基于3DEC的节理裂隙岩体爆破传播规律的研究

代青松，李 鸿，余红兵

（贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵州贵阳 550002）

基于3DEC的节理裂隙岩体爆破传播规律的研究

代青松，李 鸿，余红兵

（贵州新联爆破工程集团有限公司， 贵州贵阳 550002）

摘 要：根据结构面的能流关系，研究了地震波穿越结构面的能量消耗。基于遵义某台阶爆破开挖实例，利用了3DEC离散元数值模拟软件计算了不同节理裂隙工况下的爆破应力波传播规律，并分析了爆破过程中最小主应力的变化过程。模拟结果表明：爆破冲击波的传播衰减强度与岩体节理裂隙的发育程度相关，裂隙越密集，应力波衰减越快，裂隙成相交状态时，同一位置处爆破作用力越小，岩体不易破坏。

关键词：节理裂隙；爆炸应力波；最小主应力；3DEC

0 前 言

岩体中的节理裂隙等软弱结构面由于发育条件的不同可分为平行裂隙和交叉裂隙，不同节理裂隙类型对爆炸应力波传播规律的影响也不尽相同。宋全杰等［1-2］指出层理的存在对爆破震动传播规律的影响比较明显，认为爆破震动衰减指数随测爆连线与层理走向夹角增大而增大。周剑、谢冰［3-4］等采用UDEC和DYNA研究了不同工况下节理裂隙对边坡动力响应的研究，并指出水平层面对爆破地震波传播规律的影响较大。褚怀保，杨小林［5］等研究了爆炸应力波的传播特性，指出爆炸应力波的衰减特性。然而，天然岩体其内部节理裂隙发育在空间上往往随机分布，以往的研究中忽视了岩体中不同类型节理裂隙对爆破地震波传播的不同影响，导致所得的爆破效果预测结果与实际大不一样。本文结合遵义市某台阶控制爆破工程，采用离散元软件3DEC研究节理裂隙岩体的爆破机理，分析不同裂隙类型工况条件下爆炸应力波的传播规律。

1 爆炸应力波在裂隙岩体中的传播

岩体是由结构面和结构体两部分组成的，结构体被不同类型的结构面在空间按不同组合切割划分而成，结构面包括层面、沉积面断面、断层以及节理，也称不连续面。结构面对应力波的反射、折射作用在爆破冲击波的传播过程中影响很大。研究表明，由于爆炸应力波在节理裂隙位置处的反射、透射过程中要消耗更多的能量，可以认为波在节理岩体中的传播的衰减速度较在连续介质中更快，主要体现在透射波振幅的降低和过滤高频波两个方面。

1.1结构面的能流关系

假设爆炸应力波入射到单位面积结构面上的能流为E-P1，则：

根据爆炸应力波穿越结构面的透、反射系数，再联立上述方程，可计算出结构面上的能流分布。

1.2爆炸应力波穿越结构面的能量消耗

对于完全粘结的交界面即结构面间没有摩擦的情况，无论应力波以何种角度穿越结构面，均不会引起结构面两侧岩体的相对滑移，导致其能量发生耗损。根据能量守恒定理，应力波的入射能流恒等于穿越结构面的反射能流加上透射能流。

但是对于非完全粘结的交界面即结构面间有摩擦的情况，当应力波斜入射时，主要的影响有以下两个方面：

（1）当岩体所受的剪应力小于结构面的抗剪强度时，结构面两侧的岩块没有足够能量产生相对滑移，即不会对应力波产生其他的能量损耗，对应力波的投射、反射关系可按照完全粘结交界面进行处理；

（2）当岩体所受的剪应力大于结构面的抗剪强度时，结构面两侧的岩块会在能量剪应力的作用下发生相对滑移，而剪应力是由应力波的能量损耗产生，此时，结构面消耗的能量可以通过以下公式进行计算：

2 离散元数值模拟

2.1模型的建立

遵义某台阶爆破工程场区以石灰岩和粘土为主，中微风化。岩层产状与构造线一致，区内构造形式以节理裂隙为主，断裂构造不发育，区域地块稳定性较好。

根据离散元爆破模拟相关研究，结合工程实例工况条件，确定离散元模型宽度为10m，台阶高度10m，边坡角度60°，坡脚距离边界3m，并划分网格，如图1所示。岩石材料参数见表1［6-7］。

