溝槽寬度對(duì)爆破振動(dòng)衰減影響的有限元分析

黃啟舒　孟慶生

摘 要：爆破振動(dòng)對(duì)爆孔周邊巖土體和附近結(jié)構(gòu)物產(chǎn)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(duì)爆破振動(dòng)衰減的影響。研究結(jié)果表明，減震溝對(duì)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(guān)鍵詞：孔樁爆破;數(shù)值模擬;減震溝;Midas GTS

中圖分類號(hào)：U617.9? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）05-0038-03

1 前言

隨著中國(guó)中西部地區(qū)基礎(chǔ)工程的建設(shè)，爆破工程在各類工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)爆破現(xiàn)場(chǎng)周邊結(jié)構(gòu)物也造成破壞，因此如何控制好爆破振動(dòng)是采用爆破前需要考慮的問(wèn)題。

作為一種有效的控制爆破振動(dòng)的方法，減震溝在實(shí)際工程中得到了大量的應(yīng)用。其作用機(jī)理主要是對(duì)爆破地震波的傳播進(jìn)行阻隔和干擾，爆破引起的地震波通過(guò)減震溝時(shí)發(fā)生反射、繞射，導(dǎo)致了爆破地震波的快速衰減，從而使其強(qiáng)度得以降低。為了更好的指導(dǎo)實(shí)際工程，有必要對(duì)減震溝對(duì)爆破振動(dòng)衰弱的影響進(jìn)行研究。

基于此，本文利用Midas GTS軟件，采取數(shù)值模擬方法，重點(diǎn)研究溝槽寬度對(duì)爆破振動(dòng)衰減的影響，以此力爭(zhēng)為類似爆破工程的設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

2 模型建立

2.1 基本假設(shè)

（1）地面為巖石，且地表材料為巖性單一的巖體。

（2）爆破孔周?chē)鷰r體為連續(xù)、均質(zhì)、各向同性的彈塑性材料，遵循摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。

（3）建立本模型的目的是為了分析溝應(yīng)用。爆破振動(dòng)問(wèn)題作為爆破帶來(lái)的主要槽的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)爆破振動(dòng)的衰減影響，為避免地表對(duì)分析結(jié)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?guī)r，巖質(zhì)較硬，巖體較完整。標(biāo)準(zhǔn)模型中所取地形為一個(gè)長(zhǎng)方體，其長(zhǎng)度為300m，寬度為300m，高度為150m。左邊的立方體凹槽為等效出來(lái)的爆破孔，X向長(zhǎng)度為6m，Y向長(zhǎng)度為8m，高度為10m。右面的溝槽為本課題研究的對(duì)象減震溝，X向?qū)挾葹?m，Y向長(zhǎng)度為20m，深度為2m，爆破孔與減震溝相距10m。

2.3 測(cè)點(diǎn)選取

為分析節(jié)點(diǎn)振速與到爆源距離的關(guān)系，以2m為間距在溝槽頂面中垂線上自距炮孔1m處開(kāi)始依次選取12個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別分布在溝槽兩側(cè)。

2.4 圍巖材料計(jì)算參數(shù)選取

本文在數(shù)值模擬中對(duì)巖體材料采用Mohr—Coulomb本構(gòu)模型，具體的巖體參數(shù)屬性如表1所示。

2.5 特征值分析

通常對(duì)模型的進(jìn)行動(dòng)力分析之前，需要對(duì)靜態(tài)模型進(jìn)行相應(yīng)的特征值分析。由靜態(tài)模型的分析結(jié)果得到的振型周期如表2所示。

2.6 爆破荷載的施加

本項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，假定爆破所采用的炸藥具體參數(shù)見(jiàn)表3。

在本文分析的問(wèn)題中，對(duì)爆破問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬分析最為關(guān)鍵的一環(huán)就是如何在模型中施加合適的爆破荷載。因?yàn)橄鄬?duì)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(shí)很難表現(xiàn)出來(lái)，并使得爆破孔網(wǎng)格尺寸的劃分存在極大的障礙，所以，對(duì)爆破荷載的施加方法不能直接在模型上體現(xiàn)出來(lái)。對(duì)本項(xiàng)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(dòng)數(shù)值模擬中最重要的步驟。一般來(lái)說(shuō)，在爆破孔壁上施加爆炸荷載是很有效的，但與整個(gè)模型相比，槍的直徑很小。該單元已建成，微孔的存在使網(wǎng)格的網(wǎng)格化變得非常困難。因此，應(yīng)采用合理的等效方法來(lái)實(shí)現(xiàn)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(yīng)用于爆破孔壁。

炸藥爆炸對(duì)孔壁施加的平均炮轟壓力可由如下公式（1）計(jì)算出：

（1）式中：

—爆炸產(chǎn)生的平均壓力（Pa）;

—炸藥密度（）;

—炸藥產(chǎn)生的爆炸速度（m/s）;

—炸藥等熵系數(shù)（m/s）。

炸藥爆炸后，單個(gè)炮孔爆炸對(duì)炮孔壁施加的峰值壓力可由如下公式（2）計(jì)算出：

（2）式中：

—裝藥徑向不耦合系數(shù)，;

、—炮孔直徑和藥包直徑（mm）;

、—炮孔長(zhǎng)度和藥包長(zhǎng)度（mm）;

—裝藥軸向不耦合系數(shù)，;

—爆炸產(chǎn)物膨脹碰撞炮孔壁時(shí)的壓力增大系數(shù)，一般取10。

爆破荷載可由以下公式（3）計(jì)算出：

（3）式中：—炮孔半徑，（mm）;

—粉碎區(qū)半徑（mm）;

—破碎區(qū)半徑（mm）;

—巖體的動(dòng)泊松比。

本項(xiàng)目孔樁爆破振動(dòng)分析取，。

假設(shè)爆破時(shí)炸藥產(chǎn)生的荷載以均布力的形式垂直作用在爆破孔孔壁上，其時(shí)程曲線如下圖1所示。

3模型計(jì)算結(jié)果分析

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

為研究溝槽寬度對(duì)爆破震動(dòng)的衰減影響，本項(xiàng)目選取震動(dòng)速度作為指標(biāo)進(jìn)行各模型的效果對(duì)比。將有限元計(jì)算得到的數(shù)據(jù)用Origin9.0軟件處理后如圖2，3，4 所示。

4 結(jié)論

（1）溝槽其靠近爆破源的一側(cè)地表的振速會(huì)被放大。

（2）減震溝對(duì)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(shí)際施工中可以使用較窄的減震溝。

（3）模型溝槽左側(cè)（靠近爆破孔一側(cè)）地表測(cè)點(diǎn)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(cè)（遠(yuǎn)離爆破孔一側(cè)）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(cè)（靠近爆破孔一側(cè)）和溝槽右側(cè)（遠(yuǎn)離爆破孔一側(cè)）地表測(cè)點(diǎn)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(duì)地表測(cè)點(diǎn)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(duì)地表測(cè)點(diǎn)峰值豎向振速通的衰減作用先增大后減小。

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