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        不同高程條件下減震溝減震效果模擬*

        2016-05-12 01:22:28王亮亮徐金輝吳賢振
        現(xiàn)代礦業(yè) 2016年3期
        關(guān)鍵詞:高差炸藥高程

        王亮亮 徐 輝 徐金輝 高 祥 吳賢振

        (江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

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        不同高程條件下減震溝減震效果模擬*

        王亮亮徐輝徐金輝高祥吳賢振

        (江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

        摘要基于LS-DYNA 有限元程序,模擬了不同高程條件下減震溝的減震效果。通過數(shù)值模擬,比較有無減震溝時(shí)峰值振速以及振速衰減規(guī)律,分析了不同高差減震溝的減震效果。結(jié)果表明:①高程對振速有一定的影響,正高差對振速具有放大效應(yīng),負(fù)高差對振速具有減小效應(yīng);②不同高程條件下,減震溝的減震效果不一致,在正高差條件下的減震效果更為明顯。

        關(guān)鍵詞高程減震溝減震效果LS-DYNA振速

        炸藥在巖土等介質(zhì)中爆炸時(shí)必然有一部分能量轉(zhuǎn)換為地震波,并從爆源向周圍介質(zhì)迅速傳播。在一定范圍內(nèi),可能給附近非爆破目標(biāo)的建(構(gòu))筑物造成不同程度的破壞。針對爆破震動的特點(diǎn)及規(guī)律,相關(guān)學(xué)者相繼提出了多種措施來控制和降低爆破引起的震動,其中開挖減震溝作為一種行之有效的方法,在控制爆破震動時(shí)被廣泛采用[1-4]。對此,梁開水等[5]利用LS-DYNA軟件模擬了不同位置、寬度、深度的減震溝的減震效果;王晨龍等[6]對減震溝的尺寸進(jìn)行了研究,得出減震溝的合理長度約為炮孔覆蓋區(qū)域長度的2.5倍;顧宏偉等[7]對2道減震溝的隔震效果進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明,在開挖量一致的前提下,2道減震溝的隔震效果優(yōu)于單道減震溝;郭濤等[8]對3類不同位置的減震溝進(jìn)行了數(shù)值模擬,探討了減震規(guī)律。由上述研究成果可知,現(xiàn)階段主要是對同一水平條件的減震溝降震進(jìn)行研究,忽略了高程因素的影響。為此,本研究利用動力有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對不同高程條件下減震溝的減震效果進(jìn)行模擬分析。

        1實(shí)體材料物理力學(xué)屬性及模型

        1.1巖石材料及模型

        由爆炸沖擊力學(xué)原理可知,在爆炸沖擊波的作用下,巖石靠近爆源的部分將發(fā)生塑性變形,遠(yuǎn)離爆源的部分發(fā)生彈性變形,故將巖體材料的本構(gòu)特征簡化為彈塑性模型。由于所研究的地質(zhì)條件主要為花崗巖,且在模型構(gòu)建過程中需通過一些巖石的物理力學(xué)參數(shù)描述模型中材料性質(zhì),故需按實(shí)際需要對巖石密度、單軸壓縮、泊松比、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測定及計(jì)算[9],結(jié)果見表1。

        表1 花崗巖主要物理力學(xué)參數(shù)

        1.2炸藥材料及炸藥模型

        選用2#乳化炸藥,采用MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN模型進(jìn)行分析。采用JWL方程[10]描述炸藥狀態(tài)。炸藥主要參數(shù)見表2。

        表2 炸藥主要參數(shù)

        2模擬分析

        2.1有限元模型構(gòu)建

        LS-DYNA程序具有拉格朗日(Lagrange)、歐拉(Euler)和任意拉格朗日歐拉(ALE)等3種算法。Lagrange算法由于在計(jì)算過程中,可較準(zhǔn)確地確定各材料物質(zhì)的邊界,故被稱為物質(zhì)描述;Euler算法在計(jì)算求解過程中,僅材料物質(zhì)在網(wǎng)格中運(yùn)動,而計(jì)算網(wǎng)格的空間相對位置固定不變,故被稱為空間描述。Lagrange、Euler算法網(wǎng)格的不同主要表現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動行為方面:①Euler網(wǎng)格,材料物質(zhì)的節(jié)點(diǎn)在計(jì)算過程中位置不斷變化而其節(jié)點(diǎn)的Euler 坐標(biāo)固定不變,而且該算法會導(dǎo)致邊界節(jié)點(diǎn)未必與邊界保持重合,所以在邊界條件的設(shè)定過程中須預(yù)先在邊界上非節(jié)點(diǎn)的位置添加約束,如此增加了多維問題的處理難度;②Lagrange網(wǎng)格,僅材料節(jié)點(diǎn)的Lagrange坐標(biāo)是固定不變的,在求解變化過程中,邊界節(jié)點(diǎn)始終保持在邊界上,且網(wǎng)格單元的變形與材料的運(yùn)動保持一致,為此,該算法可最大限度地節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

