爆破应力波对有节理裂隙围岩的影响研究

2022-03-06 08:17:54 | 浏览次数：

摘要：在岩石隧道的施工中，爆破施工是一种常用的方法。隧道围岩中存在的节理裂隙很大程度上影响着爆炸应力波的传播。文章利用LS-DYNA有限元分析软件，通过三维数值模模拟，分别从振速、能量和强度等方面研究节理对爆破应力波传播的影响。

Abstract： In the construction of rock tunnels， blasting is a common method. The joint fissures in the surrounding rock of the tunnel affect the propagation of the explosive stress wave to a great extent. In this paper， LS-DYNA finite element analysis software is used to simulate the influence of joints on the propagation of blasting stress wave from the aspects of vibration velocity， energy and intensity.

关键词：节理裂隙；应力波；爆破；数值模拟

Key words： joint fissure；stress wave；blasting； numerical simulation

中图分类号：U455.6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）23-0124-02

0 引言

随着我国交通事业的大力发展，高速公路四通八达，岩体隧道越来越多，然而由于岩体强度高，开挖困难大，因此常常采用爆破的方法。岩体并非均体，而是夹杂着节理裂隙的存在，这在一定程度上会造成爆炸应力波的传播，进而影响爆破的效果。

目前，节理裂隙对应力波传播的影响问题，众多学者采用理论模型、数值模拟、现场试验等不同的方法进行了深入的研究。郭文章，王树仁[1]建立了节理岩体的质量综合评价指标体系，并采用LS-DYNA2D程序，用数值计算方法模拟了岩体中的节理对爆破作用的影响。张力民等[2]通过数值模拟的方法得出，节理的存在对岩体的破坏模式起到了关键性的控制作用。文献[3]分别对不同类型裂隙与应力波的相互作用进行讨论，并得到了有益的结论。文献[4-5]运用试验和分形方法研究应力波穿越岩石节理时能量耗散的规律。张秀丽[6]等人采用数值模拟和模拟现场试验得出，爆炸产生的应力波在节理岩体中传播、衰减的规律，模拟结果与现场试验结果比较吻合。

翠华山隧道坐落于西安市长安区，为穿越翠华山的单线越岭隧道，全长11.2km，隧道通过区通过地区地质条件非常复杂，山高坡陡，基岩外露，节理裂隙发育。本文借助LS-DYNA有限元分析软件，建立三维数值模型，分别从振速、能量和强度等方面研究无节理和有节理不同长度对爆破应力波传播的影响。

1 有限元模型

1.1 数值模型选择

数值模拟时，有限元模型由炸药单元、空气单元和岩石三部分组成，为简化分析，隧道断面形式采用圆形，节理裂隙采用软岩。围岩采用8节点实体单元Solid164。岩石选用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料；炸药采用相同的装药形式，即装药段长度为0.8m，堵塞段长度为0.6m，空气段长度为0.6m，起爆位置设在药包中间。采用LS-DYNA自带的高性能炸药材料MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，状态方程为JWL状态方程；空气选用* MAT_NULL材料，状态方程为*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL。

根据圣维南原理，对于隧道开挖后围岩的应力和应变，仅在隧道周围距离洞室中心点3～5倍隧道开挖宽度的范围内存在影响。有限元模型的尺寸取为90m×90m×60m，沿隧道轴向长度为60m。模型上部边界为自由边，底部边界和左右边界施加水平约束和垂直约束。为了减小边界处爆炸波的反射影响，对模型的六个面均施加无反射边界。数值模型所涉及的单位均采用国际单位。

1.2 材料参数的选取

2 数值模拟

2.1 振速数值模拟

2.1.1 无节理裂隙

第1组测量点x方向振速图如图1所示，第2组测量点x方向振速图如图2所示。

从图3可以看到在没有节理的情况下，节点A1231和节点B1947 x方向振速无明显的差距，第1组测点振速峰值大约为4.3 cm/s。从图4可知，节点A12181和节点B1960 x方向振速无明显的差距，第2组测点振速峰值大约为1.05 cm/s。

2.1.2 竖直节理

①节理长度4m宽度15cm。节点A1231和节点B1947 x方向振速有明显的差距。无节理一侧，节点B1947的振速大约为4.3cm/s，而有节理一侧，节点A1231的振速大约为1.0cm/s。无节理一侧，节点B1960的振速大约为1.04cm/s，而有节理一侧，节点A1218的振速大约为0.4cm/s。节理的存在明显降低了爆炸应力波的传播速度，一定程度上影响了爆破的效果。

②节理长度10m宽度15cm。随着节理长度的增大，在有节理一侧振速越来越小，红色曲线，几乎接近于零。而无节理一侧，振速基本上没有变化。因此，爆炸应力波传播能力随着节理裂隙长度的增大。

2.2 强度分析

软弱节理裂隙用空气进行模拟，结果如图5所示。

而从图6分析，爆炸波传播到A1329测点时间大约为0.0013 s，从图7可知，爆炸波传播到A1329测点时间大约为0.0005 s。爆炸波传播到空气夹层用时多于软岩夹层，空气的强度很低，因此可知，强度越低，波的传播速度越慢。

3 结论

①节理裂隙的存在阻碍着爆炸应力波的传播，且随着节理裂隙长度的增大应力波的衰减程度越明显。因此，节理裂隙长度在一定程度上影响爆破的效果。②节理裂隙强度越低，对爆炸波的传播速度影响越大。在进行爆破工程时，应考虑到软弱节理裂隙的存在，并在原有基础上增加装药量，从而达到较理想的爆破效果，进而避免二次爆破。

参考文献：

[1]郭文章，王树仁.节理岩体爆破的破裂规律分析[J].振动与冲击，1999，18（2）：30-34.

[2]張力民，吕淑然，刘红岩.节理岩体爆破破坏模式的机理分析及数值模拟[J].金属矿山，2009（7）：16-19.

[3]崔新壮，陈士海.在裂隙岩体中传播的应力波的衰减机理[J].工程爆破，1999，5（1）：18-21.

[4]李业学，刘建锋，秦丽.应力波穿越岩石节理时能量耗散规律的实验研究[J].实验力学，2011，26（1）：85-90.

[5]鞠杨，李业学，等.节理岩石的应力波动与能量耗散[J].岩石力学与工程学报，2006，25（12）：2426-2434.