基于3DEC的節(jié)理裂隙巖體爆破傳播規(guī)律的研究

代青松，李 鴻，余紅兵

（貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司， 貴州貴陽(yáng) 550002）

基于3DEC的節(jié)理裂隙巖體爆破傳播規(guī)律的研究

代青松，李 鴻，余紅兵

（貴州新聯(lián)爆破工程集團(tuán)有限公司， 貴州貴陽(yáng) 550002）

摘 要：根據(jù)結(jié)構(gòu)面的能流關(guān)系，研究了地震波穿越結(jié)構(gòu)面的能量消耗。基于遵義某臺(tái)階爆破開(kāi)挖實(shí)例，利用了3DEC離散元數(shù)值模擬軟件計(jì)算了不同節(jié)理裂隙工況下的爆破應(yīng)力波傳播規(guī)律，并分析了爆破過(guò)程中最小主應(yīng)力的變化過(guò)程。模擬結(jié)果表明：爆破沖擊波的傳播衰減強(qiáng)度與巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育程度相關(guān)，裂隙越密集，應(yīng)力波衰減越快，裂隙成相交狀態(tài)時(shí)，同一位置處爆破作用力越小，巖體不易破壞。

關(guān)鍵詞：節(jié)理裂隙；爆炸應(yīng)力波；最小主應(yīng)力；3DEC

0 前 言

巖體中的節(jié)理裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面由于發(fā)育條件的不同可分為平行裂隙和交叉裂隙，不同節(jié)理裂隙類(lèi)型對(duì)爆炸應(yīng)力波傳播規(guī)律的影響也不盡相同。宋全杰等［1-2］指出層理的存在對(duì)爆破震動(dòng)傳播規(guī)律的影響比較明顯，認(rèn)為爆破震動(dòng)衰減指數(shù)隨測(cè)爆連線(xiàn)與層理走向夾角增大而增大。周劍、謝冰［3-4］等采用UDEC和DYNA研究了不同工況下節(jié)理裂隙對(duì)邊坡動(dòng)力響應(yīng)的研究，并指出水平層面對(duì)爆破地震波傳播規(guī)律的影響較大。褚懷保，楊小林［5］等研究了爆炸應(yīng)力波的傳播特性，指出爆炸應(yīng)力波的衰減特性。然而，天然巖體其內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育在空間上往往隨機(jī)分布，以往的研究中忽視了巖體中不同類(lèi)型節(jié)理裂隙對(duì)爆破地震波傳播的不同影響，導(dǎo)致所得的爆破效果預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際大不一樣。本文結(jié)合遵義市某臺(tái)階控制爆破工程，采用離散元軟件3DEC研究節(jié)理裂隙巖體的爆破機(jī)理，分析不同裂隙類(lèi)型工況條件下爆炸應(yīng)力波的傳播規(guī)律。

1 爆炸應(yīng)力波在裂隙巖體中的傳播

巖體是由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩部分組成的，結(jié)構(gòu)體被不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)面在空間按不同組合切割劃分而成，結(jié)構(gòu)面包括層面、沉積面斷面、斷層以及節(jié)理，也稱(chēng)不連續(xù)面。結(jié)構(gòu)面對(duì)應(yīng)力波的反射、折射作用在爆破沖擊波的傳播過(guò)程中影響很大。研究表明，由于爆炸應(yīng)力波在節(jié)理裂隙位置處的反射、透射過(guò)程中要消耗更多的能量，可以認(rèn)為波在節(jié)理巖體中的傳播的衰減速度較在連續(xù)介質(zhì)中更快，主要體現(xiàn)在透射波振幅的降低和過(guò)濾高頻波兩個(gè)方面。

1.1結(jié)構(gòu)面的能流關(guān)系

假設(shè)爆炸應(yīng)力波入射到單位面積結(jié)構(gòu)面上的能流為E-P1，則：

根據(jù)爆炸應(yīng)力波穿越結(jié)構(gòu)面的透、反射系數(shù)，再聯(lián)立上述方程，可計(jì)算出結(jié)構(gòu)面上的能流分布。

1.2爆炸應(yīng)力波穿越結(jié)構(gòu)面的能量消耗

對(duì)于完全粘結(jié)的交界面即結(jié)構(gòu)面間沒(méi)有摩擦的情況，無(wú)論應(yīng)力波以何種角度穿越結(jié)構(gòu)面，均不會(huì)引起結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖體的相對(duì)滑移，導(dǎo)致其能量發(fā)生耗損。根據(jù)能量守恒定理，應(yīng)力波的入射能流恒等于穿越結(jié)構(gòu)面的反射能流加上透射能流。

但是對(duì)于非完全粘結(jié)的交界面即結(jié)構(gòu)面間有摩擦的情況，當(dāng)應(yīng)力波斜入射時(shí)，主要的影響有以下兩個(gè)方面：

（1）當(dāng)巖體所受的剪應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)面兩側(cè)的巖塊沒(méi)有足夠能量產(chǎn)生相對(duì)滑移，即不會(huì)對(duì)應(yīng)力波產(chǎn)生其他的能量損耗，對(duì)應(yīng)力波的投射、反射關(guān)系可按照完全粘結(jié)交界面進(jìn)行處理；

（2）當(dāng)巖體所受的剪應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)面兩側(cè)的巖塊會(huì)在能量剪應(yīng)力的作用下發(fā)生相對(duì)滑移，而剪應(yīng)力是由應(yīng)力波的能量損耗產(chǎn)生，此時(shí)，結(jié)構(gòu)面消耗的能量可以通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