2.2求解模型的建立

2.2.1运算输入

（1）动力荷载。由于软件限制，3DEC软件不能直接输入炸药参数模拟爆破过程，只能通过时程曲线函数的代入来等效模拟，采集现场爆破过程中炮孔位置附近的测振数据，并将3个方向上的速度变化值转变为3DEC可以处理的文件，导入软件后以爆破震动速度和频率来施加动力荷载，以此来模拟爆破作用下下爆炸应力波在不同类型裂隙岩体中的传播规律。

（2）阻尼参数。岩体阻尼是爆破应力波在岩体介质中传播的重要动力学参数，3DEC软件中Rayleigh阻尼一般需要输入两个参数来实现，即ωmin和ξmin。根据现场实际情况和相关研究，对于本实验场地中，ωmin=10 rad/s，ξmin=1［8］。

（3）边界条件。在处理动力学问题过程中，数值模拟软件一般将模型边界条件设置为粘滞边界（即无反射边界），保证应力波在边界上传播过程中不会发生全部反射的情况，通过吸收边界反射的能量以此来模拟无限域，是模拟爆破过程中数值模型的一贯做法。此次数值模拟模型除了将坡面和向上的边界设置为自由面外，模型底部，左右侧以及后侧均设置为粘滞边界。

图1　无节理裂隙体离散元模型及网格划分

表1　岩石材料基本力学特性

2.2.2求解模型

节理的几何参数和力学参数直接影响着岩体强度和稳定性，主要参数包括节理的走向、倾向、倾角、位置、节理厚度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角、法向刚度、剪切强度等。模拟中需要用到的参数如表2所示。

表2　岩石节理基本力学特性

用三维离散元模拟爆炸应力波在裂隙岩体中的传播过程，对模型进行网格划分，为了防止爆破过程中网格产生畸变，一般将网格划分为六面体，网格尺寸设置为0.5m，然后输入动荷载，如图2给出4种模型在动力荷载下的最小主应力计算结果分布云图，从图中可以看出岩体中存在拉应力，数值模拟计算结果表明（图中拉正压负）：

（1）边坡爆破中的应力波传播分布不均匀，应力波传播方向主要朝向自由面和沿节理裂隙结构面方向传播；

（2）同完整模型模拟结果相比较，两条平行裂隙将应力区域划分成三部分，相交裂隙的应力区域分散更明显；

（3）当有裂隙存在时，最小主应力降低的较快。两条平行裂隙以及裂隙成相交状态时，最小主应力幅值分别降低20%和30%；

（4）岩体中裂隙数量决定了应力波衰减的快慢程度，两条相交节理裂隙与平行裂隙相比，炮孔中心拉应力更小，表明此种工况下岩体更不易被爆破作用破碎。

图2　不同节理分布工况下的离散元模拟最小主应力分布

3 结 论

通过3DEC软件对无节理、一条倾斜节理、两条平行节理、两条交叉节理4种工况下的裂隙岩体中深孔爆破进行了离散元数值模拟.模拟结果表明，节理裂隙对于爆炸应力波的传播与衰减有显著影响，并取决于岩体中节理裂隙的密集程度和产状分布，节理裂隙越发育，节理裂隙越错综复杂，应力波的衰减速度也越快。

参考文献：

［1]余永强，邱贤德，杨小林.层状岩体爆破损伤断裂机理分析［J］.煤炭学报，2004，29（4）：409-412.

［2]宋全杰，李海波，李俊如.层理对爆破振动传播规律的影响［C］//第十二次全国岩石力学与工程学术会议论文摘要集-岩石动力学.2012：134

［3]周 剑，张路青，王学良.水平层状岩体边坡动力响应中的结构面效应研究［J］.工程地质学报2011，19（3）：352-358.

［4]谢 冰，李海波，王长柏.节理几何特征对预裂爆破效果影响的数值模拟［J］.岩土力学，2011，32（12）：3812-3820.

［5]褚怀保，杨小林，侯爱军.煤体中爆炸应力波传播与衰减规律模拟实验研究［J］.爆炸与冲击，2012，32（2）：185-189

［6]赵 坚，陈寿根，蔡军刚，等.用UDEC模拟爆炸应力波在节理岩体中的传播［J］.中国矿业大学学报，2002，31（2）：111-115.

［7]曹 攀，颜事龙，倪 磊.基于UDEC岩体爆炸应力波衰减规律的研究［J］.爆破，2014，31（1）：42-46.

［8]卢文波，张乐钆，周俊汝.爆破振动频率衰减机制和衰减规律的理论分析［J］.爆破，2012，3（2）：1-6，11.

收稿日期：（2016-02-17）

作者简介：代青松（1974-），男，高级工程师，主要从事爆破工程方向研究，Email：602574716@qq.com。