基于3DEC的節(jié)理裂隙巖體爆破傳播規(guī)律的研究

代青松，李 鴻，余紅兵

（貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司， 貴州貴陽 550002）

基于3DEC的節(jié)理裂隙巖體爆破傳播規(guī)律的研究

代青松，李 鴻，余紅兵

（貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司， 貴州貴陽 550002）

摘 要：根據(jù)結構面的能流關系，研究了地震波穿越結構面的能量消耗。基于遵義某臺階爆破開挖實例，利用了3DEC離散元數(shù)值模擬軟件計算了不同節(jié)理裂隙工況下的爆破應力波傳播規(guī)律，并分析了爆破過程中最小主應力的變化過程。模擬結果表明：爆破沖擊波的傳播衰減強度與巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育程度相關，裂隙越密集，應力波衰減越快，裂隙成相交狀態(tài)時，同一位置處爆破作用力越小，巖體不易破壞。

關鍵詞：節(jié)理裂隙；爆炸應力波；最小主應力；3DEC

0 前 言

巖體中的節(jié)理裂隙等軟弱結構面由于發(fā)育條件的不同可分為平行裂隙和交叉裂隙，不同節(jié)理裂隙類型對爆炸應力波傳播規(guī)律的影響也不盡相同。宋全杰等［1-2］指出層理的存在對爆破震動傳播規(guī)律的影響比較明顯，認為爆破震動衰減指數(shù)隨測爆連線與層理走向夾角增大而增大。周劍、謝冰［3-4］等采用UDEC和DYNA研究了不同工況下節(jié)理裂隙對邊坡動力響應的研究，并指出水平層面對爆破地震波傳播規(guī)律的影響較大。褚懷保，楊小林［5］等研究了爆炸應力波的傳播特性，指出爆炸應力波的衰減特性。然而，天然巖體其內部節(jié)理裂隙發(fā)育在空間上往往隨機分布，以往的研究中忽視了巖體中不同類型節(jié)理裂隙對爆破地震波傳播的不同影響，導致所得的爆破效果預測結果與實際大不一樣。本文結合遵義市某臺階控制爆破工程，采用離散元軟件3DEC研究節(jié)理裂隙巖體的爆破機理，分析不同裂隙類型工況條件下爆炸應力波的傳播規(guī)律。

1 爆炸應力波在裂隙巖體中的傳播

巖體是由結構面和結構體兩部分組成的，結構體被不同類型的結構面在空間按不同組合切割劃分而成，結構面包括層面、沉積面斷面、斷層以及節(jié)理，也稱不連續(xù)面。結構面對應力波的反射、折射作用在爆破沖擊波的傳播過程中影響很大。研究表明，由于爆炸應力波在節(jié)理裂隙位置處的反射、透射過程中要消耗更多的能量，可以認為波在節(jié)理巖體中的傳播的衰減速度較在連續(xù)介質中更快，主要體現(xiàn)在透射波振幅的降低和過濾高頻波兩個方面。

1.1結構面的能流關系

假設爆炸應力波入射到單位面積結構面上的能流為E-P1，則：

根據(jù)爆炸應力波穿越結構面的透、反射系數(shù)，再聯(lián)立上述方程，可計算出結構面上的能流分布。

1.2爆炸應力波穿越結構面的能量消耗

對于完全粘結的交界面即結構面間沒有摩擦的情況，無論應力波以何種角度穿越結構面，均不會引起結構面兩側巖體的相對滑移，導致其能量發(fā)生耗損。根據(jù)能量守恒定理，應力波的入射能流恒等于穿越結構面的反射能流加上透射能流。

但是對于非完全粘結的交界面即結構面間有摩擦的情況，當應力波斜入射時，主要的影響有以下兩個方面：

（1）當巖體所受的剪應力小于結構面的抗剪強度時，結構面兩側的巖塊沒有足夠能量產(chǎn)生相對滑移，即不會對應力波產(chǎn)生其他的能量損耗，對應力波的投射、反射關系可按照完全粘結交界面進行處理；

（2）當巖體所受的剪應力大于結構面的抗剪強度時，結構面兩側的巖塊會在能量剪應力的作用下發(fā)生相對滑移，而剪應力是由應力波的能量損耗產(chǎn)生，此時，結構面消耗的能量可以通過以下公式進行計算：

2 離散元數(shù)值模擬

2.1模型的建立

遵義某臺階爆破工程場區(qū)以石灰?guī)r和粘土為主，中微風化。巖層產(chǎn)狀與構造線一致，區(qū)內構造形式以節(jié)理裂隙為主，斷裂構造不發(fā)育，區(qū)域地塊穩(wěn)定性較好。

根據(jù)離散元爆破模擬相關研究，結合工程實例工況條件，確定離散元模型寬度為10m，臺階高度10m，邊坡角度60°，坡腳距離邊界3m，并劃分網(wǎng)格，如圖1所示。巖石材料參數(shù)見表1［6-7］。

