燃气管道爆炸冲击下邻近基坑动力响应

孔 进，郝 鑫

(江苏煤炭地质物测队长江检测，江苏 南京 210049)

0 引言

随着我国地下空间的不断开发建设，基坑开挖过程中常常伴随着其他偶然荷载对基坑结构的扰动。燃气管道爆炸事件时有发生[1]，爆炸冲击波对邻近建筑的影响不可忽视[2]。因此，燃气管道爆炸对邻近基坑的动力响应研究工作具有重要的现实意义。

燃气管道因受外力或管线老化等因素，可能发生开裂导致燃气泄漏。当燃气在空气中的浓度达到一定范围，混合气体在一定条件下就会发生爆炸[3-4]。燃气爆炸对地上建筑物的研究工作较多[5-6]，针对基坑受周围环境扰动的问题，已有部分学者对此开展了研究工作。赵晶[7]建立了车辆荷载动力分析模型，分析了车辆荷载对基坑结构的扰动，给出了有效建议；青岛理工大学的王陆阳等[8]基于FLAC3D有限元软件，分析了盾构下穿对基坑结构的扰动；国防大学政治学院的徐锦生等[9]基于PLAXIS有限元软件进行数值模拟，研究了不同地铁车站参数对新建基坑的变形状况。

上述研究工作主要集中于车辆荷载、地铁震动等低频震动对邻近基坑的影响。对于燃气管道等高频震动对邻近基坑的动力响应分析鲜有发表。因此，针对这一问题，本文基于有限元分析软件LS-DYNA，建立燃气爆炸动力响应有限元模型，开展燃气管道爆炸对邻近基坑影响的研究工作，为基坑在燃气爆炸荷载作用下的安全评估和防护措施的制定提供建议。

1 有限元模型

1.1 数值模型建立

为了研究邻近燃气管道爆炸对基坑和地连墙的影响，本文基于有限元软件LS-DYNA，建立基坑-土-爆炸源耦合的有限元模型进行计算分析。

基坑宽20 m，深18 m；地连墙深35 m，墙厚1 m。基坑设有四道支撑，第一、二道为混凝土支撑，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1.4 m,5.5 m,9 m,14 m。考虑到爆炸冲击波的反射效应，为减少边界的反射，建立了合理的场地尺寸[10]，场地的宽度和深度分别为基坑结构尺寸的21倍和10倍，即场地尺寸为420 m×180 m。

本文计算数值模型尺寸见图1。

1.2 材料本构参数

1.2.1 钢管材料参数

钢管材料采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC随动强化模型进行描述，模型材料考虑了爆炸冲击波造成的应变率效应。

材料参数如表1所示。

表1 钢管材料参数

1.2.2 钢筋混凝土材料参数

混凝土采用强度等级为C35的商拌混凝土，采用*MAT_RHT材料模型，材料参数参考文献[11]。该模型将钢筋截面强度等效为混凝土强度。混凝土部分材料参数如表2所示。

表2 混凝土材料参数

1.2.3 土材料参数

土材料模型选用*MAT_FHWA_SOIL材料模型，材料参数选自文献[12]。

1.2.4 可燃气体材料参数

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。

可燃气体为甲烷-空气混合气体，将燃气爆炸荷载等效为相同爆炸能量的TNT炸药。其本构模型采用LS-DYNA中的*MAT_NULL，状态方程为*EOS_LINEAR_POLYMNOMIAL。状态方程计算公式见式(1)：

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+E(C4+C5μ+C6μ2)

(1)

其中，P为空气压力；E为初始体积能。EOS的系数设为C0=C1=C2=C3=C6=0,C4=C5=0.4。

炸药通常用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和*EOS_JWL状态方程来描述。其压力计算如式(2)所示。

(2)

其中，P为炸药的爆轰压力;V,E0分别为相对体积和单位质量的初始内能；A，B，R1，R2均为材料参数，分别为373.77 GPa，3.747 1 GPa，4.15 GPa和0.95 GPa。对于TNT炸药，E为4 905 kJ/kg；ω为0.35 kJ/kg。

