爆破地震引起质点振动的影响因素分析

刘爱平 艾丽华 丁 辉

(江西新余国科科技股份有限公司,江西 新余 338034)



爆破地震引起质点振动的影响因素分析

刘爱平 艾丽华 丁 辉

(江西新余国科科技股份有限公司,江西 新余 338034)

利用LS-DYNA软件，建立了仿真模型，分析了不同装药情况下，距离爆心不同水平距离处的质点振动速度差距和衰减规律，指出在工程实际中应根据具体情况采用不同的装药方式，以达到最优的爆破水平。

爆破施工，质点振动，仿真模型，LS-DYNA

0 引言

爆破地震效应，是指在进行爆破操作时，爆炸冲击波通过水、土石等介质向四周扩散的振动，当振动较强时，会导致周围的建筑物发生显著的不均等位移[1]。随着城市化进程的推进，在旧建筑物破拆、地基开挖和工厂建设等各行各业，爆破工程的应用越来越广泛。早在20世纪60年代，美国科学家Blair和Duvall[2]已经得出了不同介质和建筑物的情况下，质点峰值振速的计算公式，经过多年的发展，研究人员得出了许多的经验公式[3，4]。为了进一步的研究爆轰波的传播过程及机理，随着计算机仿真技术的发展，工程人员逐步引入了数值仿真的方法，使对爆破地震效应的研究更精确高效。本文着重研究了装药方式和布药结构对爆破地震的影响，通过分析爆炸地震波的特征和传播规律，对爆破安全判据的探讨和设计有效的降震措施有重要意义。

1 仿真方法与模型

1.1 仿真软件

爆破地震是一个高度非线性的过程，本文选择ANSYS/LS-DYNA作为仿真软件。LS-DYNA有显式和隐式求解功能，可用于求解高速爆炸、碰撞，结构变形、材料成型等许多问题。经过多年的发展，该求解器已经成为行业内公认的性能优异的分析软件[5]。在引入ANSYS后，LS-DYNA的前处理功能进一步加强，可在ANSYS界面中完成建模、划分网格、定义边界、载荷等多项操作，并形成求解文件递交给DYNA求解器，通过多次计算分析，得出可靠的结果。

LS-DYNA具有拉格朗日、欧拉和任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法，在本文所述的研究中，由于涉及到大变形过程和冲击波的流动过程，因此选用不会引起网格畸变的ALE算法。同时LS-DYNA中提供了多种接触算法，以描述复杂几何体之间的互相作用，结构之间优先选用自动面面(ASTS)接触。

1.2 仿真模型

模型中含有炸药、空气和岩石三种材料，为节省机时，模型内部施加对称边界条件，建立1/4模型进行计算；外部施加非反射边界以防止冲击波在模型内部反射。模型采用Solid164单元，炸药和空气选用多物质ALE算法且共节点建模，岩石采用Lagrange算法，使用流固耦合法将拉氏网格置于流体网络中。单位制为cm-g-μs。所建立的仿真模型如图1所示。

1.3 材料模型

炸药的选用直接影响了爆破效果，工业上一般选用乳化炸药作为主装药。在利用DYNA数值仿真时，通常用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN作为材料模型，对应的以*EOS_JWL作为状态方程。JWL方程能够准确的定义爆炸产生的气体压力、爆容和能量特性，如式(1)所示。

(1)

其中，V=ρ0/ρ;E=ρ0e；P为任意时刻炸药单元的压力值；E为炸药材料的体积内能；A，B，R1，R2，ω均为与炸药形状有关的参数，一般通过圆筒试验获得；ρ0为炸药的初始密度；ρ为爆轰产物的密度。

考虑到岩体受力后变形，采用JHC材料模型和*EOS_GRUNEISEN状态方程(见式2)来描述岩体受到爆轰产物作用的受力分析。

(2)

空气采用*MAT_NULL模型和线性多项式状态方程，线性多项式状态方程压力由式(3)定义。

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E

(3)

乳化炸药、岩石和空气的相关参数如表1所示。

表1 相关材料参数

2 结果及分析

计算完成后，利用LS-PREPOST对结果进行处理，观察在集中装药和分段装药的不同情况下和距离爆心1 m，5 m和10 m时，地表的质点振动速度。两种装药情况的结果对比分别见图2，图3。

通过分析图2,图3可知，在炸药起爆后，爆轰波经过短暂延迟，传播至地表质点处，引起地表质点的剧烈振动。在集中装药的情况下，距爆点水平距离处的质点位移约为21 mm/s，而后能量不断衰减，到0.25 s之后，已基本趋于零位移。在近距离范围内，爆轰波的高频振动比例较高，而在远距离时低频振动较明显。与集中装药相比，分散装药带来的质点振动最大值较小，约为12 mm/s。这说明分散装药会带来明显的减震效果，这与实验观察结果是一致的。

爆轰波在岩石中传播时，引起岩石振动的波分为体波和面波，而体波分为纵波和横波。体波传播时，遇到岩体发生了折射和反射。传播至同样距离时，坚硬的岩石中高频振动波含量较多，而在软岩中，低频波较为丰富，高频部分衰减更快。

理论上当炸药爆轰波阻抗和岩石声阻抗越接近，传入岩体的振动能量越大，工程上为了减轻振动强度，会采用低爆速、低密度的装药，同时可根据需要采用不耦合装药结构，降低爆轰波对岩体壁面的压力，达到控制质点振动的目的。

3 结语

采用数值仿真的方法，通过对两种装药情况下距离爆心不同距离处的质点振动速度的对比分析，得到了质点振动速度的衰减规律，并验证了分散装药有助于减震的结论。在工程实际中，应视具体情况采用不同的装药方式，以达到最优的爆破水平。

[1] 张立国.爆破振动强度预测及其控制的研究[D].北京：北京科技大学,2005.

[2] Devine J F.Effect of Charge Weight on Vibration Levels from Quarry Blasting [J].U.S.Bureau of Mine RI6774,1966(9):623-630.

[3] 龙维棋,傅学升.爆破振速和振动频率的试验研究[J].有色金属,1986,6(3):34-36.

[4] 龙 源,冯长根.爆破地震波在岩石介质中传播特性与数值计算研究[J].工程爆破,2000,6(3):1-7.

[5] Livermore Software Technology Corporation.LS-DYNA Theoretical Manual[M].1998.

Analysis on the influence factors of particle vibration caused by blasting seismic

Liu Aiping Ai Lihua Ding Hui

(JiangxiXinyuGuokeTechnologiesLimitedCompanybyShare,Xinyu338034,China)

Using LS-DYNA software, this paper established the simulation model, analyzed the particle vibration velocity difference and attenuation law under different charge conditions, different horizontal distances between the explosion center, pointed out that should use different charge ways according to specific conditions in engineering practice, in order to achieve the optimal blasting level.

blasting construction, particle vibration, simulation model, LS-DYNA

1009-6825(2017)09-0098-02

2017-01-13

刘爱平(1971- ),男,工程师

TU311

A