裂隙巖體爆破數值模擬研究

郭偉平，王志偉

（中交一公局貴安綜合保稅區(qū)建設項目部， 貴州貴陽 550031）

裂隙巖體爆破數值模擬研究

郭偉平，王志偉

（中交一公局貴安綜合保稅區(qū)建設項目部， 貴州貴陽 550031）

摘 要：巖體的裂隙常常會影響爆破效果。為探明豎直裂隙對巖體爆破效果的影響，采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA分別模擬了無裂隙巖體、豎直閉合裂隙巖體（裂隙間距為40，60 cm）、張開度為0.5單元豎直充填裂隙巖體（裂隙間距為40，60 cm），對其有效應力等值線圖、有效應力時間歷程曲線、損傷范圍進行分析。結果表明：相比于完整巖體，無論是閉合裂隙還是充填裂隙，在同時刻的有效應力作用范圍均有顯著的下降；相對于無裂隙巖體充填裂隙爆破損傷范圍減小了40 cm，損傷范圍降低了20%；閉合裂隙相對于充填裂隙應力減少的慢些，爆破損傷范圍相對無裂隙巖體減小了0～40 cm，損傷范圍降低了0%～20%。

關鍵詞：裂隙巖體；數值模擬；ANSYS/LS-DYNA

0 引 言

巖體包含著軟弱夾層、斷層、裂隙等天然不連續(xù)面，這些不連續(xù)面的存在嚴重影響巖體本身的力學性質及其破壞模式。在大型露天剝離、場平工程等眾多巖體工程中，爆破方法仍然是巖石破碎的主要方式之一。裂隙的存在使得巖體具有非連續(xù)性和顯著的各向異性，在爆破施工中會影響整體爆破效果，增加大塊率和根底，導致在施工中提高爆破成本［1-3］。為有效降低爆破成本，采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對巖體中豎直裂隙對爆破影響過程進行數值模擬研究，模擬在不同豎直裂隙賦存狀態(tài)情況下研究分析爆炸應力變化規(guī)律及爆破損傷范圍變化，為爆破工程提供相應的指導［4-7］。

1 模擬材料及模型參數

結合貴州新聯(lián)爆破工程集團有限公司的天河潭大道K11+060～K11+550段巖土爆破工程，獲取其巖石和裂隙等參數。數值模擬的材料及模型使用單位為kg-m-s，壓力單位為Pa。僅模擬單個炮孔爆破，采用不同的裂隙間距及張開充填等進行數值模擬試驗。

巖石采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_ CONCRETE材料模型，簡稱為 JHC。相關參數見表1［8］。

采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料對高能炸藥進行定義，采用的參數為：密度 850kg/m3，爆速3500m/s，爆壓5.5 GPa。

表1　JHC模型參數設定

炸藥的狀態(tài)方程采用*EOS_JWL狀態(tài)方程（參數見表2），該狀態(tài)方程公式為：

式中，P為炸藥爆炸爆轟氣體壓力，GPa；A、B、R1、R2、w為由試驗確定的炸藥相關參數；V0為相對體枳；E為初始比內能（炸藥單位體積內能），GPa。

表2　炸藥狀態(tài)方程參數

充填裂隙的介質材料則采用塑性動力學材料模型MAT-PLASTIC-KINEMATIC。充填裂隙介質采用的材料參數見表3。

表3　充填材料參數設定

2 數值模擬模型

模型的具體尺寸如圖1所示，孔徑0.09m，孔深9m，填塞3m。對模型施加垂直方向位移約束，AB、BC、CD邊界施加無反射邊界以模擬無限介質。整個模型均采用相同大小的單元劃分網格模型。

圖1　模型參數及記錄單元的位置示意

在其他條件不變，只考慮有無裂隙、裂隙有無充填的情況下，總共建立5種模型（見圖2～圖4）。

圖2　模型1無裂隙離散元模型

圖3　模型2（3）間距40 cm閉合（張開充填）裂隙離散元模型

模型1，無裂隙；模型2（3），間距40 cm閉合（張開充填）裂隙離散元模型；模型4（5），間距60 cm閉合（張開充填）裂隙離散元模型，以上裂隙法向均與炮孔軸向垂直。

