裂隙巖體爆破數(shù)值模擬研究

郭偉平，王志偉

（中交一公局貴安綜合保稅區(qū)建設(shè)項目部， 貴州貴陽 550031）

裂隙巖體爆破數(shù)值模擬研究

郭偉平，王志偉

（中交一公局貴安綜合保稅區(qū)建設(shè)項目部， 貴州貴陽 550031）

摘 要：巖體的裂隙常常會影響爆破效果。為探明豎直裂隙對巖體爆破效果的影響，采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA分別模擬了無裂隙巖體、豎直閉合裂隙巖體（裂隙間距為40，60 cm）、張開度為0.5單元豎直充填裂隙巖體（裂隙間距為40，60 cm），對其有效應(yīng)力等值線圖、有效應(yīng)力時間歷程曲線、損傷范圍進(jìn)行分析。結(jié)果表明：相比于完整巖體，無論是閉合裂隙還是充填裂隙，在同時刻的有效應(yīng)力作用范圍均有顯著的下降；相對于無裂隙巖體充填裂隙爆破損傷范圍減小了40 cm，損傷范圍降低了20%；閉合裂隙相對于充填裂隙應(yīng)力減少的慢些，爆破損傷范圍相對無裂隙巖體減小了0～40 cm，損傷范圍降低了0%～20%。

關(guān)鍵詞：裂隙巖體；數(shù)值模擬；ANSYS/LS-DYNA

0 引 言

巖體包含著軟弱夾層、斷層、裂隙等天然不連續(xù)面，這些不連續(xù)面的存在嚴(yán)重影響巖體本身的力學(xué)性質(zhì)及其破壞模式。在大型露天剝離、場平工程等眾多巖體工程中，爆破方法仍然是巖石破碎的主要方式之一。裂隙的存在使得巖體具有非連續(xù)性和顯著的各向異性，在爆破施工中會影響整體爆破效果，增加大塊率和根底，導(dǎo)致在施工中提高爆破成本［1-3］。為有效降低爆破成本，采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對巖體中豎直裂隙對爆破影響過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，模擬在不同豎直裂隙賦存狀態(tài)情況下研究分析爆炸應(yīng)力變化規(guī)律及爆破損傷范圍變化，為爆破工程提供相應(yīng)的指導(dǎo)［4-7］。

1 模擬材料及模型參數(shù)

結(jié)合貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司的天河潭大道K11+060～K11+550段巖土爆破工程，獲取其巖石和裂隙等參數(shù)。數(shù)值模擬的材料及模型使用單位為kg-m-s，壓力單位為Pa。僅模擬單個炮孔爆破，采用不同的裂隙間距及張開充填等進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)。

巖石采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_ CONCRETE材料模型，簡稱為 JHC。相關(guān)參數(shù)見表1［8］。

采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料對高能炸藥進(jìn)行定義，采用的參數(shù)為：密度 850kg/m3，爆速3500m/s，爆壓5.5 GPa。

表1　JHC模型參數(shù)設(shè)定

炸藥的狀態(tài)方程采用*EOS_JWL狀態(tài)方程（參數(shù)見表2），該狀態(tài)方程公式為：

式中，P為炸藥爆炸爆轟氣體壓力，GPa；A、B、R1、R2、w為由試驗(yàn)確定的炸藥相關(guān)參數(shù)；V0為相對體枳；E為初始比內(nèi)能（炸藥單位體積內(nèi)能），GPa。

表2　炸藥狀態(tài)方程參數(shù)

充填裂隙的介質(zhì)材料則采用塑性動力學(xué)材料模型MAT-PLASTIC-KINEMATIC。充填裂隙介質(zhì)采用的材料參數(shù)見表3。

表3　充填材料參數(shù)設(shè)定

2 數(shù)值模擬模型

模型的具體尺寸如圖1所示，孔徑0.09m，孔深9m，填塞3m。對模型施加垂直方向位移約束，AB、BC、CD邊界施加無反射邊界以模擬無限介質(zhì)。整個模型均采用相同大小的單元劃分網(wǎng)格模型。

圖1　模型參數(shù)及記錄單元的位置示意

在其他條件不變，只考慮有無裂隙、裂隙有無充填的情況下，總共建立5種模型（見圖2～圖4）。

圖2　模型1無裂隙離散元模型

圖3　模型2（3）間距40 cm閉合（張開充填）裂隙離散元模型

模型1，無裂隙；模型2（3），間距40 cm閉合（張開充填）裂隙離散元模型；模型4（5），間距60 cm閉合（張開充填）裂隙離散元模型，以上裂隙法向均與炮孔軸向垂直。

