水下深孔爆破巖石裂紋擴展及損傷規(guī)律

于建新， 李真珍， 高帥杰, 張英才

(1.河南理工大學土木工程學院， 焦作 454003； 2.河南迅達爆破有限公司， 焦作 454000)

水下爆破的工作原理與其他地面式爆破相似，但水下爆破是在水中或水下巖層中實施，其受水的影響較大，需參照水體的基本特征，對爆破器材、爆破方法等進行改進實施[1]。隨著鉆孔機械設備的改進，水下鉆孔爆破已成為水下爆破的主要施工方法之一。

水下鉆孔爆破技術主要是將炸藥直接埋藏在一些巖石或水工建筑物中，爆炸過程中由于爆發(fā)的能量分布規(guī)律、沖擊波的傳播特性[2-4]以及對邊界環(huán)境條件的作用等因素而造成的影響，這種爆破技術不同于將炸藥直接在水介質(zhì)中爆炸而引起的水下沖擊波特征[5-7]。柴修偉[8]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當單一自由面和水介質(zhì)被堵塞時，沖擊波壓力峰值是動水運動和炮孔附近水中氣泡脈動壓力的疊加，在兩個自由面的水下臺階進行爆破，在垂直水底相同方向的水中，沖擊波壓力衰減得最快。梁禹等[9]、王宏[10]結合長江太子磯航道炸礁工程，通過ANSYS/LS-DYNA軟件分析，得出了最佳的堵塞長度為140 cm左右。周俊汝等[11]基于彈性波動理論，數(shù)值模擬研究了垂直鉆孔爆破激發(fā)的振動波頻率衰減特性，得出：高頻對應幅值衰減較快，爆破振動譜曲線整體向低頻方向偏移。李元龍等[12]利用AUTODYN軟件，數(shù)值模擬水下爆炸沖擊波沖擊屏蔽裝藥的過程得出，主炸藥裝藥量增加和屏蔽擋板厚度減小，水下爆炸沖擊波對屏蔽裝藥的臨界起爆距離減小。胡冬冬等[13]通過結合ANSYS/LS-DYNA 數(shù)值模擬，驗證得出水介質(zhì)不耦合狀態(tài)下的最佳鉆孔爆破裝藥結構形式。

中外學者通過理論分析、模型實驗及數(shù)值模擬等方法，對水下深孔爆破時能量分布、沖擊波傳播特征以及炮孔裝藥量等相關問題進行了研究[14-16]，但針對水下深孔爆破時，爆炸產(chǎn)生的沖擊波對圍巖體的損傷研究相對較少。針對水下深孔爆破的特點，采用理論分析與數(shù)值模擬相結合的研究方法，對水下單孔爆破、多孔爆破對圍巖體及上部水體的影響、水下深孔爆破時不同起爆位置對圍巖體的損傷規(guī)律進行研究，以期對于水下炮孔爆破提供一定指導。

1 水下深孔爆破數(shù)值模擬

1.1 模型的建立

利用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值模擬軟件，建立模型。模型長20 m、高20 m，水深10 m，炮孔深度4 m，堵塞長度1.5 m，炮孔間距2.2 m，炮孔直徑110 mm，藥卷直徑70 mm，如圖1所示。同時此模型可以用來研究不同炮孔數(shù)量同時起爆、不同起爆點等條件下，爆破對圍巖的損傷規(guī)律及對上部水域的影響。模型兩側和底部設為非反射邊界條件，單孔爆破時，將其他炮孔材料參數(shù)更改為巖石參數(shù)。

圖1 爆破模型Fig.1 Blasting model

1.2 模型材料參數(shù)

1.2.1 炸藥模型

炸藥模型基于LS-DYNA程序中的炸藥材料模型，利用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN和*EOS-JWL狀態(tài)方程模擬爆炸過程中壓力與體積的關系，其狀態(tài)方程為

(1)

式(1)中：P為炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力，MPa；V為氣體相對體積，m3；E0為單位炸藥初始內(nèi)能，A、B、R1、R2、ω為JWL狀態(tài)方程參數(shù)。材料參數(shù)如表1所示。

表1 炸藥的主要參數(shù)Table 1 The main parameters of explosives

1.2.2 水的材料模型

使用LS-DYNA自帶的MAT_NULL材料模型和EOS-GRUNEISEN狀態(tài)方程，描述水介質(zhì)材料，其狀態(tài)方程為

(2)

式(2)中：P為壓力；C為曲線截距；S1、S2、S3為曲線斜率的系數(shù)；γ0為GRUNEISEN常數(shù)；α為初始體積修正因數(shù)；E0為單位體積初始能量；μ=ρ/ρ0-1；ρ為材料密度；ρ0為材料初始密度，主要力學參數(shù)如表2所示。

