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(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)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(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)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(shù)值模擬，比較有無減震溝時(shí)峰值振速以及振速衰減規(guī)律，分析了不同高差減震溝的減震效果。結(jié)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(yīng)，負(fù)高差對振速具有減小效應(yīng);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(guān)鍵詞高程減震溝減震效果LS-DYNA振速

炸藥在巖土等介質(zhì)中爆炸時(shí)必然有一部分能量轉(zhuǎn)換為地震波，并從爆源向周圍介質(zhì)迅速傳播。在一定范圍內(nèi)，可能給附近非爆破目標(biāo)的建(構(gòu))筑物造成不同程度的破壞。針對爆破震動的特點(diǎn)及規(guī)律，相關(guān)學(xué)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(shí)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(jìn)行了研究，得出減震溝的合理長度約為炮孔覆蓋區(qū)域長度的2.5倍；顧宏偉等[7]對2道減震溝的隔震效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，在開挖量一致的前提下，2道減震溝的隔震效果優(yōu)于單道減震溝；郭濤等[8]對3類不同位置的減震溝進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了減震規(guī)律。由上述研究成果可知，現(xiàn)階段主要是對同一水平條件的減震溝降震進(jìn)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(jìn)行模擬分析。

1實(shí)體材料物理力學(xué)屬性及模型

1.1巖石材料及模型

由爆炸沖擊力學(xué)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(fā)生塑性變形，遠(yuǎn)離爆源的部分發(fā)生彈性變形，故將巖體材料的本構(gòu)特征簡化為彈塑性模型。由于所研究的地質(zhì)條件主要為花崗巖，且在模型構(gòu)建過程中需通過一些巖石的物理力學(xué)參數(shù)描述模型中材料性質(zhì)，故需按實(shí)際需要對巖石密度、單軸壓縮、泊松比、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測定及計(jì)算[9]，結(jié)果見表1。

表1　花崗巖主要物理力學(xué)參數(shù)

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(jìn)行分析。采用JWL方程[10]描述炸藥狀態(tài)。炸藥主要參數(shù)見表2。

表2　炸藥主要參數(shù)

2模擬分析

2.1有限元模型構(gòu)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(jì)算過程中，可較準(zhǔn)確地確定各材料物質(zhì)的邊界，故被稱為物質(zhì)描述；Euler算法在計(jì)算求解過程中，僅材料物質(zhì)在網(wǎng)格中運(yùn)動，而計(jì)算網(wǎng)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(wǎng)格的不同主要表現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動行為方面：①Euler網(wǎng)格，材料物質(zhì)的節(jié)點(diǎn)在計(jì)算過程中位置不斷變化而其節(jié)點(diǎn)的Euler 坐標(biāo)固定不變，而且該算法會導(dǎo)致邊界節(jié)點(diǎn)未必與邊界保持重合，所以在邊界條件的設(shè)定過程中須預(yù)先在邊界上非節(jié)點(diǎn)的位置添加約束，如此增加了多維問題的處理難度；②Lagrange網(wǎng)格，僅材料節(jié)點(diǎn)的Lagrange坐標(biāo)是固定不變的，在求解變化過程中，邊界節(jié)點(diǎn)始終保持在邊界上，且網(wǎng)格單元的變形與材料的運(yùn)動保持一致，為此，該算法可最大限度地節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

由于ALE算法優(yōu)點(diǎn)較突出，故利用 LS-DYNA程序進(jìn)行計(jì)算時(shí)常使用該算法描述流體運(yùn)動。LS-DYNA程序以ALE坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，雖然可簡單地描述邊界運(yùn)動，但由于參考域、計(jì)算域可任意形式運(yùn)動，在數(shù)值計(jì)算中又需確定網(wǎng)格位置，可見該算法較耗費(fèi)計(jì)算機(jī)內(nèi)存及計(jì)算時(shí)間。為較準(zhǔn)確地捕捉到材料網(wǎng)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(quán)算法等方法。為確保計(jì)算準(zhǔn)確并盡量節(jié)省時(shí)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(tài)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(wǎng)格建模，炸藥和巖石間采用耦合算法，數(shù)值模型采用m-kg-s單位制。根據(jù)需求建立礦區(qū)模型，該模型長130 m，左側(cè)高20 m，高程10 m，右側(cè)高30 m，寬20 m。由于六面體單元網(wǎng)格計(jì)算較準(zhǔn)確，故將該實(shí)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(gè)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(gè)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(jié)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(guī)律(圖2)，計(jì)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(shí)地表質(zhì)點(diǎn)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(yīng)，負(fù)高差對振速具有減小效應(yīng)。

圖2　無減震溝時(shí)峰值振速分布

工況3的模擬分析結(jié)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(shí)2種工況條件下峰值振速

工況4的模擬分析結(jié)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(shí)，振速速率變化較慢，振速降低幅度大，減震效果明顯；在負(fù)高差條件下，在距爆心60～70m處，有減震溝時(shí)振

圖4　高處爆破時(shí)2種工況條件下震速峰值

速速率變化較無減震溝時(shí)慢，振速降低幅度小，減震效果相對不明顯。

3結(jié)語

基于LS-DYNA有限元程序，詳細(xì)分析了不同高差條件下減震溝的減震效果，對于優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

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(收稿日期2015-12-25)

*江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)(編號：YC2014-S352)。

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