圖4　模型4（5）間距60 cm閉合（張開充填）裂隙離散元模型

3 模擬結(jié)果及分析

圖5分別是模型1～5在3000 μs時間點(diǎn)的Mises效應(yīng)力等值線圖。

從有效應(yīng)力云圖可宏觀上觀察到巖體內(nèi)豎直裂隙對爆破的影響，但是還有必要在具體數(shù)據(jù)上對比差異。選取不同裂隙條件下，在裝藥結(jié)構(gòu)正中部設(shè)置1條有效應(yīng)力時間歷程記錄線，該條線上取5個單元，以記錄各單元有效應(yīng)力的時間歷程曲線。各單元從左到右分別為1～5，這5個單元到藥包中心線的距離分別為40，80，120，160，200 cm（見圖1）。

模型1至模型5在5個單元處的有效應(yīng)力時間歷程曲線和最大有效應(yīng)力值分別見圖6、表4。

表4　各模型記錄單元上最大有效應(yīng)力值　/MPa

圖7為表4各模型記錄單元上最大有效應(yīng)力數(shù)據(jù)曲線，從圖表可以看出在相同記錄單元處，對于豎直裂隙無論是閉合裂隙還是充填裂隙，其模擬結(jié)果相比于無裂隙巖體的模擬結(jié)果，最大有效應(yīng)力值顯著降低。

中硬巖石強(qiáng)度檢測得出其破碎臨界值為30mPa，從表4可看出，無裂隙巖體模擬在200 cm處的應(yīng)力為30.1mPa，此時巖石能破碎；充填裂隙應(yīng)力波有衰減，在200 cm處的應(yīng)力小于30mPa，在160 cm時其強(qiáng)度最小為30.2mPa，巖石能破碎，相對于無裂隙巖體充填裂隙爆破損傷范圍減小了40 cm，損傷范圍降低了20%；閉合裂隙相對于充填裂隙應(yīng)力減少的慢些，爆破損傷范圍相對無裂隙巖體減小了0～40 cm，損傷范圍降低了0%～20%。

圖5　5種模型在3000 μs時的有效應(yīng)力等值線圖

圖6　有效應(yīng)力時間歷程曲線

圖7　各單元最大有效應(yīng)力曲線

4 結(jié) 論

運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA模擬了無裂隙巖體、閉合裂隙巖體（裂隙間距為 40，60 cm）、張開度為0.5單元的充填裂隙巖體（裂隙間距為40，60 cm）等5個模型。相對于無裂隙巖體，對比分析了不同裂隙情況下的損失范圍、有效應(yīng)力等值圖、有效應(yīng)力時程圖。模擬結(jié)果的對比分析表明：相比于無裂隙巖體，無論是閉合裂隙還是充填裂隙，在同時刻的有效應(yīng)力作用范圍均有顯著的下降，爆破損傷范圍也相應(yīng)減小。數(shù)值模擬結(jié)果可為爆破設(shè)計與現(xiàn)場施工參數(shù)調(diào)整提供了有效的幫助和指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

［1]谷德振.巖體工程地質(zhì)力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1979.

［2]夏才初，孫宗頎.工程巖體節(jié)理力學(xué)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.

［3]余紅兵，周建敏，趙明生.結(jié)構(gòu)面對爆破地震波幅頻衰減效應(yīng)影響分析［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2015，35（12）：88-92.

［4]楊 軍，金乾坤.應(yīng)力波衰減基礎(chǔ)上的巖石爆破損傷模型［J］.爆炸與沖擊，2000，20（3）：241-246.

［5]葉海旺，王 進(jìn).節(jié)理巖體爆破數(shù)值模擬［J］.爆破，2009，12 （4）：13-16.

［6]汪 洋，葉海旺，李延真.裂隙巖體爆破數(shù)值模擬研究［J］.爆破，2012，29（3）：20-22.

［7]劉紅巖，張吉宏.節(jié)理巖體爆破破壞過程數(shù)值模擬［J］.科技導(dǎo)報，2012，30（36）：52-55.

［8]康 強(qiáng).裂隙巖體空氣間隔裝藥爆破數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

收稿日期：（2015-12-03）

作者簡介：郭偉平（1976-），女，工程師，主要從事爆破工程管理，Email：1214435381@qq.com。