不同高程条件下减震沟减震效果模拟*

王亮亮　徐　辉　徐金辉　高　祥　吴贤振

(江西理工大学资源与环境工程学院)



不同高程条件下减震沟减震效果模拟*

王亮亮徐辉徐金辉高祥吴贤振

(江西理工大学资源与环境工程学院)

摘要基于LS-DYNA 有限元程序，模拟了不同高程条件下减震沟的减震效果。通过数值模拟，比较有无减震沟时峰值振速以及振速衰减规律，分析了不同高差减震沟的减震效果。结果表明：①高程对振速有一定的影响，正高差对振速具有放大效应，负高差对振速具有减小效应;②不同高程条件下，减震沟的减震效果不一致，在正高差条件下的减震效果更为明显。

关键词高程减震沟减震效果LS-DYNA振速

炸药在岩土等介质中爆炸时必然有一部分能量转换为地震波，并从爆源向周围介质迅速传播。在一定范围内，可能给附近非爆破目标的建(构)筑物造成不同程度的破坏。针对爆破震动的特点及规律，相关学者相继提出了多种措施来控制和降低爆破引起的震动，其中开挖减震沟作为一种行之有效的方法，在控制爆破震动时被广泛采用[1-4]。对此，梁开水等[5]利用LS-DYNA软件模拟了不同位置、宽度、深度的减震沟的减震效果；王晨龙等[6]对减震沟的尺寸进行了研究，得出减震沟的合理长度约为炮孔覆盖区域长度的2.5倍；顾宏伟等[7]对2道减震沟的隔震效果进行了数值模拟，结果表明，在开挖量一致的前提下，2道减震沟的隔震效果优于单道减震沟；郭涛等[8]对3类不同位置的减震沟进行了数值模拟，探讨了减震规律。由上述研究成果可知，现阶段主要是对同一水平条件的减震沟降震进行研究，忽略了高程因素的影响。为此，本研究利用动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA对不同高程条件下减震沟的减震效果进行模拟分析。

1实体材料物理力学属性及模型

1.1岩石材料及模型

由爆炸冲击力学原理可知，在爆炸冲击波的作用下，岩石靠近爆源的部分将发生塑性变形，远离爆源的部分发生弹性变形，故将岩体材料的本构特征简化为弹塑性模型。由于所研究的地质条件主要为花岗岩，且在模型构建过程中需通过一些岩石的物理力学参数描述模型中材料性质，故需按实际需要对岩石密度、单轴压缩、泊松比、弹性模量等物理力学参数进行测定及计算[9]，结果见表1。

表1　花岗岩主要物理力学参数

1.2炸药材料及炸药模型

选用2#乳化炸药，采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型进行分析。采用JWL方程[10]描述炸药状态。炸药主要参数见表2。

表2　炸药主要参数

2模拟分析

2.1有限元模型构建

LS-DYNA程序具有拉格朗日(Lagrange)、欧拉(Euler)和任意拉格朗日欧拉(ALE)等3种算法。Lagrange算法由于在计算过程中，可较准确地确定各材料物质的边界，故被称为物质描述；Euler算法在计算求解过程中，仅材料物质在网格中运动，而计算网格的空间相对位置固定不变，故被称为空间描述。Lagrange、Euler算法网格的不同主要表现在节点的运动行为方面：①Euler网格，材料物质的节点在计算过程中位置不断变化而其节点的Euler 坐标固定不变，而且该算法会导致边界节点未必与边界保持重合，所以在边界条件的设定过程中须预先在边界上非节点的位置添加约束，如此增加了多维问题的处理难度；②Lagrange网格，仅材料节点的Lagrange坐标是固定不变的，在求解变化过程中，边界节点始终保持在边界上，且网格单元的变形与材料的运动保持一致，为此，该算法可最大限度地节省计算时间。

由于ALE算法优点较突出，故利用 LS-DYNA程序进行计算时常使用该算法描述流体运动。LS-DYNA程序以ALE坐标系为基准，虽然可简单地描述边界运动，但由于参考域、计算域可任意形式运动，在数值计算中又需确定网格位置，可见该算法较耗费计算机内存及计算时间。为较准确地捕捉到材料网格的确定位置，LS-DYNA程序提供了等参算法、简单平均算法、体积加权算法等方法。为确保计算准确并尽量节省时间，本研究对于岩石采用Lagrange算法，对炸药采用ALE算法。

