不同高程條件下減震溝減震效果模擬*

王亮亮　徐　輝　徐金輝　高　祥　吳賢振

(江西理工大學資源與環境工程學院)

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不同高程條件下減震溝減震效果模擬*

王亮亮徐輝徐金輝高祥吳賢振

(江西理工大學資源與環境工程學院)

摘要基于LS-DYNA 有限元程序，模擬了不同高程條件下減震溝的減震效果。通過數值模擬，比較有無減震溝時峰值振速以及振速衰減規律，分析了不同高差減震溝的減震效果。結果表明：①高程對振速有一定的影響，正高差對振速具有放大效應，負高差對振速具有減小效應;②不同高程條件下，減震溝的減震效果不一致，在正高差條件下的減震效果更為明顯。

關鍵詞高程減震溝減震效果LS-DYNA振速

炸藥在巖土等介質中爆炸時必然有一部分能量轉換為地震波，并從爆源向周圍介質迅速傳播。在一定范圍內，可能給附近非爆破目標的建(構)筑物造成不同程度的破壞。針對爆破震動的特點及規律，相關學者相繼提出了多種措施來控制和降低爆破引起的震動，其中開挖減震溝作為一種行之有效的方法，在控制爆破震動時被廣泛采用[1-4]。對此，梁開水等[5]利用LS-DYNA軟件模擬了不同位置、寬度、深度的減震溝的減震效果；王晨龍等[6]對減震溝的尺寸進行了研究，得出減震溝的合理長度約為炮孔覆蓋區域長度的2.5倍；顧宏偉等[7]對2道減震溝的隔震效果進行了數值模擬，結果表明，在開挖量一致的前提下，2道減震溝的隔震效果優于單道減震溝；郭濤等[8]對3類不同位置的減震溝進行了數值模擬，探討了減震規律。由上述研究成果可知，現階段主要是對同一水平條件的減震溝降震進行研究，忽略了高程因素的影響。為此，本研究利用動力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對不同高程條件下減震溝的減震效果進行模擬分析。

1實體材料物理力學屬性及模型

1.1巖石材料及模型

由爆炸沖擊力學原理可知，在爆炸沖擊波的作用下，巖石靠近爆源的部分將發生塑性變形，遠離爆源的部分發生彈性變形，故將巖體材料的本構特征簡化為彈塑性模型。由于所研究的地質條件主要為花崗巖，且在模型構建過程中需通過一些巖石的物理力學參數描述模型中材料性質，故需按實際需要對巖石密度、單軸壓縮、泊松比、彈性模量等物理力學參數進行測定及計算[9]，結果見表1。

表1　花崗巖主要物理力學參數

1.2炸藥材料及炸藥模型

選用2#乳化炸藥，采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型進行分析。采用JWL方程[10]描述炸藥狀態。炸藥主要參數見表2。

表2　炸藥主要參數

2模擬分析

2.1有限元模型構建

LS-DYNA程序具有拉格朗日(Lagrange)、歐拉(Euler)和任意拉格朗日歐拉(ALE)等3種算法。Lagrange算法由于在計算過程中，可較準確地確定各材料物質的邊界，故被稱為物質描述；Euler算法在計算求解過程中，僅材料物質在網格中運動，而計算網格的空間相對位置固定不變，故被稱為空間描述。Lagrange、Euler算法網格的不同主要表現在節點的運動行為方面：①Euler網格，材料物質的節點在計算過程中位置不斷變化而其節點的Euler 坐標固定不變，而且該算法會導致邊界節點未必與邊界保持重合，所以在邊界條件的設定過程中須預先在邊界上非節點的位置添加約束，如此增加了多維問題的處理難度；②Lagrange網格，僅材料節點的Lagrange坐標是固定不變的，在求解變化過程中，邊界節點始終保持在邊界上，且網格單元的變形與材料的運動保持一致，為此，該算法可最大限度地節省計算時間。

