溝槽寬度對爆破振動衰減影響的有限元分析

黃啟舒　孟慶生

摘 要：爆破振動對爆孔周邊巖土體和附近結構物產生影響，溝槽是一種減少爆破地震波危害的方法之一。本文采用Midas GTS軟件，研究溝槽寬度對爆破振動衰減的影響。研究結果表明，減震溝對于爆破引起的地震波有較好的隔離減震效果，但不同寬度的減震溝減震效果差距不大。

關鍵詞：孔樁爆破;數值模擬;減震溝;Midas GTS

中圖分類號：U617.9? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）05-0038-03

1 前言

隨著中國中西部地區基礎工程的建設，爆破工程在各類工程建設中得到了廣泛的應用，同時對爆破現場周邊結構物也造成破壞，因此如何控制好爆破振動是采用爆破前需要考慮的問題。

作為一種有效的控制爆破振動的方法，減震溝在實際工程中得到了大量的應用。其作用機理主要是對爆破地震波的傳播進行阻隔和干擾，爆破引起的地震波通過減震溝時發生反射、繞射，導致了爆破地震波的快速衰減，從而使其強度得以降低。為了更好的指導實際工程，有必要對減震溝對爆破振動衰弱的影響進行研究。

基于此，本文利用Midas GTS軟件，采取數值模擬方法，重點研究溝槽寬度對爆破振動衰減的影響，以此力爭為類似爆破工程的設計和施工提供理論依據和技術參考。

2 模型建立

2.1 基本假設

（1）地面為巖石，且地表材料為巖性單一的巖體。

（2）爆破孔周圍巖體為連續、均質、各向同性的彈塑性材料，遵循摩爾庫倫屈服準則。

（3）建立本模型的目的是為了分析溝應用。爆破振動問題作為爆破帶來的主要槽的各項參數對爆破振動的衰減影響，為避免地表對分析結果的影響，模型所選取的平面是平坦地表。

2.2 模型概況

假定地面為單一巖層，地層巖性為灰巖，巖質較硬，巖體較完整。標準模型中所取地形為一個長方體，其長度為300m，寬度為300m，高度為150m。左邊的立方體凹槽為等效出來的爆破孔，X向長度為6m，Y向長度為8m，高度為10m。右面的溝槽為本課題研究的對象減震溝，X向寬度為2m，Y向長度為20m，深度為2m，爆破孔與減震溝相距10m。

2.3 測點選取

為分析節點振速與到爆源距離的關系，以2m為間距在溝槽頂面中垂線上自距炮孔1m處開始依次選取12個節點，分別分布在溝槽兩側。

2.4 圍巖材料計算參數選取

本文在數值模擬中對巖體材料采用Mohr—Coulomb本構模型，具體的巖體參數屬性如表1所示。

2.5 特征值分析

通常對模型的進行動力分析之前，需要對靜態模型進行相應的特征值分析。由靜態模型的分析結果得到的振型周期如表2所示。

2.6 爆破荷載的施加

本項目進行數值模擬分析時，假定爆破所采用的炸藥具體參數見表3。

在本文分析的問題中，對爆破問題進行數值模擬分析最為關鍵的一環就是如何在模型中施加合適的爆破荷載。因為相對于總體模型的龐大尺寸而言，炮孔模型的尺寸太小，在前期建立模型時很難表現出來，并使得爆破孔網格尺寸的劃分存在極大的障礙，所以，對爆破荷載的施加方法不能直接在模型上體現出來。對本項目采用的合理等效方法為爆破荷載直接以更為方便的形式施加在爆破孔孔壁上。

在模型中加入合適的爆破荷載是爆破振動數值模擬中最重要的步驟。一般來說，在爆破孔壁上施加爆炸荷載是很有效的，但與整個模型相比，槍的直徑很小。該單元已建成，微孔的存在使網格的網格化變得非常困難。因此，應采用合理的等效方法來實現爆破荷載的施加方法。本工程采用的合理等效方法是將等效爆破荷載直接應用于爆破孔壁。

炸藥爆炸對孔壁施加的平均炮轟壓力可由如下公式（1）計算出：

（1）式中：

—爆炸產生的平均壓力（Pa）;

—炸藥密度（）;

—炸藥產生的爆炸速度（m/s）;

—炸藥等熵系數（m/s）。

炸藥爆炸后，單個炮孔爆炸對炮孔壁施加的峰值壓力可由如下公式（2）計算出：

（2）式中：

—裝藥徑向不耦合系數，;

、—炮孔直徑和藥包直徑（mm）;

、—炮孔長度和藥包長度（mm）;

—裝藥軸向不耦合系數，;

—爆炸產物膨脹碰撞炮孔壁時的壓力增大系數，一般取10。

爆破荷載可由以下公式（3）計算出：

（3）式中：—炮孔半徑，（mm）;

—粉碎區半徑（mm）;

—破碎區半徑（mm）;

—巖體的動泊松比。

本項目孔樁爆破振動分析取，。

假設爆破時炸藥產生的荷載以均布力的形式垂直作用在爆破孔孔壁上，其時程曲線如下圖1所示。

3模型計算結果分析

為了分析溝槽寬度對爆破產生的地震波的減震效果，建立不同的模型進行分析，模擬的溝槽寬度分別為2m、4m、6m。

為研究溝槽寬度對爆破震動的衰減影響，本項目選取震動速度作為指標進行各模型的效果對比。將有限元計算得到的數據用Origin9.0軟件處理后如圖2，3，4 所示。

4 結論

（1）溝槽其靠近爆破源的一側地表的振速會被放大。

（2）減震溝對于爆破引起的地震波有較好的隔離減震效果，但不同寬度的減震溝減震效果差距不大，因此實際施工中可以使用較窄的減震溝。

（3）模型溝槽左側（靠近爆破孔一側）地表測點的峰值總振和峰值水平振速隨溝槽寬度的增加而增大，溝槽右側（遠離爆破孔一側）地表的峰值總振速和峰值水平振速隨著溝槽寬度的增大而減小。

（4）隨著溝槽寬度的增加，模型溝槽左側（靠近爆破孔一側）和溝槽右側（遠離爆破孔一側）地表測點的峰值豎向振速均增大。

（5）隨著溝槽寬度的增加，模型溝槽對地表測點峰值總振速和峰值水平振速通的衰減作用逐漸增大，而溝槽對地表測點峰值豎向振速通的衰減作用先增大后減小。

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