在非线性动态三维有限元LS-DYNA程序中，由炸药、岩石组成材料模型，采用Euler网格建模，炸药和岩石间采用耦合算法，数值模型采用m-kg-s单位制。根据需求建立矿区模型，该模型长130 m，左侧高20 m，高程10 m，右侧高30 m，宽20 m。由于六面体单元网格计算较准确，故将该实体模型划分为六面体单元[11]。本研究共分4种工况：①工况1，在无减震沟的情况下，炸药在低处爆炸，如图1(a)所示；②工况2，在无减震沟的情况下，炸药在高处爆炸，如图1(b)所示；③工况3，炸药在低处爆炸，在距爆心10 m 处，开挖1个2 m×10 m×8 m的减震沟，如图1(c)所示；④工况4，炸药在高处爆炸，在距爆心10 m处，开挖1个2 m×10 m×8 m的减震沟，如图1(d)所示。

图1　工　况

2.2模拟结果

为对比分析减震沟的减震效果，首先模拟了无减震沟情况下爆破地震波的衰减规律(图2)，计算模型如图1(a)所示，模型左右边界和底部边界取无反射边界，外部边界施加对称边界条件。 由图2可知：无减震沟时地表质点峰值振速随爆心距的增加而逐渐减少，在距爆心60～70 m处，工况1条件下的峰值振速逐渐增加，在70 m后逐渐减小，工况2条件下的峰值振速迅速降低，工况2条件下的峰值振速稍低于工况1，说明高程对振速有一定的影响，正高差对振速具有放大效应，负高差对振速具有减小效应。

图2　无减震沟时峰值振速分布

工况3的模拟分析结果如图3所示。由图3可知：在减震沟的作用下，峰值振速明显降低，但降低的速率不一致，在距爆心25～60 m处，工况1振速降低速率明显较工况3明显；在距爆心60～70 m处，振速均有所提高，但工况3振速升高的速率却低于工况1。

图3　低处爆破时2种工况条件下峰值振速

工况4的模拟分析结果见图4。 由图4可知：在减震沟作用下，峰值振速明显降低，在距爆心25～60 m处，工况2振速降低幅度大于工况4；在距爆心60～70 m处，2种工况振速降低的幅度小于距爆心25～60m处，但振速降低速率却高于距爆心25～60 m 处；在距爆心60～70 m处，相对于工况4，工况2振速降低较多，降低的速率也较工况4高。

由图3、图4可知：在正高差条件下，在距爆心60～70m处，有减震沟时，振速速率变化较慢，振速降低幅度大，减震效果明显；在负高差条件下，在距爆心60～70m处，有减震沟时振

图4　高处爆破时2种工况条件下震速峰值

速速率变化较无减震沟时慢，振速降低幅度小，减震效果相对不明显。

3结语

基于LS-DYNA有限元程序，详细分析了不同高差条件下减震沟的减震效果，对于优化爆破设计有一定的参考价值。

参考文献

[1]郑德明，余德运，曹跃，等.合肥17层高楼原地坍塌拆除爆破[J].爆破，2006，23(1)：48-51.

[2] 公文新，蔡金贤，金信哲.二十六层楼房爆破拆除[J].爆破，2004，21(3)：40-44.

[3] 刘军.定向爆破复杂环境下砖混水塔[J].爆破，2006，23(1)：73-75.

[4]刘维柱，方向，高振儒.田湾核电站负挖爆破地震波衰减参数的回归与分析[J].爆破，2003，20(2)：72-74.

[5]梁开水，陈天珠，易长平.减震沟减震效果的数值模拟研究[J].爆破，2006，23(3)：18-21.

[6]王晨龙，张世平，张昌锁.边坡爆破开挖中减震沟合理尺寸的确定[J].爆破，2013，30(1)：50-53.

[7]顾宏伟，赵燕明，李秀地.两道减震沟隔震效果的数值模拟研究[J].爆破，2007，24(1)：21-25.

[8]郭涛，高振儒，范磊，等.不同位置条件下减震沟减震效应的数值模拟[J].爆破器材，2010，39(2)：7-9.

[9]薛守义.弹塑性力学[M].北京：中国建材工业出版社，2005.

[10]石少卿，康建功，江敏，等.LS-DYNA在爆炸与冲击领域内的工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[11]张智超，陈育民，刘汉龙.微差爆破模拟天然地震的数值分析与效果评价[J].岩土力学，2013(1)：265-274.

(收稿日期2015-12-25)

*江西省研究生创新专项(编号：YC2014-S352)。

王亮亮(1990—)，男，硕士研究生，341000 江西省赣州市章贡区客家大道156号。