爆破地震引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的影響因素分析

劉愛平 艾麗華 丁 輝

(江西新余國科科技股份有限公司,江西 新余 338034)

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爆破地震引起質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的影響因素分析

劉愛平 艾麗華 丁 輝

(江西新余國科科技股份有限公司,江西 新余 338034)

利用LS-DYNA軟件，建立了仿真模型，分析了不同裝藥情況下，距離爆心不同水平距離處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度差距和衰減規(guī)律，指出在工程實(shí)際中應(yīng)根據(jù)具體情況采用不同的裝藥方式，以達(dá)到最優(yōu)的爆破水平。

爆破施工，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，仿真模型，LS-DYNA

0 引言

爆破地震效應(yīng)，是指在進(jìn)行爆破操作時(shí)，爆炸沖擊波通過水、土石等介質(zhì)向四周擴(kuò)散的振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)較強(qiáng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致周圍的建筑物發(fā)生顯著的不均等位移[1]。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，在舊建筑物破拆、地基開挖和工廠建設(shè)等各行各業(yè)，爆破工程的應(yīng)用越來越廣泛。早在20世紀(jì)60年代，美國科學(xué)家Blair和Duvall[2]已經(jīng)得出了不同介質(zhì)和建筑物的情況下，質(zhì)點(diǎn)峰值振速的計(jì)算公式，經(jīng)過多年的發(fā)展，研究人員得出了許多的經(jīng)驗(yàn)公式[3，4]。為了進(jìn)一步的研究爆轟波的傳播過程及機(jī)理，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，工程人員逐步引入了數(shù)值仿真的方法，使對爆破地震效應(yīng)的研究更精確高效。本文著重研究了裝藥方式和布藥結(jié)構(gòu)對爆破地震的影響，通過分析爆炸地震波的特征和傳播規(guī)律，對爆破安全判據(jù)的探討和設(shè)計(jì)有效的降震措施有重要意義。

1 仿真方法與模型

1.1 仿真軟件

爆破地震是一個(gè)高度非線性的過程，本文選擇ANSYS/LS-DYNA作為仿真軟件。LS-DYNA有顯式和隱式求解功能，可用于求解高速爆炸、碰撞，結(jié)構(gòu)變形、材料成型等許多問題。經(jīng)過多年的發(fā)展，該求解器已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的性能優(yōu)異的分析軟件[5]。在引入ANSYS后，LS-DYNA的前處理功能進(jìn)一步加強(qiáng)，可在ANSYS界面中完成建模、劃分網(wǎng)格、定義邊界、載荷等多項(xiàng)操作，并形成求解文件遞交給DYNA求解器，通過多次計(jì)算分析，得出可靠的結(jié)果。

LS-DYNA具有拉格朗日、歐拉和任意拉格朗日-歐拉(ALE)算法，在本文所述的研究中，由于涉及到大變形過程和沖擊波的流動(dòng)過程，因此選用不會(huì)引起網(wǎng)格畸變的ALE算法。同時(shí)LS-DYNA中提供了多種接觸算法，以描述復(fù)雜幾何體之間的互相作用，結(jié)構(gòu)之間優(yōu)先選用自動(dòng)面面(ASTS)接觸。

1.2 仿真模型

模型中含有炸藥、空氣和巖石三種材料，為節(jié)省機(jī)時(shí)，模型內(nèi)部施加對稱邊界條件，建立1/4模型進(jìn)行計(jì)算；外部施加非反射邊界以防止沖擊波在模型內(nèi)部反射。模型采用Solid164單元，炸藥和空氣選用多物質(zhì)ALE算法且共節(jié)點(diǎn)建模，巖石采用Lagrange算法，使用流固耦合法將拉氏網(wǎng)格置于流體網(wǎng)絡(luò)中。單位制為cm-g-μs。所建立的仿真模型如圖1所示。

1.3 材料模型

炸藥的選用直接影響了爆破效果，工業(yè)上一般選用乳化炸藥作為主裝藥。在利用DYNA數(shù)值仿真時(shí)，通常用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN作為材料模型，對應(yīng)的以*EOS_JWL作為狀態(tài)方程。JWL方程能夠準(zhǔn)確的定義爆炸產(chǎn)生的氣體壓力、爆容和能量特性，如式(1)所示。

(1)

