預(yù)埋PVC管炮孔影響爆破效果淺析

李迎軍，張學(xué)禎，宋華

(1.廣東爆破工程有限公司，廣東廣州 510660;2.中國建筑材料工業(yè)建設(shè)西安工程有限公司，陜西西安 710000; 3.武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070)

預(yù)埋PVC管炮孔影響爆破效果淺析

李迎軍1，張學(xué)禎2，宋華3

(1.廣東爆破工程有限公司，廣東廣州 510660;2.中國建筑材料工業(yè)建設(shè)西安工程有限公司，陜西西安 710000; 3.武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070)

在拆除爆破施工工程中，利用預(yù)埋PVC管作為爆破拆除的炮孔，可以有效的節(jié)約鉆孔時(shí)間及成本，但其爆破效果并不能滿足預(yù)期效果。針對該問題，根據(jù)炸藥在PVC管中應(yīng)力波的傳播規(guī)律，對PVC管弱化爆破效果進(jìn)行理論分析，掌握管壁材料波阻抗對孔壁初始壓力的影響。利用數(shù)值模擬軟件ANSYS/LS－DYNA及現(xiàn)場試驗(yàn)，將鉆孔和PVC管爆破過程進(jìn)行對比研究，得出使用PVC管時(shí)需要額外消耗約10%的炸藥，因此根據(jù)不斷的現(xiàn)場試驗(yàn)，確定使用PVC管時(shí)需要增加單孔藥量為50g左右。

拆除爆破;預(yù)留炮孔;PVC管;數(shù)值模擬;爆破效果

1 引言

在一些鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)拆除爆破中，部分項(xiàng)目由于施工時(shí)間緊，工期短，為了節(jié)省爆破鉆孔時(shí)間，利用澆筑C30混凝土支撐梁時(shí)預(yù)埋的PVC管作為爆破拆除時(shí)的炮孔，此種施工方法能夠有效的節(jié)約鉆孔時(shí)間和鉆孔成本，其炮孔質(zhì)量和定位也相對較好［1］。但是在施工中發(fā)現(xiàn)，同樣的孔網(wǎng)參數(shù)和裝藥量，PVC管預(yù)埋炮孔和普通鉆孔爆破效果差距較大，普通鉆孔基本上能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的爆破效果，而PVC管炮孔則多數(shù)不能實(shí)現(xiàn)破碎要求，甚至部分梁體爆破后仍能保持穩(wěn)定。

并且由于PVC管由乙烯基的聚合物質(zhì)制成，具有不易燃、高強(qiáng)度、耐高溫，以及優(yōu)良的幾何穩(wěn)定性［2］，炸藥爆炸瞬時(shí)PVC管并未如預(yù)計(jì)一樣被高溫破壞，在爆破后爆堆中仍能找到許多PVC管的殘片，如圖1中圈注中物體所示。因此針對PVC管對爆破產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，為拆除爆破施工工藝的改進(jìn)提供參考。

圖1 爆破后PVC管殘片

2 PVC管材對爆破效果弱化原理分析

由于拆除爆破臨空面較多，爆破效果大部分來源于應(yīng)力波到達(dá)臨空面時(shí)反射拉伸作用。當(dāng)爆炸氣體形成沖擊波作用于孔壁，在孔壁上產(chǎn)生巨大壓力的同時(shí)，在巖體內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力波。對于任意不同裝藥結(jié)構(gòu)方式，爆轟氣體對較為堅(jiān)硬致密的高阻抗巖石，孔壁沖擊壓力值較高，而對松散軟弱的低阻抗巖石，孔壁沖擊壓力值較低［3］。而PVC管材料作為孔壁與混凝土緊密相連，相當(dāng)于改變了混凝土表面性質(zhì)，改變了孔壁入射壓力;并且爆轟沖擊產(chǎn)生的應(yīng)力壓縮波在穿過管壁與混凝土交界面時(shí)，因界面兩側(cè)材質(zhì)的波阻抗不同而發(fā)生折射，減弱了應(yīng)力波。此外，由于PVC管材是非脆性材料，有著較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，爆轟氣體在對孔壁進(jìn)行破壞時(shí)，管壁的抗拉能力對爆轟氣體也有一定的抵消作用。因此，根據(jù)爆破應(yīng)力波傳播規(guī)律分析可知PVC管材對爆破效果具有弱化作用。

3 PVC管材對爆破效果影響程度計(jì)算

3.1管壁材料波阻抗對孔壁初始壓力的影響

根據(jù)卷裝乳化炸藥直徑為32mm，炮孔直徑(包括直接鉆孔和PVC管材預(yù)埋孔)為40mm，因此炸藥與孔壁間存在少量空氣，炸藥爆炸后首先在空氣間隙中產(chǎn)生空氣沖擊波，空氣沖擊波沖撞孔壁產(chǎn)生孔壁壓力［4］，因此可以采用公式(1)計(jì)算該入射壓力:

式中:ρa(bǔ)是空氣密度，是孔壁處某點(diǎn)空氣沖擊波的波速，與裝藥不耦合系數(shù)和爆轟產(chǎn)物的擴(kuò)散速度有關(guān);k—=1.17～1.25是間隙內(nèi)空氣平均絕熱指數(shù);n為因碰撞而引起的壓力增大的倍數(shù)，n=0～20，其具體取值取決于入射空氣沖擊波的壓力［3］。

