郭冠潭GUO Guan-tan
(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司國(guó)際事業(yè)部,廣州 511458)
迄今為止,鉆爆法仍然是巖石隧道與地下工程施工過(guò)程中應(yīng)用最為廣泛的方法之一。隧道爆破施工過(guò)程中,只有20~30%的爆炸能量用于破碎巖石,其余的能量往往消耗于振動(dòng)、圍巖損傷、巖石拋出等[1]。其中,鉆爆施工引起的圍巖損傷在巖石地下工程施工過(guò)程中備受關(guān)注[2,3]。
為了提高爆破施工效率和炸藥能量利用率,有效控制爆炸荷載作用下圍巖損傷,諸多學(xué)者針對(duì)裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為深入的研究。譚元軍等[4]基于空氣不耦合裝藥的爆破特點(diǎn),研究了空氣間隔徑向不耦合裝藥條件下巖石破碎機(jī)理。潘強(qiáng)等[2]基于彈性力學(xué)與巖體爆炸力學(xué)理論,研究了單孔爆破下巖石損傷的分布特征。采用動(dòng)力分析軟件lsdyna,李允忠等[5]數(shù)值研究了循環(huán)爆破載荷下巖石的累積損傷演化機(jī)理與分布規(guī)律。洪志先等[6]建立了不同初始應(yīng)力條件下的單孔不耦合裝藥數(shù)值模型,研究得到了考慮側(cè)壓力系數(shù)和不耦合系數(shù)時(shí)的巖體破壞形態(tài)。
以上研究主要集中在同心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)條件下的巖石損傷,而在實(shí)際工程尤其是預(yù)裂爆破工程中,往往采用偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)[7,8]。李新平等[8]采用數(shù)值模擬的方法,研究了非對(duì)稱不耦合裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)裂爆破效果的影響。張志呈等[9]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究了偏心不耦合裝藥條件下巖石的宏細(xì)觀損傷規(guī)律。采用同一不耦合系數(shù),宗琦等[10]數(shù)值研究了偏心不耦合和同心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)條件下的巖石損傷和孔壁壓力分布特征。
然而,偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)分為觸壁偏心和非觸壁偏心兩種結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示。當(dāng)非觸壁偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中藥卷圓心和炮孔圓心重合時(shí),即為同心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)。鑒于此,本文采用Ansys/ls-dyna有限元軟件,分別建立觸壁偏心和非觸壁偏心不耦合裝藥的三維數(shù)值模型,研究偏心不耦合系數(shù)對(duì)爆炸荷載作用下巖石損傷的影響規(guī)律,以期為偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化提供技術(shù)支撐。
圖1偏心不耦合裝藥
有限元模型示意圖如圖2所示。計(jì)算模型從上往下依次取A、B、C、D、E五個(gè)觀測(cè)層,模型共劃分1138480個(gè)單元。通過(guò)初始體積分?jǐn)?shù)法填充炸藥,根據(jù)不耦合系數(shù),共建立五個(gè)模型,除炮孔尺寸和起爆位置外其余各項(xiàng)均相同。
計(jì)算模型由8個(gè)部分組成,各組成部件及編號(hào)有石灰?guī)r(part1-part6)、空氣層部件(part7)、炸藥部件(part8),其中part8需要通過(guò)初始體積分?jǐn)?shù)法在k文件中進(jìn)行修改。
圖2計(jì)算模型(單位:cm)
巖石采用HJC本構(gòu)模型,參數(shù)如表1所示。炸藥采用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN(MAT_8)材料模型和JWL狀態(tài)方程來(lái)描述,即
表1 HJC模型參數(shù)(石灰?guī)r)
式中:P為壓力,A、B、R1、R2和ω為常數(shù),V和U0為相對(duì)體積和單位體積內(nèi)能,模型參數(shù)見表2。
空氣采用*MAT_NULL(MAT_9)材料模型和*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL狀態(tài)方程來(lái)描述,即
式中:μ=ρ/(ρ0-1),其中,ρ為空氣密度,ρ0為空氣初始密度;U為單位體積內(nèi)能;C1~C6為狀態(tài)方程參數(shù),模型參數(shù)見表3。
表2炸藥材料參數(shù)
表3空氣材料參數(shù)
藥卷位于炮孔一側(cè)并于炮孔壁接觸,保持藥卷直徑不變(3cm),研究徑向不耦合系數(shù)分別為1.33、1.67、2.0、2.33和2.67時(shí)爆炸荷載作用下巖石損傷效應(yīng),具體計(jì)算方案如表4所示。
表4計(jì)算方案
圖3不同耦合系數(shù)下CC′截面損傷
2.1.1 巖石損傷
圖3和圖4分別給出了不同耦合系數(shù)時(shí)CC'截面和軸向剖面巖石損傷特征。由圖可知,不同耦合系數(shù)下巖石中均形成了以炮孔為中心的壓碎區(qū)和裂隙區(qū)。爆炸荷載作用下,當(dāng)爆炸荷載峰值超過(guò)巖石壓縮強(qiáng)度時(shí),炮孔周圍巖石首先破碎,且靠近裝藥側(cè)巖石破碎區(qū)域較為明顯。隨著爆炸能量的耗散,遠(yuǎn)處巖石出現(xiàn)裂紋。而隨裝藥不耦合系數(shù)的逐漸增加,巖石破碎區(qū)范圍呈逐漸減小趨勢(shì)。