1.3 加载方式

本文将燃气爆炸冲击波等效为相同爆炸峰值的TNT炸药，采用ALE流固耦合算法进行求解计算。结构部分网格尺寸为0.01 m，土体部分局部加密，其他部分网格尺寸为2 m，空气网格尺寸为0.005 m。为简化计算模型，模型不考虑重力，基坑和土体之间采用共节点接触。有限元模型如图2所示。

1.4 观测点设置

基坑两侧的相对位移和绝对位移是基坑监测的重要考量因素。因此，在内支撑两端及基坑底部中心点位置设置了12个观测点进行数据采集。观测点设置如图3所示。

2 工况设计

考虑到爆炸发生位置和爆炸当量的不确定性，设计了以下9组工况。燃气爆炸中心高度为基坑深度的1/2，水平位置分别为距离地连墙10 m，20 m，30 m处，TNT当量分别为20 kg，30 kg，40 kg。由不同水平距离和爆炸当量组成的工况如表3所示。

表3 燃气爆炸设置工况表

3 结果分析

本节分别从爆炸当量和比例爆距两个影响因素入手，讨论分析燃气爆炸荷载作用下的基坑动力响应。限篇幅所限，仅给出工况C1下基坑两侧观测地点水平位移时程曲线图4和C1,C4,C7位移变形云图5。

从图4中可以得知，当爆炸冲击波作用撞击基坑右侧地连墙时，地连墙部位开始产生变形。观察图4(a)和图4(b)，在小当量炸药远距离爆炸冲击作用下，基坑顶部水平瞬时位移高达70 mm，但随着波阵面的远离，地连墙的水平位移逐渐恢复。由图5可知，地连墙已经产生了塑性变形，其在内撑部位及根部产生了塑性铰。左侧变形时间略晚于右侧。其他爆炸工况下地连墙变形趋势与工况C1大致相同。

如图6所示为相同当量的爆炸荷载作用下基坑左侧各个监测点随基坑深度变化的水平位移值。从图6中可以看出，在相同爆炸当量下，基坑左侧水平位移呈现相同的变化趋势，即随着比例爆距的减小，地连墙的动力响应就愈发强烈。与上部其他三个内支撑处的变形不同，在第四道内支撑处产生的塑性变形尤为明显。

当爆炸距离为10 m时，即工况C1，C4，C7，基坑左侧地连墙的最大位移分别为9 mm，26 mm，32 mm，C4和C7分别比C1增大188%和255%。随着燃气爆炸当量的增大，其变形程度逐渐增大。

如图7所示为相同当量的爆炸荷载作用下基坑右侧各个监测点随基坑深度变化的水平位移值。从图7中可以看出，在相同爆炸当量下，基坑右侧水平位移呈现相同的变化趋势，即随着比例爆距的减小，地连墙的动力响应就愈发强烈。与基坑左侧的变形不同，基底处的变形最大，说明基坑右侧的土体在爆炸冲击波的作用下发生了很大的变形。土体的变形使得该处的地连墙发生了严重的塑性变形，最大变形处的水平位移值达到56 mm。

当爆炸距离为10 m时，即工况C1，C4，C7，基坑右侧地连墙的最大位移分别为23 mm，44 mm，56 mm，C4和C7分别比C1增大91%和143%。随着燃气爆炸当量的增大，其变形程度也逐渐增大。

4 结论

本文基于非线性有限元分析软件LS-DYNA，采用ALE流固耦合算法，对燃气爆炸荷载作用下邻近基坑动力响应进行分析，得出以下几个结论：

1)燃气爆炸冲击对基坑的地连墙水平变形影响显著，对爆炸冲击一侧的土体造成很大程度的变形，造成这一侧地连墙产生严重的塑性变形。

2)基坑在爆炸荷载作用下，两侧产生塑性变形的部位不尽相同，靠近爆炸冲击波的一侧最大变形处在地连墙底部，远离爆炸冲击波的一侧最大变形处为第四内支撑处。因此，当基坑开挖考虑邻近燃气爆炸作用时，应重点关注基底和地连墙连接处以及第四道内支撑与地连墙连接处的加固措施。

3)有限元软件LS-DYNA可以有效模拟燃气爆炸荷载作用下邻近基坑的动力响应，为以后此类研究工作提供更多帮助。