兩條減震溝對爆破振動(dòng)效應(yīng)的影響研究

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(河南工程學(xué)院 安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

隨著爆破技術(shù)的普遍應(yīng)用，爆破振動(dòng)的危害是亟需解決的問題，減震溝是一種應(yīng)用較為廣泛的減震手段。文獻(xiàn)[1] 采用ANSYS/LS-DYNA計(jì)算軟件建立了三種位置條件下減震溝的數(shù)值模型，運(yùn)用數(shù)值模擬手段分析減震溝不同位置的減震效果；文獻(xiàn)[2]針對減震溝不同的參數(shù)設(shè)置對地鐵隧道爆破減震效果進(jìn)行研究，并且運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法分析不同減震溝深度、減震溝與爆源之間的水平距離、減震溝寬度下爆破振動(dòng)對隧道的影響進(jìn)行分析，為現(xiàn)場施工提供了一定的理論依據(jù)；文獻(xiàn)[3]利用DYNA數(shù)值模擬軟件，模擬了不同情況下減震溝的減震效果。通過數(shù)值模擬，比較了有無減震溝時(shí)的峰值振速分布和開挖面與減震溝距離變化時(shí)質(zhì)點(diǎn)的峰值震速衰減規(guī)律，分析了不同深度、不同寬度減震溝的減震效果，得出了減震效果和減震溝寬度以及深度之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[4]針對減震溝中不同的填充物空氣、黃沙、水對爆破效果的減震作用進(jìn)行研究，經(jīng)過測振結(jié)果分析得出，充填物為空氣減震效果最好。本文在以上學(xué)者的研究基礎(chǔ)和相關(guān)成果的基礎(chǔ)上，對兩條減震溝的減震效果進(jìn)行分析，建立數(shù)值模擬模型，并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)對數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行佐證，對現(xiàn)場施工有一定的指導(dǎo)意義。

1 炸藥參數(shù)和控制方程的選取

本文中炸藥采用高能炸藥模型MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN，控制方程選擇JWL狀態(tài)方程，該方程是專為描述炸藥等含能材料爆炸時(shí)的壓力特性而設(shè)定的一種狀態(tài)方程[5-7]，其表達(dá)式為：

(1)

式中：P為壓力，Pa；V為體積變化，R1、R2、ω、B和A為材料常數(shù)；E0為初始比內(nèi)能。

數(shù)值模擬中選用的2號(hào)巖石乳化炸藥具體參數(shù)為：炸藥的密度是950 kg/m3，狀態(tài)方程中的各參數(shù)取值分別為：E0=4.5E+9，R2=0.9，W=0.3，B=0.529E+9，R1=3.5，A=47.6E+9，炸藥的爆轟速度是3 600 m/s[6-10]。參照相關(guān)文獻(xiàn)選取巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

計(jì)算中采用的巖石力學(xué)參數(shù)，彈性模量37.4(GPa)，切線模量4.5(GPa)，巖石密度2 600(kg·m-3)，泊松比0.3。

2 數(shù)值模擬模型構(gòu)建

根據(jù)實(shí)際工況，分別建立一條減震溝和兩條減震溝的數(shù)值模型，爆破參數(shù)均相同：主爆孔直徑90 mm，臺(tái)階高度10 m，炮孔深度10.5 m，其中超深0.5 m，堵塞長度3 m，最小抵抗線3 m，距離臺(tái)階坡底線9 m。 在有一條減震溝的工況模型中，減震溝位于上部臺(tái)階處，距臺(tái)階頂部3 m，減震溝寬2 m，深3 m；在有兩條減震溝工況模型中，下部臺(tái)階處減震溝寬2 m、深3 m，距臺(tái)階坡底線3 m，距離爆源6 m，臺(tái)階上部減震溝寬2 m、深3 m；模型底部建立有0.5 m厚的巖石，底部和側(cè)面均設(shè)置為無反射邊界，建模采用的單位均為m-s-kg，計(jì)算時(shí)間為0.05 s。兩種工況數(shù)值模擬模型剖面分別如圖1(a)、(b)所示。

圖1 兩種工況剖面(m)

為了更好地描述有減震溝的兩種工況下對爆破振動(dòng)的降振效果，引入相差比例因子的概念，其計(jì)算方法如公式(2)所示：

(2)

