基于ANSYS/LS-DYNA的聚能爆破數(shù)值模擬分析

林金山,張 翔

(中交一公局第四工程有限公司,廣西 南寧 530033)

0 引言

近年來,隨著交通強國重大戰(zhàn)略決策的實施,高速公路、鐵路迅速發(fā)展,相應的隧道工程也呈現(xiàn)井噴式發(fā)展趨勢,但工程建設中的難題也隨之產生。對于隧道工程建設而言,由傳統(tǒng)爆破引起的超挖現(xiàn)象難以避免,增加了時間成本和經濟成本[1],隨著對爆破要求的提高,傳統(tǒng)爆破已無法滿足需要。因此,在爆破過程中為滿足巖體定向斷裂的需要[2],國內專家學者在控制爆炸能量方面進行了探索研究,并提出了聚能爆破技術[3-4]。楊國梁等[5]根據(jù)切縫藥包對爆炸能量的導向作用,將切縫藥包運用到掏槽爆破中,證明了聚能爆破的可行性。陳壽峰等[6]分析了聚能爆破破巖機理,得出了聚能爆破參數(shù)對爆破效果的影響規(guī)律。

本文基于ANSYS/LS-DYNA軟件對傳統(tǒng)爆破和聚能爆破全過程進行了模擬分析,對比了兩種爆破方式下的破巖效果以及巖石振速峰值,證明了聚能爆破對控制超挖現(xiàn)象以及維護圍巖穩(wěn)定有著顯著效果。

1 聚能爆破的作用

1.1 聚能爆破機理

切縫管聚能爆破機理是在炸藥爆炸時,由于切縫聚能管對爆炸能量的約束,導致在切縫方向形成聚能射流并作用于炮孔孔壁而產生初始裂縫,在聚能方向產生集中拉應力,再加上高溫氣體的膨脹作用和“氣刃”效果使聚能射流能夠沿著裂縫噴射,使得裂縫進一步擴展,而在非聚能方向對炮孔孔壁產生均勻壓應力,如圖1所示。根據(jù)聚能方向沿周邊眼輪廓線布置聚能炮孔,炮孔同時起爆,炮孔間產生疊加應力場,巖石受到拉應力而破壞并產生貫穿裂縫,而在非聚能方向由于爆炸能量受到約束,巖石破壞程度較低。

圖1 聚能爆破機理示意圖

1.2 兩種爆破方式的破巖效果對比

通過兩種模型的爆破效果對比可以發(fā)現(xiàn),當兩種模型藥量相同時,傳統(tǒng)模型中的裂隙沿炮孔徑向無規(guī)則擴展,而聚能模型中由于切縫聚能管的聚能效果,裂隙只沿聚能方向進行擴展,這表明聚能爆破能夠起到控制巖石定向斷裂的作用,對控制超欠挖現(xiàn)象具有顯著效果,如圖2所示。

(a)傳統(tǒng)爆破

2 超欠挖情況對比分析

2.1 模型的建立

使用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件建立三維傳統(tǒng)爆破模型和聚能爆破模型,兩種模型均由巖石、空氣、炸藥和炮泥組成,其中聚能模型還包括切縫聚能管。兩種模型均采用solid164實體單元進行劃分網格,巖石和切縫聚能管使用Lagrange單元,炸藥、空氣和炮泥使用Euler單元,巖石、切縫聚能管與炸藥、空氣和土之間定義流固耦合來模擬爆炸過程。模型的上下邊界以及左右邊界設置透射邊界條件。

模型整體如下頁圖3所示。模型單位制采用cm-g-μs,兩種模型尺寸均為1 500 cm×300 cm×850 cm。模型掌子面均設置12個掏槽眼、45個輔助眼、15個底板眼和43個周邊眼,炮孔直徑為4.2 cm,炮孔長度為140 cm。炮泥長度為40 cm,炸藥長度為100 cm,炸藥直徑為3.2 cm。切縫管長度與炸藥長度一致,切縫管厚度為3 mm,切縫寬度為5 mm。

圖3 爆破模型示意圖

本次數(shù)值模擬中巖石模型采用能夠很好地反映巖石動態(tài)力學特性的HJC本模型,關鍵字對應在ANSYS/LS-DYNA中選擇MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS。巖石材料的物理力學參數(shù)見表1。

表1 巖石材料物理力學參數(shù)表

炸藥模型關鍵字對應在ANSYS/LS-DYNA中選擇MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN,選擇狀態(tài)方程EOS_JWL來模擬爆炸過程。炸藥的性能參數(shù)主要為:密度ρ=1.52 g·cm-3,爆速D=0.67 cm·μs-1,爆壓PCJ=9.53 GPa。其狀態(tài)方程參數(shù)見表2。

表2 乳化炸藥狀態(tài)方程參數(shù)表

切縫聚能管模型關鍵字為MAT_JOHSON_COOK,其材料參數(shù)見表3。

表3 切縫聚能管材料參數(shù)表

2.2 數(shù)值模擬分析

2.2.1 巖石單元應力對比分析

為分析兩種模型周邊眼炮孔爆轟應力的傳播特征,在兩種模型的相同位置選取兩個巖石單元。巖石單元選取位置如圖4所示,其中1號巖石單元位于兩周邊眼炮孔連線中心處,2號巖石單元位于周邊眼炮孔垂直徑向,距炮孔中心距離與1號巖石單元距炮孔中心距離相等。

