基于ANSYS/LS-DYNA的聚能爆破数值模拟分析

林金山,张 翔

(中交一公局第四工程有限公司,广西 南宁 530033)

0 引言

近年来,随着交通强国重大战略决策的实施,高速公路、铁路迅速发展,相应的隧道工程也呈现井喷式发展趋势,但工程建设中的难题也随之产生。对于隧道工程建设而言,由传统爆破引起的超挖现象难以避免,增加了时间成本和经济成本[1],随着对爆破要求的提高,传统爆破已无法满足需要。因此,在爆破过程中为满足岩体定向断裂的需要[2],国内专家学者在控制爆炸能量方面进行了探索研究,并提出了聚能爆破技术[3-4]。杨国梁等[5]根据切缝药包对爆炸能量的导向作用,将切缝药包运用到掏槽爆破中,证明了聚能爆破的可行性。陈寿峰等[6]分析了聚能爆破破岩机理,得出了聚能爆破参数对爆破效果的影响规律。

本文基于ANSYS/LS-DYNA软件对传统爆破和聚能爆破全过程进行了模拟分析,对比了两种爆破方式下的破岩效果以及岩石振速峰值,证明了聚能爆破对控制超挖现象以及维护围岩稳定有着显著效果。

1 聚能爆破的作用

1.1 聚能爆破机理

切缝管聚能爆破机理是在炸药爆炸时,由于切缝聚能管对爆炸能量的约束,导致在切缝方向形成聚能射流并作用于炮孔孔壁而产生初始裂缝,在聚能方向产生集中拉应力,再加上高温气体的膨胀作用和“气刃”效果使聚能射流能够沿着裂缝喷射,使得裂缝进一步扩展,而在非聚能方向对炮孔孔壁产生均匀压应力,如图1所示。根据聚能方向沿周边眼轮廓线布置聚能炮孔,炮孔同时起爆,炮孔间产生叠加应力场,岩石受到拉应力而破坏并产生贯穿裂缝,而在非聚能方向由于爆炸能量受到约束,岩石破坏程度较低。

图1 聚能爆破机理示意图

1.2 两种爆破方式的破岩效果对比

通过两种模型的爆破效果对比可以发现,当两种模型药量相同时,传统模型中的裂隙沿炮孔径向无规则扩展,而聚能模型中由于切缝聚能管的聚能效果,裂隙只沿聚能方向进行扩展,这表明聚能爆破能够起到控制岩石定向断裂的作用,对控制超欠挖现象具有显著效果,如图2所示。

(a)传统爆破

2 超欠挖情况对比分析

2.1 模型的建立

使用ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件建立三维传统爆破模型和聚能爆破模型,两种模型均由岩石、空气、炸药和炮泥组成,其中聚能模型还包括切缝聚能管。两种模型均采用solid164实体单元进行划分网格,岩石和切缝聚能管使用Lagrange单元,炸药、空气和炮泥使用Euler单元,岩石、切缝聚能管与炸药、空气和土之间定义流固耦合来模拟爆炸过程。模型的上下边界以及左右边界设置透射边界条件。

模型整体如下页图3所示。模型单位制采用cm-g-μs,两种模型尺寸均为1 500 cm×300 cm×850 cm。模型掌子面均设置12个掏槽眼、45个辅助眼、15个底板眼和43个周边眼,炮孔直径为4.2 cm,炮孔长度为140 cm。炮泥长度为40 cm,炸药长度为100 cm,炸药直径为3.2 cm。切缝管长度与炸药长度一致,切缝管厚度为3 mm,切缝宽度为5 mm。

图3 爆破模型示意图

本次数值模拟中岩石模型采用能够很好地反映岩石动态力学特性的HJC本模型,关键字对应在ANSYS/LS-DYNA中选择MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CERAMICS。岩石材料的物理力学参数见表1。

表1 岩石材料物理力学参数表

炸药模型关键字对应在ANSYS/LS-DYNA中选择MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN,选择状态方程EOS_JWL来模拟爆炸过程。炸药的性能参数主要为:密度ρ=1.52 g·cm-3,爆速D=0.67 cm·μs-1,爆压PCJ=9.53 GPa。其状态方程参数见表2。

