软弱夹层对爆炸应力波传播过程的影响研究_孙宁新.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 中铁十六局集团科技研发计划 中建股份科技 研发课题 中建五局科技研发课题 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 孙宁新 男硕士生 年生 通信作者 雷明锋 男博士副教授 年生 软弱夹层对爆炸应力波传播过程的影响研究 孙宁新 雷明锋 张运良 苏光明 黄国富 中南大学土木工程学院长沙 中南大学重载铁路工程结构教育部重点实验室长沙 中铁十六局集团路桥工程有限公司北京 中建隧道建设有限公司重庆 摘要针对含软弱夹层岩体爆炸应力波的传播过程采用数值模拟的方法探讨了软弱夹层厚度位置及角度对 爆炸应力波传播的影响规律研究结果表明爆炸应力波在软弱夹层界面处发生反射产生的拉伸应力波使应力波能量 在迎波面汇聚加剧该部分岩体的破坏程度随着软弱夹层厚度的增加前方岩体拉应力峰值增长作用由近迎波面岩体 向炮孔周边岩体传播拉应力峰值增长率逐渐提高同时夹层阻隔作用增强后方岩体有效应力峰值衰减加快软弱夹 层与起爆中心的间距减小使得夹层前方岩体拉应力峰值显著增长而对夹层后方岩体的阻隔作用逐渐减弱应力波能量 主要汇聚在软弱夹层的垂直方向致使岩体爆破产生的裂缝偏离水平测线方向而向软弱夹层法线方向发展研究成果可 用于指导类似地层隧道爆破施工设计 关键词爆破软弱夹层应力波传播数值模拟影响机理 中图分类号 文献标志码 天然岩体中含有大量的节理裂隙软弱夹层等结 构面致使岩体力学参数表现出高度的不连续性和各 向异性特征结构面的存在将严重阻碍爆炸应力波的 传播加剧爆炸能量的衰减因此研究岩体结构面对 爆炸应力波传播的影响规律对于合理采用破岩参数 提高爆炸能量利用率改善岩体爆破效果等具有重要 ChaoXing 的指导作用 目前节理裂隙对应力波传播影响机理的研究仍 为研究的热点和难点 特别是空间尺度较大的软 弱夹层应力波传播规律研究仍处于发展阶段敖聪 利基于波传播理论分析了软弱夹层对爆炸应力波传 播的影响指出阶跃波穿过软弱夹层后尖头波峰值会 被削弱李夕兵等采用等效波阻法得出瞬态应力波 通过软弱夹层后的透射波形式李旺兴等 对比分 析了软弱夹层存在与否及夹层不同厚度对应力波传播 的影响规律胡世丽等 基于 方程级数 解法来计算应力波的透射系数研究了子波穿过软弱 夹层时波形的变化规律及夹层的损伤程度刘传正 等 对应力波在软弱夹层内部传播过程中能量系 数的变化规律进行了理论分析田振农等 通过 实验和数值模拟方法探讨了地震波穿过软弱夹层时 的衰减特征指出夹层前后岩体中爆炸波的振动速度 峰值具有量级上的差别以上综述可见现有研究成 果多集中于应力波在软弱夹层介质折反射规律的研 究而少有对软弱夹层内部应力响应及破坏效果的分 析同时仅就厚度这一几何特征进行研究缺乏对其他 几何特征的考量 有鉴于此本文采用 程序对含 软弱夹层岩体爆破动态过程进行数值模拟从岩体的 力学响应及爆破效果两方面探讨软弱夹层不同几何特 征厚度位置角度对爆炸应力波传播的影响规律 以期弥补现有研究的不足 爆炸应力波 爆炸应力波的传播与衰减 装药在岩体或其他固体介质中所激起应力扰动的 传播称为爆炸应力波爆炸应力波面在距爆源不同距 