圖5給出了觸壁偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)條件下計(jì)算得到巖石破碎和裂隙區(qū)域。由圖可知,隨不耦合系數(shù)的增加,巖石破碎區(qū)半徑呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。不耦合系數(shù)為1.33時(shí),巖石破碎區(qū)半徑為10.0cm;不耦合系數(shù)為2.67時(shí),巖石破碎區(qū)半徑為6.9cm。
隨裝藥不耦合系數(shù)的增加,巖石裂隙區(qū)半徑呈先增大后減小的趨勢(shì)。不耦合系數(shù)為1.33時(shí),巖石裂隙區(qū)半徑為16.9cm,約為裝藥半徑的11.3倍;不耦合系數(shù)為1.33時(shí),巖石破碎區(qū)半徑最大,約為裝藥半徑的11.5倍。
圖4不同耦合系數(shù)下軸向剖面損傷圖
圖5巖石破碎和裂隙區(qū)范圍
2.1.2 孔壁壓力
同心不耦合裝藥爆破時(shí),不耦合系數(shù)為炮孔半徑與藥包半徑之比。在非同心不耦合裝藥爆破,可將偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)中炮孔孔壁上任一點(diǎn)到藥包中心的距離與藥包半徑之比定義為等效不耦合系數(shù)km。當(dāng)炸藥臨界壓力Pk≥280MPa時(shí),偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)條件下炸藥起爆后作用在孔壁上的初始?jí)毫捎上率接?jì)算得到[11]。
式中,P是作用炮眼孔壁上的初始沖擊壓力,ρ為炸藥密度;D為炸藥爆速。
理論計(jì)算得到n4方案測(cè)點(diǎn)1孔壁壓力峰值為14.04GPa,數(shù)值模擬得到的n1-n5方案測(cè)點(diǎn)1的孔壁壓力峰 值 分 別 為16.02GPa、14.46GPa、13.54GPa、12.22GPa和10.10GPa。為進(jìn)一步說(shuō)明不耦合系數(shù)變化時(shí)各測(cè)點(diǎn)孔壁壓力的變化趨勢(shì),圖7給出了圖6中CC'截面無(wú)量綱化后的5個(gè)測(cè)點(diǎn)的孔壁壓力,其中n4理論值代表計(jì)算方案n4對(duì)應(yīng)的孔壁壓力理論值,n1~n5為數(shù)值計(jì)算得到的測(cè)點(diǎn)孔壁壓力。
由圖7可知,n4孔壁壓力理論值與數(shù)值模擬得到的孔壁壓力變化趨勢(shì)基本一致,說(shuō)明了本文所建數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果的可靠性。5種計(jì)算方案計(jì)算所得結(jié)果中測(cè)點(diǎn)1的孔壁壓力最大;數(shù)值模擬得到的孔壁壓力峰值從測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)5總體上呈下降趨勢(shì)。對(duì)于同一裝藥半徑,裝藥不耦合系數(shù)對(duì)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的孔壁壓力影響較大,不耦合系數(shù)變化時(shí)同一測(cè)點(diǎn)孔壁壓力峰值在不耦合側(cè)波動(dòng)明顯。
為研究偏心不耦合裝藥條件下藥包與炮孔壁不同距離時(shí)巖石損傷效果,選取表4中n2工況,并根據(jù)藥包中心與炮孔中心的距離變化建立計(jì)算模型,具體計(jì)算方案如表5所示。
圖6孔壁壓力測(cè)點(diǎn)
圖7孔壁壓力
表5計(jì)算方案
令藥包中心與炮孔中心距離為d,圖8和圖9分別給出了非觸壁偏心不耦合條件下CC'截面和軸向剖面巖石損傷特征。由圖可知,不同耦合系數(shù)下巖石中均形成了以炮孔為中心的壓碎區(qū)和裂隙區(qū),裝藥側(cè)巖石破碎區(qū)域較為明顯。
圖8 CC′截面巖石損傷
圖10給出了非觸壁偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)條件下不同d值時(shí)計(jì)算得到巖石破碎和裂隙區(qū)域。由圖可知,藥包中心與炮孔中心距離d的增加,巖石破碎區(qū)和裂隙區(qū)半徑均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。巖石破碎區(qū)半徑介于7.2~7.7cm之間,約為裝藥半徑的2.4~2.6倍;巖石裂隙區(qū)半徑介于16.1~17.9cm之間,約為裝藥半徑的5.3~6.0倍。
圖9軸向剖面巖石損傷
圖10巖石破碎和裂隙區(qū)范圍
本文采用Ansys/ls-dyna有限元軟件,建立了觸壁偏心和非觸壁偏心不耦合裝藥的三維數(shù)值模型,研究了偏心不耦合系數(shù)對(duì)爆炸荷載作用下巖石損傷的影響,主要結(jié)論如下:
①靠近裝藥側(cè)巖石破碎區(qū)域較為明顯。觸壁偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)條件下,巖石破碎區(qū)半徑隨不耦合系數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。隨裝藥不耦合系數(shù)的增加,巖石裂隙區(qū)半徑呈先增大后減小的趨勢(shì)。
②裝藥不耦合系數(shù)對(duì)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的孔壁壓力有著重要影響,距藥卷最近的測(cè)點(diǎn)孔壁壓力峰值最大。
③非觸壁偏心不耦合裝藥結(jié)構(gòu)條件下,隨藥包中心與炮孔中心距離的增加,巖石破碎區(qū)和裂隙區(qū)半徑均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。