由于ALE算法優點較突出，故利用 LS-DYNA程序進行計算時常使用該算法描述流體運動。LS-DYNA程序以ALE坐標系為基準，雖然可簡單地描述邊界運動，但由于參考域、計算域可任意形式運動，在數值計算中又需確定網格位置，可見該算法較耗費計算機內存及計算時間。為較準確地捕捉到材料網格的確定位置，LS-DYNA程序提供了等參算法、簡單平均算法、體積加權算法等方法。為確保計算準確并盡量節省時間，本研究對于巖石采用Lagrange算法，對炸藥采用ALE算法。

在非線性動態三維有限元LS-DYNA程序中，由炸藥、巖石組成材料模型，采用Euler網格建模，炸藥和巖石間采用耦合算法，數值模型采用m-kg-s單位制。根據需求建立礦區模型，該模型長130 m，左側高20 m，高程10 m，右側高30 m，寬20 m。由于六面體單元網格計算較準確，故將該實體模型劃分為六面體單元[11]。本研究共分4種工況：①工況1，在無減震溝的情況下，炸藥在低處爆炸，如圖1(a)所示；②工況2，在無減震溝的情況下，炸藥在高處爆炸，如圖1(b)所示；③工況3，炸藥在低處爆炸，在距爆心10 m 處，開挖1個2 m×10 m×8 m的減震溝，如圖1(c)所示；④工況4，炸藥在高處爆炸，在距爆心10 m處，開挖1個2 m×10 m×8 m的減震溝，如圖1(d)所示。

圖1　工　況

2.2模擬結果

為對比分析減震溝的減震效果，首先模擬了無減震溝情況下爆破地震波的衰減規律(圖2)，計算模型如圖1(a)所示，模型左右邊界和底部邊界取無反射邊界，外部邊界施加對稱邊界條件。 由圖2可知：無減震溝時地表質點峰值振速隨爆心距的增加而逐漸減少，在距爆心60～70 m處，工況1條件下的峰值振速逐漸增加，在70 m后逐漸減小，工況2條件下的峰值振速迅速降低，工況2條件下的峰值振速稍低于工況1，說明高程對振速有一定的影響，正高差對振速具有放大效應，負高差對振速具有減小效應。

圖2　無減震溝時峰值振速分布

工況3的模擬分析結果如圖3所示。由圖3可知：在減震溝的作用下，峰值振速明顯降低，但降低的速率不一致，在距爆心25～60 m處，工況1振速降低速率明顯較工況3明顯；在距爆心60～70 m處，振速均有所提高，但工況3振速升高的速率卻低于工況1。

圖3　低處爆破時2種工況條件下峰值振速

工況4的模擬分析結果見圖4。 由圖4可知：在減震溝作用下，峰值振速明顯降低，在距爆心25～60 m處，工況2振速降低幅度大于工況4；在距爆心60～70 m處，2種工況振速降低的幅度小于距爆心25～60m處，但振速降低速率卻高于距爆心25～60 m 處；在距爆心60～70 m處，相對于工況4，工況2振速降低較多，降低的速率也較工況4高。

由圖3、圖4可知：在正高差條件下，在距爆心60～70m處，有減震溝時，振速速率變化較慢，振速降低幅度大，減震效果明顯；在負高差條件下，在距爆心60～70m處，有減震溝時振

圖4　高處爆破時2種工況條件下震速峰值

速速率變化較無減震溝時慢，振速降低幅度小，減震效果相對不明顯。

3結語

基于LS-DYNA有限元程序，詳細分析了不同高差條件下減震溝的減震效果，對于優化爆破設計有一定的參考價值。

參考文獻

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[7]顧宏偉，趙燕明，李秀地.兩道減震溝隔震效果的數值模擬研究[J].爆破，2007，24(1)：21-25.

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[9]薛守義.彈塑性力學[M].北京：中國建材工業出版社，2005.

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[11]張智超，陳育民，劉漢龍.微差爆破模擬天然地震的數值分析與效果評價[J].巖土力學，2013(1)：265-274.

(收稿日期2015-12-25)

*江西省研究生創新專項(編號：YC2014-S352)。

王亮亮(1990—)，男，碩士研究生，341000 江西省贛州市章貢區客家大道156號。