离区域分别表现为冲击波压缩波和地震波如图 所示在爆源近区 倍装药半径作用的冲击波 具有陡峭波头并以超声速进行传播波阵面上的状态 参数发生突跃变化传播过程中能量损失大衰减快 随着传播距离增大冲击波衰减为压缩波波阵面上的 介质参数变化趋于平稳并以岩石中的声速传播能量 装药半径 应力增至峰值的上升时间 峰值应力下降至零时的下降时间 图岩体中爆炸应力波的传播 损失速率减缓是爆破过程的主要作用区压缩波对 介质连续做功能量进一步消耗逐渐衰减为具有周期 性震动的地震波其应力衰减与距离成线性关系作用 范围大只能引起介质的弹性振动而无直接破坏作用 爆炸应力波的透射与反射 爆炸应力波在传播过程中遇到岩体中的节理面 层理面断层面和自由面等分界面或者介质性质发生 变化将会在岩体界面发生透射与反射应力波的一 部分在界面处反射继续在原介质中传播另一部分则 透射穿过界面进入第二种介质根据入射角度的不同 将应力波的反射区分为两种情况应力波的垂直入射 和应力波的倾斜入射由于应力波倾斜入射时的情况 十分复杂入射波不论是纵波还是横波经过交界面透 反射后都会再度产生纵波和横波因此此处只讨论 应力波垂直入射的情况 应力波从交界面垂直入射如图所示图中 分别为介质介质的密度 分别为介质 介质的纵波波速 分别为介质介质的 波阻抗 入反透射波应力 入反透射波速度 图应力波垂直入射交界面示意图 设介质与介质的交界面为 则当应力波垂 直入射 时会产生垂直反射与透射且交界面处应 力波满足连续性要求则有质点的振动速度满足 同时交界面的作用力与反作用力相等即交界面 两侧的应力状态相等则 若传播中的应力波为纵波那么根据 可得 将式代入式得 联立式与式解得 第期孙宁新等软弱夹层对爆炸应力波传播过程的影响研究 ChaoXing 式和式表明反透射应力波的大小是交 界面两侧介质波阻抗的函数且有 当 时则 此时入射 应力波通过界面时不发生反射并完全透射进介质应 力波能量无损耗 当 时则 表明在交界 面上同时存在反透射压缩波 当 时则 表明在交界 面处同时存在透射压缩波反射拉伸波 当 时即交界面 为与空气接触的 自由面介质为空气则 表明入射 应力波全部反射成拉伸波无透射波 数值模拟 材料模型及参数 采用空气不耦合装药结构模型单元定义为 岩石采用 算法炸药及空气采用 算法岩石炸药空气之间定义流固耦合以克服 材料流动造成有限元网格严重畸变的问题 岩体及软弱夹层使用关键字段 定义为与应变率无关的双线性随动硬 化本构并增加关键字段 来 实现岩体材料的破坏及失效其参数取值如表 所示 表岩体和软弱夹层物理力学参数 参数砂岩炭质板岩 密度 弹性模量 泊松比 抗压强度 抗拉强度 塑性硬化模量 炸药选用隧道爆破中常用的号岩石乳化炸药 使用 来模拟炸药的 爆炸过程 来定义爆炸过程中压力和体积 应变的关系 空气的压力变化采用线性多项式状态方程 进行模拟 式中 为常数 为泊松比 为空气内能与 初始体积之比 炸药及空气的参数取值见表和表 表号岩石乳化炸药材料参数 密度 爆速 表空气材料参数 密度 几何模型及网格划分 软弱夹层的几何特征可由夹层本身的厚度软弱 夹层中心线与测线的交点到炮孔中心的距离位 置软弱夹层中心线与测线的夹角来表征如图 所示 图软弱夹层与炮孔相互关系图 本文旨在研究软弱夹层对爆炸应力波传播过程的 