由于兩種炮孔的裝藥量和結(jié)構(gòu)相同，從公式(1)中可以看出兩種炮孔內(nèi)爆轟氣體對孔壁的入射壓力是相同的。由于兩種炮孔孔壁材質(zhì)存在差異，空氣沖擊波在兩種孔壁上產(chǎn)生的應(yīng)力波不同，但是沖擊過程都遵守動量守恒，能量守恒，可近似地用彈性理論求解出孔壁上產(chǎn)生的初始壓力，表達(dá)式如下:

式中:ρmCp孔壁材料的波阻抗，ρa(bǔ)Da空氣的沖擊阻抗。從公式及分析可以看出，兩種孔壁材質(zhì)的波阻抗決定了孔壁上的初始壓力。

3.2孔壁壓力作用數(shù)值模擬

由于爆轟氣體沖擊孔壁后，初始入射壓力在孔壁內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力壓縮，對爆破體是一個動態(tài)加載的過程，在這個過程中，PVC管既影響孔壁的初始壓力，又影響應(yīng)力波的傳播和透射，其自身強(qiáng)度也對爆轟氣體產(chǎn)生一定的固封作用，為了更準(zhǔn)確分析這些作用，采用數(shù)值模擬軟件ANSYS/LS－DYNA對該過程進(jìn)行模擬，建立模型如圖2所示。由于不考慮端面效應(yīng)，可將問題簡化為平面應(yīng)變問題，因此只需選取炮孔柱狀體的1/4橫截面建立幾何模型。

圖2 ANSYS炮孔柱狀體模型圖

選擇PLANE162顯示動力學(xué)分析單元，炸藥選用普通炸藥模型和JWL狀態(tài)方程，PVC管選擇steinberg材料模型和gruneisen方程，PVC管及C30混凝土材料屬性如表1所示。

表1 數(shù)值模擬材料屬性表

圖3 有PVC管(左)和無PVC管(右)爆炸后壓力等值云圖

利用LS－DYNA對有PVC管和無PVC管的爆炸過程進(jìn)行模擬，得出爆炸后壓力等值云圖，如圖3所示。經(jīng)過對比可以發(fā)現(xiàn)相比鉆孔爆破，在相同狀態(tài)下使用PVC管爆炸后壓力略小，能量會存在部分損失，爆炸后破碎效果略差，影響整體爆破效果。

4 工程實(shí)例

以廣州市體育西路的人防工程基坑支撐梁拆除項(xiàng)目為工程實(shí)例，針對其結(jié)構(gòu)及其爆破參數(shù)作為分析對象，選取主支撐梁上的相同結(jié)構(gòu)，使用相同孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)和炸藥，將鉆孔及PVC管兩種炮孔進(jìn)行爆破比較。主要爆破參數(shù)如表2所示。

表2 主要爆破參數(shù)表

兩種炮孔爆破效果如圖所示。根據(jù)兩種不同方法的爆破效果，可以清晰看出預(yù)埋PVC管炮孔爆破后，主支撐梁內(nèi)殘存大量混凝土未解體，爆破效果較差。經(jīng)過對比可以可以判斷PVC管材是影響不同爆破效果的主要因素。

5 結(jié)論

經(jīng)過理論分析，根據(jù)爆破應(yīng)力波傳播規(guī)律可以得出，PVC管材對爆破效果具有弱化效果，并且管壁材料波阻抗對孔壁初始壓力的具有一定影響。根據(jù)數(shù)值模擬軟件ANSYS/LS－DYNA計(jì)算的結(jié)果表明，PVC管材的存在需要消耗約10%的炸藥，即在該工地PVC預(yù)埋炮孔裝藥中每孔需要增加25g炸藥才能達(dá)到原爆破要求。但由于實(shí)際施工時(shí)藥包加工和孔距略有誤差，以及目測破碎程度等因素，在實(shí)際施工中采用逐步少量增加裝藥的方法，在達(dá)到設(shè)計(jì)爆破效果要求時(shí)實(shí)際增加的單孔藥量為50g左右，為類似爆破工程提供借鑒。

［1］潘明亮，段寶福.大斷面隧道光面爆破技術(shù)的改進(jìn)與應(yīng)用［J］.有色金屬(礦山部分)，2011，63(2):69－72.

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［3］朱子良.炮孔空氣不耦合裝藥爆破的孔壁沖擊壓力初探［J］.煤礦爆破，2004，66(3):5－7.

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Research on the Blasting Effect Influenced by PVC Tubes Embedded in the Blasting Holes

LI Ying－jun1，ZHANG Xue－zhen2，SONG Hua3
(1.Guangdong Blasting Engineering Co.Ltd，Guangzhou，Guangdong 510660，China; 2.China Building Materials Industrial Construction Xi＇an Engineering Co Ltd，Xi＇an，Shanxi 710000，China; 3.Wuhan University of Technology，Wuhan，Hubei 430070，China)

In the construction work of demolition blasting，PVC tubes are used as blasting holes.It can save drilling time and cost effectively，but the blasting effect can not reach the expected effect.Aiming at this problem and according to the spread law of explosive stress－wave in PVC tube，blasting effect reduced by PVC tube is analyzed though theory.Initial stress of blasting hole wall is influenced by wave impedance of tube wall material.Numerical simulation named ANSYS/LS－DYNA and blasting tests are used，blasting of drilling hole and PVC tube are compared to study.About 10%extra explosive is needed in PVC tube.So according to continuous tests，additional explosive per blasting hole is about 50 g.It can provide references to similar blasting project.

demolition blasting;reserved blasting hole;PVC tube，numerical simulation;blasting effect

TU746.5

:A

:1009－3842(2012)04－0033－03

2012－06－05

李迎軍(1982－)，男，山西平陸人，工程師，主要從事爆破工程工作。E－mail:39167084@qq.com