表2 水的主要參數(shù)Table 2 The main parameters of water

1.2.3 巖石材料模型

目前，巖土工程方面應用較多的本構模型有Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型。然而，對于巖石材料來講，需要同時考慮應變率效應和損傷對巖石強度、破壞應變的影響,本文中選取JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE損傷本構模型，ANSYS/LS-DYNA軟件中，該材料模型編號為111。該模型由Holmquist等[17]在1993年提出，考慮了混凝土和巖石在高應變率和大變形下的模擬，模型演化方程及參數(shù)參考文獻[18]。

(1)等效強度模型。模型考慮了應變率、損傷、應變等方面的效應，規(guī)范化等效應力來描述其強度，公式為

(3)

(2)損傷演化方程。模型中的損傷因子D，用來形容巖石失效破壞時的損傷程度，其計算公式為

(4)

式(4)中：Δεp為等效塑性應變增量；Δμp為等效體應變增量；D1和D2為損傷常數(shù)；T*為材料所承受的最大拉伸靜水壓力。

JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE本構模型中，將巖石材料的狀態(tài)方程分為三個階段。

第一階段：彈性階段。

P=keμ

(5)

式(5)中:Ke為體積模量；μ=V0/V-1為體積應變，V0為單元現(xiàn)時的體積，V為初始體積。

第二階段：壓密階段。

P=Pcrush+Kcrush(μ-μcrush)

(6)

式(6)中：Pcrush為彈性極限靜水壓力值；Kcrush=(Plock-Pcrush)/(μlock-μcrush)壓實點的體積模量，Plock為孔隙壓實的壓力，μlock為孔隙壓實的體應變；μcrush為彈性極限壓力對應的體應變。

實驗采用10 kVA變壓器,該變壓器飽和磁密為1.6 T,磁路長度為0.71 m,通過外加臨時繞組的測試方法[12]測得變壓器低壓側繞組匝數(shù)為230匝,則通過計算估計變壓器飽和時勵磁電流為0.561 A。在低壓側施加直流電流,為防止變壓器進入飽和狀態(tài),選擇直流電流變化范圍為0～0.5 A。傳感器激勵繞組選取為200匝,檢測繞組匝數(shù)為100匝,均勻繞制在磁芯上。為讓磁芯易進入飽和狀態(tài),磁芯采用高磁導率的鈷基非晶材料,材料的基本參數(shù)如表1所示。

第三階段：壓縮變形階段。

(7)

表3 巖石HJC模型參數(shù)Table 3 Parameters of rock HJC model

1.3 數(shù)值模擬方案

表4 數(shù)值模擬方案Table 4 Scheme of simulation

2 數(shù)值計算結果分析

2.1 柱狀裝藥單孔爆破

為了研究柱狀裝藥單孔爆破時，爆破孔周圍巖體和上部水體所受到的影響，建立模型1，并提取爆破過程中的典型壓力云圖及圍巖損傷破壞云圖，如圖2、圖3所示。

從圖2中可以看出，炮孔所產(chǎn)生的炮轟壓力主要集中在孔柱周圍的巖體，上部水體所受爆炸的影響比炮孔周圍巖體所受影響小很多。從圖3中可以看出，炮孔破壞范圍主要沿炮孔徑向方向擴展，底部出現(xiàn)兩條明顯的“八字形”損傷裂紋。從理論上分析，炸藥起爆時應力值最大，應力波陣面呈柱面且沿垂向傳播，當應力波傳至巖石與水體接觸面時產(chǎn)生反射波，從而上部水體受爆炸影響比炮孔周圍巖體所受影響小。

圖2 壓力云圖Fig.2 Pressure nephogram

為研究柱狀裝藥單孔爆破時對圍巖的損傷規(guī)律，取如圖3所示的兩個監(jiān)測單元H265498和H272103，監(jiān)測這兩單元的壓力和損傷情況并繪制相應時程曲線，如圖4所示。

圖3 巖石損傷云圖Fig.3 Nephogram of rock damage

圖4 監(jiān)測點壓力時程曲線Fig.4 Pressure time-history curve of monitoring point

從兩個單元的計算時程曲線可以看出，兩個單元壓力在達到第一個峰值之后，經(jīng)過一段時間出現(xiàn)了第二次上升，損傷程度也隨著第二次壓力的上升再次增加。理論分析認為，這是由于此柱狀裝藥起爆點在底端，起爆后炸藥由下向上傳爆，下部炸藥和上部炸藥在到達監(jiān)測點位置時會存在時間差，應力波在“八字形”裂紋區(qū)域疊加，引起壓力的二次上升，在第一次損傷的基礎上出現(xiàn)累積損傷。

2.2 不同起爆點條件下巖石的損傷

圖5 巖石損傷云圖Fig.5 Nephogram of rock damage

研究三種不同起爆方式下炮孔底部相同位置處巖石的損傷規(guī)律，提取“八字形”裂紋附近相同位置處的兩監(jiān)測點H265498、H272103(圖5),得到在三種爆炸形式下的損傷時程曲線如圖6所示。

