沟槽宽度对爆破振动衰减影响的有限元分析

黄启舒　孟庆生

摘 要：爆破振动对爆孔周边岩土体和附近结构物产生影响，沟槽是一种减少爆破地震波危害的方法之一。本文采用Midas GTS软件，研究沟槽宽度对爆破振动衰减的影响。研究结果表明，减震沟对于爆破引起的地震波有较好的隔离减震效果，但不同宽度的减震沟减震效果差距不大。

关键词：孔桩爆破;数值模拟;减震沟;Midas GTS

中图分类号：U617.9            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）05-0038-03

1 前言

随着中国中西部地区基础工程的建设，爆破工程在各类工程建设中得到了广泛的应用，同时对爆破现场周边结构物也造成破坏，因此如何控制好爆破振动是采用爆破前需要考虑的问题。

作为一种有效的控制爆破振动的方法，减震沟在实际工程中得到了大量的应用。其作用机理主要是对爆破地震波的传播进行阻隔和干扰，爆破引起的地震波通过减震沟时发生反射、绕射，导致了爆破地震波的快速衰减，从而使其强度得以降低。为了更好的指导实际工程，有必要对减震沟对爆破振动衰弱的影响进行研究。

基于此，本文利用Midas GTS软件，采取数值模拟方法，重点研究沟槽宽度对爆破振动衰减的影响，以此力争为类似爆破工程的设计和施工提供理论依据和技术参考。

2 模型建立

2.1 基本假设

（1）地面为岩石，且地表材料为岩性单一的岩体。

（2）爆破孔周围岩体为连续、均质、各向同性的弹塑性材料，遵循摩尔库伦屈服准则。

（3）建立本模型的目的是为了分析沟应用。爆破振动问题作为爆破带来的主要槽的各项参数对爆破振动的衰减影响，为避免地表对分析结果的影响，模型所选取的平面是平坦地表。

2.2 模型概况

假定地面为单一岩层，地层岩性为灰岩，岩质较硬，岩体较完整。标准模型中所取地形为一个长方体，其长度为300m，宽度为300m，高度为150m。左边的立方体凹槽为等效出来的爆破孔，X向长度为6m，Y向长度为8m，高度为10m。右面的沟槽为本课题研究的对象减震沟，X向宽度为2m，Y向长度为20m，深度为2m，爆破孔与减震沟相距10m。

2.3 测点选取

为分析节点振速与到爆源距离的关系，以2m为间距在沟槽顶面中垂线上自距炮孔1m处开始依次选取12个节点，分别分布在沟槽两侧。

2.4 围岩材料计算参数选取

本文在数值模拟中对岩体材料采用Mohr—Coulomb本构模型，具体的岩体参数属性如表1所示。

2.5 特征值分析

通常对模型的进行动力分析之前，需要对静态模型进行相应的特征值分析。由静态模型的分析结果得到的振型周期如表2所示。

2.6 爆破荷载的施加

本项目进行数值模拟分析时，假定爆破所采用的炸药具体参数见表3。

在本文分析的问题中，对爆破问题进行数值模拟分析最为关键的一环就是如何在模型中施加合适的爆破荷载。因为相对于总体模型的庞大尺寸而言，炮孔模型的尺寸太小，在前期建立模型时很难表现出来，并使得爆破孔网格尺寸的划分存在极大的障碍，所以，对爆破荷载的施加方法不能直接在模型上体现出来。对本项目采用的合理等效方法为爆破荷载直接以更为方便的形式施加在爆破孔孔壁上。

在模型中加入合适的爆破荷载是爆破振动数值模拟中最重要的步骤。一般来说，在爆破孔壁上施加爆炸荷载是很有效的，但与整个模型相比，枪的直径很小。该单元已建成，微孔的存在使网格的网格化变得非常困难。因此，应采用合理的等效方法来实现爆破荷载的施加方法。本工程采用的合理等效方法是将等效爆破荷载直接应用于爆破孔壁。

炸药爆炸对孔壁施加的平均炮轰压力可由如下公式（1）计算出：

（1）式中：

—爆炸产生的平均压力（Pa）;

—炸药密度（）;

—炸药产生的爆炸速度（m/s）;

—炸药等熵系数（m/s）。

炸药爆炸后，单个炮孔爆炸对炮孔壁施加的峰值压力可由如下公式（2）计算出：

（2）式中：

—装药径向不耦合系数，;

、—炮孔直径和药包直径（mm）;

、—炮孔长度和药包长度（mm）;

—装药轴向不耦合系数，;

—爆炸产物膨胀碰撞炮孔壁时的压力增大系数，一般取10。

爆破荷载可由以下公式（3）计算出：

（3）式中：—炮孔半径，（mm）;

—粉碎区半径（mm）;

—破碎区半径（mm）;

—岩体的动泊松比。

本项目孔桩爆破振动分析取，。

假设爆破时炸药产生的荷载以均布力的形式垂直作用在爆破孔孔壁上，其时程曲线如下圖1所示。

3模型计算结果分析

为了分析沟槽宽度对爆破产生的地震波的减震效果，建立不同的模型进行分析，模拟的沟槽宽度分别为2m、4m、6m。

为研究沟槽宽度对爆破震动的衰减影响，本项目选取震动速度作为指标进行各模型的效果对比。将有限元计算得到的数据用Origin9.0软件处理后如图2，3，4 所示。

4 结论

（1）沟槽其靠近爆破源的一侧地表的振速会被放大。

（2）减震沟对于爆破引起的地震波有较好的隔离减震效果，但不同宽度的减震沟减震效果差距不大，因此实际施工中可以使用较窄的减震沟。

（3）模型沟槽左侧（靠近爆破孔一侧）地表测点的峰值总振和峰值水平振速随沟槽宽度的增加而增大，沟槽右侧（远离爆破孔一侧）地表的峰值总振速和峰值水平振速随着沟槽宽度的增大而减小。

（4）随着沟槽宽度的增加，模型沟槽左侧（靠近爆破孔一侧）和沟槽右侧（远离爆破孔一侧）地表测点的峰值竖向振速均增大。

（5）随着沟槽宽度的增加，模型沟槽对地表测点峰值总振速和峰值水平振速通的衰减作用逐渐增大，而沟槽对地表测点峰值竖向振速通的衰减作用先增大后减小。

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