影响机理故岩体采用单孔爆破模型尺寸为 炮孔设置在模型中心位置直径为 药 卷直径为 径向不耦合系数为 设置中心起 爆如图所示 图含软弱夹层岩体爆破几何模型 考虑到模型的对称性及炸药尺寸相对于整个模型 尺寸较小作为准二维问题的一种近似采用薄板模 型来简化计算模型网格采用映射式划分整体网格 尺寸控制为 炮孔部分网格加密划分整个模型 划分有 个单元 个节点模型四周施加 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 法向约束及无反射边界条件有限元模型如图所示 图有限元计算模型网格图 计算工况 本文将通过改变前述三个特征参数的取值探究 软弱夹层不同几何特征对爆炸应力波传播的影响规 律据此共进行三组数值模拟每组仅改变一个参数 取值同时将在测线上选取个单元作为测点来观 察夹层前后岩体的应力响应表给出了三个参数对 应计算工况的有限元模型及测点布置情况研究厚度 的影响时另取 作为工况五 结果分析 根据前期计算分析发现软弱夹层的存在使得应力 波在夹层界面处发生反射应力波能量向迎波面汇聚炮 孔与界面之间岩体的最大主拉应力显著提升而有效应 力无明显变化同时由于软弱夹层的阻隔作用加剧应 力波能量衰减使得夹层后方岩体有效应力峰值明显降 低故本章将以最大主拉应力来评价夹层前方岩体应力 波的反射增强效果以有效应力来评价夹层后方岩体的 应力波衰减效果并从应力波的传播和爆生气体的楔入 两方面简要分析爆破破坏效果的形成机理 表各计算工况模型信息 因素测点布置 计算工况 工况一工况二工况三工况四 厚度 距离 夹角 夹层厚度对应力波传播的影响 有效应力场分析 图给出了各工况起爆后 时的有效应 力场分布可以看出 无软弱夹层时工况五应力波以柱形波向 岩体四周传播随传播距离的增加应力波强度整体衰 减岩体内出现压缩波和稀疏波间隔分布的结果 软弱夹层存在时应力波在夹层界面处发生透 图不同厚度条件下有效应力分布云图 第期孙宁新等软弱夹层对爆炸应力波传播过程的影响研究 ChaoXing 射与反射应力波穿过夹层后强度明显下降同时反 射拉伸波的产生使得应力波能量在夹层迎波面汇聚 软弱夹层对应力波的阻隔作用随夹层厚度的 增加而增强应力波传播速度减缓夹层后方岩体达到 有效应力峰值的时间推迟同时应力波强度衰减加 快有效应力峰值削弱 应力分析 根据所选取测点单元的应力时程曲线得到不同工 况各测点的应力峰值图分别给出了夹层前方岩体 测点单元拉应力峰值后方岩体测点单元有效应力峰 值与传播距离的关系曲线 由图 分析可知爆炸应力波在完整岩体 中传播时最大主拉应力随着传播距离的增加而逐渐 衰减软弱夹层的存在使应力波在迎波面发生反射并 产生拉伸应力波使夹层前方岩体的最大主拉应力增 长且越靠近软弱夹层增长越明显反射拉伸应力波 的强度随软弱夹层厚度的增加而增强测点拉应力峰 值的增幅逐渐提高增长速率加快 由图分析可知爆炸应力波在完整岩体中 传播时有效应力随着传播距离的增加而近似呈线性衰 减软弱夹层所引起的反射与透射造成应力波能量的 损失使得夹层后方岩体应力波强度出现显著衰减 图不同厚度条件下应力峰值曲线 定义相邻两个测点单元有效应力峰值的降低值与 两测点单元间距离的比值为该测段的衰减率则同一 厚度条件下全部测段的衰减率平均值认为是软弱夹 层在该厚度条件下的平均衰减率以软弱夹层厚度 