圖4 應力巖石單元選取示意圖

當炸藥起爆后,爆轟應力波開始從爆炸中心向四周傳遞。利用LS-PREPOST處理軟件對巖石單元應力隨時間的變化情況進行監(jiān)測并得到巖石單元的應力-時間曲線,根據(jù)曲線圖可以看到兩種模型爆轟應力的傳遞特征,如圖5所示。

圖5 各巖石單元應力時間曲線圖

從圖5中可以看出,聚能爆破1號單元的應力峰值為876.3 MPa,聚能爆破2號單元的應力峰值為421.6 MPa,1號單元的應力峰值約為2號單元的2.1倍。分析其原因:(1)由于切縫聚能管限制了非聚能方向爆轟能量的傳遞,導致更多的爆轟能量從切縫口釋放;(2)1號單元位于兩周邊眼炮孔之間,考慮到應力疊加作用,使得1號單元應力峰值較大。

傳統(tǒng)爆破1號單元應力峰值為647.8 MPa,傳統(tǒng)爆破2號單元應力峰值為544.7 MPa,1號單元的應力峰值約為2號單元的1.2倍。這表明傳統(tǒng)爆破爆轟能量沿四周均勻傳遞,由于不存在切縫聚能管的約束作用,爆轟應力在炮孔連線處的疊加效果較弱,所以傳統(tǒng)爆破1號單元應力峰值小于聚能爆破1號單元應力峰值。

2.2.2 破巖效果分析

如圖6所示,傳統(tǒng)爆破周邊眼的爆炸能量傳遞較均勻,在輪廓線附近所形成的巖石粉碎區(qū)和裂隙區(qū)也較大,超挖現(xiàn)象較嚴重。而聚能爆破模型周邊眼炮孔內存在切縫聚能管,使得爆炸能量主要沿著聚能管切口方向傳遞,其巖石粉碎區(qū)主要出現(xiàn)在周邊眼輪廓線上,而在非聚能方向上巖石粉碎區(qū)很小,超挖現(xiàn)象并不明顯。

(a)傳統(tǒng)爆破

對兩種模型的43個周邊眼超挖情況進行統(tǒng)計,將各個周邊眼炮孔中心處法線方向上超過輪廓線的巖石破碎區(qū)長度作為超挖距離,將周邊眼從左至右依次進行編號,統(tǒng)計結果如圖7所示。

圖7 兩種模型的超挖情況對比曲線圖

從圖7可以看到,在建模方式以及炸藥量均相同的情況下,聚能爆破模型超挖距離整體小于傳統(tǒng)爆破模型的超挖距離,大致為傳統(tǒng)爆破模型超挖距離的一半。這進一步說明,在隧道施工過程中,對周邊眼使用聚能爆破能有效降低超挖現(xiàn)象,進而降低超挖回填的時間成本和經濟成本,對優(yōu)化隧道施工具有重要意義。

2.2.3 巖石單元振速對比分析

為分析兩種模型周邊眼外部巖石單元振速的變化情況,在兩種模型的相同位置沿周邊眼炮孔徑向等間距選取五個巖石單元。巖石單元選取位置如圖8所示。

圖8 振速巖石單元選取位置示意圖

通過LS-PREPOST處理軟件對巖石單元爆破振動速度峰值進行監(jiān)測,將兩種模型下五個巖石單元振速監(jiān)測結果進行統(tǒng)計,如圖9所示。

圖9 各巖石單元振速峰值曲線圖

從圖9中可以看到,兩種爆破方式下,巖石單元振速均隨著爆心距的增大而減小。另外,聚能爆破巖石單元振速峰值小于傳統(tǒng)爆破,這也驗證了聚能爆破的爆轟能量在非聚能方向上傳遞較少,說明聚能爆破對圍巖的擾動較小,對保證圍巖穩(wěn)定具有重要作用。在隧道開挖過程中,使用聚能爆破還能夠降低對鄰近建筑物的影響,保證了鄰近建筑物的安全與穩(wěn)定。

3 結語

(1)相較于傳統(tǒng)爆破,聚能爆破周邊眼炮孔連線中心處巖石應力疊加效果更明顯,在非聚能方向上,爆轟能量傳遞較少,導致巖石應力峰值小于傳統(tǒng)爆破。

(2)相較于傳統(tǒng)爆破,聚能爆破爆炸能量主要沿著聚能管切口方向傳遞,其巖石粉碎區(qū)主要出現(xiàn)在周邊眼輪廓線附近,在非聚能方向上巖石粉碎區(qū)很小,超挖深度約為傳統(tǒng)爆破的50%,對控制隧道超挖有著顯著效果。

(3)聚能爆破巖石振速峰值小于傳統(tǒng)爆破,對圍巖穩(wěn)定性具有促進作用,能夠降低對鄰近建筑物的影響,保證鄰近建筑物的安全與穩(wěn)定。