從圖6中可以看出，底部起爆模式下，監(jiān)測點損傷明顯遠大于另外兩種模式。分析可知其原因在于，底部起爆時，監(jiān)測點位于“八字形”裂紋上，另外兩種模式下，“八字形”裂紋下移，監(jiān)測點出現(xiàn)在應力波的非加強疊加區(qū)域，故損傷程度遠小于底部起爆模式下的損傷。

圖6 監(jiān)測點損傷時程曲線Fig.6 Damage time-history curve of monitoring points

為研究三種不同起爆方式下炮孔底部巖石損傷深度，三種模式下炮孔底部相同位置監(jiān)測點H258138監(jiān)測其損傷情況，監(jiān)測點選取如圖7所示，監(jiān)測結果如圖8所示。

圖7 炮孔底部監(jiān)測點位置Fig.7 Position of bottom monitoring point of blasthole

從圖8的監(jiān)測結果可以看出，炮孔底部一定深度統(tǒng)一位置，中點起爆損傷最大，兩點起爆其次，底部起爆損傷最小。這說明底部起爆模式下，炮孔底部巖石損傷深度最小。由于炸藥起爆后，應力波沿藥柱方向傳播，轟爆產(chǎn)生的應力波疊加，即在遠離起爆點位置應力場最強。兩點起爆時，波陣面相向而行在中部疊加，應力強度達到峰值。所以在中點起爆時炮孔底部監(jiān)測點損傷最大。

圖8 底部監(jiān)測點損傷時程曲線Fig.8 Damage time-history curve of bottom monitoring point

2.3 不同起爆點條件下水體影響范圍

為研究單孔爆破不同起爆位置對應力波在水中傳播的影響[19]，在炮孔正上方水體中選取如圖9所示的監(jiān)測點H47456和監(jiān)測點H62614，分析三種不同起爆方式下該點的所受壓力情況，如圖10所示。

圖9 水中監(jiān)測點位置Fig.9 Position of monitoring points in water

圖10 水中監(jiān)測點壓力時程曲線Fig.10 Pressure time-history curve of water monitoring points

結果表明：三種起爆模式下，水體相同位置的壓力時程曲線形態(tài)基本一致，底部起爆模式下的壓力峰值最大，中點起爆模式下的壓力峰值最小，說明中點起爆模式下，水下單孔爆炸對水體的影響范圍小于另外兩種情況。底部起爆模式下，應力波到達統(tǒng)一監(jiān)測位置的時間和傳播路徑大于其他兩種起爆方式，應力波沿孔柱疊加，應力峰值出現(xiàn)在遠離起爆點位置處。所以底部起爆下，相同位置水體的壓力峰值最大。

2.4 不同數(shù)目炮孔起爆下巖石損傷

為了研究不同數(shù)目的炮孔，同時起爆對圍巖的損傷，選取1、2、3、5個炮孔分別底部同時起爆，建立模型1、5、6、7，提取巖石損傷云圖如圖11所示。

圖11 不同數(shù)目炮孔起爆巖石損傷云圖Fig.11 Nephogram of rock damage induced by different number of blast holes

從圖11可以看出，雙孔、三孔和五孔起爆損傷云圖的形態(tài)相似，向下?lián)p傷深度沒有明顯的增加，損傷范圍隨著炮孔數(shù)目的增加而橫向擴展，爆炸區(qū)域下方兩邊角處都存在數(shù)條橫向和縱向裂紋，并且這些裂紋隨著炮孔數(shù)目的增加而繼續(xù)向外擴展。由于相鄰炸藥起爆產(chǎn)生的應力波疊加，破碎區(qū)相互貫通，使損傷范圍橫向擴展。

多孔同時爆破相對單孔爆破而言，巖體沿炮孔徑向方向損傷規(guī)律是一致的，向底部方向的損傷因多個孔爆破產(chǎn)生的應力波在底部產(chǎn)生復雜的疊加效應，而與單孔爆破下的損傷規(guī)律有很大區(qū)別，特別是在爆破范圍的底部兩角處，損傷規(guī)律復雜。

3 結論

(1)水下單孔爆破時圍巖損傷范圍主要沿炮孔徑向方向擴展，沿垂直于炮孔方向衰減。炮孔底部出現(xiàn)兩條明顯的“八字形”損傷裂紋，且因炸藥上下傳爆存在時間差，應力波在“八字形”裂紋區(qū)域疊加，引起累積損傷。

(2)水下單孔爆破時，底部起爆比中點起爆和三分點兩點起爆，向下對圍巖的損傷深度更小，但對上部水體的影響最大；中點起爆對圍巖的損傷深度最大，但對水體的影響最小。

(3)多孔爆破時，損傷范圍隨著炮孔數(shù)目的增加而橫向擴展，爆炸區(qū)域下方兩邊角處都存在數(shù)條橫向和縱向裂紋，并且這些裂紋隨著炮孔數(shù)目的增加而繼續(xù)向外擴展。