式中：η為相差比例；Vw為一條減震溝峰值振速；Vy為兩條減震溝峰值振速。

因建立的兩種工況數(shù)值模型不同，故單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不同，為了方便文中節(jié)點(diǎn)振速的提取，記兩種模型自坡頂線中心節(jié)點(diǎn)依次為N1、N2、N3、N4和N5，沿炮孔中心軸線做剖面，分別對一條減震溝和兩條減震溝兩種工況模型以10 m為步距選取相同爆心距的節(jié)點(diǎn)并提取峰值振速，提取5個(gè)節(jié)點(diǎn)水平徑向、垂直向和水平徑向三個(gè)方向峰值振速，有減震溝模型分別如圖2(a)、(b)所示，兩種工況節(jié)點(diǎn)處提取峰值振速對比總結(jié)如表2所示。

圖2 減震溝有限元模型

圖3 爆破振動(dòng)峰值典型歷程曲線

由表1可以看出，兩條減震溝的降振作用明顯大于1條減震溝的降振作用，通過對兩種工況的數(shù)值模擬進(jìn)行分析，兩條減震溝的數(shù)值模型，選取的節(jié)點(diǎn)處峰值振速明顯小于一條減震溝的數(shù)值模型。在水平徑向相差比例最大約為34%，垂直方向上最大的相差比例可達(dá)55.5%，水平切向相差比例最大可達(dá)60%，兩條減震溝的降振作用明顯優(yōu)于1條減震溝。

表1 一條減震溝和兩條減震溝兩種工況峰值振速對比

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

為了驗(yàn)證減震溝的條數(shù)對爆破效果的影響?，F(xiàn)場試驗(yàn)選擇在陜西某土石方平整工程中進(jìn)行，由于施工現(xiàn)場臨近民房，為了減少不必要的糾紛，需要嚴(yán)格地控制爆破振動(dòng)，結(jié)合工程實(shí)際情況選擇減震溝減震方法。爆破施工采用90 mm孔徑，孔深9 m，孔距和排距均為3.5 m，現(xiàn)場測振實(shí)驗(yàn)分別選擇在兩次爆破施工中進(jìn)行，一條減震溝選擇離爆源20 m處，兩條減震溝則分別為距離爆源20 m處和離保護(hù)對象20 m處。一條減震溝和兩條減震溝分別選擇兩次爆破施工中進(jìn)行，選取相同爆源區(qū)域、相同爆心距民房基礎(chǔ)處作為監(jiān)測點(diǎn)，爆破振動(dòng)監(jiān)測對比實(shí)驗(yàn)各向峰值振速對比分析如表2所示。

表2 兩種不同工況現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)峰值振速對比

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》(GB6722-2003)可知，為保證此被保護(hù)磚混民用建構(gòu)筑物的絕對安全，爆破振動(dòng)的最大峰值振動(dòng)速度不應(yīng)大于1.0 cm/s，由表2可知，爆破振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)均未超過規(guī)定值，因此被保護(hù)建筑物是安全的，但是由于爆破振動(dòng)存在累積效應(yīng)，因此，爆破振動(dòng)的作用越小則越好，由表1結(jié)合表3分析可以看出，實(shí)際工況的相差比例相比較數(shù)值模擬的較小，原因在于，數(shù)值模擬中假定的巖石為均質(zhì)同性體，而實(shí)際工況中巖體存在節(jié)理裂隙，因此實(shí)際工況相差比例相比數(shù)值模擬偏小，但對其的規(guī)律性不影響。

表3 各測點(diǎn)相差比例對比 %

4 結(jié) 語

本文通過數(shù)值模擬方法論證了兩條減震溝的降振作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于一條減震溝的工況，并結(jié)合現(xiàn)場爆破振動(dòng)試驗(yàn)及監(jiān)測數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬提出的結(jié)論進(jìn)行了分析和佐證，得出以下結(jié)論：

1) 減震溝對爆破振動(dòng)峰值有明顯的降低作用。數(shù)值模擬中兩條減震溝的降振作用明顯優(yōu)于一條減震溝，并且爆源附近減震溝的設(shè)置彌補(bǔ)了爆破振動(dòng)監(jiān)測儀器不能靠近爆源的不足；

2) 由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，兩種工況的相差比例最大可達(dá)到60%，得出兩條減震溝的降振作用明顯優(yōu)于一條的。但數(shù)值模擬中設(shè)置的巖石為均質(zhì)同性體，而現(xiàn)場試驗(yàn)中，巖石存在復(fù)雜的節(jié)理裂隙，因此相差比例是小于數(shù)值模擬的，但是對其的規(guī)律性無影響。

由以上的分析可以得出，減震溝對爆破振動(dòng)有明顯的降振作用，多條減震溝的降振作用更加明顯。隨著精細(xì)化爆破理念的提出，減震溝位置的選擇、減震溝的條數(shù)、減震溝的耦合介質(zhì)以及減震溝參數(shù)等因素對降振作用的影響都是需要深入研究的問題。