凝土樁加固更能有效地減小超孔隙水壓力比,是抑制飽和鈣質(zhì)砂基礎(chǔ)發(fā)生液化更為有效的方式.