        由于ALE算法優(yōu)點(diǎn)較突出,故利用 LS-DYNA程序進(jìn)行計(jì)算時(shí)常使用該算法描述流體運(yùn)動。LS-DYNA程序以ALE坐標(biāo)系為基準(zhǔn),雖然可簡單地描述邊界運(yùn)動,但由于參考域、計(jì)算域可任意形式運(yùn)動,在數(shù)值計(jì)算中又需確定網(wǎng)格位置,可見該算法較耗費(fèi)計(jì)算機(jī)內(nèi)存及計(jì)算時(shí)間。為較準(zhǔn)確地捕捉到材料網(wǎng)格的確定位置,LS-DYNA程序提供了等參算法、簡單平均算法、體積加權(quán)算法等方法。為確保計(jì)算準(zhǔn)確并盡量節(jié)省時(shí)間,本研究對于巖石采用Lagrange算法,對炸藥采用ALE算法。

        在非線性動態(tài)三維有限元LS-DYNA程序中,由炸藥、巖石組成材料模型,采用Euler網(wǎng)格建模,炸藥和巖石間采用耦合算法,數(shù)值模型采用m-kg-s單位制。根據(jù)需求建立礦區(qū)模型,該模型長130 m,左側(cè)高20 m,高程10 m,右側(cè)高30 m,寬20 m。由于六面體單元網(wǎng)格計(jì)算較準(zhǔn)確,故將該實(shí)體模型劃分為六面體單元[11]。本研究共分4種工況:①工況1,在無減震溝的情況下,炸藥在低處爆炸,如圖1(a)所示;②工況2,在無減震溝的情況下,炸藥在高處爆炸,如圖1(b)所示;③工況3,炸藥在低處爆炸,在距爆心10 m 處,開挖1個(gè)2 m×10 m×8 m的減震溝,如圖1(c)所示;④工況4,炸藥在高處爆炸,在距爆心10 m處,開挖1個(gè)2 m×10 m×8 m的減震溝,如圖1(d)所示。

        圖1 工 況

        2.2模擬結(jié)果

        為對比分析減震溝的減震效果,首先模擬了無減震溝情況下爆破地震波的衰減規(guī)律(圖2),計(jì)算模型如圖1(a)所示,模型左右邊界和底部邊界取無反射邊界,外部邊界施加對稱邊界條件。 由圖2可知:無減震溝時(shí)地表質(zhì)點(diǎn)峰值振速隨爆心距的增加而逐漸減少,在距爆心60~70 m處,工況1條件下的峰值振速逐漸增加,在70 m后逐漸減小,工況2條件下的峰值振速迅速降低,工況2條件下的峰值振速稍低于工況1,說明高程對振速有一定的影響,正高差對振速具有放大效應(yīng),負(fù)高差對振速具有減小效應(yīng)。

        圖2 無減震溝時(shí)峰值振速分布

        工況3的模擬分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:在減震溝的作用下,峰值振速明顯降低,但降低的速率不一致,在距爆心25~60 m處,工況1振速降低速率明顯較工況3明顯;在距爆心60~70 m處,振速均有所提高,但工況3振速升高的速率卻低于工況1。

        圖3 低處爆破時(shí)2種工況條件下峰值振速

        工況4的模擬分析結(jié)果見圖4。 由圖4可知:在減震溝作用下,峰值振速明顯降低,在距爆心25~60 m處,工況2振速降低幅度大于工況4;在距爆心60~70 m處,2種工況振速降低的幅度小于距爆心25~60m處,但振速降低速率卻高于距爆心25~60 m 處;在距爆心60~70 m處,相對于工況4,工況2振速降低較多,降低的速率也較工況4高。

        由圖3、圖4可知:在正高差條件下,在距爆心60~70m處,有減震溝時(shí),振速速率變化較慢,振速降低幅度大,減震效果明顯;在負(fù)高差條件下,在距爆心60~70m處,有減震溝時(shí)振

        圖4 高處爆破時(shí)2種工況條件下震速峰值

        速速率變化較無減震溝時(shí)慢,振速降低幅度小,減震效果相對不明顯。

        3結(jié)語

        基于LS-DYNA有限元程序,詳細(xì)分析了不同高差條件下減震溝的減震效果,對于優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

        參考文獻(xiàn)

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        [4]劉維柱,方向,高振儒.田灣核電站負(fù)挖爆破地震波衰減參數(shù)的回歸與分析[J].爆破,2003,20(2):72-74.

        [5]梁開水,陳天珠,易長平.減震溝減震效果的數(shù)值模擬研究[J].爆破,2006,23(3):18-21.

        [6]王晨龍,張世平,張昌鎖.邊坡爆破開挖中減震溝合理尺寸的確定[J].爆破,2013,30(1):50-53.

        [7]顧宏偉,趙燕明,李秀地.兩道減震溝隔震效果的數(shù)值模擬研究[J].爆破,2007,24(1):21-25.

        [8]郭濤,高振儒,范磊,等.不同位置條件下減震溝減震效應(yīng)的數(shù)值模擬[J].爆破器材,2010,39(2):7-9.

        [9]薛守義.彈塑性力學(xué)[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2005.

        [10]石少卿,康建功,江敏,等.LS-DYNA在爆炸與沖擊領(lǐng)域內(nèi)的工程應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

        [11]張智超,陳育民,劉漢龍.微差爆破模擬天然地震的數(shù)值分析與效果評價(jià)[J].巖土力學(xué),2013(1):265-274.

        (收稿日期2015-12-25)

        *江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)(編號:YC2014-S352)。

        王亮亮(1990—),男,碩士研究生,341000 江西省贛州市章貢區(qū)客家大道156號。

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