为自变量对测点 有效应力峰值平均衰减率进行 曲线拟合如图所示 图有效应力峰值平均衰减率拟合曲线 拟合方程式为 由图可知随着软弱夹层厚度的增加应力 波能量损失加剧夹层后方岩体中测点的有效应力峰 值衰减率升高当软弱夹层厚度超过 后衰减 率趋于平稳最终软弱夹层厚度在 时衰减率达 到最大值 爆破效果 根据哈努卡耶夫的研究岩体爆破中压碎区岩 体受压破坏裂隙区岩体受拉破坏埋入岩体中的炸药 爆炸后形成的压碎圈半径约为装药半径的 倍裂 隙圈半径约为装药半径的 倍据此可以认为本 文所取计算工况中软弱夹层及夹层后方岩体的破坏均 受其抗拉强度的控制即发生受拉破坏图给出了五 种工况下岩体的爆破破坏效果从中分析可知 图不同厚度条件下岩体爆破效果 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 完整岩体爆生裂缝能自由扩展爆破效果呈 现一定的对称性软弱夹层的存在使应力波能量在迎 波面汇聚该区域的最大主拉应力显著提高导致迎波 面附近岩体破坏加剧 由于夹层对应力波的阻隔作用以及爆生气体 沿着软弱夹层高速侵入造成夹层岩体发生破坏并 引起能量的损失致使工况一工况四条件下夹层后 方岩体的拉应力均小于其动态抗拉强度而无法发生 破坏 夹层位置对应力波传播的影响 有效应力场分析 四种工况条件下 时岩体内有效应力场 分布如图所示 图不同位置条件下有效应力分布云图 分析可见 炸药起爆后应力波以柱形波向岩体四周传 播随着爆炸反应完成应力波强度整体衰减岩体内 压缩波和稀疏波间隔分布由于软弱夹层的阻隔作 用夹层后方岩体应力波近似成椭圆形分布 爆炸应力波在软弱夹层界面处发生反射并产 生反射拉伸应力波使得应力波能量在迎波面附近汇 聚软弱夹层与起爆中心的间距越小应力波能量 越集中致使迎波面附近岩体有效应力场强度显著 提升 应力分析 夹层前方岩体 测点拉应力峰值曲线如 图 所示拉伸应力波的产生使得应力波能量在 迎波面处汇聚该区域的拉应力峰值显著提高工况 三与工况四拉应力峰值曲线形态相似呈现持续递减 状态工况二中的测点和测点较工况四对应测 点分别增长 和 而工况一中的和 测点较工况四对应测点分别增长 和 可见随着软弱夹层与起爆中心的间距变小 越靠近迎波面的测点拉应力峰值提升越快且该提升 作用逐渐由测点向测点扩展 由图分析可知爆炸应力波穿过软弱夹 层向后方岩体传播时随着传播距离的增加有效应力 峰值呈线性衰减工况一工况四测点有效应力峰 值依次为 和 可见随着间距的增加测点有效应力峰值衰减加剧 软弱夹层对应力波的阻隔作用变大工况一工况四 和测点有效应力峰值差值逐渐减小表明随着 应力波传播距离的增加夹层与起爆点间距的变化对 应力波传播的影响作用逐渐减弱 图不同位置条件下应力峰值曲线 爆破效果 如图所示当软弱夹层与起爆中心间距较大 时软弱夹层前方岩体的爆生裂缝较为稀疏而软弱夹 层与起爆中心间距较小时软弱夹层前方岩体的爆生 裂缝较为密集且增强了炮孔左侧裂缝的扩展由于夹 层对应力波的阻隔作用以及爆生气体对软弱夹层的楔 入作用造成夹层岩体的破坏并引起能量的损失导致 四种工况条件下夹层后方岩体的拉应力均小于其动态 抗拉强度而无法发生破坏随着软弱夹层与起爆中心 的间距减小应力波能量在迎波面聚集作用加强使得 该区域的最大主拉应力显著提高最终导致软弱夹层 