其中，V=ρ0/ρ;E=ρ0e；P為任意時(shí)刻炸藥單元的壓力值；E為炸藥材料的體積內(nèi)能；A，B，R1，R2，ω均為與炸藥形狀有關(guān)的參數(shù)，一般通過圓筒試驗(yàn)獲得；ρ0為炸藥的初始密度；ρ為爆轟產(chǎn)物的密度。

考慮到巖體受力后變形，采用JHC材料模型和*EOS_GRUNEISEN狀態(tài)方程(見式2)來描述巖體受到爆轟產(chǎn)物作用的受力分析。

(2)

空氣采用*MAT_NULL模型和線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程，線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程壓力由式(3)定義。

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(3)

乳化炸藥、巖石和空氣的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 相關(guān)材料參數(shù)

2 結(jié)果及分析

計(jì)算完成后，利用LS-PREPOST對結(jié)果進(jìn)行處理，觀察在集中裝藥和分段裝藥的不同情況下和距離爆心1 m，5 m和10 m時(shí)，地表的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度。兩種裝藥情況的結(jié)果對比分別見圖2，圖3。

通過分析圖2,圖3可知，在炸藥起爆后，爆轟波經(jīng)過短暫延遲，傳播至地表質(zhì)點(diǎn)處，引起地表質(zhì)點(diǎn)的劇烈振動(dòng)。在集中裝藥的情況下，距爆點(diǎn)水平距離處的質(zhì)點(diǎn)位移約為21 mm/s，而后能量不斷衰減，到0.25 s之后，已基本趨于零位移。在近距離范圍內(nèi)，爆轟波的高頻振動(dòng)比例較高，而在遠(yuǎn)距離時(shí)低頻振動(dòng)較明顯。與集中裝藥相比，分散裝藥帶來的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)最大值較小，約為12 mm/s。這說明分散裝藥會(huì)帶來明顯的減震效果，這與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果是一致的。

爆轟波在巖石中傳播時(shí)，引起巖石振動(dòng)的波分為體波和面波，而體波分為縱波和橫波。體波傳播時(shí)，遇到巖體發(fā)生了折射和反射。傳播至同樣距離時(shí)，堅(jiān)硬的巖石中高頻振動(dòng)波含量較多，而在軟巖中，低頻波較為豐富，高頻部分衰減更快。

理論上當(dāng)炸藥爆轟波阻抗和巖石聲阻抗越接近，傳入巖體的振動(dòng)能量越大，工程上為了減輕振動(dòng)強(qiáng)度，會(huì)采用低爆速、低密度的裝藥，同時(shí)可根據(jù)需要采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，降低爆轟波對巖體壁面的壓力，達(dá)到控制質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的目的。

3 結(jié)語

采用數(shù)值仿真的方法，通過對兩種裝藥情況下距離爆心不同距離處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的對比分析，得到了質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的衰減規(guī)律，并驗(yàn)證了分散裝藥有助于減震的結(jié)論。在工程實(shí)際中，應(yīng)視具體情況采用不同的裝藥方式，以達(dá)到最優(yōu)的爆破水平。

[1] 張立國.爆破振動(dòng)強(qiáng)度預(yù)測及其控制的研究[D].北京：北京科技大學(xué),2005.

[2] Devine J F.Effect of Charge Weight on Vibration Levels from Quarry Blasting [J].U.S.Bureau of Mine RI6774,1966(9):623-630.

[3] 龍維棋,傅學(xué)升.爆破振速和振動(dòng)頻率的試驗(yàn)研究[J].有色金屬,1986,6(3):34-36.

[4] 龍 源,馮長根.爆破地震波在巖石介質(zhì)中傳播特性與數(shù)值計(jì)算研究[J].工程爆破,2000,6(3):1-7.

[5] Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNA Theoretical Manual[M].1998.

Analysis on the influence factors of particle vibration caused by blasting seismic

Liu Aiping Ai Lihua Ding Hui

(JiangxiXinyuGuokeTechnologiesLimitedCompanybyShare,Xinyu338034,China)

Using LS-DYNA software, this paper established the simulation model, analyzed the particle vibration velocity difference and attenuation law under different charge conditions, different horizontal distances between the explosion center, pointed out that should use different charge ways according to specific conditions in engineering practice, in order to achieve the optimal blasting level.

blasting construction, particle vibration, simulation model, LS-DYNA

1009-6825(2017)09-0098-02

2017-01-13

劉愛平(1971- ),男,工程師

TU311

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