2 離散元數(shù)值模擬

2.1模型的建立

遵義某臺(tái)階爆破工程場(chǎng)區(qū)以石灰?guī)r和粘土為主，中微風(fēng)化。巖層產(chǎn)狀與構(gòu)造線(xiàn)一致，區(qū)內(nèi)構(gòu)造形式以節(jié)理裂隙為主，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，區(qū)域地塊穩(wěn)定性較好。

根據(jù)離散元爆破模擬相關(guān)研究，結(jié)合工程實(shí)例工況條件，確定離散元模型寬度為10m，臺(tái)階高度10m，邊坡角度60°，坡腳距離邊界3m，并劃分網(wǎng)格，如圖1所示。巖石材料參數(shù)見(jiàn)表1［6-7］。

2.2求解模型的建立

2.2.1運(yùn)算輸入

（1）動(dòng)力荷載。由于軟件限制，3DEC軟件不能直接輸入炸藥參數(shù)模擬爆破過(guò)程，只能通過(guò)時(shí)程曲線(xiàn)函數(shù)的代入來(lái)等效模擬，采集現(xiàn)場(chǎng)爆破過(guò)程中炮孔位置附近的測(cè)振數(shù)據(jù)，并將3個(gè)方向上的速度變化值轉(zhuǎn)變?yōu)?DEC可以處理的文件，導(dǎo)入軟件后以爆破震動(dòng)速度和頻率來(lái)施加動(dòng)力荷載，以此來(lái)模擬爆破作用下下爆炸應(yīng)力波在不同類(lèi)型裂隙巖體中的傳播規(guī)律。

（2）阻尼參數(shù)。巖體阻尼是爆破應(yīng)力波在巖體介質(zhì)中傳播的重要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)，3DEC軟件中Rayleigh阻尼一般需要輸入兩個(gè)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即ωmin和ξmin。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和相關(guān)研究，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地中，ωmin=10 rad/s，ξmin=1［8］。

（3）邊界條件。在處理動(dòng)力學(xué)問(wèn)題過(guò)程中，數(shù)值模擬軟件一般將模型邊界條件設(shè)置為粘滯邊界（即無(wú)反射邊界），保證應(yīng)力波在邊界上傳播過(guò)程中不會(huì)發(fā)生全部反射的情況，通過(guò)吸收邊界反射的能量以此來(lái)模擬無(wú)限域，是模擬爆破過(guò)程中數(shù)值模型的一貫做法。此次數(shù)值模擬模型除了將坡面和向上的邊界設(shè)置為自由面外，模型底部，左右側(cè)以及后側(cè)均設(shè)置為粘滯邊界。

圖1　無(wú)節(jié)理裂隙體離散元模型及網(wǎng)格劃分

表1　巖石材料基本力學(xué)特性

2.2.2求解模型

節(jié)理的幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)直接影響著巖體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，主要參數(shù)包括節(jié)理的走向、傾向、傾角、位置、節(jié)理厚度、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、法向剛度、剪切強(qiáng)度等。模擬中需要用到的參數(shù)如表2所示。

表2　巖石節(jié)理基本力學(xué)特性

用三維離散元模擬爆炸應(yīng)力波在裂隙巖體中的傳播過(guò)程，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了防止爆破過(guò)程中網(wǎng)格產(chǎn)生畸變，一般將網(wǎng)格劃分為六面體，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5m，然后輸入動(dòng)荷載，如圖2給出4種模型在動(dòng)力荷載下的最小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分布云圖，從圖中可以看出巖體中存在拉應(yīng)力，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明（圖中拉正壓負(fù)）：

（1）邊坡爆破中的應(yīng)力波傳播分布不均勻，應(yīng)力波傳播方向主要朝向自由面和沿節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面方向傳播；

（2）同完整模型模擬結(jié)果相比較，兩條平行裂隙將應(yīng)力區(qū)域劃分成三部分，相交裂隙的應(yīng)力區(qū)域分散更明顯；

（3）當(dāng)有裂隙存在時(shí)，最小主應(yīng)力降低的較快。兩條平行裂隙以及裂隙成相交狀態(tài)時(shí)，最小主應(yīng)力幅值分別降低20%和30%；

（4）巖體中裂隙數(shù)量決定了應(yīng)力波衰減的快慢程度，兩條相交節(jié)理裂隙與平行裂隙相比，炮孔中心拉應(yīng)力更小，表明此種工況下巖體更不易被爆破作用破碎。

圖2　不同節(jié)理分布工況下的離散元模擬最小主應(yīng)力分布

3 結(jié) 論

通過(guò)3DEC軟件對(duì)無(wú)節(jié)理、一條傾斜節(jié)理、兩條平行節(jié)理、兩條交叉節(jié)理4種工況下的裂隙巖體中深孔爆破進(jìn)行了離散元數(shù)值模擬.模擬結(jié)果表明，節(jié)理裂隙對(duì)于爆炸應(yīng)力波的傳播與衰減有顯著影響，并取決于巖體中節(jié)理裂隙的密集程度和產(chǎn)狀分布，節(jié)理裂隙越發(fā)育，節(jié)理裂隙越錯(cuò)綜復(fù)雜，應(yīng)力波的衰減速度也越快。

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收稿日期：（2016-02-17）

作者簡(jiǎn)介：代青松（1974-），男，高級(jí)工程師，主要從事爆破工程方向研究，Email：602574716@qq.com。