圖4　模型4（5）間距60 cm閉合（張開充填）裂隙離散元模型

3 模擬結果及分析

圖5分別是模型1～5在3000 μs時間點的Mises效應力等值線圖。

從有效應力云圖可宏觀上觀察到巖體內豎直裂隙對爆破的影響，但是還有必要在具體數據上對比差異。選取不同裂隙條件下，在裝藥結構正中部設置1條有效應力時間歷程記錄線，該條線上取5個單元，以記錄各單元有效應力的時間歷程曲線。各單元從左到右分別為1～5，這5個單元到藥包中心線的距離分別為40，80，120，160，200 cm（見圖1）。

模型1至模型5在5個單元處的有效應力時間歷程曲線和最大有效應力值分別見圖6、表4。

表4　各模型記錄單元上最大有效應力值　/MPa

圖7為表4各模型記錄單元上最大有效應力數據曲線，從圖表可以看出在相同記錄單元處，對于豎直裂隙無論是閉合裂隙還是充填裂隙，其模擬結果相比于無裂隙巖體的模擬結果，最大有效應力值顯著降低。

中硬巖石強度檢測得出其破碎臨界值為30mPa，從表4可看出，無裂隙巖體模擬在200 cm處的應力為30.1mPa，此時巖石能破碎；充填裂隙應力波有衰減，在200 cm處的應力小于30mPa，在160 cm時其強度最小為30.2mPa，巖石能破碎，相對于無裂隙巖體充填裂隙爆破損傷范圍減小了40 cm，損傷范圍降低了20%；閉合裂隙相對于充填裂隙應力減少的慢些，爆破損傷范圍相對無裂隙巖體減小了0～40 cm，損傷范圍降低了0%～20%。

圖5　5種模型在3000 μs時的有效應力等值線圖

圖6　有效應力時間歷程曲線

圖7　各單元最大有效應力曲線

4 結 論

運用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA模擬了無裂隙巖體、閉合裂隙巖體（裂隙間距為 40，60 cm）、張開度為0.5單元的充填裂隙巖體（裂隙間距為40，60 cm）等5個模型。相對于無裂隙巖體，對比分析了不同裂隙情況下的損失范圍、有效應力等值圖、有效應力時程圖。模擬結果的對比分析表明：相比于無裂隙巖體，無論是閉合裂隙還是充填裂隙，在同時刻的有效應力作用范圍均有顯著的下降，爆破損傷范圍也相應減小。數值模擬結果可為爆破設計與現場施工參數調整提供了有效的幫助和指導。

參考文獻：

［1]谷德振.巖體工程地質力學［M］.北京：科學出版社，1979.

［2]夏才初，孫宗頎.工程巖體節(jié)理力學［M］.上海：同濟大學出版社，2002.

［3]余紅兵，周建敏，趙明生.結構面對爆破地震波幅頻衰減效應影響分析［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2015，35（12）：88-92.

［4]楊 軍，金乾坤.應力波衰減基礎上的巖石爆破損傷模型［J］.爆炸與沖擊，2000，20（3）：241-246.

［5]葉海旺，王 進.節(jié)理巖體爆破數值模擬［J］.爆破，2009，12 （4）：13-16.

［6]汪 洋，葉海旺，李延真.裂隙巖體爆破數值模擬研究［J］.爆破，2012，29（3）：20-22.

［7]劉紅巖，張吉宏.節(jié)理巖體爆破破壞過程數值模擬［J］.科技導報，2012，30（36）：52-55.

［8]康 強.裂隙巖體空氣間隔裝藥爆破數值模擬及試驗研究［D］.武漢：武漢理工大學，2012.

收稿日期：（2015-12-03）

作者簡介：郭偉平（1976-），女，工程師，主要從事爆破工程管理，Email：1214435381@qq.com。