裂隙岩体爆破数值模拟研究

郭伟平，王志伟

（中交一公局贵安综合保税区建设项目部， 贵州贵阳 550031）

裂隙岩体爆破数值模拟研究

郭伟平，王志伟

（中交一公局贵安综合保税区建设项目部， 贵州贵阳 550031）

摘 要：岩体的裂隙常常会影响爆破效果。为探明竖直裂隙对岩体爆破效果的影响，采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA分别模拟了无裂隙岩体、竖直闭合裂隙岩体（裂隙间距为40，60 cm）、张开度为0.5单元竖直充填裂隙岩体（裂隙间距为40，60 cm），对其有效应力等值线图、有效应力时间历程曲线、损伤范围进行分析。结果表明：相比于完整岩体，无论是闭合裂隙还是充填裂隙，在同时刻的有效应力作用范围均有显著的下降；相对于无裂隙岩体充填裂隙爆破损伤范围减小了40 cm，损伤范围降低了20%；闭合裂隙相对于充填裂隙应力减少的慢些，爆破损伤范围相对无裂隙岩体减小了0～40 cm，损伤范围降低了0%～20%。

关键词：裂隙岩体；数值模拟；ANSYS/LS-DYNA

0 引 言

岩体包含着软弱夹层、断层、裂隙等天然不连续面，这些不连续面的存在严重影响岩体本身的力学性质及其破坏模式。在大型露天剥离、场平工程等众多岩体工程中，爆破方法仍然是岩石破碎的主要方式之一。裂隙的存在使得岩体具有非连续性和显著的各向异性，在爆破施工中会影响整体爆破效果，增加大块率和根底，导致在施工中提高爆破成本［1-3］。为有效降低爆破成本，采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对岩体中竖直裂隙对爆破影响过程进行数值模拟研究，模拟在不同竖直裂隙赋存状态情况下研究分析爆炸应力变化规律及爆破损伤范围变化，为爆破工程提供相应的指导［4-7］。

1 模拟材料及模型参数

结合贵州新联爆破工程集团有限公司的天河潭大道K11+060～K11+550段岩土爆破工程，获取其岩石和裂隙等参数。数值模拟的材料及模型使用单位为kg-m-s，压力单位为Pa。仅模拟单个炮孔爆破，采用不同的裂隙间距及张开充填等进行数值模拟试验。

岩石采用*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_ CONCRETE材料模型，简称为 JHC。相关参数见表1［8］。

采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料对高能炸药进行定义，采用的参数为：密度 850kg/m3，爆速3500m/s，爆压5.5 GPa。

表1　JHC模型参数设定

炸药的状态方程采用*EOS_JWL状态方程（参数见表2），该状态方程公式为：

式中，P为炸药爆炸爆轰气体压力，GPa；A、B、R1、R2、w为由试验确定的炸药相关参数；V0为相对体枳；E为初始比内能（炸药单位体积内能），GPa。

表2　炸药状态方程参数

充填裂隙的介质材料则采用塑性动力学材料模型MAT-PLASTIC-KINEMATIC。充填裂隙介质采用的材料参数见表3。

表3　充填材料参数设定

2 数值模拟模型

模型的具体尺寸如图1所示，孔径0.09m，孔深9m，填塞3m。对模型施加垂直方向位移约束，AB、BC、CD边界施加无反射边界以模拟无限介质。整个模型均采用相同大小的单元划分网格模型。

图1　模型参数及记录单元的位置示意

在其他条件不变，只考虑有无裂隙、裂隙有无充填的情况下，总共建立5种模型（见图2～图4）。

图2　模型1无裂隙离散元模型

图3　模型2（3）间距40 cm闭合（张开充填）裂隙离散元模型

模型1，无裂隙；模型2（3），间距40 cm闭合（张开充填）裂隙离散元模型；模型4（5），间距60 cm闭合（张开充填）裂隙离散元模型，以上裂隙法向均与炮孔轴向垂直。

图4　模型4（5）间距60 cm闭合（张开充填）裂隙离散元模型

3 模拟结果及分析

图5分别是模型1～5在3000 μs时间点的Mises效应力等值线图。

从有效应力云图可宏观上观察到岩体内竖直裂隙对爆破的影响，但是还有必要在具体数据上对比差异。选取不同裂隙条件下，在装药结构正中部设置1条有效应力时间历程记录线，该条线上取5个单元，以记录各单元有效应力的时间历程曲线。各单元从左到右分别为1～5，这5个单元到药包中心线的距离分别为40，80，120，160，200 cm（见图1）。

模型1至模型5在5个单元处的有效应力时间历程曲线和最大有效应力值分别见图6、表4。

表4　各模型记录单元上最大有效应力值　/MPa

图7为表4各模型记录单元上最大有效应力数据曲线，从图表可以看出在相同记录单元处，对于竖直裂隙无论是闭合裂隙还是充填裂隙，其模拟结果相比于无裂隙岩体的模拟结果，最大有效应力值显著降低。

中硬岩石强度检测得出其破碎临界值为30mPa，从表4可看出，无裂隙岩体模拟在200 cm处的应力为30.1mPa，此时岩石能破碎；充填裂隙应力波有衰减，在200 cm处的应力小于30mPa，在160 cm时其强度最小为30.2mPa，岩石能破碎，相对于无裂隙岩体充填裂隙爆破损伤范围减小了40 cm，损伤范围降低了20%；闭合裂隙相对于充填裂隙应力减少的慢些，爆破损伤范围相对无裂隙岩体减小了0～40 cm，损伤范围降低了0%～20%。

图5　5种模型在3000 μs时的有效应力等值线图

图6　有效应力时间历程曲线

图7　各单元最大有效应力曲线

4 结 论

运用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟了无裂隙岩体、闭合裂隙岩体（裂隙间距为 40，60 cm）、张开度为0.5单元的充填裂隙岩体（裂隙间距为40，60 cm）等5个模型。相对于无裂隙岩体，对比分析了不同裂隙情况下的损失范围、有效应力等值图、有效应力时程图。模拟结果的对比分析表明：相比于无裂隙岩体，无论是闭合裂隙还是充填裂隙，在同时刻的有效应力作用范围均有显著的下降，爆破损伤范围也相应减小。数值模拟结果可为爆破设计与现场施工参数调整提供了有效的帮助和指导。

参考文献：

［1]谷德振.岩体工程地质力学［M］.北京：科学出版社，1979.

［2]夏才初，孙宗颀.工程岩体节理力学［M］.上海：同济大学出版社，2002.

［3]余红兵，周建敏，赵明生.结构面对爆破地震波幅频衰减效应影响分析［J］.矿业研究与开发，2015，35（12）：88-92.

［4]杨 军，金乾坤.应力波衰减基础上的岩石爆破损伤模型［J］.爆炸与冲击，2000，20（3）：241-246.

［5]叶海旺，王 进.节理岩体爆破数值模拟［J］.爆破，2009，12 （4）：13-16.

［6]汪 洋，叶海旺，李延真.裂隙岩体爆破数值模拟研究［J］.爆破，2012，29（3）：20-22.

［7]刘红岩，张吉宏.节理岩体爆破破坏过程数值模拟［J］.科技导报，2012，30（36）：52-55.

［8]康 强.裂隙岩体空气间隔装药爆破数值模拟及试验研究［D］.武汉：武汉理工大学，2012.

收稿日期：（2015-12-03）

作者简介：郭伟平（1976-），女，工程师，主要从事爆破工程管理，Email：1214435381@qq.com。