前方岩体破坏程度加剧 第期孙宁新等软弱夹层对爆炸应力波传播过程的影响研究 ChaoXing 图不同位置条件下岩体爆破效果 夹层角度对应力波传播的影响 有效应力场分析 应力波能量主要在软弱夹层法线方向上汇聚见 图且随着软弱夹层与水平测线的夹角变小炮 孔周边岩体有效应力峰值显著提高分析原因主要是 夹角的变小导致炮孔到软弱夹层界面的垂直距离减 小从而使得炮孔周边有效应力场得到加强有效应力 峰提高 图不同角度条件下有效应力分布云图 应力分析 随着软弱夹层与水平测线的夹角变小测 点拉应力峰值变大测线方向上的应力波由正入射转 化为斜入射当夹角为和时测点拉应力峰值 分别为 和 较正入射相同位置测 点拉应力峰值分别增长和分析原因主要 是夹角的变小使得起爆中心到软弱夹层界面的垂直 距离 减小且应力波能量主要在软弱夹层 的法线方向汇聚由于工况一和工况二中和测 点受软弱夹层法线方向的反射拉伸应力波影响相对较 大故其有效应力峰值较工况三工况四衰减较慢且 衰减速率与角度成反比 如图所示软弱夹层与水平测线夹角 分别为 和时软弱夹层后方测点的有效 应力峰值依次为 和 较 夹角为时测点有效应力峰值分别衰减 和 可见软弱夹层与水平测线夹角越 小软弱夹层对应力波阻隔作用越大同时可以看出随 着传播距离的增加角度的变化对应力波传播的影响 作用逐渐减弱 图不同角度条件下应力峰值曲线 爆破效果 四种工况所对应的岩体爆破破坏效果如图所 示由于软弱夹层的垂向对爆炸应力波反射最有利 且在该方向上起爆中心与软弱夹层距离最近所受的 应力波强度最大故岩体爆破产生的裂缝主要沿垂直 于软弱夹层的方向发展夹层对应力波的阻隔作用 以及爆生气体向夹层内高速侵入时的楔入作用造 成夹层岩体的破坏并引起能量的损失导致四种工 况条件下夹层后方岩体的拉应力均小于其动态抗拉 强度而无法发生破坏假定测线为隧道光面爆破 周边眼的炮孔连心线则软弱夹层的存在将对隧道 爆破成型效果产生影响软弱夹层与炮孔连心线夹 角变小时爆生裂缝将偏离炮孔连心线方向而向软 弱夹层法线方向扩展在进行爆破方案设计时应加 以考虑 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 图不同角度条件下岩体爆破效果 结论 爆炸应力波在软弱夹层界面处发生反射产 生的拉伸应力波使应力波能量在迎波面处汇聚该区 域的最大主拉应力显著提高加剧该部分岩体的破坏 程度 随着软弱夹层厚度的增加夹层前方岩体拉 应力峰值增长作用由近迎波面岩体向炮孔周边岩体传 播拉应力峰值增长率逐渐提高软弱夹层的阻隔作 用随厚度增加而增强夹层后方岩体有效应力峰值衰 减加快 软弱夹层与起爆中心的间距减小使迎波面附 近汇聚的应力波能量逐渐增强岩体拉应力峰值显著 增长且该增长作用由迎波面向炮孔方向扩展同时 间距越小对夹层后方岩体的阻隔作用越弱 应力波能量主要汇聚在软弱夹层的垂直方 向使得测线上靠近炮孔测点的拉应力峰值显著提 高而靠近软弱夹层的测点拉应力峰值迅速衰减岩体 爆破产生的裂缝偏离水平测线方向而向软弱夹层法 线方向发展同时软弱夹层与水平测线的夹角越 小对应力波的阻隔作用越强 参 考 文 献 李坤王卫华严哲等节理形貌对应力波传播影响的 试验研究 世界科技研究与发展 魏晨慧朱万成白羽等不同地应力条件下含节理岩 体爆破的数值模拟 工程科学学报