2.2求解模型的建立

2.2.1運算輸入

（1）動力荷載。由于軟件限制，3DEC軟件不能直接輸入炸藥參數(shù)模擬爆破過程，只能通過時程曲線函數(shù)的代入來等效模擬，采集現(xiàn)場爆破過程中炮孔位置附近的測振數(shù)據(jù)，并將3個方向上的速度變化值轉變?yōu)?DEC可以處理的文件，導入軟件后以爆破震動速度和頻率來施加動力荷載，以此來模擬爆破作用下下爆炸應力波在不同類型裂隙巖體中的傳播規(guī)律。

（2）阻尼參數(shù)。巖體阻尼是爆破應力波在巖體介質中傳播的重要動力學參數(shù)，3DEC軟件中Rayleigh阻尼一般需要輸入兩個參數(shù)來實現(xiàn)，即ωmin和ξmin。根據(jù)現(xiàn)場實際情況和相關研究，對于本實驗場地中，ωmin=10 rad/s，ξmin=1［8］。

（3）邊界條件。在處理動力學問題過程中，數(shù)值模擬軟件一般將模型邊界條件設置為粘滯邊界（即無反射邊界），保證應力波在邊界上傳播過程中不會發(fā)生全部反射的情況，通過吸收邊界反射的能量以此來模擬無限域，是模擬爆破過程中數(shù)值模型的一貫做法。此次數(shù)值模擬模型除了將坡面和向上的邊界設置為自由面外，模型底部，左右側以及后側均設置為粘滯邊界。

圖1　無節(jié)理裂隙體離散元模型及網(wǎng)格劃分

表1　巖石材料基本力學特性

2.2.2求解模型

節(jié)理的幾何參數(shù)和力學參數(shù)直接影響著巖體強度和穩(wěn)定性，主要參數(shù)包括節(jié)理的走向、傾向、傾角、位置、節(jié)理厚度、抗拉強度、內聚力、內摩擦角、法向剛度、剪切強度等。模擬中需要用到的參數(shù)如表2所示。

表2　巖石節(jié)理基本力學特性

用三維離散元模擬爆炸應力波在裂隙巖體中的傳播過程，對模型進行網(wǎng)格劃分，為了防止爆破過程中網(wǎng)格產(chǎn)生畸變，一般將網(wǎng)格劃分為六面體，網(wǎng)格尺寸設置為0.5m，然后輸入動荷載，如圖2給出4種模型在動力荷載下的最小主應力計算結果分布云圖，從圖中可以看出巖體中存在拉應力，數(shù)值模擬計算結果表明（圖中拉正壓負）：

（1）邊坡爆破中的應力波傳播分布不均勻，應力波傳播方向主要朝向自由面和沿節(jié)理裂隙結構面方向傳播；

（2）同完整模型模擬結果相比較，兩條平行裂隙將應力區(qū)域劃分成三部分，相交裂隙的應力區(qū)域分散更明顯；

（3）當有裂隙存在時，最小主應力降低的較快。兩條平行裂隙以及裂隙成相交狀態(tài)時，最小主應力幅值分別降低20%和30%；

（4）巖體中裂隙數(shù)量決定了應力波衰減的快慢程度，兩條相交節(jié)理裂隙與平行裂隙相比，炮孔中心拉應力更小，表明此種工況下巖體更不易被爆破作用破碎。

圖2　不同節(jié)理分布工況下的離散元模擬最小主應力分布

3 結 論

通過3DEC軟件對無節(jié)理、一條傾斜節(jié)理、兩條平行節(jié)理、兩條交叉節(jié)理4種工況下的裂隙巖體中深孔爆破進行了離散元數(shù)值模擬.模擬結果表明，節(jié)理裂隙對于爆炸應力波的傳播與衰減有顯著影響，并取決于巖體中節(jié)理裂隙的密集程度和產(chǎn)狀分布，節(jié)理裂隙越發(fā)育，節(jié)理裂隙越錯綜復雜，應力波的衰減速度也越快。

參考文獻：

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［3]周 劍，張路青，王學良.水平層狀巖體邊坡動力響應中的結構面效應研究［J］.工程地質學報2011，19（3）：352-358.

［4]謝 冰，李海波，王長柏.節(jié)理幾何特征對預裂爆破效果影響的數(shù)值模擬［J］.巖土力學，2011，32（12）：3812-3820.

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［6]趙 堅，陳壽根，蔡軍剛，等.用UDEC模擬爆炸應力波在節(jié)理巖體中的傳播［J］.中國礦業(yè)大學學報，2002，31（2）：111-115.

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［8]盧文波，張樂釓，周俊汝.爆破振動頻率衰減機制和衰減規(guī)律的理論分析［J］.爆破，2012，3（2）：1-6，11.

收稿日期：（2016-02-17）

作者簡介：代青松（1974-），男，高級工程師，主要從事爆破工程方向研究，Email：602574716@qq.com。