表2 乳化炸药状态方程参数表

切缝聚能管模型关键字为MAT_JOHSON_COOK,其材料参数见表3。

表3 切缝聚能管材料参数表

2.2 数值模拟分析

2.2.1 岩石单元应力对比分析

为分析两种模型周边眼炮孔爆轰应力的传播特征,在两种模型的相同位置选取两个岩石单元。岩石单元选取位置如图4所示,其中1号岩石单元位于两周边眼炮孔连线中心处,2号岩石单元位于周边眼炮孔垂直径向,距炮孔中心距离与1号岩石单元距炮孔中心距离相等。

图4 应力岩石单元选取示意图

当炸药起爆后,爆轰应力波开始从爆炸中心向四周传递。利用LS-PREPOST处理软件对岩石单元应力随时间的变化情况进行监测并得到岩石单元的应力-时间曲线,根据曲线图可以看到两种模型爆轰应力的传递特征,如图5所示。

图5 各岩石单元应力时间曲线图

从图5中可以看出,聚能爆破1号单元的应力峰值为876.3 MPa,聚能爆破2号单元的应力峰值为421.6 MPa,1号单元的应力峰值约为2号单元的2.1倍。分析其原因:(1)由于切缝聚能管限制了非聚能方向爆轰能量的传递,导致更多的爆轰能量从切缝口释放;(2)1号单元位于两周边眼炮孔之间,考虑到应力叠加作用,使得1号单元应力峰值较大。

传统爆破1号单元应力峰值为647.8 MPa,传统爆破2号单元应力峰值为544.7 MPa,1号单元的应力峰值约为2号单元的1.2倍。这表明传统爆破爆轰能量沿四周均匀传递,由于不存在切缝聚能管的约束作用,爆轰应力在炮孔连线处的叠加效果较弱,所以传统爆破1号单元应力峰值小于聚能爆破1号单元应力峰值。

2.2.2 破岩效果分析

如图6所示,传统爆破周边眼的爆炸能量传递较均匀,在轮廓线附近所形成的岩石粉碎区和裂隙区也较大,超挖现象较严重。而聚能爆破模型周边眼炮孔内存在切缝聚能管,使得爆炸能量主要沿着聚能管切口方向传递,其岩石粉碎区主要出现在周边眼轮廓线上,而在非聚能方向上岩石粉碎区很小,超挖现象并不明显。

(a)传统爆破

对两种模型的43个周边眼超挖情况进行统计,将各个周边眼炮孔中心处法线方向上超过轮廓线的岩石破碎区长度作为超挖距离,将周边眼从左至右依次进行编号,统计结果如图7所示。

图7 两种模型的超挖情况对比曲线图

从图7可以看到,在建模方式以及炸药量均相同的情况下,聚能爆破模型超挖距离整体小于传统爆破模型的超挖距离,大致为传统爆破模型超挖距离的一半。这进一步说明,在隧道施工过程中,对周边眼使用聚能爆破能有效降低超挖现象,进而降低超挖回填的时间成本和经济成本,对优化隧道施工具有重要意义。

2.2.3 岩石单元振速对比分析

为分析两种模型周边眼外部岩石单元振速的变化情况,在两种模型的相同位置沿周边眼炮孔径向等间距选取五个岩石单元。岩石单元选取位置如图8所示。

图8 振速岩石单元选取位置示意图

通过LS-PREPOST处理软件对岩石单元爆破振动速度峰值进行监测,将两种模型下五个岩石单元振速监测结果进行统计,如图9所示。

图9 各岩石单元振速峰值曲线图

从图9中可以看到,两种爆破方式下,岩石单元振速均随着爆心距的增大而减小。另外,聚能爆破岩石单元振速峰值小于传统爆破,这也验证了聚能爆破的爆轰能量在非聚能方向上传递较少,说明聚能爆破对围岩的扰动较小,对保证围岩稳定具有重要作用。在隧道开挖过程中,使用聚能爆破还能够降低对邻近建筑物的影响,保证了邻近建筑物的安全与稳定。

3 结语

(1)相较于传统爆破,聚能爆破周边眼炮孔连线中心处岩石应力叠加效果更明显,在非聚能方向上,爆轰能量传递较少,导致岩石应力峰值小于传统爆破。

(2)相较于传统爆破,聚能爆破爆炸能量主要沿着聚能管切口方向传递,其岩石粉碎区主要出现在周边眼轮廓线附近,在非聚能方向上岩石粉碎区很小,超挖深度约为传统爆破的50%,对控制隧道超挖有着显著效果。

(3)聚能爆破岩石振速峰值小于传统爆破,对围岩稳定性具有促进作用,能够降低对邻近建筑物的影响,保证邻近建筑物的安全与稳定。